控制器的功能及组成概述 指令的执行流程 时序产生电路 组合

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16
运算器
4275
C Z V S


商 寄

ALU +
43207451 1234 6688
寄存器组
R9
数据总线
地址总线
2000
00000011
0790
8800
2007
8309
8280
2007
8F00 xxxx
PC
程序 计数器
22000001
控制器
控制 存储器
主振 脉冲
微程序 定序器
映射
操作数 地址
8086和8088:12个时钟周期; 80286和80386:4.5个时钟周期; 80486:2个时钟周期; Pentium:具有双指令流水线,每个时钟周 期可执行1-2条指令; Pentium pro、PentiumⅡ/Ⅲ :每个时钟周期 可执行3条或更多指令;
11
3.外部工作频率:它是主板为CPU提供的基准时钟 频率。
接口
AR PC PC PC+1
8280
输入/出设备 读内存,IR 读出内容
2007
8F00 xxxx
主存储器
R9 R0 + 0
18
运算器
C Z V S


商 寄

2007
ALU +
24070275
0
1234
6688
寄存器组
R9 4275
数据总线
地址总线
2000
0001
0790
8800
2007
32
时钟周期
CLK
T0
T1
T2
T3
T0
T1
T2
T3
T0
T1
T2
T3
机器周期
机器周期
33
机器周期、节拍、时钟周期组成多级时序系统
一个指令周期包含若干个机器周期
一个机器周期包含若干个时钟周期
(1)统一节拍法(定长CPU周期 )
CLK
T0 T1 T2 T3
机器周期 (取指令)
T0 T1 T2 T3
机器周期 (取有效地址)
情况: (1)顺序执行的情况: PC的值应自动修正,加一个增量。 PC+△→PC (2)转移执行的情况: 将转移的目标地址送 PC.
6
2. MAR:主存地址寄存器 从主存取指令或者取操作时都必须将相应的访存
地址送到MAR中。 3. MDR:数据寄存器
暂存对主存读写的信息。
4. IR:指令寄存器(Instruction Register) 用来存放从存储器中取出的指令。
4
计算机各主要部件连接框图
PSW
ALU 暂存器A 暂存器B
R0 : ︰ R15
PC IR

时序控
ID
制电路


控制信号产生部件
… 发往全机各部分
中断逻辑
MAR
主存
总线 MDR
5
二、控制器的组成
1. PC:程序计数器(Programming Counter) 用来存放将要执行的指令的地址。其内容分两种
4.2 控制器
控制器的功能及组成概述 指令的执行流程 时序产生电路 组合逻辑控制器的工作原理 微程序控制器的工作原理 中断处理的基本概念
1
4.2.1 控制器的功能和组成概述
一、控制器的功能 控制器是计算机系统的核心,它把运算器、
存储器、输入输出设备等部件组成一个有机 制整体,然后根据指令的要求指挥全机工作。
时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间 用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令
28
指令周期:是指一条机器指令从取指到执行完 毕所需要的全部时间。
机器周期:通常把一个指令又划分成若干个机 器周期,习惯上按 CPU 的一次访存操作的时间 来定。 指令周期=i×机器周期。
时钟周期:每个机器周期要执行若干个微操作, 所以把一个机器周期分成更小的时间段,这就是 时钟周期。它是计算机操作的最小时间单位。一 个机器周期需要若干时钟周期。
是 有间址吗?

间址周期
执行周期
有中断吗? 否
是 中断周期
25
4. CPU 工作周期的标志
通常,每个机器周期都有一个与之对应的周期状态触发器。机器运行在不同的机器 周期,其对应的周期状态触发器被置“1”,显然,在机器运行的任何时刻只能建立一
个周期状态,因此取,有指一个令且仅有一个触发取器被指置周“期1” 。
寄存器组
4R2795
数据总线 地址总线
程序 计数器
22000012
控制 存储器
微程序 定序器
映射
操作数 地址
PC AR
微指令寄存器 指令0寄790存器
地址2寄00存1 器
.
操作码 IR
用于运算器 下地址字段内容
控制总线
2000
0001
MVRR R9, R0
00779900 8800 2007 8309
执行
取指周期 执行周期
取指阶段
执行阶段
取指周期
执行周期
(取指、分析) (执行指令)
指令周期
23
2. 每条指令的指令周期不同
取指周期 指令周期
NOP
取指周期
执行周期
指令周期
ADD X
取指周期
间址周期 指令周期
执行周期
ADD @X
取指周期
间址周期
执行周期
指令周期
中断周期
24
3. 指令周期流程
取指周期
8309
8280
2007
8F00 xxxx
控制器
主振 脉冲
微程序
程序计数器
82000243
控制 存储器
定序器
映射
操作数 地址
PC
AR
地址2寄00存32 器
微指令寄存器 .
指令8寄80存0 器
操作码 IR
用于运算器 下地址字段内容
控制总线
接口
输入设备
主存储器
MVRD R0, 2007
ARPC, PC PC+1 读内存,IR读出内容
8200025
控制 存储器
定序器
映射
操作数 地址
PC
AR
地址2寄00存47 器
微指令寄存器 指令8寄30存9 器
.
操作码 IR
用于运算器 下地址字段内容
控制总线
接口
输入设备
主存储器
STRR [R0], R9
ARPC, PC PC+1 读内存,IR读出内容
ARR0+0
写内存,总线 R9+0
20
运算器
31
四、节拍信号
在一个机器周期内,要完成若干个微操作。 这些微操作有的可以同时执行,有的需要按先后 次序串行执行。因而应把一个机器周期分为若干 个相等的时间段,每个时间段对应一个电位信号, 称为节拍电位信号。
节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作的时间, 如ALU一次正确的运算,寄存器间的一次传送等。
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4.2.2 指令执行过程
一、基本概念
计算机取指令、执行指令的周期序列。
开始
取取出出下一一条条指指令令
执行该指令
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二、指令的执行过程
—读取指令
指令地址送入主存地址寄存器 读主存,读出内容送入指令寄存器
—分析指令 操作码译码 —按指令规定内容执行指令
不同指令的操作步骤数, 和具体操作内容差异很大
取 地址 取 操作数
间址周期 执行周期
CPU 的 4个工作周期
存 程序断点
中断周期
FE
IND
EX
INT
D
D
D
D
CLK
1 FE
1 IND 1 EX
1 INT
26
5. 机器周期的基本概念
1) 机器周期的概念
所有指令执行过程中的一个基准时间
2) 确定机器周期需考虑的因素
每条指令的执行 步骤
每一步骤 所需的 时间
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二、脉冲源
产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号,为 整个机器提供时间基准信号。
CLK
30
三、启停控制逻辑
启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要,可靠 地开放或封锁脉冲,控制时序信号的发生或停止, 实现对整个机器的正确启动或停止。
脉冲源
T1 T2 T3 T4
节拍信号发生器
启停控制逻辑
注意:启停控制逻辑保证启动时输出的第一个脉冲和停止时 输出的最后一个脉冲都是完整的脉冲。
C Z V S


商 寄

ALU
200A7 1234 6688
寄存器组
R9
数据总线
地址总线
2000
0001
0790
8800
2007
8309
8280
2007
8F00 4275
控制器
主振 脉冲
微程序
程序 计数器
2006
控制 存储器
定序器
映射
操作数 地址
PC
AR
地址2寄800存5器
微指令寄存器 指令8寄28存0 器
ARPC,PC PC+1
读内存,R0 D+0
19
运算器
24020775
控制器
主振 脉冲
C Z V S


商 寄

ALU + 0
2007 1234 6688
寄存器组
R9 4275
数据总线
地址总线
2000
0 001
0790
8800
2007
8309
8280
2007
8F00 4x2x7xx5
微程序
程序计数器
3) 基准时间的确定
• 以完成 最复杂 指令功能的时间 为准
• 以 访问一次存储器 的时间 为基准
若指令字长 = 存储字长
取指周期 = 机器周期
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6. 时钟周期(节拍、状态)
一个机器周期内可完成若干个微操作 每个微操作需一定的时间 将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段 (节拍、状态、时钟周期)
这种有条不紊地工作,对各种操作信号的产生 时间、稳定时间、撤销时间及相互之间的关系都应 有严格的要求。对操作信号施加时间上的控制,称 为时序控制。只有严格的时序控制,才能保证各功 能部件组合构成有机的计算机系统。
22
一、 指令周期的基本概念
1 . 指令周期
取出并执行一条指令所需的全部时间
取指、分析 完成一条指令
CPU的组成呢?
9
CPU组成
10
三、CPU的主要性能指标
1.字长:单位时间内同时处理的二进制数据的位数。 8位、16位、32位以及64位。 2. 内部工作频率:表示CPU内数字脉冲信号震荡 的速度,与CPU实际的运算能力并没有直接的关系。
时钟周期是CPU中最小的时间单位,每个动作 至少需要一个时钟周期。
内频=外频×倍频
4. 前端总线频率:它是CPU和外界交换数据的最 主要通道,主要连接主存、显卡等数据吞吐率高的 部件,因此前端数据总线的数据传输能力对计算机 整体性能作用很大。内数字脉冲信号震荡的速度, 与CPU实际的运算能力并没有直接的关系。
5. 片内Cache的容量:它的容量和工作速度对提高 计算机的速度起着关键的作用。L2 Cache是影响 CPU性能的关键因素之一。
指令周期
T0 T1 T2 T3
—检查有无中断请求
若有,则转中断处理 若无,则转入下一条指令的执行过程
形 成 下 条 指 令 地 址
15
以教学计算机举例说明程序执行:
典型指令的执行过程举例:
2000 0001 ADD R0, R1 2001 0790 MVRR R9, R0 2002 8800 MVRD R0, 2007
2007 2004 8309 STRR [R0], R9 (写内存) 2005 8280 IN 80 (读串行口) 2006 8F00 RET
AR 地址2寄00存0 器
微指令寄存器 指令00寄01存器
.
操作码 IR
用于运算器 下地址字段内容源自控制总线接口输入/出设备 主存储器
ADD R0, R1
AR PC
PC PC+1
读内存,IR读出内容
R0 R0 + R1
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运算器
4275
控制器
主振 脉冲
C Z V S


商 寄

ALU +
0
4275 1234 6688
12
6. 工作电压:主要是解决散热问题,目前CPU 的 工作电压以低于1.2V。
7. 地址总线宽度:决定了CPU访问主存的最大物 理空间。
8. 数据总线宽度: 决定了CPU和外部Cache、主存 以及输入输出设备之间一次数据传输的信息量。 9. 制造工艺:线宽是指芯片内电路与电路之间的 距离,可以用线宽来描述制造工艺。线宽越小,意 味着芯片上包括的晶体管数目越多。45nm和32nm 的制造工艺是下一代CPU的发展目标。
2
现代计算机工作的本质是什么?
执行程序,完成程序功能。
什么是程序?
依次排列起来的指令代码。
3
所以控制器的功能在于:
1. 对指令的控制:计算机的工作过程是连续执 行指令的过程,控制器应能保证动态指令流 的形成。
2. 对时序的控制:产生固定的时序信号,以保 证全机各部件有节奏的工作。
3. 对操作的控制:依据指令内容、指令的执行 步骤,形成并提供当前各部件本时刻要用到 的全部控制信号。
7
5. ID:指令译码器(Instruction Decoder)
对指令的操作码部分进行识别,区分不同的指令 为指令的执行作好准备。
6. CU: 控制信号产生部件
其功能是依据指令的内容、时序信号,以及状态 信息,来形成并提供出当前各部件本时该要用到的 全部控制信号。该部件是控制器的核心。 7. 时序部件
.
操作码 IR
用于运算器 下地址字段内容
接口
输入/出设备 主存储器
控制总线
IN 80
ARPC PC PC+1 读内存,IR读出内容
ARI/O port 读设备,R0读出内容
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4.2.3 时序系统
CPU之所以能够自动地识别指令和数据,又能 自动地执行指令,是因为它能按程序中的指令序列 取指,并对指令进行译码、执行。CPU取指令、执 行指令的序列依此重复,直至遇到停机指令。
包括脉冲源、启停控制、节拍信号发生器。 主要是保证各部件按严格的时间顺序工作而提供 各种定时信号。
8
8. 中断系统 由软硬件构成的一个综合部件、主要用来处理
系统中出现的一些不可预知的事件和一些特殊的 请求。
如算术运算的溢出、数据传输的奇偶校验错、 电压下降以及外设的输入输出请求。通常都是在 执行一条指令进行一次判断。
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