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课件

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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。
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。
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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
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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
ARPC，PC PC+1
读内存，R0 D+0
运算器 常见心律失常心电图诊断的误区诺如病毒感染的防控知识介绍责任那些事浅谈用人单位承担的社会保险法律责任和案例分析现代农业示范工程设施红地球葡萄栽培培训材料
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
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。
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；
2007
8F00 xxxx
主存储器
R9 R0 + 0
运算器 常见心律失常心电图诊断的误区诺如病毒感染的防控知识介绍责任那些事浅谈用人单位承担的社会保险法律责任和案例分析现代农业示范工程设施红地球葡萄栽培培训材料
2007
C
Z V
ALU +
S
0
24070275
乘 商 寄 存
1234 6688
寄存器组
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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。
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3.外部工作频率：它是主板为CPU提供的基准时 钟频率。
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。
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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。
24020775
控制器
主振 脉冲
C
Z V
ALU +
S
0
2007
乘 商 寄 存
1234 6688
寄存器组
R9 4275
器
数据总线
地址总线
2000 2007
0 001 0790
8800 2007 8309 8280 8F00 x4x2x7x5
程序计数器
820025
控制 存储器
微程序 定序器
映射
操作数 地址
运算器 常见心律失常心电图诊断的误区诺如病毒感染的防控知识介绍责任那些事浅谈用人单位承担的社会保险法律责任和案例分析现代农业示范工程设施红地球葡萄栽培培训材料
4275
控制器
主振 脉冲
C
Z
ALU +
V
S
0
4275
1234
乘
6688
商 寄 存
寄存器组
4R2795
器
数据总线 地址总线
程序 计数器
22000012
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
运算器 常见心律失常心电图诊断的误区诺如病毒感染的防控知识介绍责任那些事浅谈用人单位承担的社会保险法律责任和案例分析现代农业示范工程设施红地球葡萄栽培培训材料
8800 2007 8309 8280 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
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
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
运算器 常见心律失常心电图诊断的误区诺如病毒感染的防控知识介绍责任那些事浅谈用人单位承担的社会保险法律责任和案例分析现代农业示范工程设施红地球葡萄栽培培训材料
4275
C
Z V
ALU +
S
43207451
1234
乘
6688
商 寄 存
寄存器组
R9
器
数据总线
地址总线
2000 2007
00000011 0790
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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
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
形 成
—按指令规定内容执行指令
下
不同指令的操作步骤数， 和具体操作内容差异很大
条 指 令
—检查有无中断请求
地
若有，则转中断处理
址
若无，则转入下一条指令的执行过程
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R9 4275
器
数据总线
地址总线
2000
0001
0790
8800
2007
8309
8280
2007
8F00 xxxx
控制器
主振 脉冲
程序计数器
82000243
控制 存储器
微程序 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
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。
CPU的组成呢？
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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
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。
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8. 中断系统 由软硬件构成的一个综合部件、主要用来处
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。
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控制 存储器
微程序 定序器
映射
操作数 地址
PC
微指令寄存器 指令0寄79存0 器
AR
地址20寄0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
接口
AR PC PC PC+1
8309
8280
输入/出设备 读内存，IR 读出内容
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。
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CPU组成
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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。
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.
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