1、控制器（一）控制器（一）lCPU 的結構的結構l控制器概述控制器概述l控制器的控制方式控制器的控制方式l硬布線控制器及其設計硬布線控制器及其設計l微程序控制器及其設計微程序控制器及其設計（一（一)、 CPU 的功能的功能取指令取指令分析指令分析指令執行指令，發出各種操作命令執行指令，發出各種操作命令控制程序輸入及結果的輸出控制程序輸入及結果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請求處理異常情況和特殊請求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運算器的功能運算器的功能實現算術運算和邏輯運算實現算術運算和邏輯運算指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數據加工數據加工處理中斷處理中斷（二）、

2、（二）、 CPU 的內部結構的內部結構1. 用戶可見寄存器用戶可見寄存器(1) 通用寄存器通用寄存器（三）、（三）、 CPU 的寄存器的寄存器存放操作數存放操作數可作可作 某種尋址方式所需的某種尋址方式所需的 專用寄存器專用寄存器(2) 數據寄存器數據寄存器存放操作數存放操作數（滿足各種數據類型）（滿足各種數據類型）兩個寄存器拼接存放雙倍字長數據兩個寄存器拼接存放雙倍字長數據(3) 地址寄存器地址寄存器存放地址存放地址，其位數應滿足最大的地址范圍，其位數應滿足最大的地址范圍用于特殊的尋址方式用于特殊的尋址方式 段基值段基值 棧指針棧指針(4) 條件碼寄存器條件碼寄存器存放條件碼存放條件碼，可作

3、程序分支的依據，可作程序分支的依據如如 正、負、零、溢出、進位等正、負、零、溢出、進位等2. 控制和狀態寄存器控制和狀態寄存器(1) 控制寄存器控制寄存器PC控制控制 CPU 操作操作(2) 狀態寄存器狀態寄存器狀態寄存器狀態寄存器其中其中 MAR、MDR、IR 用戶不可見用戶不可見 存放條件碼存放條件碼PSW 寄存器寄存器存放程序狀態字存放程序狀態字 PC 用戶可見用戶可見 3. 舉例舉例Z8000 8086 MC 68000MARMMDRIR（四）、（四）、 操作控制器和時序產生器操作控制器和時序產生器 l數據通路：數據通路：許多寄存器之間傳送信息的通路。許多寄存器之間傳送信息的通路。l操

4、作控制器的功能操作控制器的功能: :根據指令操作碼和時序信號，產生根據指令操作碼和時序信號，產生各種操作控制信號，以便正確地選擇數據通路，把有關各種操作控制信號，以便正確地選擇數據通路，把有關數據打入到一個寄存器，從而完成取指令和執行指令的數據打入到一個寄存器，從而完成取指令和執行指令的控制。控制。根據設計方法不同，根據設計方法不同，操作控制器操作控制器可分為三種可分為三種: : 1. 1.硬連線控制器硬連線控制器，是采用，是采用時序邏輯時序邏輯技術來實現的；技術來實現的； 2. 2.微程序控制器微程序控制器，是采用，是采用存儲邏輯存儲邏輯來實現的。來實現的。 3. 3.陣列邏輯控制器陣列邏輯

5、控制器，是采用，是采用PLAPLA陣列陣列來實現，屬于來實現，屬于存儲邏輯。存儲邏輯。l時序產生器時序產生器：對各種操作信號實施時間上的控制：對各種操作信號實施時間上的控制 。 主要功能主要功能從內存中取指令，計算下一條指令的地址；從內存中取指令，計算下一條指令的地址；對指令進行譯碼，產生操作控制信號；對指令進行譯碼，產生操作控制信號；控制指令執行的步驟和數據流動的方向。控制指令執行的步驟和數據流動的方向。生成控制信號的方法生成控制信號的方法硬連線邏輯方式硬連線邏輯方式微程序方式微程序方式陣列邏輯方式陣列邏輯方式二、控制器概述二、控制器概述1、取指令：根據程序入口地址取出第一條指令、取指令：根

6、據程序入口地址取出第一條指令2、分析指令：、分析指令： 確定指令的操作確定指令的操作 產生相應的操作產生相應的操作 形成操作數的地址形成操作數的地址3、執行指令：根據操作命令和操作數地址形成操作、執行指令：根據操作命令和操作數地址形成操作控制信號序列。控制信號序列。4 4、控制程序和數據的輸入和結果輸出、控制程序和數據的輸入和結果輸出5 5、對異常情況和某些請求進行處理、對異常情況和某些請求進行處理 陷阱陷阱 中斷請求中斷請求 DMADMA請求請求程序計數器程序計數器(PC)(PC)：存當前正在執行的指令的地址存當前正在執行的指令的地址 存即將執行的下一條指令的地址存即將執行的下一條指令的地址

7、 存下一條預取指令的地址。存下一條預取指令的地址。指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)：存放當前正在執行的指令存放當前正在執行的指令指令譯碼器（指令譯碼器（IDID）：）：對操作碼進行分析對操作碼進行分析, , 產生相應產生相應控制信號。控制信號。脈沖源：脈沖源：時鐘信號時鐘信號, reset, reset信號信號啟停控制線路：啟停控制線路：開啟、封鎖機器工作時鐘開啟、封鎖機器工作時鐘時序控制信號形成部件：時序控制信號形成部件：產生節拍序列脈沖信號產生節拍序列脈沖信號程序狀態字（程序狀態字（PSWPSW）：）：狀態寄存器，標志位狀態寄存器，標志位, , 控制位控制位微操作控制微操作控制形成部件

8、形成部件時序脈沖時序脈沖發生器發生器指令指令 譯碼器譯碼器操作碼操作碼 地址碼地址碼啟停啟停地址形成電路地址形成電路PCCPU外部狀態外部狀態脈沖源脈沖源微操作控制信號微操作控制信號+1(控制臺控制臺)MARIR1.1.根據不同指令的操作碼產生所需的微操作命令根據不同指令的操作碼產生所需的微操作命令, ,即指令譯碼即指令譯碼2.2.操作命令與時序脈沖結合形成一定時序的微命令操作命令與時序脈沖結合形成一定時序的微命令 實現方法實現方法: : 組合邏輯組合邏輯: :硬布線邏輯硬布線邏輯；可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列(PLA)(PLA) 存儲邏輯存儲邏輯: :微程序控制邏輯微程序控制邏輯 一個時序系

9、統的組成如圖所示一個時序系統的組成如圖所示: :M1脈沖發生器脈沖發生器節拍發生器節拍發生器周期狀態周期狀態觸發器觸發器脈沖源脈沖源啟動啟動暫停暫停M2T1T2(三三)時序系統的組成時序系統的組成1.1.脈沖源脈沖源: :由石英晶體震蕩器及由石英晶體震蕩器及“與非門與非門”組合的震蕩電路組組合的震蕩電路組成成2.2.脈沖發生器脈沖發生器: :通常是一個環行脈沖發生器通常是一個環行脈沖發生器, ,采用循環移位寄采用循環移位寄存器的形式存器的形式, ,產生一組有序的、間隔相等或不等的脈沖序列產生一組有序的、間隔相等或不等的脈沖序列3.3.節拍發生器節拍發生器: :按先后順序按先后順序, ,循環地發

10、出若干時鐘周期信號循環地發出若干時鐘周期信號, ,最最后通過譯碼電路后通過譯碼電路, ,產生最后所需的節拍脈沖產生最后所需的節拍脈沖, ,通常由計數譯碼通常由計數譯碼器電路組成器電路組成. .指令周期指令周期：取出一條指令并執行該指令的時間：取出一條指令并執行該指令的時間機器周期機器周期：CPUCPU同主存或外設進行一次信息交換所需的時間同主存或外設進行一次信息交換所需的時間總線周期總線周期、CPUCPU周期周期時鐘周期時鐘周期：CPUCPU執行一個微操作的最小時間單位執行一個微操作的最小時間單位節拍周期節拍周期、T T周期周期三者關系三者關系：一個指令周期包含若干個一個指令周期包含若干個CP

11、UCPU周期，一個周期，一個CPUCPU周期的周期的功能由多個時鐘周期來完成功能由多個時鐘周期來完成4.4.周期狀態觸發器周期狀態觸發器: :產生電路與節拍發生器產生電路類似產生電路與節拍發生器產生電路類似. .表示表示CPUCPU當前處于指令周期的哪個機器周期當前處于指令周期的哪個機器周期5.5.啟停控制邏輯啟停控制邏輯: :控制時鐘系統控制時鐘系統, ,只有當啟動機器運行時只有當啟動機器運行時, ,才允才允許發出所需的時鐘脈沖許發出所需的時鐘脈沖, ,而且而且, ,由于機器的啟停是隨機的由于機器的啟停是隨機的, ,必須必須考慮發出的脈沖是完整的考慮發出的脈沖是完整的. .時序控制邏輯基本概

12、念時序控制邏輯基本概念1 1、多級時序的概念、多級時序的概念 (1)(1)指令周期指令周期: :在時序系統中通常不為指令周期設置時間標志信在時序系統中通常不為指令周期設置時間標志信號號, ,因而也不將其作為時序的一級因而也不將其作為時序的一級. . (2)(2)機器周期機器周期: :設置一組周期狀態觸發器設置一組周期狀態觸發器, ,以標志不同的機器周以標志不同的機器周期期. .任一時刻只允許其中的一個觸發器為任一時刻只允許其中的一個觸發器為1,1,表明表明CPUCPU當前處在當前處在哪個機器周期哪個機器周期. . (3)(3)時鐘周期時鐘周期: :一個時鐘周期內完成一步基本操作一個時鐘周期內完

13、成一步基本操作. . (4)(4)時鐘脈沖信號時鐘脈沖信號: :作為時序系統的基本定時信號作為時序系統的基本定時信號. .2 2、多級時序信號之間的關系、多級時序信號之間的關系: : 指令周期不作為時序的一級指令周期不作為時序的一級, ,下圖反映了機器周期、時下圖反映了機器周期、時鐘周期、時鐘脈沖鐘周期、時鐘脈沖三級時序三級時序信號的關系。信號的關系。 通常通常硬布線邏輯硬布線邏輯使用使用三級時序系統。三級時序系統。 微程序控制邏輯微程序控制邏輯使用使用兩級時序系統兩級時序系統一個指令周期一個指令周期機器周期機器周期M1M1機器周期機器周期M2M2機器周期機器周期M3M3時鐘周期時鐘周期T1T

14、1時鐘周期時鐘周期T2T2時鐘周期時鐘周期T3T3時鐘脈沖時鐘脈沖CLKCLK三級三級時序信號間的關系時序信號間的關系脈脈 沖沖 源源23QDCPC4SRT4T1T2T3QDCP+5VDCPQC1C2C3QDCPQQQQCLRT1-T4T1-T4為四個輸出節拍脈沖為四個輸出節拍脈沖, ,其譯碼邏輯表達式為其譯碼邏輯表達式為: :T1=C1T1=C1* *C2 T2=C2C2 T2=C2* *C3 T3=C3 T4=C1C3 T3=C3 T4=C1時序產生器的主要邏輯電路時序產生器的主要邏輯電路12345678910CPU周期周期CPU周期周期T1T2T3T4C4C1C2C3lMOVR0,R1l

15、LADR1,6lADD R1,R2lSTOR2,(R3)lJMP101MOV MOV 指令取指令過程指令取指令過程MOV MOV 指令取指令過程指令取指令過程MOV MOV 指令執行過程指令執行過程LAD LAD 指令取指令過程指令取指令過程LAD LAD 指令執行過程指令執行過程ADD ADD 指令取指令過程指令取指令過程ADD ADD 指令執行過程指令執行過程STO STO 指令取指令過程指令取指令過程STOSTO指令執行過程指令執行過程STO STO 指令執行過程指令執行過程JMP JMP 指令取指令過程指令取指令過程JMPJMP指令執行過程指令執行過程例例：下圖為雙總線結構機器的數據通

16、路，：下圖為雙總線結構機器的數據通路，IRIR為指令寄存器，為指令寄存器，PCPC為程序計數器（具有自增功能），為程序計數器（具有自增功能），M M為主存（受為主存（受R/WR/W信號信號控制），它既存放指令又存放數據，控制），它既存放指令又存放數據，ARAR為地址寄存器，為地址寄存器，DRDR為數據緩沖寄存器，為數據緩沖寄存器，ALUALU由加、減控制信號決定完成何種由加、減控制信號決定完成何種操作，控制信號操作，控制信號G G控制的是一個門電路，它相當于兩條總控制的是一個門電路，它相當于兩條總線之間的橋。另外，線上標注有小圓圈表示有控制信號，線之間的橋。另外，線上標注有小圓圈表示有控制信號

17、，例如例如y yi i表示表示Y Y寄存器的輸入控制信號，寄存器的輸入控制信號，R R1o1o為寄存器為寄存器R Ri i的輸的輸出控制信號，未標字符的線為直通線，不受控制。出控制信號，未標字符的線為直通線，不受控制。（1 1）“ADD R2, RO”ADD R2, RO”指令完成指令完成(R(RO O)+(R)+(R2 2) )R R2 2的功能操作的功能操作, ,畫出其指令周期流程圖，假設該指令的地址已放入畫出其指令周期流程圖，假設該指令的地址已放入PCPC中。中。并列出相應的微操作控制信號序列。并列出相應的微操作控制信號序列。（2 2）“SUB R1, R3”SUB R1, R3”指令完

18、成指令完成(R1)-(R3)(R1)-(R3)R1R1的功能操的功能操作作, ,畫出其指令周期流程圖，并列出相應的微操作控制信畫出其指令周期流程圖，并列出相應的微操作控制信號序列。號序列。產生不同微操作命令序列所用的時序控制方式產生不同微操作命令序列所用的時序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式任一微操作均由任一微操作均由 統一基準時標統一基準時標 的時序信號控制的時序信號控制CLK機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執行指令）（執行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 定長定長

19、的機器周期的機器周期以以 最長最長 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作為的微操作作為 標準標準機器周期內機器周期內 節拍數相同節拍數相同(2) 采用不定長的機器周期采用不定長的機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執行指令）（執行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節拍節拍(狀態狀態)機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執行指令）（執行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長延長機器周期內機器周期內 節拍數不等節拍數不等(3) 采用中央控制和局部控制相結合的方法采用中央控制和局部控制相結合的方法T0T1T2T3

20、T0T1T2中央控制節拍中央控制節拍 T3T0T1中央控制節拍中央控制節拍機器周期機器周期執行周期執行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的節拍寬度與局部控制的節拍寬度與中央控制的節拍寬度一致中央控制的節拍寬度一致T*T*T*局部控制節拍局部控制節拍 異步控制方式異步控制方式：采用：采用“結束結束起始起始”的工作方式，的工作方式，無統一的時序信號。無統一的時序信號。 特點：特點： a a）每條指令按實際需要產生節拍數每條指令按實際需要產生節拍數 b b）指令執行完畢，發出指令執行完畢，發出“結束結束”信號信號 c c）控制器收到控制器收到“結束結束”信號，開始執行下條指

21、令信號，開始執行下條指令 優點：運行速度快優點：運行速度快 缺點：控制電路比較復雜缺點：控制電路比較復雜2.2.異步控制方式異步控制方式( (分散控制方式分散控制方式):):每條指令、每個微操作每條指令、每個微操作需要多少時間就占用多少時間，不采用統一的周期和節拍，需要多少時間就占用多少時間，不采用統一的周期和節拍，時間上的銜接通過應答通訊方式時間上的銜接通過應答通訊方式( (握手方式握手方式) )實現實現. . 無時間無時間浪費浪費, ,但時序控制比較復雜但時序控制比較復雜. .聯合控制方式聯合控制方式：將同步控制方式與異步控制方式結合使用。：將同步控制方式與異步控制方式結合使用。特點：特點

22、： a a）大部分指令按同步控制執行大部分指令按同步控制執行中央控制中央控制 b b）小部分特殊指令（過長、過短），采用異步控制方小部分特殊指令（過長、過短），采用異步控制方式執行式執行局部控制局部控制優點：能保證一定的運行速度優點：能保證一定的運行速度缺點：電路設計相對復雜缺點：電路設計相對復雜3.3.聯合控制方式聯合控制方式: :同步控制與異步控制相結合同步控制與異步控制相結合. .4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset 鍵鍵(2) 連續連續 和和 單條單條 指令執行轉換開關指令執行轉換開關(3) 符合停機開關符合停機開關五、多級時序系統實例分析五、多級時序系統實例分析1. 80

23、85 的組成的組成A15A8中斷控制中斷控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8） D（8）C（8） B（8） 指令譯碼指令譯碼 和和 機器周期機器周期 編碼編碼ALU定時和控制定時和控制 時鐘時鐘控制控制狀態狀態 DMA復位復位ABR(8)ADBR(8)8位內部數據總線位內部數據總線I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD02. 8085 的外部引腳的外部引腳(1) 地址和數據信號地址和數據信號(2) 定時和控制信號定時和控制信號(3) 存儲器和存儲器和 I/O 初始化初始化A15A8 AD7AD0SID SOD入入 X1 X2入入 HOLD Ready出出 HLDA出出 CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5R