【正文】 子程序入口地址，或中斷服務(wù)程序入口地址） 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 7 、特殊請(qǐng)求的檢測(cè)和處理：中斷 輸入設(shè)備 主存儲(chǔ)器 輔助存儲(chǔ)器 輸出設(shè)備 運(yùn)算器 控制器 輸入 輸出 程序 原始數(shù)據(jù) 運(yùn)算結(jié)果 指令數(shù)據(jù)線 控制信號(hào)線 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 8 控制器的組成 去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù) 對(duì)各功能部件產(chǎn)生控制 PSR 地址形成部件 時(shí)序部件 指令譯碼器 PC 微操作信號(hào)產(chǎn)生器 ... ... ... ... 控制器基本結(jié)構(gòu) O P 尋址方式 AC ALU DB AB GR I/O狀態(tài)信息 …… … … IR DB 啟停電路 控制臺(tái) … 脈沖源 到 MAR 或 ALU 中斷控制邏輯 中斷源 …… … MAR 增量 MDR 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 9 指令部件應(yīng)包括程序計(jì)數(shù)器 (PC)、指令寄存器 (IR)、指令譯碼器（ ID）、程序狀態(tài)寄存器（ PSR）和地址形成部件等 5個(gè)部分。1 計(jì)算機(jī)組成原理 The Principle of Computer 主講 陳付龍 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 （ 2020年 3月） 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 2 第 6章 控制系統(tǒng)與 CPU 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 3 控制器是計(jì)算機(jī)的指揮和控制中心 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 4 （ 1）產(chǎn)生操作控制電位 （ 2）形成操作數(shù)的有效地址， 以進(jìn)行存 /取，或形成轉(zhuǎn)移地址 以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移 開(kāi)始 取指令， PC增量 → PC 尋址？ 計(jì)算地址 轉(zhuǎn)移指令？ 取操作數(shù) 執(zhí)行指令，保存結(jié)果 異常 /中斷？ 轉(zhuǎn)去處理 執(zhí)行轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)向地址 → PC N N N Y Y Y 指令執(zhí)行的一般流程 分析指令 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 5 程序控制原理 編程 送主存（通過(guò)輸入設(shè)備） 機(jī)器工作時(shí)，是按一定的序列逐條取出指令，分析指令，執(zhí)行指令，并自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行，直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。 程序控制由控制器承擔(dān)，程序執(zhí)行由運(yùn)算器和外部設(shè)備具體負(fù)責(zé)，程序存儲(chǔ)由存儲(chǔ)器完成。 （ 1）程序計(jì)數(shù)器 PC：指令地址寄存器，用來(lái)指出在內(nèi)存中存放的將要取的指令的單元地址。 （ 2）指令寄存器 IR：指令寄存器用來(lái)存放現(xiàn)行指令的代碼。 （ 3）指令譯碼器 ID：操作碼譯碼器，用以產(chǎn)生操作性質(zhì)的控制電位，并將其送到 微操作 （一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分解為若干簡(jiǎn)單的基本操作，稱為微操作）控制線路上，在時(shí)序部件定時(shí)信號(hào)作用下，產(chǎn)生具體的控制操作信號(hào)。 控制器的組成 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 10 （ 5）程序狀態(tài)字寄存器 (PSR) 存放程序狀態(tài)字 PSW，用來(lái)表征當(dāng)前運(yùn)算的狀態(tài)及程序的工作方式。 AC（ ） —— 輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。 RS1（ ）、 RS0（ ） —— 工作寄存器組選擇位。 由硬件置位或清零。 （ 1）脈沖源：利用晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的主時(shí)鐘脈沖（主頻）。 控制器的組成 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 12 （ 1）微操作是指計(jì)算機(jī)中最基本的操作 （ 2）微操作控制邏輯，用來(lái)產(chǎn)生機(jī)器所需的全部的微操作信號(hào)。 ：用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯。 不規(guī)整，可靠性低，不易修改和擴(kuò)充，造價(jià)高。 (3) 組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型（可編程邏輯陣列 (PLA)法） 與組合邏輯型本質(zhì)相同，工藝不同； 用大規(guī)模集成電路 (LSI)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂品绞酵ǔ７譃橥娇刂品绞健惒娇刂品绞?、同異步聯(lián)合控制方式三類。任何指令的執(zhí)行或指令中每個(gè)微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時(shí)序信號(hào)的控制。 以最復(fù)雜（微操作序列最長(zhǎng)，執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)）指令的實(shí)現(xiàn)需要為基準(zhǔn)。 缺點(diǎn)：效率低。執(zhí)行一條指令需要多少節(jié)拍，不作統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)每條指令的具體情況而定，需要多少，控制器就產(chǎn)生多少時(shí)標(biāo)信號(hào)。 優(yōu)點(diǎn)：指令的運(yùn)行效率高； 缺點(diǎn)：控制線路比較復(fù)雜。我們把這兩條線稱為 “ 請(qǐng)求 ” 線和 “ 回答 ” 線。 控制方式 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 17 ，異步聯(lián)合控制方式 同步控制和異步控制相結(jié)合的方式即聯(lián)合控制方式，區(qū)別對(duì)待不同指令。 控制方式 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 18 1. 概念 時(shí)序部件：計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘。 指令周期 ：在計(jì)算機(jī)中從指令的讀取到指令的執(zhí)行完成，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，稱為指令周期。由于 CPU內(nèi)部的操作速度較快，而 CPU訪問(wèn)一次內(nèi)存所花的時(shí)間較長(zhǎng)，通常用存儲(chǔ)周期為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)定 CPU周期。 節(jié)拍 （ 1） 把一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱節(jié)拍電位； （ 2） 一般都以能保證 ALU進(jìn)行一次運(yùn)算微操作作為一拍電位的時(shí)間寬度。 時(shí)序系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 20 一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)的控制信號(hào)一般均由若干個(gè)周期狀態(tài)，若干個(gè)節(jié)拍電位及若干個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖這樣三級(jí)控制時(shí)序信號(hào)定時(shí)完成。 時(shí)序系統(tǒng) P W3 W2 W2 W0 M1 M0 周期 0 周期 1 節(jié)拍 0 節(jié)拍 1 節(jié)拍 2 節(jié)拍 3 脈沖 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 21 CPU=控制器 +運(yùn)算器 寄存器的設(shè)置 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 22 寄存器的設(shè)置 IR PC PSR AC及通用寄存器 GR： AC暫存操作數(shù)據(jù)和結(jié)果，GR是一組程序可訪問(wèn)的、具有多種功能的寄存器，能提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果、作為地址指針、基址寄存器、變址寄存器、計(jì)數(shù)器等。 MAR：存放所要訪問(wèn)的主存單元的地址（來(lái)自PC的指令的地址，或來(lái)自地址形成部件的操作數(shù)的地址） MDR（或 MBR）：存放向主存寫(xiě)入的信息或從主存中讀出的信息 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 23 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析 控制信號(hào)邏輯 ID IR CU … IRin 時(shí)序 部件 R0 R7 … R0out R0in R7out R7in PC MAR MDR Y ALU Z PSR PCin PCout MARin MDRin MDRout Yin A B +1 Zin Zout IBUS DBUS MEM I/O I/O … ABUS R W GR 計(jì)算機(jī)組成原理 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 24 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析 【 例 】 在上圖中， A和 B 為 ALU的兩個(gè)輸入端，且 ALU可以實(shí)現(xiàn) A177。 B等功能，主存以字編址，每條指令 和數(shù)據(jù)均占一個(gè)主存單元。其中，源操作數(shù)在前。 A 177。分析指令： ADD （ R1）， R0的操作流程。 分析： 操作流程 控制信號(hào)序列