第4章 CPU及其控制器

1、4.24.1作业作业4.34.44.5 第第4 4章章 CPUCPU及其控制器及其控制器 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 片内数据总线片内数据总线 B A FE CD . . . . 图图4.1 A寄存器中的数据传送到寄存器中的数据传送到B寄存器示意寄存器示意 图中小箭头为门控信号图中小箭头为门控信号 举例：实现指令举例：实现指令MOV B,AMOV B,A 4.24.1作业作业4.34.

2、44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 算术逻辑部件算术逻辑部件ALU 累加器累加器AC 寄存器组寄存器组 状态寄存器状态寄存器PSW 地址寄存器地址寄存器AR缓冲寄存器缓冲寄存器DR 指令寄存器指令寄存器IR 指令译码器指令译码器ID 操作控制器操作控制器 时序产生器时序产生器 C C C C C C 程序计数器程序计数器PC C C C 时钟时钟 存储器存储器M 输入输出接口输入输出接口 数据总线数据总线 状态反馈状态反馈 地址总线地址总线 微操作信号微操作信号 图图4.2 CPU主要组成部件逻辑结构示意图主要组成部件逻辑结构示意图 （图中

3、（图中C为来自控制器的控制信号）为来自控制器的控制信号） CPU 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作

4、业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 CPU 总线总线 控制控制 逻辑逻辑 内内 存储器存储

5、器 接口接口接口接口 外存储器外存储器 I/O设备设备 图图4.4 4.4 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构 ABAB DBDB CBCB 系统总线系统总线 输入输出子系统输入输出子系统 由于总线是共享的传输通道，任意时刻只能有一由于总线是共享的传输通道，任意时刻只能有一 个器件负责发送数据，所以需要总线控制逻辑来个器件负责发送数据，所以需要总线控制逻辑来 控制总线上传输信号的时序。当发生多个设备需控制总线上传输信号的时序。当发生多个设备需 要使用总线时，总线逻辑应具有总线仲裁功能要使用总线时，总线逻辑应具有总线仲裁功能。 4.24.1作业作业4.34.44.5 总线控制总线控

6、制 逻辑逻辑 8086 总线总线 执行部件执行部件EU 总线接口部件总线接口部件BIU 状态标志寄存器状态标志寄存器 AH BL CL DL BH CH DH AX BX CX DX SP BP SI DI ALU数据总线（数据总线（1616位）位） 暂存器暂存器 ALU EU 控制电路控制电路 1 2 3 4 5 6 CS DS SS ES 内部通用内部通用 寄存器寄存器 IP 地址加法器地址加法器 指令队列指令队列 AL 图图4.5 8086CPU功能结构框图功能结构框图 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5

7、 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 标志寄存器的具体格式标志寄存器的具体格式 状态标志位：状态标志位： CF（Carry Flag）进位标志位：）进位标志位： 加加/减法运算时最高位产生了进位或产生了借位：减法运算时最高位产生了进位或

8、产生了借位： CF=1，否则，否则CF=0。 PF（ Parity Flag）奇偶标志位：）奇偶标志位： 运算结果中的低运算结果中的低8位含位含“l”个数为偶数时，个数为偶数时，PF=1； 为奇数时为奇数时PF=O。 AF（Auxiliary Flag）辅助标志位：）辅助标志位： 运算过程中若第运算过程中若第3位向第位向第4位有进位或借位时，位有进位或借位时， AF=1，否则，否则，AF=0。该标志用于。该标志用于BCD运算中的十进运算中的十进 制调整。制调整。 4.24.1作业作业4.34.44.5 状态标志位：状态标志位： ZF（Zero Flag）零标志位：）零标志位： 运算结果为运算结

9、果为0时，时，ZF=1；否则，；否则，ZF=0。 SF（Sign Flag）符号标志位：）符号标志位： 运算结果的最高位为运算结果的最高位为1，则，则SF=1；否则，；否则，SF=0。 常用来表示带符号数本次运算结果的正负。常用来表示带符号数本次运算结果的正负。 OF（Overflow Flag）溢出标志位：）溢出标志位： 当带符号数运算结果超出了目标单元所能表示当带符号数运算结果超出了目标单元所能表示 的数值范围时，的数值范围时，OF=1，否则，否则，OF=0。带符号数字。带符号数字 节运算的结果超出了节运算的结果超出了-128+127的范围，或者字的范围，或者字 运算的结果超出了运算的结果

10、超出了-32768+32767的范围时称为的范围时称为 溢出。溢出。 4.24.1作业作业4.34.44.5 控制标志位：控制标志位： IF（Interrupt Flag）中断允许标志位：）中断允许标志位： 这是控制可屏蔽中断的标志，这是控制可屏蔽中断的标志，IF=1，允许，允许CPU 响应可屏蔽中断；响应可屏蔽中断；IF=0，CPU禁止可屏蔽中断。禁止可屏蔽中断。 用用STI指令可使指令可使IF置置1，CLI指令可使指令可使IF清零。清零。 DF（Direction Flag）方向标志位：）方向标志位： 若若DF=0，使串操作自动按增地址方式进行；，使串操作自动按增地址方式进行； 若若DF=

11、1，使串操作自动按减地址方式进行。用，使串操作自动按减地址方式进行。用 STD指令可使指令可使DF置置l， CLD指令可使指令可使DF清零。清零。 TF（Trap Flag）单步跟踪标志位：）单步跟踪标志位： 调试程序时，可将调试程序时，可将CPU设置为单步工作方式：设置为单步工作方式： TF=l，即每执行完一条指令就自动产生一次内部中，即每执行完一条指令就自动产生一次内部中 断，使用户可跟踪程序进行调试。若断，使用户可跟踪程序进行调试。若TF=0时，时， CPU为连续工作方式。为连续工作方式。 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作

12、业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 举例举例 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 GND AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK GND Vcc AD15 A16/S3 A17/S4 A18/S5 A19/S6 BHE/S7 MN/MX RD HOLD(RQ/GT0) HLDA(RQ/GT1) WR(LOCK) M/IO(S2) D

13、T/R(S1) DEN (S0) ALE(QS0) INTA(QS1) TEST READY RESET 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 8086 31 11 30 12 CPU 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 21 图4.8 8086外部引脚图 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.

14、34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 组合逻辑电路组合逻辑电路N 1/k译码器译码器 模模k时序计数器时序计数器 指令译码器指令译码器 指令寄存器指令寄存器 ALU反馈信号反馈信号 启动启动 停止停止 时钟时钟 复位复位 I1 Im B1 Bn T1 . . T2Tk. . 微操作控制信号微操作控制信号 图图4.9 组合逻辑控制器原理图组合逻辑控制器原理图 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4

15、.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 控制存储器控制存储器 下址字段下址字段控制字段控制字段 微地址寄存器微地址寄存器 微指令微指令 寄存器寄存器 微地址译码微地址译码 OP IR 微指令地微指令地 址形成部址形成部 件件 状态状态 CLK 微命令信号微命令信号 图图4.11 微程序控制原理图微程序控制原理图 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34

16、.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 取指令周期微程序取指令周期微程序 间址周期微程序间址周期微程序 中断周期微程序中断周期微程序 对应对应ADD指令的微程序指令的微程序 对应其他指令的微程序对应其他指令的微程序 图图4.12 控制存储器中微程序的安排控制存储器中微程序的安排 控制存储器控制存储器 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 下地址字段下地址字段 控制信号控制信号 图图4.13 位直接控制方式位直接控制方式 控制字段控制字段 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 控制信号控制信号 图图4

17、.14 字段直接控制方式字段直接控制方式 控制字段控制字段 译码译码 译码译码 下地址字段下地址字段 译码译码 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 图图4.15 增量与断定方式结合的微指令格式增量与断定方式结合的微指令格式 下地址字段下地址字段 控制字段控制字段 条件选择条件选择 转移地址转移地址 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业

18、作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 取指取指析指析指执指执指 访存取指令访存取指令 分析指令，可分析指令，可 能访存取数能访存取数 执行指令，可执行指令，可 能访存存结果能访存存结果 4.24.1作业作业4.34.44.5 取指取指k析指析指k执指执指k取指取指k+1析指析指k+1执指执指k+1 )( 1 ii n i i tttT 执指析指取指 4.24.1作业作业4.34.44.5 取指取指k析指析指k执指执指k 取指取指k+1 析指析指k+1 执指执指k+1 取指取指k+2 析指析指k+2 执指执指k+2 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作

19、业作业4.34.44.5 取指取指k析指析指k执指执指k 取指取指k+1析指析指k+1执指执指k+1 取指取指k+2析指析指k+2执指执指k+2 图图4.17 指令重叠运行时的相互等待指令重叠运行时的相互等待 4.24.1作业作业4.34.44.5 一般使每个部件的执行时间相等，虽然执行一次浮点加法一般使每个部件的执行时间相等，虽然执行一次浮点加法 仍需仍需4 t，但，但4个部件同时工作，则每隔一个个部件同时工作，则每隔一个t就能完成就能完成 一次浮点加法，速度提高一次浮点加法，速度提高3倍倍 取指令取指令入入 出出 译码译码 形成操作形成操作 数地址数地址 取操取操 作数作数 执行执行 保存

20、保存 结果结果 求阶差求阶差入入出出尾数加尾数加规格化规格化对阶对阶 一种指令流水线一种指令流水线 浮点加法器流水线浮点加法器流水线 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 析指析指k执指执指k 析指析指k+1执指执指k+1析指析指k+1（推后）（推后） 结果写结果写R1 需要读需要读R1 读读R1推后一个推后一个 周期周期 执指执指k+1 4.24.1作业作业4.34.44.5 运算器运算器 通用寄存器堆通用寄存器堆 锁存器锁存器锁存器锁存器 相关专用通路相关专用通路 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1作业作业4.34.44.5 4.24.1