CPU及其控制器课件

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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5片内数据总线片内数据总线BAFECD.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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.

2、54.24.1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CCCCCC程序计数器程序计数器PCCCC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（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）CPU4.24.1作业作业4.34.44.54.

3、24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44

4、.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5CPU总线总线控制控制逻辑逻辑内内存储器存储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ABABDBDBCBCB系统总线系统总线输入输出子系统输

5、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 CXDX SP BP SI D

6、I 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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4

7、.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1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

8、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

9、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

10、，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=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

11、：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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5举例举例 4.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5A

12、D4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVccAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN (S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 8086 3111 3012 CPU 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21图4.8 8086外部引脚图4.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作

13、业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5组合逻辑电路组合逻辑电路N1/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I1ImB1BnT1.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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5

14、4.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1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OPIR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

15、业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1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4.34.44.54.24.1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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5控制

16、信号控制信号图图4.14 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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.3

17、4.44.54.24.1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)(1iiniitttT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+24.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.5取指取指k析指析指k执指执指k取

18、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

19、线浮点加法器流水线浮点加法器流水线4.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1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+14.24.1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4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.1作业作业4.34.44.54.24.