微机原理3_计算机一般原理

1、第三章 微型计算机一般原理1.运算方法（定点数的四则运算，逻辑运算）、运算器的结构和工作原理；2.存储原理、存储器的操作；3.自动执行原理、控制器的结构及工作原理；4.输入、输出设备及接口。计算机程序、数据结果3.1.1 冯.诺依曼结构原理：1、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成；2、程序和数据以二进制形式不加区分地依次存放在存储器中，存放位置由地址确定；3、控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程。3.1 3.1 计算机系统组成计算机系统组成3.1 计算机系统组

2、成原理计算机系统组成原理 输出设备输出设备 输入设备输入设备 运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器控制流控制流CS数据流数据流DS存储器存储器运算器运算器控制器控制器适配器适配器输入设备输入设备输出设备输出设备系统总线系统总线应用语言应用语言物理计算机（硬件）虚拟计算机（软件）高级语言高级语言汇编语言汇编语言系统原语系统原语机器指令系统机器指令系统机器指令时序机器指令时序硬操作时序硬操作时序从语言功能层次划分第第0级级由硬件实现由硬件实现。第第1级级由微程序实现由微程序实现。第第2级级是传统指令系统（机器语言）机器。是传统指令系统（机器语言）机器。第第3级级是操作系统机器。操作系统是运行在

3、第级上的解释程序是操作系统机器。操作系统是运行在第级上的解释程序第第4级级是汇编语言机器。是汇编语言机器。第第5级级是高级语言机器。是高级语言机器。第第6级级是应用语言机器。是应用语言机器。：第第0和第和第1级属于计算机组织与结构，级属于计算机组织与结构，第第3至第至第5级级是系统软件，是系统软件，第第6级是应用软件。级是应用软件。第第0级要求一定的数字逻辑基础；第级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇级涉及汇编语言程序设计的内容；第编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。级与计算机系统结构密切相关。在特殊在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在的计算机系统中，有些级别可能不存在

4、计算机是指计算机组成的 处理机、主存储器等部件的物理结构处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度器件的集成度和速度 专用器件的设计专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等硬件软化：软件完成较复杂功能，以降低硬件开销。硬件软化：软件完成较复杂功能，以降低硬件开销。软件硬化：硬件完成较复杂功能，以提高处理速度。软件硬化：硬件完成较复杂功能，以提高处理速度。软件固化：运行微程序实现较复杂功能，以提高性价比。软件固化：运行微程序实现较复

5、杂功能，以提高性价比。相互关系相互关系应用程序应用程序操作系统操作系统指指 令令 系系 统统组组 成成实实 现现编译逻辑设计外特性设计器件，封装、机箱、电源、冷却设计硬件硬件 由电子线路、元器件和机械部分等够成的具体装置，由五个基本部件构成。1、 运算器(ALU) 进行算术运算、逻辑运算的部件。可以进行加、减、乘、除等算术运算；还可以进行与、或、非、异或等逻辑运算。2、 控制器(CU) 依据程序指令，产生一系列控制脉冲和信号，指挥和协调整个计算机系统一步步地自动运行完成既定功能。控制器是计算机的“神经中枢”。 运算器和控制器二者合起来称为CPU（中央处理器Central Processing

6、Unit) 。 计算机系统由硬件和软件两部分组成，缺一不可。CPU功能 算术逻辑运算 指令译码、执行 数据暂存 与MEM、I/O交换数据 提供整个系统所需的定时和控制 响应中断请求运算器运算器（1）功能：加工信息。）功能：加工信息。（2）组成：）组成：移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器简单加减运算器XiX0XnFiF0FnYiY0Yn补码加、减运算器补码加、减运算器C0+全加器加X多路器加、减控制0加 1减送结果Cn加Y原 01 反 减Y寄存器结果寄存器接收主存代码接收控制多路转换器（与或门）移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 ALU: AL

7、U: 通过加法器实现运算通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。链传递进位信号）。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 通用寄存器组：提供操作数，通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。存放运算结果。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 选择器：选择操作数；选择控选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。制条件，实现各种算法。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 移位器：直接或者移位移位器：直接或者移位送出运算结果。送出运算结果。控制器控制器（1）功能：产生控制命令）功

8、能：产生控制命令(微命令微命令)，控制功能性部，控制功能性部件（运算器、存储器、输入输出部件）以实现有关指件（运算器、存储器、输入输出部件）以实现有关指令的功能。各部件什么时间实现什么操作均有控制器令的功能。各部件什么时间实现什么操作均有控制器发出控制命令；控制指令顺序执行。发出控制命令；控制指令顺序执行。（2）组成：）组成：微命令发生器微命令发生器指令信息指令信息状态信息状态信息时序信号时序信号微命令序列微命令序列逻辑条件逻辑条件时间条件时间条件微命令产生方式（指令执行控制方微命令产生方式（指令执行控制方式）：式）：组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻

9、辑电由组合逻辑电 路产生微命令路产生微命令由微指令产生由微指令产生微命令微命令3、存储器(Memory) 是用来保存和记忆原始题目、原始数据、运算的中间结果、最后结果，以及为了使机器能自动进行运算而编制的各种命令（程序）的记忆装置，实现存储器的读写指令。存储程序原理存储器通常分为： 内存储器(主存储器) 可直接与CPU交换信息 外存储器(辅助存储器) 不可直接与CPU交换信息CPU与内存合起来称为主机存储器存储器（1）功能）功能: 存储程序存储程序(指令、数据）。指令、数据）。（2）组成（主存储器）：）组成（主存储器）：存储体存储体地址寄存器地址寄存器译码器译码器读读/ /写线路写线路数据寄存

10、器数据寄存器控制线路控制线路1) 存储体存储体: 存放信息的实体。存放信息的实体。2）寻址系统：对地址码译码，选择存）寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。储单元。3）读）读/写线路和数据寄存器：完成读写线路和数据寄存器：完成读/写写操作，暂存读操作，暂存读/写数据。写数据。4）控制线路：产生读）控制线路：产生读/写时序，控制读写时序，控制读/写操作。写操作。4、 输入设备 把外部信号转变为计算机能识别的电信号并送给主机的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标器、光笔、扫描仪、触摸屏、磁盘驱动器等。5、输出设备 把计算机的计算结果或中间结果以容易阅读和使用的形式表示出来。常用的输出设备有屏幕、打印机

11、、绘图仪、磁盘驱动器等。总 线：总线是将计算机内各个部件连接在一起进行数据传输的部件。 输入设备和输出设备是计算机与外部世界联系的桥梁，统称为外部设备（I/O设备, INPUT; OUTPUT的缩写）输入输入/输出设备输出设备功能：转换信息功能：转换信息。 主机主机接口接口入入/出出设备设备输入：原始信息输入：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出：处理结果输出：处理结果 人方便识别的形式，人方便识别的形式，并输出并输出（代码）（代码） 以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。一组信息传送线路。总总 线线部件部

12、件部件部件部件部件总总 线线功能功能 内总线内总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线信息信息 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线CPU主存主存外设外设系统系统总总 线线计算机组成计算机组成内部内部总总 线线控制器控制器运算器运算器寄存器寄存器组组CPU组成组成在计算机中，基本上有两种信息在流动，一种信息为数据，即各种原始数据、中间结果、程序（代码）等。这些数据由输入设备输入至运算器，再储存于存储器中；在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算；运算的中间结果要存入存储器中，或最后由运算器经输出设备输出。计算机在运行过程中，人向计算机发出的各种命令（即程序

13、）也以数据的形式由存储器送入控制器，再由控制器经译码后变为各种控制信号。所以，该信息就是控制命令。控制运算器按规定一步步地进行各种运算和处理、控制存储器的读和写、控制输出设备输出结果等等。一、微型计算机的工作过程 由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。取指令，PC值加1停机?译码并执行结束YN3.2 3.2 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理二、微处理器内部结构二、微处理器内部结构数据总线数据总线指令寄存器指令寄存器操作码地址码-1+1指令译码控制电路堆栈指示器

14、地址寄存器程序计数器地址总线内存储器. 暂存寄存器累加器锁存器ALU标志寄存器累加器A通用寄存器组. 微处理器的一般结构： 1. 算术逻辑单元(ALU) 2. 内部寄存器：累加器、通用寄存器、标志寄存器. 程序计数器. 指令寄存器. 指令译码器. 堆栈指示器. 时序和控制电路（时间顺序的控制）. 微处理器内部总线：芯片总线(局部总线)、系统总线(板总 线)、外总线(通信总线)指令 计算机硬件能执行的一个基本操作命令（让计算机完成某个操作所发出的命令）指令格式操作码操作数操作码 指令的功能（告诉计算机干什么）操作数 操作对象的数据或数据存放的地址指令系统 某一系列计算机（微处理器）的基本指令的集

15、合，不同的计算机（微处理器）指令系统不同程序 为使计算机完成某项特定任务而编写的一组有序的指令序列三、指令及执行三、指令及执行指令周期取指令指令译码计算有效地址取操作数执行操作取指周期执行周期指令执行过程:内存指令取指周期：执行周期：控制信号有关部件动作CPU译码CPU程序的执行：CPU不断地，周而复始地取指令，分析指令，执行指令。四、微型计算机系统的基本硬件组成鼠标MODEM显示器显示卡微处理器总线 （ISA、EISA、VESA、PCI）软盘适配器软盘驱动器硬盘适配器硬盘驱动器RAM/ROM光盘驱动器并行接口串行接口声卡音响、话筒打印机主板鼠标MODEM接 口 ROM I/O接 口接 口 R

16、AM输入设备输出设备微 处 理 器 地址总线 ( Address Bus )数据总线 ( Data Bus )控制总线 ( Control Bus )定时器微型计算机系统的总线结构五、系统主板六、存储器分类六、存储器分类内存储器(主存) 外存储器(辅存)磁存储器光存储器 只读存储器(ROM)高速缓存(Cache) 随机存取存储器(RAM)存储器PROM EPROME2ROM静态RAM动态RAM磁带磁盘软盘硬盘只读光盘(CD-ROM)一次性写入光盘可擦写光盘内存储器内存储器 功能：存放当前正在运行的程序和所需的数据 存储容量：存储器能存储的总字节数 可直接与CPU交换信息 工作方式：按地址存取

17、CPU的寻址能力：由地址线的多少决定 （2N） 随机存取存储器(RAM )： 存放用户程序和数据，具有易失性（断电后RAM中的内容全部丢失) 高速缓冲存储器(Cache) 只读存储器(ROM)：存放不变的程序和数据(如引导程序、基本输入/输出系统BIOS)，具有非易失性（断电后ROM中的内容不会丢失）。ROM又分为： 掩模型ROM：生产厂家写入，无法更改。 PROM（可编程只读存储器） EPROM：可擦除可编程只读存储器，紫外线照射可擦除 E2ROM：电可擦除可编程只读存储器，可反复更换其中信息的ROM，所以被现在的微机主板ROMBIOS广泛使用。3.3 3.3 运算器运算器3.3.1 加法器

18、iBCi-1iASiiCBC-10A00SBii-1CAiiSiC101ACB1SBii-1CAiiSiCn-1n-2n-1ACBn-1SBii-1CAiiSiCnN-1nACBnSCnX 运算器是根据程序的指令功能，以ALU算术逻辑运算单元为核心，在控制器的控制下完成算术四则运算、逻辑运算及其他运算的部件。3.3.2 定点加减运算XiX0XnFiF0FnYiY0Yn补码加、减运算器补码加、减运算器C0+全加器加X多路器加、减控制0加 1减送结果Cn加Y原 01 反 减Y寄存器结果寄存器接收主存代码接收控制多路转换器3.3.3 溢出的产生与判断补码加补码加 64 0 0100 0000 两异号

19、数相加两异号数相加 +（-127） + 1 1000 0001 绝对不会产生溢出绝对不会产生溢出 -63 1 1100 0001 补补 1011 1111=-63 64 0 0100 0000 + 65 + 0 0100 000 1 产生上溢出产生上溢出 129 0 1000 0001 补补 1111 1111=-127 错错 -64 1 1100 0000 +（-65） + 1 1011 1111 产生下溢出产生下溢出 -129 1 0111 1111 补补 01111111 =127 错错补码加补码加 64 0 0100 0000 + 63 + 0 0011 1111 无溢出无溢出 127

20、 0 0111 1111 补补 0111 1111 =127 对对 溢出只发生在两同号数相加，并且次高位向最高位（符号位）有进位的情况下。这时，和的符号位同加数与被加数的符号必然相反。 判断溢出的三种方法： 1、两同号数相加，若结果与相加数符号不同，则表示发生了溢出； 2、符号位的进位输入Cn-1与进位输出Cn不相同，则表示发生了溢出； 3、采用双符号法。进行运算时，在加数和被加数前再增加一位与原数相同的符号位，构成双符号位，“00”表示正，“11”表示负，连双符号位一起参与运算后，若运算结果的符号位不同，则一定发生了溢出。3.4 3.4 控制器控制器 控制器的工作： 控制运算器和系统的其他部

21、件不断地，周而复始地取指令，分析指令，执行指令。 取指令，PC值加1停机?译码并执行结束YN控制器控制器主要功能主要功能从内存中取指令，计算下一条指令的地址；从内存中取指令，计算下一条指令的地址；对指令进行译码，产生操作控制信号；对指令进行译码，产生操作控制信号；控制指令执行的步骤和数据流动的方向；控制指令执行的步骤和数据流动的方向；控制程序和数据的输入与结果输出；随机事件和某些特殊请求的处理。生成控制信号的方法生成控制信号的方法硬连线逻辑方式硬连线逻辑方式微程序方式微程序方式阵列逻辑方式阵列逻辑方式 控制器根据程序（即人向计算机发出的各种命令，也以二进制数据的形式依次存放在存储器中），自动完

22、成将指令代码由存储器读入控制器的指令寄存器中，再由指令寄存器经译码后变为各种时序控制信号。从而控制运算器按既定的方式一步步地进行各种运算和处理、控制存储器的读和写、控制输出设备输出结果等等。然后，控制指令计数器自动加1，给出下一条指令的存放位置，启动下一个指令周期。 这样，CPU执行指令的过程，可看成是一个串行过程，读指令代码时，其他部件在等待，执行指令时，读指令部件又在等待， CPU工作效率较低。 CPU执行指令的过程，可具体分为如下六个步骤： 1.取指（fetch）； 2.译码（decoding); 3.计算有效地址（EA：Effective Address）； 4.取操作数； 5.执行

23、6.存储运算结果 概括的说，可分为“取指令”和“执行指令”两个步骤。 早期的计算机将这两步采用先后轮流动作（串行），CPU效率较低。取指1取指2取指3执行1执行2执行33.4.1控制器的组成程序计数器程序计数器(PC)(PC)：存当前正在执行的指令的地址存当前正在执行的指令的地址 存即将执行的下一条指令的地址存即将执行的下一条指令的地址 存下一条预取指令的地址存下一条预取指令的地址指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)：存放本条要执行的指令，保持到指令执行完毕：存放本条要执行的指令，保持到指令执行完毕指令译码器（指令译码器（IDID）：）：对操作码进行分析对操作码进行分析, , 产生相应控制信号

24、产生相应控制信号脉冲源：脉冲源：时钟信号时钟信号, reset, reset信号信号启停控制线路：启停控制线路：开启、封锁机器工作时钟开启、封锁机器工作时钟时序控制信号形成部件：时序控制信号形成部件：产生节拍序列脉冲信号产生节拍序列脉冲信号程序状态字（程序状态字（PSWPSW）：）：状态寄存器，标志位状态寄存器，标志位, , 控制位控制位控制器逻辑框图微操作控制微操作控制形成部件形成部件时序脉冲时序脉冲发生器发生器指令指令 译码器译码器操作码操作码 地址码地址码启停启停地址形成电路地址形成电路PCCPU外部状态外部状态脉冲源脉冲源微操作控制信号微操作控制信号+1(控制台控制台)MARIR1.根

25、据不同指令的操作码产生所需的微操作命令根据不同指令的操作码产生所需的微操作命令,即指令译码即指令译码2.操作命令与时序脉冲结合形成一定时序的微命令操作命令与时序脉冲结合形成一定时序的微命令 实现方法实现方法: 组合逻辑组合逻辑:硬布线逻辑；硬布线逻辑；可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA) 存储逻辑存储逻辑:微程序控制逻辑微程序控制逻辑3.4.2时序系统的组成时序系统的组成M1脉冲发生器脉冲发生器节拍发生器节拍发生器周期状态周期状态触发器触发器脉冲源脉冲源启动启动暂停暂停M2T1T21.脉冲源脉冲源:由石英晶体震荡器及由石英晶体震荡器及“与非门与非门”组合的震荡电路组成组合的震荡电路组成2.脉

26、冲发生器脉冲发生器:通常是一个环行脉冲发生器通常是一个环行脉冲发生器,采用循环移位寄存器的形式采用循环移位寄存器的形式,产生一组有序的、间隔相等或不等的脉冲序列产生一组有序的、间隔相等或不等的脉冲序列3.节拍发生器节拍发生器:按先后顺序按先后顺序,循环地发出若干时钟周期信号循环地发出若干时钟周期信号,最后通过译码最后通过译码电路电路,产生最后所需的节拍脉冲产生最后所需的节拍脉冲,通常由计数译码器电路组成通常由计数译码器电路组成.4.周期状态触发器周期状态触发器:产生电路与节拍发生器产生电路类似产生电路与节拍发生器产生电路类似.表示表示CPU当前处于指令周期的哪个机器周期当前处于指令周期的哪个机

27、器周期5.启停控制逻辑启停控制逻辑:控制时钟系统控制时钟系统,只有当启动机器运行时只有当启动机器运行时,才允许发才允许发出所需的时钟脉冲出所需的时钟脉冲,而且而且,由于机器的启停是随机的由于机器的启停是随机的,必须考虑发出必须考虑发出的脉冲是完整的的脉冲是完整的.时序控制逻辑基本概念时序控制逻辑基本概念指令周期指令周期：取出一条指令并执行该指令的时间：取出一条指令并执行该指令的时间机器周期机器周期：CPU同主存或外设进行一次信息交换所需的时间同主存或外设进行一次信息交换所需的时间总线总线周期周期、CPU周期周期节拍电位与时钟周期节拍电位与时钟周期：CPU执行一个微操作的最小时间单位执行一个微操

28、作的最小时间单位节拍节拍周期周期、T周期，周期，节拍的宽度取决与节拍的宽度取决与CPUCPU执行一次微操作所需要的时执行一次微操作所需要的时间，不同的机器周期内所包括的节拍数可以是固定不变的，也可间，不同的机器周期内所包括的节拍数可以是固定不变的，也可以是可变的；在一个节拍中，有的操作还需要严格的定时脉以是可变的；在一个节拍中，有的操作还需要严格的定时脉冲，所以在一个节拍之内往往还需要设置几个工作脉冲。冲，所以在一个节拍之内往往还需要设置几个工作脉冲。三者关系三者关系：一个指令周期包含若干个一个指令周期包含若干个CPU周期，一个周期，一个CPU周期的周期的功能由多个时钟周期来完成。功能由多个时

29、钟周期来完成。机器周期机器周期M1M1机器周期机器周期M2M2机器周期机器周期M3M3时钟周期时钟周期T2T2时钟周期时钟周期T3T3时钟脉冲时钟脉冲CLKCLK时钟周期时钟周期T1T1一个指令周期一个指令周期3.4.3组合逻辑控制器原理组合逻辑控制器原理一、控制器组成一、控制器组成微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M2022-2-2355微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台

30、信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器1.1.微命令发生器微命令发生器功能：功能：产生全机所需的各种微命令产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作控制最基本的操作( (微操作微操作) )的命令的命令电位型电位型脉冲型脉冲型2022-2-2356微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M2.2.指令计数器指令

31、计数器PCPC功能：功能： 指示指令在指示指令在M中的位置。中的位置。PCPC本身本身+1+1顺序执行：顺序执行：PCPC先先+1+1，再用转移地址修改，再用转移地址修改PCPC微命令微命令发生器发生器PCPC转移执行转移执行:3.3.指令寄存器指令寄存器IRIR功能：功能：存放现行指令。存放现行指令。决定操决定操作性质作性质操作码字段操作码字段操作数地址操作数地址转移地址转移地址PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微

32、命令微命令发生器发生器PCPC IR IR地址码字段地址码字段译码器译码器微命令发生器微命令发生器地址形成部件地址形成部件寻寻D2022-2-23584.4.状态寄存器状态寄存器PSWPSW功能：功能： 指示程序运行方式，反映程序运行结果。指示程序运行方式，反映程序运行结果。PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW工作方式工作方式 优先级优先级 T T S Z V

33、 CS Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 02022-2-2359C=1 C=1 进位进位 V=1 V=1 溢出溢出Z=1 Z=1 结果为结果为0 0S=1 S=1 结果为负结果为负T=1T=1, 执行跟踪程序执行跟踪程序（1 1）条件码）条件码反映程序运行结果反映程序运行结果工作方式工作方式 优先级优先级 T S Z V CT S Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0（2 2）跟踪标志）跟踪标志为程序查错设置的断点标志为程序查错设置的断点

34、标志T T。程序初始化置T为1.测试T跟踪程序.2022-2-23605.5.时序线路时序线路功能：功能： 控制操作时间和操作时刻。控制操作时间和操作时刻。PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序振荡器振荡器分频器分频器时钟脉冲时钟脉冲工作脉冲工作脉冲时钟周期时钟周期( (节拍节拍) )产生电位产生电位型微命令，型微命令，控制操作控制操作时间段时间段产生

35、脉冲型产生脉冲型微命令，控微命令，控制定时操作制定时操作2022-2-2361PCPCPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序二、控制器工作过程二、控制器工作过程地址地址M M指令指令IRIR、译码、译码寻址方式寻址方式PC+1PC+1PCPC2022-2-2362取数取数( (按寻址方式按寻址方式) )立立: :PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序

36、列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序指令指令操作数操作数有效地址有效地址M M, ,取数取数R R, ,取数取数直直: :寄存器号寄存器号间间: :间接地址间接地址M,M,取有效地址取有效地址寄存器号寄存器号R R, ,取有效地址取有效地址变变: :形式地址形式地址变址量变址量运算器运算器计算有效计算有效地址地址2022-2-2363执行执行( (按操作码按操作码) )PCPC微命令微命令

37、发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序结果结果存储器存储器/ /寄存器寄存器操作数操作数加法器加法器操作数操作数2022-2-23641.1.组合逻辑控制器的时序划分组合逻辑控制器的时序划分三、时序控制方式三、时序控制方式即时序信号与操作的关系即时序信号与操作的关系 采用三级时序系统：采用三级时序系统：指令周期指令周期工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工

38、作周期n n时钟周期时钟周期1 1时钟周期时钟周期2 2时钟周期时钟周期m m.工作脉冲工作脉冲1 1工作脉冲工作脉冲2 2工作脉冲工作脉冲k k.( (节拍节拍1)1)( (节拍节拍2)2)( (节拍节拍m)m)2022-2-2365 时序关系：时序关系：晶振输出晶振输出工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3时钟时钟T1T1工作脉冲工作脉冲P P时钟时钟T2T2指令周期指令周期控制不同阶段操作时间控制不同阶段操作时间控制分步操作时间控制分步操作时间对微操作定时对微操作定时取指取指执行执行取数取数取出指令取出指令修改修改PC打入打入IR打入打入PC3.4.4微程序控

39、制器微程序控制器 其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。组合逻辑组合逻辑电路一经实现，不能变动其逻辑关系，必要时，电路一经实现，不能变动其逻辑关系，必要时，必须改变其连线或重新设计。必须改变其连线或重新设计。微程序控制方法微程序控制方法：把指令执行所需要的所有控制信号存：把指令执行所需要的所有控制信号存放在控制存储器中，需要时从这个存储器中读取，放在控制存储器中，需要时从这个存储器中读取，存储存储逻辑逻辑可以修改可以修改ROM存放的数据存放的数据,从而修改逻辑功能从而修改逻辑功能,速度速度略慢略慢,有一个寻址和读数据的过程有一个寻址和读

40、数据的过程.微程序控制的特点微程序控制的特点：灵活性好，速度慢：灵活性好，速度慢微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念1.微命令与微操作微命令与微操作 微命令：微命令：构成控制信号序列的最小单位。构成控制信号序列的最小单位。 微操作微操作：控制器中执行部件接受微指令后所进行的操作。：控制器中执行部件接受微指令后所进行的操作。2.微指令和微程序微指令和微程序 微指令：微指令：在机器的一个节拍中在机器的一个节拍中,一组实现一定操作功能的微命令一组实现一定操作功能的微命令, 即即微命令组合。微命令组合。 微程序：微程序：由微指令组成的序列称为微程序由微指令组成的序列称为微程序,一个微程序的功能对应

41、一一个微程序的功能对应一条机器指令的功能条机器指令的功能. 3.机器指令与微指令机器指令与微指令机器指令指提供给使用者编成的基本单位机器指令指提供给使用者编成的基本单位,如每一条指令可以完成一如每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作个独立的算术运算或逻辑运算操作. 一条机器指令对应一组微指令组成的微程序一条机器指令对应一组微指令组成的微程序.可见可见,一条机器指令对一条机器指令对应多条微指令应多条微指令,而一条微指令可为多个机器指令服务而一条微指令可为多个机器指令服务4.控制存储器控制存储器CM(Control Memory): 用于存放全部指令的所有微程序用于存放全部指令的所有微

42、程序,采用只读存储器结构采用只读存储器结构(固化固化).控制控制存储器的字长等于微指令的长度存储器的字长等于微指令的长度,其总容量决定于所有微程序的总长其总容量决定于所有微程序的总长度度.5.微指令周期微指令周期:从控制存储器中读取一条微指令并执行这条微指令所需从控制存储器中读取一条微指令并执行这条微指令所需的时间的时间,通常一个微指令周期与一个通常一个微指令周期与一个CPU周期的时间相等周期的时间相等.微指令中的微指令中的微命令可以用节拍脉冲来同步定时微命令可以用节拍脉冲来同步定时.T1T2T3T4T1T2T3T4读微指令读微指令执行微指令执行微指令微指令周期微指令周期CPU周期周期 CPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系微周期微周期子周期子周期T1T2T3T4多周期节拍脉冲多周期节拍脉冲 微程序控制器的基本结构和工作过程微程序控制器的基本结构和工作过程一、基本组成一、基本组成1 1、控制存储器、控制存储器CMCM用来存放微程序。用来存放微程序。2 2、微指令寄存器、微指令寄存器 IRIR用来存放从控制存储器中取得的微指令。用来存放从控制存储器中取得的微指令。3 3、微地址形成部件