微型计算机原理第3章上

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1、第1章 计算机系统概述,*,*,单击此处输入文本,微型计算机原理,第3章 运算器与控制器,3.,1,控制器概述,3.,3,微程序控制器概述,3.0 运算器概述,2024/10/28,1,掌握：,加减运算的实现,控制器的功能和基本组成,微程序控制器的概念、原理,2024/10/28,2,第3章 运算器与控制器,运算器部件：,是计算机加工处理数据的功能部件。,对数据的加工处理包括：,与、或、非、异或等。,ALU,是运算器中的核心部件。也是运算器内部传送数据的重要通路。,运算器的核心功能：,实现算术运算和逻辑运算,算术逻辑单元,ALU,（Arithmetic-Logical Unit）：,加、减、乘

2、、除等；,数值数据的,算术运算：,逻辑数据的,逻辑操作：,2024/10/28,3,第3章 运算器与控制器,运算器还,暂存,参加运算的数据和中间结果，,选择,参加运算的数据，所以运算器内包含一定数目的,通用寄存器,和,多路选择器,、,译码电路,等。,运算器,定点运算器,浮点运算器,定点运算器用硬件直接实现，是必备的运算器。,浮点运算器又称为数学协处理器，主要用硬件完成，是可选件。,现在的高档微机已经把定点运算器和浮点运算器集成在一个芯片中。,2024/10/28,4,第3章 运算器与控制器,控制器,是整个计算机系统的指挥中心，协调并控制计算机的各个部件执行程序的,指令序列,。,微处理器,微处理

3、器将,运算器,与,控制器,集成在一个芯片上，通常称为,中央处理单元,（,CPU,Central Processing Unit）。,控制器,组合逻辑控制器（又称硬布线逻辑控制器）,微程序控制器,2024/10/28,5,第3章 运算器与控制器,3.,1,运算器概述,运算器主要由算术逻辑运算单元,ALU、,锁存器、寄存器、内部总线和控制电路等构成。其核心部件是,ALU。,下面介绍运算器的基本结构和组成。,3.,1.1,运算器的基本结构,运算器三种结构形式,单总线结构,双总线结构,三总线结构,2024/10/28,6,第3章 运算器与控制器,1单总线结构,单总线结构的运算器如所示,A,B,通用,寄

4、存器,状态标志寄存器,内部数据总线,ALU,2024/10/28,7,第3章 运算器与控制器,在单总线结构的运算器中，所有部件都挂在同一总线上，各部件之间的数据传送都是通过同一总线进行。,由于同一时刻只能有一个操作数放在总线上，各部件对总线是分时使用的。,进行一次运算需三步完成,第一步,通过总线把第一个操作数送锁存器,A,；,第二步,将第二个操作数送入锁存器,B；,第三步,将运算结果通过总线送入目的寄存器中。,单总线结构的运算器,结构简单,，但,速度较慢,。,2024/10/28,8,第3章 运算器与控制器,2双总线结构,双总线结构的运算器如图所示,锁存器,通用,寄存器,状态标志寄存器,内部数

5、据总线1,ALU,内部数据总线2,ALU,2024/10/28,9,第3章 运算器与控制器,在双总线结构的运算器中，用,两组内部数据总线,连接运算器的所有部件。,这种结构中，两个操作数可同时加到,ALU,的输入端，且可立刻得到运算结果。,ALU,的输出不能直接连到总线上，因为当形成操作结果时，两条总线都被输入数据占据着，所以必须在,ALU,输出端设置锁存器。,进行一次运算需,两步,完成,第一步,把两个操作数分别通过总线1、总线2送,ALU,的输入端，并形成运算结果送锁存器。,第二步,把锁存器的运算结果通过任一总线送入目的寄存器中。,双总线结构的运算器提高了运算速度。,2024/10/28,10

6、,第3章 运算器与控制器,3三总线结构,三总线结构的运算器如图所示,通用,寄存器,状态标志寄存器,内部数据总线1,内部数据总线2,内部数据总线3,总线,旁路器,ALU,2024/10/28,11,第3章 运算器与控制器,在三单总线结构的运算器中，用,三条总线,连接运算器的所有部件。,这种结构中，,ALU,的两个输入端，分别由总线1、总线2供给数据，而,ALU,的输出与总线3相连。,进行一次运算只需,一步,就可完成,把两个操作数分别通过总线1、总线2送,ALU,的输入端，并形成运算结果直接通过总线3送入目的寄存器中。,图中设置了总线,旁路器,，如果有的数据要在总线间直接传送，可通过总线旁路器将总

7、线2的数据直接传给总线3。,三总线结构的运算器运算,速度很快,，但内部,线路复杂,。,2024/10/28,12,第3章 运算器与控制器,3.,1.2,运算器的组成,以一个模型机的运算器为例，说明运算器的组成。,该运算器由如下几部分,构成,：,1算术,/,逻辑运算单元,ALU,由4片,SN74181,和,SN74182,构成。,SN74181,是4位并行加法器，,SN74182,是并行进位部件。,可构成,16位的,ALU,。,2024/10/28,13,第3章 运算器与控制器,2,锁存器,锁存器,A、B,用来,暂存,来自通用寄存器、存储器或外部设备的数据。给,ALU,提供参加运算的数据。,一旦

8、数据进入锁存器，不管外部数据怎样变化，都不能改变锁存器的内容。,ALU,将依据锁存器,A、B,的数据进行处理。,3通用寄存器组,该运算器设置了8个通用寄存器,R0R7。,通用寄存器,可供程序员访问，用来作为累加器、变址寄存器、操作数寄存器等来使用。,2024/10/28,14,第3章 运算器与控制器,源寄存器,用来存放源操作数。,暂存寄存器,用来暂存中间结果。,4移位器,移位器,用来将,ALU,的数据进行左移、右移、直传、半字交换等操作。供不同运算要求使用。,状态寄存器用来存放在运算过程中得到的,状态标志,（如零标志、进位标志、符号标志等），以便供程序判断使用。,5状态寄存器,2024/10/

9、28,15,第3章 运算器与控制器,总线,总线接收器,总线发送器,总线发送器,移位器,状态寄存器,ALU,锁存器,A,锁存器,B,源寄存器,暂存寄存器,通用寄存器,模型机运算器组成框图,2024/10/28,16,第3章 运算器与控制器,3.,2,控制器的功能和基本组成,3.,2.1,控制器的功能,控制器的作用是,控制程序的执行,，它应具有下列功能。,1取指令,根据程序入口地址，从存储器中取出一条指令，并指出下条指令的地址。,取出的指令送到指令寄存器，以便分析运行该指令。,2分析指令,分析指令又叫,解释指令,或,指令译码,。,2024/10/28,17,第3章 运算器与控制器,3执行指令,根据

10、分析指令产生的控制命令和操作数地址，形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器、输入/输出设备的执行，,实现每条指令的功能,。,计算机不断重复上述三种操作：,取指,、,分析,、,执行,；,再取指,、,再分析,、,再执行,，如此循环，直到遇到停机指令或外来干预为止。,是对当前取得的指令进行,分析,，指出它要求完成什么操作，并产生相应的操作控制命令。如果参与操作的数据在存储器中，还要,形成操作数地址,。,2024/10/28,18,第3章 运算器与控制器,5对异常情况和某些请求的处理,当机器出现某些异常情况时，如溢出、校验错等，或某些外来请求，如中断、,DMA,等，要进行相应的处理。,4控制程

11、序和数据的输入与结果的输出,根据程序的安排并通过人的干预，在适当的时候向输入/输出设备发出一些相应的命令来,完成输入/输出功能,，这实际上也是通过执行程序来完成的。,2024/10/28,19,第3章 运算器与控制器,3.,2.2,控制器的组成,时序控制信号,形成部件,启停电路,程序计数器,运算器,+1,CLK2,CLK,脉冲源,RESET,指令译码器,ID,IR,操作码 地址码,存储器,I/O,口,数据总线,DB,地址总线,AB,控制总线,CB,指令,数据,指令,地址,数据寄存器,地址寄存器,操作数,地址,DR,AR,2024/10/28,20,第3章 运算器与控制器,1程序计数器,PC(P

12、rogram,Counter),程序计数器,又称为,指令计数器,IP,（Instruction Pointer），,是用来存放下条指令地址的。,当取出指令后，应确定,下条指令的地址,，这样才能保证程序的连续执行。,在程序开始执行时，必须将程序的,入口地址,（第一条指令地址）,送入,PC,。,程序运行中，,CPU,自动修改,PC,的值。,PC,一直指向下次要取的指令,。,2024/10/28,21,第3章 运算器与控制器,一般有两种途径来形成指令地址：,一是,顺序执行时,，通过程序计数器自动增量形成下条指令地址，即每取一条指令，,PC,自动加1,；,二是遇到要,改变程序执行顺序时,，一般由,转移

13、指令形成转移地址,送程序计数器，形成下条指令地址。,PC,在某些计算机中用来存放,当前,正在执行的,指令地址,；而在另一些计算机中用来存放,下条指令地址,；在有预取指令功能的计算机中用来存放下条要取出的指令地址。,2024/10/28,22,第3章 运算器与控制器,2指令寄存器,IR(Instruction Register),指令寄存器,用来存放当前执行的指令。,要执行一条指令时，先将其从存储器中取出，取出的指令首先存放在指令寄存器当中，以便下一步送指令译码器译码执行。,3指令译码器,ID(Instruction Decoder),一条,指令,一般包括,操作码部分,和,操作数地址部分,。,操

14、作码,指示指令要完成的什么操作。,指令译码器的作用,就是对指令寄存器的操作码部分进行译码，产生相应的控制信号。,2024/10/28,23,第3章 运算器与控制器,4时序控制信号形成部件,时序控制信号形成部件,，对译码器送来的控制信号，按一定的时序关系产生控制信号序列，控制,CPU,内部各部件完成指令功能。同时也发出各种外部控制信号。,时序信号的形成，是在时钟脉冲的作用下进行的。,时序控制信号要根据被控制部件的反馈信号进行调整。,5脉冲源，启停线路,脉冲源,主要是时钟发生器，它,产生,一定频率的,脉冲信号,，作为整个机器的,时钟脉冲,，该脉冲信号是机器的工作脉冲的,基准信号,。,在加电时，产生

15、一总清信号(,RESET)。,启停电路送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而,启动,或,停止,机器。,2024/10/28,24,第3章 运算器与控制器,3.,2.3,指令的执行过程,下面以上图控制器为例，说明指令,MOV 2000H，AL,的执行过程。,指令的功能是将寄存器,AL,中的内容送入地址为 2000,H,的内存单元中。,该指令是一个,三字节指令,，假设存放在1200,H,开始的内存单元中。,指令的执行需要三步,取指令操作码并译码,取操作数地址,存储操作数,2024/10/28,25,第3章 运算器与控制器,操作码,OP,00,20,XX,1200,H,1201H,120

16、2H,2000H,指令的内存存放示意图,1取指令操作码,（1）将指令计数器（,PC,）,的内容（1200,H）,送存储器的地址寄存器（,AR,）；,（2）,指令计数器（,PC,）,内容,加1,，变成1201,H，,为取下面内容作准备；,（3）,AR,内容送地址总线，发读信号给存储器，读出指令,操作码送,指令寄存器,IR,；,（4）,译码器对取出指令的操作码进行,译码,，识别出是直接寻址的传送指令，发出完成下一步操作的控制信号。,2024/10/28,26,第3章 运算器与控制器,2取操作数地址,因1201,H,和1202,H,单元存放的是操作数的地址（低位在前，高位在后），首先将其取出，再将寄存器的内容存入该地址所指的内存单元。如下操作过程：,（1）将,PC,的地址,送,AR,；,（2）,PC,内容,增量,，指向下条指令；,（3）将,AR,的地址,送,上,地址线,，发读一个字的读命令，,读出数据,（2000,H）,送,数据寄存器,DR,；,（4）,将,DR,的内容,送,AR,。,2024/10/28,27,第3章 运算器与控制器,3存储操作数,将寄存器,AL,的内容存入上一步取出的地址