第4章 CPU及其控制器

1、4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 第第4 4章章 CPUCPU及其控制器及其控制器 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 片內(nèi)數(shù)據(jù)總線片內(nèi)數(shù)據(jù)總線 B A FE CD . . . . 圖圖4.1 A寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到B寄存器示意寄存器示意 圖中小箭頭為門控信號圖中小箭頭為門控信號 舉例：實(shí)現(xiàn)指令舉例：實(shí)現(xiàn)指令MOV B,AMOV B,A 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.

2、44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件ALU 累加器累加器AC 寄存器組寄存器組 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器PSW 地址寄存器地址寄存器AR緩沖寄存器緩沖寄存器DR 指令寄存器指令寄存器IR 指令譯碼器指令譯碼器ID 操作控制器操作控制器 時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器 C C C C C C 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC C C C 時(shí)鐘時(shí)鐘 存儲器存儲器M 輸入輸出接口輸入輸出接口 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋 地址總線地址總線 微操作信號微操作信號 圖圖4.2 CPU主要組成部件邏輯結(jié)構(gòu)示意圖主要組成部件邏輯結(jié)構(gòu)示意圖 （圖中

3、（圖中C為來自控制器的控制信號）為來自控制器的控制信號） CPU 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作

4、業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 CPU 總線總線 控制控制 邏輯邏輯 內(nèi)內(nèi) 存儲器存儲

5、器 接口接口接口接口 外存儲器外存儲器 I/O設(shè)備設(shè)備 圖圖4.4 4.4 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) ABAB DBDB CBCB 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 輸入輸出子系統(tǒng)輸入輸出子系統(tǒng) 由于總線是共享的傳輸通道，任意時(shí)刻只能有一由于總線是共享的傳輸通道，任意時(shí)刻只能有一 個(gè)器件負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需要總線控制邏輯來個(gè)器件負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需要總線控制邏輯來 控制總線上傳輸信號的時(shí)序。當(dāng)發(fā)生多個(gè)設(shè)備需控制總線上傳輸信號的時(shí)序。當(dāng)發(fā)生多個(gè)設(shè)備需 要使用總線時(shí)，總線邏輯應(yīng)具有總線仲裁功能要使用總線時(shí)，總線邏輯應(yīng)具有總線仲裁功能。 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 總線控制總線控

6、制 邏輯邏輯 8086 總線總線 執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU 總線接口部件總線接口部件BIU 狀態(tài)標(biāo)志寄存器狀態(tài)標(biāo)志寄存器 AH BL CL DL BH CH DH AX BX CX DX SP BP SI DI ALU數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)總線（1616位）位） 暫存器暫存器 ALU EU 控制電路控制電路 1 2 3 4 5 6 CS DS SS ES 內(nèi)部通用內(nèi)部通用 寄存器寄存器 IP 地址加法器地址加法器 指令隊(duì)列指令隊(duì)列 AL 圖圖4.5 8086CPU功能結(jié)構(gòu)框圖功能結(jié)構(gòu)框圖 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5

7、 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 標(biāo)志寄存器的具體格式標(biāo)志寄存器的具體格式 狀態(tài)標(biāo)志位：狀態(tài)標(biāo)志位： CF（Carry Flag）進(jìn)位標(biāo)志位：）進(jìn)位標(biāo)志位： 加加/減法運(yùn)算時(shí)最高位產(chǎn)生了進(jìn)位或產(chǎn)生了借位：減法運(yùn)算時(shí)最高位產(chǎn)生了進(jìn)位或

8、產(chǎn)生了借位： CF=1，否則，否則CF=0。 PF（ Parity Flag）奇偶標(biāo)志位：）奇偶標(biāo)志位： 運(yùn)算結(jié)果中的低運(yùn)算結(jié)果中的低8位含位含“l(fā)”個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，PF=1； 為奇數(shù)時(shí)為奇數(shù)時(shí)PF=O。 AF（Auxiliary Flag）輔助標(biāo)志位：）輔助標(biāo)志位： 運(yùn)算過程中若第運(yùn)算過程中若第3位向第位向第4位有進(jìn)位或借位時(shí)，位有進(jìn)位或借位時(shí)， AF=1，否則，否則，AF=0。該標(biāo)志用于。該標(biāo)志用于BCD運(yùn)算中的十進(jìn)運(yùn)算中的十進(jìn) 制調(diào)整。制調(diào)整。 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 狀態(tài)標(biāo)志位：狀態(tài)標(biāo)志位： ZF（Zero Flag）零標(biāo)志位：）零標(biāo)志位： 運(yùn)算結(jié)果為運(yùn)算結(jié)

9、果為0時(shí)，時(shí)，ZF=1；否則，；否則，ZF=0。 SF（Sign Flag）符號標(biāo)志位：）符號標(biāo)志位： 運(yùn)算結(jié)果的最高位為運(yùn)算結(jié)果的最高位為1，則，則SF=1；否則，；否則，SF=0。 常用來表示帶符號數(shù)本次運(yùn)算結(jié)果的正負(fù)。常用來表示帶符號數(shù)本次運(yùn)算結(jié)果的正負(fù)。 OF（Overflow Flag）溢出標(biāo)志位：）溢出標(biāo)志位： 當(dāng)帶符號數(shù)運(yùn)算結(jié)果超出了目標(biāo)單元所能表示當(dāng)帶符號數(shù)運(yùn)算結(jié)果超出了目標(biāo)單元所能表示 的數(shù)值范圍時(shí)，的數(shù)值范圍時(shí)，OF=1，否則，否則，OF=0。帶符號數(shù)字。帶符號數(shù)字 節(jié)運(yùn)算的結(jié)果超出了節(jié)運(yùn)算的結(jié)果超出了-128+127的范圍，或者字的范圍，或者字 運(yùn)算的結(jié)果超出了運(yùn)算的結(jié)果

10、超出了-32768+32767的范圍時(shí)稱為的范圍時(shí)稱為 溢出。溢出。 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 控制標(biāo)志位：控制標(biāo)志位： IF（Interrupt Flag）中斷允許標(biāo)志位：）中斷允許標(biāo)志位： 這是控制可屏蔽中斷的標(biāo)志，這是控制可屏蔽中斷的標(biāo)志，IF=1，允許，允許CPU 響應(yīng)可屏蔽中斷；響應(yīng)可屏蔽中斷；IF=0，CPU禁止可屏蔽中斷。禁止可屏蔽中斷。 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）方向標(biāo)志位：）方向標(biāo)志位： 若若DF=0，使串操作自動按增地址方式進(jìn)行；，使串操作自動按增地址方式進(jìn)行； 若若DF=

11、1，使串操作自動按減地址方式進(jìn)行。用，使串操作自動按減地址方式進(jìn)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）單步跟蹤標(biāo)志位：）單步跟蹤標(biāo)志位： 調(diào)試程序時(shí)，可將調(diào)試程序時(shí)，可將CPU設(shè)置為單步工作方式：設(shè)置為單步工作方式： TF=l，即每執(zhí)行完一條指令就自動產(chǎn)生一次內(nèi)部中，即每執(zhí)行完一條指令就自動產(chǎn)生一次內(nèi)部中 斷，使用戶可跟蹤程序進(jìn)行調(diào)試。若斷，使用戶可跟蹤程序進(jìn)行調(diào)試。若TF=0時(shí)，時(shí)， CPU為連續(xù)工作方式。為連續(xù)工作方式。 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作

12、業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 舉例舉例 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)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 圖4.8 8086外部引腳圖 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.

14、34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 組合邏輯電路組合邏輯電路N 1/k譯碼器譯碼器 模模k時(shí)序計(jì)數(shù)器時(shí)序計(jì)數(shù)器 指令譯碼器指令譯碼器 指令寄存器指令寄存器 ALU反饋信號反饋信號 啟動啟動 停止停止 時(shí)鐘時(shí)鐘 復(fù)位復(fù)位 I1 Im B1 Bn T1 . . T2Tk. . 微操作控制信號微操作控制信號 圖圖4.9 組合邏輯控制器原理圖組合邏輯控制器原理圖 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4

15、.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 控制存儲器控制存儲器 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 微地址譯碼微地址譯碼 OP IR 微指令地微指令地 址形成部址形成部 件件 狀態(tài)狀態(tài) CLK 微命令信號微命令信號 圖圖4.11 微程序控制原理圖微程序控制原理圖 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34

16、.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 取指令周期微程序取指令周期微程序 間址周期微程序間址周期微程序 中斷周期微程序中斷周期微程序 對應(yīng)對應(yīng)ADD指令的微程序指令的微程序 對應(yīng)其他指令的微程序?qū)?yīng)其他指令的微程序 圖圖4.12 控制存儲器中微程序的安排控制存儲器中微程序的安排 控制存儲器控制存儲器 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 下地址字段下地址字段 控制信號控制信號 圖圖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作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 控制信號控制信號 圖圖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 譯碼譯碼 譯碼譯碼 下地址字段下地址字段 譯碼譯碼 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 圖圖4.15 增量與斷定方式結(jié)合的微指令格式增量與斷定方式結(jié)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 條件選擇條件選擇 轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)

18、作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 取指取指析指析指執(zhí)指執(zhí)指 訪存取指令訪存取指令 分析指令，可分析指令，可 能訪存取數(shù)能訪存取數(shù) 執(zhí)行指令，可執(zhí)行指令，可 能訪存存結(jié)果能訪存存結(jié)果 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 取指取指k析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k取指取指k+1析指析指k+1執(zhí)指執(zhí)指k+1 )( 1 ii n i i tttT 執(zhí)指析指取指 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 取指取指k析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k 取指取指k+1 析指析指k+1 執(zhí)指執(zhí)指k+1 取指取指k+2 析指析指k+2 執(zhí)指執(zhí)指k+2 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作

19、業(yè)作業(yè)4.34.44.5 取指取指k析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k 取指取指k+1析指析指k+1執(zhí)指執(zhí)指k+1 取指取指k+2析指析指k+2執(zhí)指執(zhí)指k+2 圖圖4.17 指令重疊運(yùn)行時(shí)的相互等待指令重疊運(yùn)行時(shí)的相互等待 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 一般使每個(gè)部件的執(zhí)行時(shí)間相等，雖然執(zhí)行一次浮點(diǎn)加法一般使每個(gè)部件的執(zhí)行時(shí)間相等，雖然執(zhí)行一次浮點(diǎn)加法 仍需仍需4 t，但，但4個(gè)部件同時(shí)工作，則每隔一個(gè)個(gè)部件同時(shí)工作，則每隔一個(gè)t就能完成就能完成 一次浮點(diǎn)加法，速度提高一次浮點(diǎn)加法，速度提高3倍倍 取指令取指令入入 出出 譯碼譯碼 形成操作形成操作 數(shù)地址數(shù)地址 取操取操 作數(shù)作數(shù) 執(zhí)行執(zhí)行 保存

20、保存 結(jié)果結(jié)果 求階差求階差入入出出尾數(shù)加尾數(shù)加規(guī)格化規(guī)格化對階對階 一種指令流水線一種指令流水線 浮點(diǎn)加法器流水線浮點(diǎn)加法器流水線 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k 析指析指k+1執(zhí)指執(zhí)指k+1析指析指k+1（推后）（推后） 結(jié)果寫結(jié)果寫R1 需要讀需要讀R1 讀讀R1推后一個(gè)推后一個(gè) 周期周期 執(zhí)指執(zhí)指k+1 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 運(yùn)算器運(yùn)算器 通用寄存器堆通用寄存器堆 鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器 相關(guān)專用通路相關(guān)專用通路 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 4.24.1