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第六章程序控制原理与控制器 第1节 概述 硬布线控制（组合逻辑控制） 微程序控制 一、 控制器基本组成 时序部件 用来产生各种时序信号 程序状态字PSW 体现当前指令执行结果的特征：溢出标志OF；符号标志SF；零标志ZF；进位标志CF； 存放控制信息，如方向标志DF,中断允许标志IF等。 微操作形成部件 产生控制指令执行的微操作控制信号，它一方面按照IR指令的要求，另一方面受PSW中有关位的控制，再由时序部件决定其产生的时间。 (2) CPU周期（机器周期） 取指令周期、取操作数周期、执行周期。 周期长度固定：包含固定个数的节拍周期。例如：与存储器的存取周期相同， 周期长度不固定：包含节拍周期的个数不固定。 (3) 节拍周期 完成一些最基本的操作所需的时间。例如，一次ALU运算的时间，一次通过总线的数据传送。 (4) 节拍脉冲 作为寄存器(触发器)的打入脉冲。一个节拍周期中包含几个节拍脉冲。 2. 硬件实现 (1) 节拍周期、节拍脉冲信号发生器 module sequen(CLR, CLK, P, T); input CLR, CLK; output[3:0] P, T; reg[1:0] Q; always @(negedge CLK) begin if (CLR) Q = 2d0; else Q = Q + 1; end reg[3:0] T; always @(Q) begin case (Q) 2b00: T = 4b0001; 2b01: T = 4b0010; 2b10: T = 4b0100; 2b11: T = 4b1000; endcase end assign P[0] = T[0] CLK; assign P[1] = T[1] CLK; assign P[2] = T[2] CLK; assign P[3] = T[3] CLK; endmodule (2) CPU周期信号发生器 若长度固定，也可以用类似上面的办法产生。 若长度不定，而是根据实际需要由微操作控制信号决定，可以采用P211图6.7的方法。 四、 控制器的基本控制方式 同步控制方式 基本特征：有一个统一的时钟信号，所有的时序信号都与这个时钟信号同步。每个时钟周期完成一些操作，如一次相加，或一次存储器访问。 缺点：时钟周期的长度要迁就最慢的，造成快速部件的空闲和等待。 优点：时序关系简单，控制逻辑易于实现。 异步控制方式 没有统一的时钟信号，各部件按自己所需要的速度工作，通过应答信号进行联络。应答信号如READY，WAIT等。 如主存、外设速度慢，CPU速度快。 混合控制方式 大范围采取异步控制，小范围采取同步控制。如CPU内部采用同步方式，CPU与主存、外设采用异步方式，插入整数个节拍周期的等待应答信号。 第2节 模型机的设计 包括： 指令系统设计， 数据通路设计， 指令流程设计， 控制器设计 一、 模型机结构 1. 模型机总线 系统总线采用单总线结构 主存、外设与CPU共用一组系统总线 地址总线AB和数据总线DB宽度为16位 CPU内部总线IB也是16位的单总线结构 通过DR、AR与系统总线相联。 2. 模型机控制器构成 (1) 程序计数器PC 有自增功能。因为数据总线宽度为16位，故取指令时每访问一次内存PC就+2，其控制信号为+2PC。 (2) 指令寄存器IR 存放当前指令，在当前指令执行期间维持不变，以便根据指令操作码和寻址方式完成所需要的操作。 (3) 程序状态寄存器PSW 一方面体现当前指令执行结果的特征：溢出标志OF；符号标志SF；零标志ZF；进为标志CF； 另一方面体现对计算机系统的要求, 如方向标志DF,中断允许标志IF等。 PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。 3. 模型机运算器的构成 (1) 算术逻辑运算部件ALU 执行双操作数运算 ADD, SUB, AND, OR, XOR 其他运算指令由这些基本功能实现 (2) 寄存器 均为16位寄存器 XX-IB：电平控制信号， XXin：脉冲控制信号； (3) 暂存器S,T S暂存器: +1S,-1S，NOT, NEG T暂存器：左右移的功能 (4) 增加：MUX 选择IB或ALU输出送给暂存器T (5) 4位的计数器CT 控制乘除运算的操作步数 4. 模型机的内存 MAR、MDR， 分别连接系统总线AB和DB。 /MMRD：存储器读，/MMWR：存储器写 READY：内存操作完成信号 READY=1时,表示内存工作完成 READY=0时,CPU必须等待一个或几个节拍周期。 5. 模型机的输入输出设备 暂不考虑。