总线与控制器

1. 计算机体系结构
   • 程序员所见到的计算机系统的属性即概念性的结构与功能特性
   • 指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理
   • 如有无乘法指令
2. 计算机组成
   • 实现计算机体系结构所体现的属性
   • 具体指令的实现
   • 如任何实现乘法指令

冯诺依曼计算机特点

1. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，并可按地址寻访
3. 指令和数据均用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序，即指令在存储器内按顺序存放

存储器的基本组成

1. 存储单元：存放一串二进制代码
2. 存储字长：一个存储单元所存放的二进制位数
3. 存储字：存放的二进制数
4. 存储字数：存储单元的数量

注：

1. 每个存储单元对应一个固定不变的编号，即单元地址，存储单元按一维线性存放
2. 访问存储器时，外部送来的单元地址次方在地址寄存器中，访问期间不能改变
3. 读取或写入的信息都需通过数据寄存器，才能完成存储器与外部的信息交换

总线

1. 总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质

2. 当多个部件与总线相连时，在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息

3. 总线上信息的传送方式：串行和并行

4. 总线结构：
   
   优点：结构简单、扩展容易
   缺点：总线负载重、系统通信带宽受制于总线传输效率、高速部件的性能难充分发挥
   
   以主存为中心
   优点：扩展容易、减轻系统总线负载、提高系统通信宽带、CPU工作效率较高
   
   采用通道双总线结构
   优点：减轻CPU直接控制输入输出的负担
   
   极大提高了系统通信带宽

5. 总线的分类

   1. 内部总线（片总线）：芯片内部的总线
   2. 系统总线：计算机各部件之间的信息传输线
      • 数据总线：双向传输数据，与机器字长、存储字长有关
      • 地址总线：单向传输地址码，与存储地址、I/O地址有关
      • 控制总线：传输控制信号，CPU的输入信号如中断请求、总线请求，CPU输出信号如存储器读、存储器写、总线允许、中断确认
   3. 外部总线（通信总线）：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信

6. 总线特性

   • 物理特性（机械特性）：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
   • 电气特性：传输方向和有效的电平范围
   • 功能特性：每根传输线的功能
   • 时间特性：信号的时序关系

7. 总线的性能指标

   • 总线宽度：总线线束的线数，决定总线所占的物理空间和成本
   • 总线周期：完成一次数据传输操作所需要的时间
   • 总线带宽：单位时间内通过总线传送数据的最大二进制位数（最大传输率）
   • 总线负载：信息交换无误时，可以连接于总线的最大物理个体数

8. 数据交换过程：

   • 请求仲裁阶段：主部件箱系统总线仲裁器发出请求信号（BR），总线仲裁器决定是否发出允许信号（BG）
   • 通路寻址阶段：主部件向从部件发出从部件地址信号及命令信号
   • 数据传送阶段：主部件与从部件进行数据传送
   • 释放结束阶段：主部件撤销总线上所有信息，并释放总线控制权

中央处理器CPU

中央处理器的功能

1. 计算机硬件系统的三元素结构模型包含中央处理器（即CPU）、主存储器和I/O系统（含I/O接口与设备）
2. 从存储程序来看，中央处理器的功能为：实现连续自动处理存储于主存储器中的指令序列。
3. 从程序运行来看，中央处理器的功能为：对指令流和数据流在时间与空间上实施规定控制。
4. 指令流：静态程序的指令序列，通过程序运行方式来实现指令逐条处理的指令序列
5. 数据流：静态分配存储的数据，根据指令执行来实现数据逐个存取的数据序列
6. 数据流是由指令流来驱动的

中央处理器的任务

1. 任何一条指令处理可分为取指令和执行指令两个阶段。

2. 取指令：

   1. 把当前需要处理的指令代码从主存储器中取到CPU的寄存器中
   2. 顺序形成下一条需要处理的指令在主存储器中位置（即地址）

3. 执行指令：

   1. 分析指令的功能与寻址特性
   2. 生成并发出控制信号序列
   3. 指令的功能与寻址特性实现的执行

4. 中央处理器的任务：

   1. 指令控制
   2. 操作控制
   3. 时间控制
   4. 数据加工（含状态测试）
   5. 中断请求处理

   注：

   • 指令控制是CPU的首要任务，即严格按程序规定静态指令序列的顺序处理指令，并自动地从主存储器中取到CPU的寄存器中。
   • 操作控制是指令功能与寻址特性实现的关键。根据从主存储器取出的指令代码，产生一组控制信号，并把不同的控制信号送往相应的部件或器件，控制它们按指令的功能与寻址特性进行操作。
   • 控制信号序列是指不同时刻有效的控制信号集合。

中央处理器的结构模型

1. 功能部件：具有强大信息变换功能的逻辑电路
2. 变换部件：具有简单信息变换功能的逻辑电路
3. 器件（即寄存器）：暂时存放信息功能的逻辑电路
4. 执行部件（运算器）：由控制器发出的控制信号来确定工作任务

运算器的主要工作任务：

• 由算术逻辑运算部件对数据进行算术运算与逻辑运算
• 由结果分配判别逻辑对运算结果进行状态测试，如运算结果是否为零、运算是否存在进位

CPU常用寄存器的配置

1. 通用寄存器（GR）：除特殊规定仅暂时存放一种特殊信息的寄存器之外的寄存器总称
2. 累加器（AC）：暂时存放ALU运算的结果信息
3. 指令寄存器（IR）：暂时存放当前正在处理指令的代码
4. 数据缓冲寄存器（MDR）：暂时存放CPU与主存储器或I/O设备进行信息交换（读取或写入）时，当前正在传输的指令字或数据字。
5. 地址缓冲寄存器（MAR）：暂时存放CPU与主存储器或I/O设备进行信息交换（读取或写入）时，当前正在传输的指令字或数据字的单元地址或端口地址。
6. 程序状态寄存器（PSWR）：暂时存放当前正在运行程序的状态字，如进位标志，溢出标志，中断标志。
7. 地址指针寄存器（ADR）：暂时存放当前正在运行程序的指令寻址方式中所需要相关地址
8. ALU端寄存器（ALUR）：暂时存放ALU的源操作数

注：

• 数据缓冲寄存器和地址缓冲寄存器的作用都为路径中转（实现一对多或多对一路径选择的数据缓冲）和速度补偿（使CPU与主存储器或I/O设备隔离，各自独自进行信息传输操作，避免相互等待）
• ALU端寄存器实现多对一路径选择的数据缓冲
• 指令字：单向地由CPU从主存储器读取
• 数据字：双向地由CPU从主存储器或I/O设备读取、由CPU向主存储器或I/O设备写入
• 除地址指针寄存器、程序状态寄存器和指令寄存器的字长可按需确定字长之外，其余寄存器字长往往与机器字长相同
• CPU常用寄存器的主要分类：归属性，可见性，通用性

中央处理器的主要性能指标

1. 字长：运算器能够同时加工的二进制数据的位数
2. 主频：CPU的工作频率，是衡量CPU工作速度的主要参数
3. 片内Cache容量：提高CPU工作速度，容量一般为几十到几百KB，甚至MB级
4. 地址总线宽度：CPU地址引脚线的线数（含可复用的），决定访问的最大的物理地址空间
5. 数据总线宽度：CPU数据引脚线的线数（含可复用的），决定CPU与外部进行一次数据交换的二进制数的位数，即访问单位
6. 工作电压：CPU正常工作所需电压，目前台式计算机一般为2或3V

注：

• 字长与主频是CPU性能的核心指标
• 主频的倒数则是时钟周期，这是CPU中最小的时间单位，操作执行至少是一个时钟周期

控制器功能结构与实现方法

控制器的功能任务

1. 控制器的功能：对静态程序与中断请求的处理实施正确控制

2. 控制器的核心任务：生成实现不同功能任务的控制信号序列

3. 控制器的功能任务：

   1. 指令流动控制：指令读取控制、指令地址形成(/)
   2. 指令执行控制：指令功能识别(/)、地址计算形成(/)、指针读取、数据读取、数据保存、数据加工
   3. 中断请求控制：中断请求选择(/)、程序暂停控制、程序转移控制

   注：
   打勾的为工作性任务，由控制器自身具体执行；其他为控制性任务，仅需要控制单元产生控制信号序列，由计算机中的其他相关部件或器件具体执行。

控制器的组成结构

1. 程序计数器：通过提供指令在主存储器中的存储单元地址（正在处理或者下一次处理的指令地址）的方式，保证程序运行按规定的指令流指令序列逐条处理，又称地址寄存器
2. 指令译码器：通过译码提供对应电位信号的方式，对指令寄存器中指令代码的操作码和寻址方式字段进行分析，识别指令的功能需求和寻址方式
3. 地址形成逻辑：根据指令寄存器中指令代码的地址码及其寻址方式，计算形成操作数的有效地址或转移指令的目标地址
4. 时序信号产生器：根据指令处理流程中操作执行的时间特性，生成系列用于规定一个个或一组组操作执行时间的时间标志信号，以保证计算机有条不紊地进行工作
5. 控制信号序列发生器：根据指令操作码、中断请求、程序状态和时序信号，生成满足不同功能要求的控制信号序列
6. 中断控制逻辑：对I/O设备的不同要求和程序运行过程中计算机出现的异常情况进行排队选择，生成中断请求信号送往控制信号序列发生器，以正确地实现中断请求控制

控制信号序列发生器的实现方法

1. 组合逻辑实现方法（相应控制器称为硬布线控制器）
   • 采用组合逻辑电路设计技术，利用门电路和触发器组成极其复杂的逻辑电路来实现控制信号的逻辑函数。
   • 缺点：结构不规整，使设计、调试、维修较困难，控制功能固定
   • 优点：速度快
2. 存储逻辑实现方法（相应控制器称为微程序控制器）
   • 采用程序设计思想，将控制信号序列二进制代码化，利用只读存储器ROM读操作特性，通过软件来组织控制信号序列逻辑，实现控制信号的逻辑函数。
   • 缺点：由于增加了一级控制存储器，使指令的执行速度相对更慢
   • 优点：设计规整、调试维修更改容易、指令扩充方便、易于实现自动化设计
3. 组合与存储逻辑相结合实现方法（相应控制器称为门阵列控制器）
   • 结合前两种设计思想，利用可编程逻辑阵列（PLA）来实现控制信号的逻辑函数
   • 缺点：价格较贵
   • 优点：克服了前两种的缺点