DJ7-4 模型机的组合逻辑控制器

一、时序系统

1. 工作周期

2. 时钟周期T（节拍）

3. 工作脉冲

二、组合逻辑控制器的特点

1. 组合逻辑控制方式

2. 优缺点

3. 应用场合

各项操作所需的控制命令称为 微命令。

每个微命令的产生都需要逻辑条件和时间条件，将这些条件作为输入信号，微命令（控制信号）作为输出，输入的条件和输出的微命令（控制信号）之间的关系可以用逻辑表达式来表示，因此可以用 组合逻辑电路 来实现。

逻辑条件：指令经过译码电路形成的逻辑信号和状态信息。
时间条件：由时序系统提供的时序信号。

组合逻辑控制器原理图：

左侧：执行指令；右侧：(PC) + n 指向下一条指令。

程序是由操作系统调到存储器的，从存储器读取到的现行指令存放在 IR 中。

Q：什么是微命令发生器？

A：每种微命令都需要一组逻辑电路，全机所有微命令所需的逻辑电路经过组合优化后就构成了 微命令发生器。

Q：时序系统的作用？

A：指令执行过程中每一步所需要的微命令是控制系统按步骤分时产生的，微命令不仅与指令代码有关，还与指令当前所处的工作周期和工作周期中的第几个节拍有关。因此，我们需要设计一个合适的时序系统，以便为微命令发生器提供周期、节拍和脉冲等时序信号。

一、时序系统

时序信号：计算机操作的时间标志。

时序系统：是指时序信号与各项操作的关系，用于规定各项操作所需的时间段和时机，即各项操作必须在规定的时间段内或者时机内完成。

（考选择题）模型机采用三级时序系统：

工作周期
时钟周期（又称节拍）
工作脉冲

三者关系如图所示：

1. 工作周期

指令周期就是一条指令从读取到执行完成所需的时间，指令周期按执行阶段可以大致分为：

四个基本工作周期：

取指周期（FT）
源周期（ST）
目的周期（DT）
执行周期（ET）

用于指令的正常执行。

两个 I/O 操作周期：

DMA 周期（DMAT）
中断周期（IT）

用于 I/O 的传送控制。

（1）取指周期 FT

在 FT 周期内，完成：

从主存取指令送入 IR：M -> IR，
修改 PC 值：(PC) + 1 -> PC，PC 指向下一存储单元

这是每条指令都必须经历的，与操作码和指令类型等均无关。

FT 结束后，根据操作码和寻址方式转入相应的工作周期。

开始运行程序，操作系统把程序的起始地址既给了 PC 又给了 MAR，因此不需要 PC -> MAR 这一步。

（2）源周期 ST

如果需要从主存中读取源操作数（非寄存器直接寻址），则进入 ST 周期。

按指令指定的寻址方式，形成源操作数地址送入 MAR，读取源操作数，并将其存入暂存器 C 。

（3）目的周期 DT

如果需要从主存中读取目的地址或目的操作数（非寄存器直接寻址），则进入 DT 周期。

按指令指定的目的寻址方式，形成目的地址送入 MAR 或目的操作数存入暂存器 D 。

（4）执行周期 ET

这也是各类指令都需要经历的最后一个工作周期。

依据 IR 中的操作码，完成指令指定的功能（如传送、运算、取转移地址送入 PC 等）。

在 ET 中还要将后继指令地址（顺序地址或转移地址）送入 MAR：PC -> MAR 。

（5）DMA 周期 DMAT

除了指令的正常执行外，CPU 还需要接收外部设备的请求。当 CPU 响应 DMA 请求后，CPU 进入 DMAT 。

在 DMAT 中，CPU 交出系统总线的控制权，改由 DMA 控制器控制系统总线，实现主存与外部设备之间的数据直传。

（6）中断周期 IT

IT 是指 CPU 响应中断请求后，直到执行中断服务程序前的一个过渡期。

在 IT 中直接依靠硬件进行关中断、保存断点和 PSW、寻找中断服务程序入口地址并转入中断服务程序等操作。

指令周期与工作周期时序的关系

（考点）指令周期不能被打断，工作周期不能被打断，节拍不能被打断。因此，DMAT 和 IT 只能在指令周期结束后执行，即在指令周期的最后一个节拍之后执行。

指明工作周期状态

模型机设置了六种工作周期状态，可分别用六个周期状态触发器作为它们的标志。

某时间段内只有其中一个工作周期状态触发器的输出信号为 1，指明 CPU 现在所处的工作周期状态，为该阶段的工作提供时间标志和依据。

双操作数指令各工作周期的转换流程

SR、DR：寄存器直接寻址；反之，是访存类寻址。

2. 时钟周期T（节拍）

一步：是指完成一次完整的数据通路操作。

模型机以访存时间作为一步操作时间，即时钟周期或节拍，设置为 1μs 。

一步操作有：

① 一次从 M 读出并经数据通路传送的操作
② 一次数据通路传送操作
③ 一次向 M 写入的操作

红色标出的是所需时间最长的一步操作，我们把它所需的时间定为一步操作时间。

读写主存速度慢，因为 CPU 和主存速度不匹配。

3. 工作脉冲

同步定时脉冲控制定时操作。

每个时钟周期结束时设置一个脉冲。

因为微命令不仅与指令有关，与指令所处的工作周期有关，还与工作周期内的节拍序号有关。因此，在时序系统还需要设置 时钟周期计数器 T，或称节拍计数器 T 。

假设最长的工作周期有 8 个时钟周期，那么只需 3 位就能表示所有时钟周期的序号。

计数器复位成 000 表示 CPU 进入了一个新的工作周期，从 0 开始重新计数；计数器正常计数则表示工作周期不变，工作节拍发生了变化。

工作周期、时钟周期、工作脉冲的时序关系

对工作脉冲取反，便可在原来下降沿的时机让时钟周期计数器 T 进行计数或复位。

二、组合逻辑控制器的特点

1. 组合逻辑控制方式

综合化简产生微命令的条件，形成逻辑表达式，用组合逻辑电路实现；

执行指令时，由 组合逻辑电路或称微命令发生器 在相应时间发出所需微命令，控制有关操作。

2. 优缺点

① 设计不规整。如前所述，组合逻辑控制方式是用许多门电路产生微命令的，而这些门电路所需的逻辑形态很不规整，因此组合逻辑控制器的核心部分比较烦琐、零乱，设计效率较低，检查调试也比较困难。

② 不易修改或扩展。设计结果用印刷电路板（硬连接逻辑）固定后，如果修改和扩展指令，大多数控制信号的产生逻辑都会发生变化，因此需要重新设计、优化和烧写控制系统的组合逻辑电路。

③ 控制信号的产生速度相对较快。控制系统输出的所有控制信号都是直接通过逻辑电路来实现的，不存在读取存储单元的操作（延时较大），因此产生输出信号的速度较快。

答题：

① 设计不规整，设计效率较低。

② 采用硬连接逻辑，不易修改或扩展。

③ 控制信号的产生速度相对较快。

3. 应用场合

用于高速计算机，或小规模计算机。