计算机组成原理控制器.

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1、控 制 器 （1）程序控制 保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务 。 （2）操作控制 一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合 来实现的。 （3）时间控制 对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制； 一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制 。 （4）数据加工 CPU的基本功能 控制器的基本功能就是负责指令的读出，进 行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令 。 控制器的基本功能 1、编程 2、送存储器（通过输入设备） 3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分 析指令，执行指令，并自动转到下一条指令执行 ，直到程序规定的任务完成。 4

2、、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成 。 程序控制原理 (1) 常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)； 方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化 为原则，用逻辑门电路实现； (2) 可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，用大规模集成电路(LSI)来实现。 (3)微程序控制逻辑法。 将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑； 将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制 存储器中（CM）；一条机器指令对应一道微程序 ，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。 控制器实现方法 33 CPU组成 一、控制器组成：一、控制器组成：PCPC、IRIR、指令译码器、程序指令译码器、程序 状

3、态寄存器状态寄存器PSWPSW、时序产生器、微命令发生器（操作时序产生器、微命令发生器（操作 控制器）控制器） 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 控制台信息 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 PC OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 送M 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 控制台信息 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 PC OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 送M 微命令 发生器 微命令发生器 功能： 产生全机所需的各种微命令 控制最基本的操作(微操作)的命令 电位型 脉冲型 构成微命令发生器 二、运算器二、运算器 对数据进行加工处理，它

4、的操作由控制器发来对数据进行加工处理，它的操作由控制器发来 的控制信号控制执行算逻运算。的控制信号控制执行算逻运算。 IRIR PCPC ARAR DRDR ACAC PSWPSW CPU中的主要寄存器 1 1、指令寄存器、指令寄存器IRIR 存放现行指令存放现行指令 指令从存储器中取出指令从存储器中取出数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DRDRIRIR CPU中的主要寄存器 功能： 存放现行指令。决定操 作性质 操作码字段 操作数地址 转移地址 控制台信息 送M PC 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 OP D 寻 来自M 送M或ALU +1

5、 微命令 发生器 IR 地址码字段 译码器微命令发生器 地址形成部件 寻址方式 D 2 2、程序计数器、程序计数器PCPC 存放指令在存储器中的地址存放指令在存储器中的地址 程序开始执行前，将起始地址程序开始执行前，将起始地址( (第一条指令地址第一条指令地址 ) PC) PC PCPC应具有寄存信息和计数两种功能应具有寄存信息和计数两种功能 CPU中的主要寄存器 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 控制台信息 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 PC OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 送M 指令计数器PC 功能： 指示指令在M中的位置。 PC本身+1 顺序执行 PC

6、先+1，再用转移地址修改PC 微命令 发生器 PC 转移执行: ALU+1 IR 3 3、地址寄存器、地址寄存器ARAR 保存当前保存当前CPUCPU所访问内存单元的地址所访问内存单元的地址 ARAR结构同结构同DRDR、IRIR，使用单纯的寄存器结构使用单纯的寄存器结构 信息的存入一般采用电位信息的存入一般采用电位( (电平电平)- )-脉冲方式脉冲方式 ( (电平输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控电平输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控 制信号，在控制信号作用下，瞬时将信息打入寄制信号，在控制信号作用下，瞬时将信息打入寄 存器存器) ) CPU中的主要寄存器 4 4、数据缓冲寄存器、

7、数据缓冲寄存器DRDR 暂时存放：暂时存放： 由存储器读出的一条指令或一个数据字由存储器读出的一条指令或一个数据字 向存储器存入的一个数据字向存储器存入的一个数据字 |CPUCPU与与MM、I/OI/O之间信息传送的中转站，补偿速之间信息传送的中转站，补偿速 度差别度差别 |在单累加器结构的运算器中，可兼作操作数寄在单累加器结构的运算器中，可兼作操作数寄 存器存器 CPU中的主要寄存器 5 5、累加寄存器、累加寄存器ACAC 即累加器，是一个通用寄存器即累加器，是一个通用寄存器 为为ALUALU的算逻运算提供一个工作区的算逻运算提供一个工作区 ALUALU两个输入端加入多路开关或三态门或选择两

8、个输入端加入多路开关或三态门或选择 器，以便选择输入器，以便选择输入 CPU中的主要寄存器 6 6、 程序状态寄存器程序状态寄存器PSWPSW 指示程序工作方式、反映程序运行结果指示程序工作方式、反映程序运行结果 PSWPSW与控制与控制/ /状态寄存器有何区别？状态寄存器有何区别？ PSWPSW在在CPUCPU中，反映程序运行状态；控制中，反映程序运行状态；控制/ /状状 态字在接口中态字在接口中, ,反映反映CPUCPU命令、设备状态。命令、设备状态。 CPU中的主要寄存器 程序状态寄存器PSW 功能： 指示程序运行方式，反映程序运行结果。 例. 某机的PSW 控制台信息 送M PC 微命

9、令 发生器 微命令序列 I/O状态 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 微命令 发生器 PC IR PSW 工作方式 优先级 T N Z V C 15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0 C=1 C=1 进位进位 V=1 V=1 溢出溢出 Z=1 Z=1 结果为结果为0 0 N=1 N=1 结果为负结果为负 T=1, 执行跟踪程序 （1 1）条件码条件码 反映程序运行结果 工作方式 优先级 T N Z V C 15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0 （2）跟踪标

10、志 为程序查错设置 的断点标志T。 程序程序 初始化置初始化置T T为为1 1 . 测试测试T T 跟踪程序跟踪程序 . . 程序优先级高于外部优先级，程序优先级高于外部优先级，不响应不响应 程序优先级低于外部优先级，可响应程序优先级低于外部优先级，可响应 用户方式：禁止程序执行某些指令用户方式：禁止程序执行某些指令 核心方式：允许程序执行所有指令核心方式：允许程序执行所有指令 （3 3）优先级优先级 为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中 断请求。断请求。 15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5

11、4 3 2 1 0 （4 4）工作方式工作方式 规定程序的特权级规定程序的特权级。 工作方式 优先级 T N Z V C 控制台信息 PC 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 送M 微命令 发生器 PC IR PSW 时序 时序线路 功能：功能： 控制操作时间和操作时刻。控制操作时间和操作时刻。 振荡器 分频器 时钟脉冲时钟脉冲 工作脉冲工作脉冲 时钟周期时钟周期( (节拍节拍) ) 产生电位型微命令，控制操作时间段产生电位型微命令，控制操作时间段 产生脉冲型微命令，控制定时操作产生脉冲型微命令，控

12、制定时操作 时序产生器 指令执行过程 1.取指令 PC 控制台信息 送M PC 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 微命令 发生器 PC IR PSW 时序 地址 M 指令 IR、译码(OP、寻址方式 ) PC+1PC 2.取操作数(按寻址方式) 立: 指令 操作数 有效地址 M,取数 R,取数 直: 寄存器号 间: 间接地址 M,取有效地址 寄存器号 R,取有效地址 变: 形式地址 变址量 运算器 计算有效 地址 PC 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 运行状态 译码 . PSW 时序 IR

13、 地址形成 OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 微命令 发生器 PC IR PSW 时序 送M 3.执行操作(按操作码 ) 结果 存储器/寄存器 操作数 加法器 操作数 PC 微命令 发生器 微命令序列 I/O状态 运行状态 译码 . PSW 时序 IR 地址形成 OP D 寻 来自M 送M或ALU +1 微命令 发生器 PC IR PSW 时序 送M 单总线结构 ZALUYR7R0 P C I R控制器 . . . M A R 微操 作信 号 M B R M P S W BUS +1 5.2.2 5.2.2 指令周期指令周期 一、何谓指令周期一、何谓指令周期 一条指令从取指到执行完的时

14、间一条指令从取指到执行完的时间 5.2 CPU工作机制 5.2.1 基本概念： 指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所 需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。 取一条 指令 执行该 指令 开始 5.2.2 5.2.2 指令周期指令周期 一、何谓指令周期一、何谓指令周期 5.2 CPU工作机制 5.2.1 基本概念： 指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需 的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。 取一条 指令 执行该 指令 开始 机器周期（工作周期）：是从内存中读取一个指令字的 最短时间，即CPU周期。 由周期状态触发器完成。由周期状态触发器完成。 二二. .组合逻辑

15、控制器的时序划分组合逻辑控制器的时序划分 即时序信号与操作的关系即时序信号与操作的关系 采用三级时序系统：采用三级时序系统： 指令周期指令周期 CPUCPU周期周期1 1 CPUCPU周期周期2 2 CPUCPU周期周期n n 时钟周期时钟周期1 1 时钟周期时钟周期2 2 时钟周期时钟周期m m . 工作脉冲工作脉冲1 1 工作脉冲工作脉冲2 2 工作脉冲工作脉冲k k . ( (节拍节拍1)1) ( (节拍节拍2)2) ( (节拍节拍m)m) 5.2 CPU工作机制 机器周期/工作周期 节拍脉冲/T周期 时钟周期（节拍时钟周期（节拍T T）：时序系统中最基本的时间分段，每个时钟周时序系统中最基本的时间分段，每个时钟周 期完成一步操作。期完成一步操作。 由节拍发生器产生。由节拍发生器产生。 时钟脉冲时钟脉冲：时钟周期虽然提供了一项操作所需的时间分段，但有的时钟周期虽然提供了一项