《计算机组成原理第6章简》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理第6章简（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机组成原理1第章 控制器.1 控制器的功能与组成概述.2 硬连线控制器.3 微程序的控制器部件计算机组成原理26.1 控制器功能与组成冯. 诺依曼结构的计算机“存储程序”计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序。计算机的功能是执行程序程序是具有一定功能依次排列起来的指令序列计算机执行程序的基本过程从程序首地址开始执行第一条指令分步执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令计算机组成原理31. 控制器功能与控制过程 (1) 能够正确自动连续执行指令按程序中设定的指令次序执行 (2) 能够正确分步完成每一条指令功能取
2、指令 分析指令 执行指令(3) 能够在执行程序的过程中响应并处理中断 使计算机得以更有效的地兼顾多项工作控制器的作用，就是向计算机各功能部件 (运算器、 存储器、总线、输入输出设备的接口，也包括控制器本身) 提供执行每一条指令所需要的控制信号。计算机组成原理42.控制器的组成 程序计数器 PC存放指令地址，有 增量 或 接收新值的功能 指令寄存器 IR存放指令内容：操作码与操作数地址 指令执行步骤标记线路(译码器或微程序控制器、时序电 路)指明每条指令执行步骤和次序 控制信号产生线路（时序控制电路）给出计算机各功能部件协同运行所需要的全部控制信号主脉冲源与启停控制线路计算机组成原理5计算机组成
3、原理63. 两种不同类型的控制器根据控制信号的方式，有两种不同类型的控制器：（1）硬连线控制器(组合逻辑控制器)：采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步骤直接产生 控制信号。（2）微程序控制器：采用存储器电路把控制信号存储起来，依据指令执行 的步骤读出要用到的信号（多个信号组合）。计算机组成原理7计算机组成原理86.2.1 硬连线控制器组成与运行原理1.控制器组成由程序计数器PC、指令寄存器IR、（译码器）节拍发生 器Timer 和 控制信号产生部件CU 等4 部分组成PC: 提后续指令地址，IR 保存指令，Timer 给出指令执行步骤的编码（时序），控制信号产生部件依据指令内容（在IR中）和操
4、作步 骤（Timer 提供），产生控制各部件所需要的控制信号。6.2.1 硬连线控制器计算机组成原理92. 指令执行步骤标记:节拍发生器在执行指令时，指令周期一般划分几个执行步骤,称为机器 周期，一个机器周期由几个时钟周期组成。实现指令周期控制 的电路称为时序电路，也称为节拍发生器（Timer/Timing）。计算机组成原理(1)划分指令执行步骤，(2)确定各步骤应执行的功能和步骤之间 的衔接关系(3)确定各部件完成这些功能所需要的控 制信号，(4)发控制信号。计算机组成原理图6.7 加法指令时序图计算机组成原理12计算机组成原理13计算机组成原理143. 硬连线控制器特点用与-或两级构成的逻
5、辑电路生成控制信号线路延时小，指令执行速度快适合实现比较精简的指令系统（早期）常用于实现 RISC 机 （当前）较容易实现并行可扩展性差，制作系列机时较难实现计算机组成原理156.2.3 TEC-2000机硬件系统TEC-2000用4片Am2901组成，是一台16位的教学机。控 制器选用集成度为10000个门的CPLD器件来实现。部分逻辑功 能选用ABEL（Advanced Bool Expression Language）语言描述。计算机组成原理1616AM2901内部组成F=0000 零标志 Cn+4 进位 OVR 溢出标志 F3 最高位可分成4个组成部分计算机组成原理1717计算机组成原
6、理18(1) 运算器:由ALU、REGs和Flag 三个主要部件组成:ALU完成数据运算，运算数据可来自REGs 的B口数据 和A口数据，常数和，通过内部总线IB送来的输入数据 ，由多路选择器实现选择。REGs暂存数据和结果, 由寄存器编号选择读写的寄存 器，读出数据送ALU，写入的数据来自ALU运算结果并经 由移位电路。Flag保存ALU产生的运算结果的标志信息。运算器的输出可以经IB送到其他部件。计算机组成原理19依据指令执行的过程，产生每一步所需要的控制信号：加法运算：XF Y F F X减法运算：XF Y F F X 1 F（2）控制器部件: 由程序计数器 PC、指令寄存器 IR、节
7、拍发生器Timing、控制信号产生线路 CU 等4部分组成。计算机组成原理20取指 周期 000执行 周期 001存储 周期 011复位状态 100无内存读写有内存读写计算机组成原理21控制（时序）信号：（第1机器周期）第1拍：（PC） 存储器地址寄存器（PC）+1 PC第2拍：存储器读（可能延迟，插入等待周期）第4拍：读出数据（指令）送寄存器（指令IR）计算机组成原理22指令执行步骤： (1)取指令（第1机器周期）：（PC） 存储器地址寄存器、存储器读、读出指令 送指令寄存器（译码）（PC）+1 PC加法运算：XF Y F F X 减法运算：XF Y F F X 1 F控制器设计两种方案：组
8、合逻辑电路 微程序控制器(2)指令执行（第2机器周期）: (读取操作数) 地址送存储器地址寄存器，译码，读操作数，送寄存器(3)指令执行（第3机器周期）: (结果送存储器) 地址送存储器地址寄存器，译码，结果送存储器单元计算机组成原理23拍发生器 （多译码器与时序电路）控制（时序）信号：（第1机器周期）第1拍：（PC） 存储器地址寄存器（PC）+1 PC减法运算：XF Y F F X 1 F执行指令：（第2机器周期） 第2拍：存储器读（可能延迟，插入等待周期）第4拍：读出数据（指令）送寄存器（指令IR）计算机组成原理24TEC-2008 计算机硬件系统组成I/O 设备地 址 总 线数 据 总
9、线D计算机组成原理25典型指令的执行过程举例2000 ADD R0，R1 ；两个累加器求和并保存结果到R0 2001 MVRR R2，R0 ；寄存器之间传送数据 2002 MVRD R9，2008 ；把16进制数2008传送到累加器R9；这是双字指令 2004 STRR R9，R2 ；写 R2 的内容写到 R9 给出地址的内；存单元中 2005 IN 80 ；从串行口（接键盘）读输入数据；并送到 R0 低位字节 2006 JRC 2000 ；若进位触发器 C为1，则相对转移到； 2000 地址 2007 RET ；子程序返回指令, 这里用于结束程序 2008 ；这是用于写入一个字的内存单元其他
10、一些指令与这里的几条指令有相当多的共同特性， 属于同一组的指令的执行步骤非常类似。计算机组成原理26读取指令 AR PCPC PC + 1 读主存，IR 读出内容执行指令 ALU R0ALU R1执行 +R0 ALU，记忆结果特征结束，判中断，无中断请求时，进入下条指令的执行过程指令执行步骤的文字描述加法指令 ADD R0， R1 形成下条指令地址计算机组成原理27ADD 指令的执行过程与数据通路I/O 设备地 址 总 线数 据 总 线1R5经A口送AR, B(R5)+1 B 读出内存中指令 IRB+AB，存标志位取指运算D计算机组成原理28ADD 指令的执行过程与数据通路I/O 设备地 址
11、总 线数 据 总 线1DPC经A口送AR, PC+1 送PC送指令地址读出指令相加运算读出内存中指令送 IR B+AB, 存标志位+计算机组成原理29ADD 指令的执行过程与数据通路I/O 设备地 址 总 线数 据 总 线1 DPC经A口送AR, PC+1 送PC 送指令地址读出指令相加运算控制信号00220123读出内存中指令送 IRB+AB, 存标志位00120 0 1 201450 0 0 0200220022003+计算机组成原理30执行步骤指令名称取指周期执行周期 数据运算 或地址运算主存 / IO设备 读写周期 执行读写操作送指令地址 计算下条指令地址到主存读出指令 并存入指令寄存
12、器ADDPCAR， PC+1 PCMEMAR IRDR+SRDRMVRR同上同上SR + 0 DRMVRD同上同上PCAR， PC+1 PCMEMAR DRSTRR同上同上DR ARSR MEMAR JRC同上同上PC+offset PC (if C=1) RET同上同上SP ARSP+1SPMEMAR PC计算机组成原理316.3 微程序控制器计算机组成原理326.3.1 微程序控制器的基本组成 程序计数器 PC存放指令地址，有 增量 或 接收新值的功能 指令寄存器 IR存放指令内容：包括指令操作码与操作数地址两部分 微指令下地址逻辑形成并提供出读控制存储器要使用的微指令的地址， 其作用与硬
13、连线控制器的节拍发生器有些类同。 控制存储器和微指令寄存器控制存储器用于保存由全部微指令构成的微程序，读 控制存储器得到的微指令将首先存入微指令寄存器，之后 才能送到各被控制部件，这一部分的作用与硬连线控制器 的控制信号产生部件有些类同。计算机组成原理33拍发生器 （多译码器与时序电路）第1拍：（R1） 存储器地址寄存器（硬件译码）第5拍：减法运算：XF Y F F X 1 F第2拍：存储器读（可能延迟，插入等待周期）第4拍：读出数据送寄存器（R4）第3拍：（可能延迟，插入等待周期）XF Y F F X 1 F1 0 1 0 0 1 1 0微程序存储器计算机组成原理34微程序控制器基本组成框图
14、控制存储器 (存放微程序)微指令字微指令寄存器下地址 逻辑控存地址下地址 字段微命令 字段指令寄存器 IR程序计数器 PC影射指令操作码条件信号Clock微命令 (控制信号)计算机组成原理35微程序控制器的基础知识用多条微指令实现每条机器指令的执行过程。一条微指令控制各部件执行指令的一个执行步骤，执行一 条微指令所用的时间被称为一个微周期，相当于硬连线控制器 的一个节拍时间。微指令需要具备如下两项功能：（1）提供机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号 ( 微命令) ；（2）提供下一条待用微指令的地址。全部微指令的集合构成一台计算机的完整的微程序，保存 在控制存储器中。下地址字段控制命令字段微指
15、令格式计算机组成原理36微程序控制器的运行原理控制每条机器指令的执行过程多条微指令组 成 一个(段) 微程序，所有指令的微程序保存在存 储器 ROM 中，称为微程序控制器。对指令译码：生成相应微程序的入口地址.从控制存储器读出来的是一条微指令，包括 微命令字段和微指令下一地址两部分，读出的微 指令送微指令寄存器，输出控制信号，同时下一 条微指令地址送微程序控制器的地址寄存器。 计算机组成原理37计算机组成原理388 位微下地址字段可以访问 256个字 的控存空 间 ，用于直接给出下一条微指令的地址，如微指令的转移 地址 等微指令中的下地址字段的信息例如可以分成 3 个子字段，总共提供 16位 的信息微下地址 下地址方式 微转移条件8位4位4位4 位的形成下地址方式编码可以给出 16种 选
