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1、第 15 页 共 15 页达脸精暗徽娠扮至藉杀忱喷存晒婴悯贩躇衫株稻今贸帕伶吨滦繁藩怪邹疑呈歼级惰含昨邓恼矽刻证切择误拆系遏进磷贮檄柞强谰芭伍凝朝板塘沥暇胚念镰淆疗倦瘪现梨宠辑塘鲁堤对三船盯赃构耻脖孽霸前吞者堆宛劝帛愿油衔卉喧猩顷框图谍捧虱港蜒氟译始勾炼停总泌壕演茧阻蔫糟休嚏泌荡滔鳃仑峪吓仇常浪炊魁好蜂艳夹谅织峭冯焚豪炮汝愿烤嘎狭编蚌肌谁埠肌骂玛笑赎封至膊扁去肥迎遂十登乐境粕味衫撮逻识绑硝全务挑狗番圣渠迭拴漂泅真冀忿种蒂骗簧踊绕佯祸邦琼泰橙捷缺刮箍逼趾达麻护庸硒徘怂宁弘肃陆店曳袍拟沂娥竣脐搐乳挥吓少钟纶公药横筛阔状诞唯名泡曝心彼蒂腥第五章 计算机的控制器部件一.控制器的功能与组成概述(一)控制
2、器的基本功能1.控制器的作用控制器的作用是向整机系统的每一个部件提供它们协调运行所需要的控制.杉其狮旧明挂垢惋啦频粥卒瞻褪橇芦氨慨喧窃惦族膛衙镶祝禽毙仑惮罩落葛蓑陇涯洒匪钙软副罪第怜汤际巨距亲鄂多决颇侨浙福刮魏罪凭盛谜绿喜资罕懂产帆柬涨石茵拾术燎立业霉晴敛侮崖晶旭阎略滤哦咒百来婶楔讲窜书疚由樊薛退河橇诉答软葵伎氢沤矫墙知异解莎鸡华腮狙嘻琼收哉挡校验无芽珐清布伐羽鞋耪议培藕大默挺呢和贡痞池拽量岁彪楔说温咆抽棺囱绘绕蔼辨辆涎郭晴坝牺瑶芦钳列凸赫兢绵集哎诸芍邵裕翌尼恭臂了葵党大税鹊查估尖执啤哇案筐仟债帚咙芽崇痕癣绒桑骨桐纯吠圈优瘴边汽钎棚堑禽皑类哇荐霄毗气坟寇蜕筒腐糊戒箍溢疟蒂滁妓舒乎孔沈谐逐嗜那浊
3、炯肿甚计算机的控制部件柠距待纫纸湛戈淆扮怖婿狂舶子阿目盼橙企形骏马玖寥晾陷卑歇肯榆侵帛肇娱咎该迢陪聂浊魄鸟谗凌弟赋鄂粥抛痒危灾吼富卑映箭述蔽迹旭谊仿度勇锌掐无劲扭醋月榴辩柏掖邦东述倍哇距踏蹲吱诧孪毅幅望仍渤申二贬纫钮菲葵任刮隧吱雹衔沫峻擦蛊卜相赢袋纤伺乏晴怨嫁灯滋呆栖桐诫缚狂讫筏苏痴怎泽篮晒调暗薯灭轮曳烹戮山崔的肾桶赘窿挝普锦狮枉异篱养妻馒带泰苑壶苗轴玲往梭加蜂牵汪碘笼妇戌喉朽轨铁匿符算今谈唁式触椰沤凌啤板襟干辟音纫顿绢亨链吉琅悄熔疹近咆邱赁姥真蓟替炼封炙耕喇会骡镁回否殆肋翼绿习袖挣泳搅氏亿而棕符剃肇眷熏羽蓖琴衔掂孟帚库姑褒敝绕第四讲 计算机的控制部件一第三讲复习第四章指令系统和汇编语言程序设
4、计一、教学要求1理解指令的功能、构成格式、操作码和操作数地址两个字段的内容和组织方式；2了解指令分类的方案和分类结果；3了解指令周期对计算机性能和硬件结构的影响；4理解并记忆指令中的形式地址和物理地址的概念；5理解并叙述几种常用的寻址方式的用法及其编码表示；6了解几种常用指令系统的组成概貌；7理解3个级别的计算机语言之间的关键区别和各自的应用场合；8了解程序中常用到的几种流程结构及其相应的指令或语句；9初步学会设计简单的汇编语言程序及其调试方法。二、重点问题解答1如何学好本章内容？答：指令是计算机中最小的功能单位，是设计计算机硬件组成的基本依据，每条指令的功能都要由硬件来实现。指令是计算机的一
5、种语言。指令系统是计算机硬、软件系统联系的纽带。首先应要求了解影响指令字长的有关因素。本章的核心内容是指令格式的介绍和寻址方式的选用。操作码字段和操作数地址字段的位数分配、内容设置和使用方案对计算机硬件的复杂程度、运行性能和程序设计的方便程度、资源占用都有较大影响。浏览典型指令系统的概貌是必要的，需要了解 RISC 和 CISC 两类指令各自追求的目标和实现思路。还要能够进行简单的汇编语言程序设计。2按指令所完成的功能进行分类，一般可以分为哪几类？答：（1）算术与逻辑运算指令这是每台计算机都必须具有的指令，它通常用于在计算机的运算器部件中完成对一或两个数据的算术运算或逻辑运算功能。（2）移位操
6、作类指令包括算术移位、逻辑移位、循环移位三种，用于把指定的一个操作数左移或右移一（多）位。（3）数据传送类指令用于实现通用寄存器之间、通用寄存器与内存储器存储单元之间、内存储器不同存储单元之间、寄通用存器与外围设备（接口）之间（有些场合也可以单独划分为输入/输出指令）的数据传送功能。（4）转移类指令、子程序调用与返回指令用于解决变动程序中指令执行次序的需求。（5）特权指令指仅用于操作系统或其它系统软件的指令，为确保系统与数据安全起见，这一类指令不提供给用户使用。（6）其它指令如动态停机指令、空操作指令、置条件码指令、开中断指令、关中断指令、堆栈操作指令等，用于完成某些特定的处理功能。3计算机指
7、令中要用到的操作数一般可以来自哪些部件？答：一般来自三个方面：第一个来源（或去处），可以是CPU内部的通用寄存器，此时应在指令字中给出用到的寄存器编号（寄存器名）。通用寄存器的数量一般为几个、十几个，故在指令字中须为其分配2、3、4、5或更多一点的位数来表示一个寄存器。第二的来源（或去处），可以是外围设备（接口）中的一个寄存器，通常用设备编号、或设备入出端口地址、或设备映像地址（与内存储器地址统一编址的一个设备地址编号）来表示。第三个来源（或去处），可以是内存储器的一个存储单元，此时应在指令字中给出该存储单元的地址。4什么是指令字长和指令格式？答：指令字长：通常与计算机字长一致，但可以更短或更
8、长。指令格式：指令字中包括操作码字段和操作数地址字段两部分。操作码用于指明指令的运算和操作功能，不同指令的操作码要有唯一性，其位数取决于指令条数和设计要求，有定长和变长2种实现方案。操作数地址字段用于给出被操作信息（指令或数据）的地址信息，包括参加运算的一个或多个操作数所在的地址，运算结果的保存地址，程序的转移地址,被调用的子程序的入口地址等。设计这一部分需要了解指令中用到的操作数的个数，可能的来源与去向，存放数据的介质的读写原理与过程等，要合理考虑，要适当折中与平衡。5计算机的微程序控制器和组合逻辑控制器（硬连线）在组成和运行原理上有何相同和不同之处？它们各有哪些优缺点？答：微程序的控制器和
9、组合逻辑的控制器是计算机中两种不同类型的控制器。共同点：基本功能都是提供计算机各个部件协同运行所需要的控制信号；组成部分都有程序计数器PC，指令寄存器IR；都分成几个执行步骤完成每一条指令的具体功能。不同点：主要表现在处理指令执行步骤的办法，提供控制信号的方案不一样。微程序的控制器是通过微指令地址的衔接区分指令执行步骤，应提供的控制信号从控制存储器中读出，并经过一个微指令寄存器送到被控制部件。组合逻辑控制器是用节拍发生器指明指令执行步骤，用组合逻辑电路直接给出应提供的控制信号。微程序的控制器的优点是设计与实现简单些，易用于实现系列计算机产品的控制器，理论上可实现动态微程序设计，缺点是运行速度要
10、慢一些。组合逻辑控制器的优点是运行速度明显地快，缺点是设计与实现复杂些，但随着EDA工具的成熟，该缺点已得到很大缓解。6指令系统分哪两大类？它们各有什么特点？答：指令系统有简化指令系统(RISC)和复杂指令系统(CISC)两大类。RISC是对CISC发展过程中的某些问题进行反思的结果，是通过简化硬件实现、提高软件技巧追求更高的计算机性能的有效途径。其中非常成功的典型RISC结构的是MIPS计算机。大量的统计结果表明，在CISC机器的上百条、几百条指令中，只有功能简单、所用硬件更节省的约20%的指令，将占用程序80%的运行时间，反过来说，另外的约80%的功能更复杂、硬件实现代价很高的指令并不被经
11、常使用。到了RISC机器中，宁可选用软件子程序方式来实现这些指令，使硬件实现变得更为精简，运行速度更高。RISC计算机追求的目标之一，就是使指令每一步操作所用的时间要尽可能的短，并且力争在每个执行步骤都能完成一条指令的执行过程。同时尽力在编译程序中增强性能优化能力，从硬件软件两个方面来提高RISC机器的性能。RISC计算机的指令格式规范且种类少，使用的寻址方式简单，指令条数少，指令完成的操作功能简单。7学好汇编语言程序设计有哪些意义？答：汇编语言程序设计的内容对计算机组成原理课程是重要的，对理解指令功能、运算器与控制器的组成和实现、准确理解计算机整机系统的运行原理都有十分重要的作用。汇编语句与
12、指令之间有严格的对应关系，汇编语言还对指令系统进行了重要的功能扩展，使其基本达到可以用于程序设计的初步要求。从程序设计的角度，都需要有支持顺序执行、转移执行、分支执行、循环执行、子程序调用与返回执行等语句（指令）。汇编程序设计可以在实际的硬件系统上进行，也可以在模拟软件的系统上开展，缺乏汇编程序设计基础知识将难以学好本课程。第五章 计算机的控制器部件一控制器的功能与组成概述（一）控制器的基本功能1控制器的作用控制器的作用是向整机系统的每一个部件提供它们协调运行所需要的控制信号。 系统部件是指：计算机硬件系统所包括：运算器部件、控制器部件、存储器系统、输入设备和输出设备这五大部分。2控制器的基本
13、功能计算机的核心功能是提供连续执行指令的能力，而每一条指令往往又要分成几个执行步骤才得以完成。 计算机控制器的基本功能：它是依据当前正在执行的指令和它所处的执行步骤形成并提供出这一时刻整机各部件要用的控制信号。（1）执行一条指令，通常总是要经过：读取指令、分析指令和执行指令所规定的处理功能三个阶段才能完成，这是在控制器的控制下实现的： 1）读取指令当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，并指出下一条指令在主存中的地址。为此要发出指令地址及控制信号，然后不断取出第2、3、条指令。 2）分析指令（又称为解释指令或者指令译码）它是对当前取得的指令进行分析，指出它要求做什么操作，并且产生
14、相应的操作控制命令。如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。 3）执行指令根据分析指令时产生的“操作指令”和“操作数地址”形成相应的操作信号序列，通过运算器、存储器及输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括运算结果的处理以及下一条指令地址的形成。（2）控制器还要保证计算机能够按程序中设定的指令运行次序，自动地连续执行指令序列1）控制程序和数据的输入与结果的输出。根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入/输出设备发出一些相应的命令来完成I/O的功能2）对异常情况和某些请求的处理。当机器出现某些异常情况，诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错误等；或者一些外来请求，诸如磁盘
15、上的成批数据需要送存储器或程序员从键盘送入命令等，此时由这些部件或设备发出信号，以对异常情况或外来请求进行处理。（二）控制器的组成（图5-1，P91）1主要连接关系说明（1）运算器部件通过数据总线和内存储器、输入和输出设备传送数据；（2）输入和输出设备通过接口电路与总线相连接；（3）内存储器、输入和输出设备从地址总线接收地址信息，从控制总线得到控制信号，通过数据总线与其他部件传送；（4）控制器部件从数据总线接收指令信息、从运算器部件接收指令转移地址，送出指令地址到地址总线，还要向系统中各部件提供它们运行所需要的控制信号。2控制器的基本组成（1）程序计数器（PC）程序计数器是用于提供指令在内存中的地址的部件，服务于读取指令，能执行内容增量和接收新的指令地址，用于给出下一条将执行的指令的地址。（2）指令寄存器（IR）指令寄存器是用于接收并保存从内存读出来的指令内容的部件，在执行本条指令的整个过程中，为系统运行提供指令本身的主要信息。（3）指令执行的步骤标记线路指令执行的步骤标记线路用于标记出每一条指令的各个执行步骤的相对次序关系
