《计算机南理工计算机组成原理课件(2012版)第6章控制器原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机南理工计算机组成原理课件(2012版)第6章控制器原理（379页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/7/2,2011 第7版,1,第 6 章 控制系统与CPU,2019/7/2,2,本章学习内容,控制器的功能与组成 控制方式与时序系统 CPU的总体结构 组合逻辑控制器设计 微程序控制器设计,2019/7/2,3,6.1 控制器概述,控制器和运算器一起组成中央处理器，即CPU（Central Process Unit） 。 控制器的功能 根据事先编好并存放在存储器中的解题程序，控制各部件有条不紊地、自动协调地进行工作。,2019/7/2,4,控制器是计算机的指挥和控制中心，由它把计算机的运算器、存储器、I/O设备等联系成一个有机的系统，并根据各部件具体要求，适时地发出各种控制命令，控
2、制计算机各部件自动、协调地进行工作。,2019/7/2,5,计算机运行程序的基本过程： 1.取指令 根据指令地址（由PC提供），从存储器中取出所要执行的指令,6.1.1 指令执行的基本步骤,2019/7/2,6,2.分析指令, 对取出的指令进行译码分析。确定指令应完成的操作，产生相应操作的控制电位，参与形成该指令功能所需要的全部控制命令（微操作控制信号）。 根据寻址方式的分析和指令功能要求，形成操作数的有效地址，并按此地址取出操作数据（运算型指令）或形成转移地址(转移类指令)，以实现程序转移。,2019/7/2,7,3.执行指令： 根据指令分析所产生的操作控制信号和形成的有效地址，按一定的算法
3、形成指令操作控制序列，控制有关部件完成指令规定的功能。 一条指令执行结束，若没有异常情况和特殊请求，则按程序顺序，再去取出并执行下一条指令。,2019/7/2,8,控制器的任务,按取指令、分析指令、执行指令这样的步骤进行周而复始的控制过程，直到完成程序所规定的任务并停机为止。,2019/7/2,9,指令ADD A，R7的执行过程,2019/7/2,10,程序的执行过程,设有程序： MOV AL，07H ADD AL，0AH MOV 20H，AL (1) 指令长度均为2字节，其中第一字节为操作码部分，第二字节为形式地址部分。 (2) 程序存放在以00H开始的区域内。,2019/7/2,11,程序
4、执行过程演示,2019/7/2,12,6.1.2 控制器的基本功能,1控制指令的正确执行 包括指令流出的控制，分析指令和执行指令的控制，指令流向的控制。 指令流出控制（对取指令的控制） 取指令时需进行的操作 (PC)MAR，Read ；给出指令地址，并向MEM发 出读命令 (MDR)IR ；读出的指令经MDR存放到指 令寄存器IR中 (PC)增量PC ；为取下一条指令作准备,2019/7/2,13, 分析指令和执行指令的控制 IR中的指令经指令译码器(ID)译码分析，确定操作性质，判明寻址方式并形成操作数的有效地址。 控制器根据分析的结果和形成的有效地址产生相应的操作控制信号序列，控制有关的部
5、件完成指令所规定的操作功能。 例：设某指令的IR15IR120000时为MOV指令，则 MOV 的控制信号为：,2019/7/2,14, 指令流向的控制 指令流向控制即下条指令地址的形成控制。 按指令序列顺序执行时，通过PC自动增量形成下条指令的地址。 当需要改变指令流向时，需改变程序计数器PC中的内容。 转移指令的执行：把形成的转向地址送入PC； 转子指令的执行：把子程序入口地址送入PC； 中断处理：将中断服务程序入口地址送入PC。 为了正确返回，转子和中断还需保留PC被改变之前的内容(即返回地址)。,2019/7/2,15,2.控制程序和数据的输入及结果的输出 为完成某项任务而编制的程序及
6、所需数据，必须通过某些输入设备预先存放在存储器中，运算结果要用输出设备输出。所以必须由控制器统一指挥，完成程序和数据的输入及结果的输出。 3异常情况和特殊请求的处理 机器在运行程序过程中，往往可能会遇到一些异常情况（如电源掉电、运算溢出等）或某些特殊请求（如打印机请求传送打印字符等）。这些异常和请求往往是事先无法预测的，控制器必须具有检测和处理这些异常情况和特殊请求的功能。,2019/7/2,16,宏观上每条指令的执行过程均是取指、译码、执行，但每条指令有不同的操作序列，需要在不同时间产生不同的控制序列，并有严格的时序要求。控制器必须根据不同指令产生不同的控制序列。 控制器在工作时，需要根据不
7、同的指令、不同的状态条件，在不同的时间，产生不同的控制信号，控制计算机的各部件自动、协调地进行工作。,2019/7/2,17,指令执行的一般流程,2019/7/2,18,6.1.3 控制器的组成,2019/7/2,19,指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。 程序计数器 PC （指令计数器、指令地址寄存器） PC用于保证程序按规定的序列正确运行，并提供将要执行指令的指令地址。 由于PC可以指向主存中任一单元的地址，因此它的位数应能表示主存的最大容量并与主存地址寄存器MAR的位数相同。,1指令部件,2019/7/2,20,在CPU中可以单独设置程序计数器，也可以指定通用寄存器中的某一个作为P
8、C使用。 程序顺序执行时的PC增量可以通过PC本身的计数逻辑实现，也可以由运算器的ALU实现。不同机器，实现方法可有所不同。,2019/7/2,21,(2) 指令寄存器 IR 指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。 当指令从主存取出后，经MDR传送到指令寄存器中，以便实现对一条指令执行的全部过程的控制。,2019/7/2,22,(3) 指令译码器 ID 指令译码器是指令分析部件，对指令寄存器中的指令操作码进行译码分析，产生相应操作的控制电位，提供给微操作控制信号形成部件。对寻址方式字段进行译码分析，以控制操作数有效地址的形成。 (4) 地址形成部件 根据机器所规定的各种寻址方式，形成操作数有效
9、地址。 在一些微、小型机中，为简化硬件逻辑，通常不设置专门的地址形成部件，而是借用运算器实现有效地址的计算。,2019/7/2,23,2时序控制部件,时序控制部件：用于产生一系列时序信号，为各个微操作定时，以保证各个微操作的执行顺序。 从宏观(即程序控制)上看，计算机的解题过程实质上是指令序列即一条条指令的执行过程。 从微观(即指令控制)上看，计算机的解题过程是微操作序列即一个个(或一组组)微操作的执行过程。 微操作：机器最简单的基本操作 一条指令的执行过程可以分解为若干微操作。这些微操作有着严格的时间顺序要求，不可随意颠倒。,2019/7/2,24,(1)脉冲源 脉冲源用于产生一定频率的主时
10、钟脉冲。一般采用石英晶体振荡器作为脉冲源。计算机电源一接通，脉冲源立即按规定频率给出时钟脉冲。 (2)启停电路 启停电路用于控制整个机器工作的启动与停止。实际上是保证可靠地送出或封锁主时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止。,2019/7/2,25,(3)时序信号发生器 时序信号发生器用于产生机器所需的各种时序信号，以便控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。 不同的机器，有着不同的时序信号。在同步控制的机器中，一般包括周期、节拍、脉冲等三级时序信号。,2019/7/2,26,微操作控制信号形成部件：根据指令部件提供的操作控制电位、时序部件所提供的各种时序信号以及有关的状态条件，产生机器所需要的
11、各种微操作控制信号。 不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微操作控制信号序列。每条指令都有自己对应的微操作序列。控制器必须根据不同的指令，在不同的时间，产生并发出不同的微操作控制信号，控制有关部件协调工作，完成指令所规定的任务。,3微操作控制信号形成部件,2019/7/2,27,4中断控制逻辑（中断机构）,用于实现异常情况和特殊请求的处理。,2019/7/2,28,程序状态寄存器：用于存放程序的工作状态(如管态、目态等)和指令执行的结果特征(如结果为零、结果溢出等)，把它所存放的内容称为程序状态字(PSW)。PSW表明了系统的基本状态，是控制程序执行的重要依据。不同的机器，PSW的格式及内容
12、不完全相同。,5程序状态寄存器 PSR,2019/7/2,29,例：8086 CPU中的PSW的格式 CF：进位 PF：奇偶 AF：半进位 ZF：结果为0 SF：符号 TF：单步(陷阱) IF：中断允许 DF：地址增/减量 OF：溢出,2019/7/2,30,控制台用于实现人与机器之间的通信联系，如启动或停止机器的运行、监视程序运行过程、对程序进行必要的修改或干预等。 早期有硬件控制台，用于设置地址和指令。现在，在大型机中有软件控制台。通过控制台命令，控制机器的启停，干预机器的工作。,6控制台,2019/7/2,31,控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成部件采用何种组成方式产生微操作控制
13、信号。 根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型三种，它们的根本区别在于微操作信号发生器的实现方法不同，而控制器中的其他部分基本上是大同小异的。,6.1.4 控制器的组成方式,2019/7/2,32,1组合逻辑型,组合逻辑控制器也称为硬联逻辑或硬布线逻辑。 组合逻辑控制器是根据控制要求和状态，采用组合逻辑技术来实现的。其微操作信号发生器是由门电路组成的复杂树形网络构成的。 组合逻辑控制器的设计目标：使用最少器件数和取得最高操作速度。 优点：速度快。巨型机和RISC机为了追求高速度采用组合逻辑控制器。 缺点：微操作信号发生器结构不规整，设计、
14、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。一旦控制部件构成之后，要想增加新的控制功能是不可能的。,2019/7/2,33,2存储逻辑型,存储逻辑型控制器称为微程序控制器。它是采用存储逻辑来实现的。 存储逻辑型控制器的实现方法： 把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序存入控制存储器中。执行指令时，读出控存中的微指令，由微指令产生微操作控制信号。 优点：设计规整，调试、维修便利，更改、扩充指令方便，易于实现自动化设计。 缺点：由于增加了一级控制存储器，所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。,2019/7/2,34,3组合逻辑和存储逻辑结合型,组合逻辑和存储逻辑结合型控制器称为PLA控制器
15、。 PLA控制器是吸收前两种的设计思想来实现的。 PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它的输出程序可编的，某一微操作控制信号由PLA的某一输出函数产生。 PLA控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物，它克服了两者的缺点，是一种较有前途的方法。,2019/7/2,35,以上几种控制器的设计方法是不同的，但产生的微操作命令的功能是相同的，并且各个控制条件基本上也是一致的，都是由时序电路、操作码译码信号，以及被控部件的反馈信息有机配合而成的。 从功能上看，这几种控制器只是微操作信号发生器的结构和原理不同，而外部的输入条件和输出结果几乎完全相同。,2019/7/2,36,微操作信号发生器
16、,2019/7/2,37,6.2 控制器的控制方式与时序系统,计算机执行指令的过程实际上是执行一系列的微操作的过程。每一条指令都对应着一个微操作序列，这些微操作中有些可以同时执行，有些则必须按严格的时间关系执行。 控制器的控制方式需解决的问题： 如何在时间上对各种微操作信号加以控制。,2019/7/2,38,6.2.1 控制方式,常用的控制方式有同步控制、异步控制和联合控制。 1同步控制方式 任何指令的运行或指令中各个微操作的执行，均由确定的具有统一基准时标的时序信号所控制。 即所有的操作均由统一的时钟控制，在标准的时间内完成。 在同步控制方式下，每个时序信号的结束就意味着安排完成的工作已经完成，随即开始执行后续的微操作或自动转向下条指令的运行。,2019/7/2,39,典型的同步控制方式： 以微操作序列最长的指令和执行时间最长的微操作为标准，把一条指令执行过程划分为若干个相对独立的阶段（称为周期）或若干个
