1、1,第章 控制器,.1 控制器的功能與組成概述 .2 硬連線控制器 .3微程序的控制器部件,2,6.1 控制器功能與組成,馮. 諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī) “存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)，設(shè)置內(nèi)存，存放程序和數(shù)據(jù)， 在程序運(yùn)行之前將程序調(diào)入內(nèi)存，然后執(zhí)行程序。 計(jì)算機(jī)的功能是執(zhí)行程序 程序是具有一定功能依次排列起來的指令序列 計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的基本過程 從程序首地址開始執(zhí)行第一條指令 分步執(zhí)行每一條指令，并形成下一條待執(zhí)行指令地址 自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令，直到程序的最后一條指令,3,1. 控制器功能與控制過程,(1) 能夠正確自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行指令 按程序中設(shè)定的指令次序執(zhí)行 (2) 能夠正確分步完成每一條指令功能 取指令

2、分析指令 執(zhí)行指令 (3) 能夠在執(zhí)行程序的過程中響應(yīng)并處理中斷 使計(jì)算機(jī)得以更有效的地兼顧多項(xiàng)工作 控制器的作用，就是向計(jì)算機(jī)各功能部件 (運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、總線、輸入輸出設(shè)備的接口，也包括控制器本身) 提供執(zhí)行每一條指令所需要的控制信號(hào)。,4,2.控制器的組成, 程序計(jì)數(shù)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 存放指令內(nèi)容：操作碼與操作數(shù)地址 指令執(zhí)行步驟標(biāo)記線路(譯碼器或微程序控制器、時(shí)序電路) 指明每條指令執(zhí)行步驟和次序 控制信號(hào)產(chǎn)生線路（時(shí)序控制電路） 給出計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同運(yùn)行所需要的全部控制信號(hào),主脈沖源與啟?？刂凭€路,5,6,3. 兩種不同類型的

3、控制器,根據(jù)控制信號(hào)的方式，有兩種不同類型的控制器： （1）硬連線控制器(組合邏輯控制器)： 采用組合邏輯線路、依據(jù)指令及其執(zhí)行步驟直接產(chǎn)生控制信號(hào)。 （2）微程序控制器： 采用存儲(chǔ)器電路把控制信號(hào)存儲(chǔ)起來，依據(jù)指令執(zhí)行的步驟讀出要用到的信號(hào)（多個(gè)信號(hào)組合）。,7,8,6.2.1 硬連線控制器組成與運(yùn)行原理,1.控制器組成 由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、（譯碼器）節(jié)拍發(fā)生器Timer 和 控制信號(hào)產(chǎn)生部件CU 等4 部分組成 PC: 提后續(xù)指令地址， IR 保存指令， Timer 給出指令執(zhí)行步驟的編碼（時(shí)序）， 控制信號(hào)產(chǎn)生部件依據(jù)指令內(nèi)容（在IR中）和操作步驟（Timer 提供），產(chǎn)生

4、控制各部件所需要的控制信號(hào)。,6.2.1 硬連線控制器,9,2. 指令執(zhí)行步驟標(biāo)記:節(jié)拍發(fā)生器,在執(zhí)行指令時(shí)，指令周期一般劃分幾個(gè)執(zhí)行步驟,稱為機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期由幾個(gè)時(shí)鐘周期組成。實(shí)現(xiàn)指令周期控制的電路稱為時(shí)序電路，也稱為節(jié)拍發(fā)生器（Timer/Timing）。,(1)劃分指令執(zhí)行步驟， (2)確定各步驟應(yīng)執(zhí)行的功能和步驟之間的銜接關(guān)系 (3)確定各部件完成這些功能所需要的控制信號(hào)， (4)發(fā)控制信號(hào)。,12,13,14,3. 硬連線控制器特點(diǎn),用與-或兩級(jí)構(gòu)成的邏輯電路生成控制信號(hào) 線路延時(shí)小，指令執(zhí)行速度快 適合實(shí)現(xiàn)比較精簡的指令系統(tǒng)（早期） 常用于實(shí)現(xiàn) RISC 機(jī) （當(dāng)前） 較容

5、易實(shí)現(xiàn)并行 可擴(kuò)展性差，制作系列機(jī)時(shí)較難實(shí)現(xiàn),15,6.2.3 TEC-2000機(jī)硬件系統(tǒng) TEC-2000用4片Am2901組成，是一臺(tái)16位的教學(xué)機(jī)。控制器選用集成度為10000個(gè)門的CPLD器件來實(shí)現(xiàn)。部分邏輯功能選用ABEL（Advanced Bool Expression Language）語言描述。,16,16,AM2901內(nèi)部組成,F=0000 零標(biāo)志 Cn+4 進(jìn)位 OVR 溢出標(biāo)志 F3 最高位,可分成4個(gè)組成部分,17,17,18,(1) 運(yùn)算器: 由ALU、REGs和Flag 三個(gè)主要部件組成: ALU完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，運(yùn)算數(shù)據(jù)可來自REGs 的B口數(shù)據(jù)和A口數(shù)據(jù)，常數(shù)和，通

6、過內(nèi)部總線IB送來的輸入數(shù)據(jù)，由多路選擇器實(shí)現(xiàn)選擇。 REGs暫存數(shù)據(jù)和結(jié)果, 由寄存器編號(hào)選擇讀寫的寄存器，讀出數(shù)據(jù)送ALU，寫入的數(shù)據(jù)來自ALU運(yùn)算結(jié)果并經(jīng)由移位電路。 Flag保存ALU產(chǎn)生的運(yùn)算結(jié)果的標(biāo)志信息。 運(yùn)算器的輸出可以經(jīng)IB送到其他部件。,19,依據(jù)指令執(zhí)行的過程，產(chǎn)生每一步所需要的控制信號(hào)：,（2）控制器部件: 由程序計(jì)數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、節(jié)拍發(fā)生器Timing、控制信號(hào)產(chǎn)生線路 CU 等4部分組成。,20,無內(nèi)存讀寫,有內(nèi)存讀寫,21,控制（時(shí)序）信號(hào)：（第1機(jī)器周期） 第1拍：（PC） 存儲(chǔ)器地址寄存器（PC）+1 PC,第2拍：存儲(chǔ)器讀（可能延遲，插入等待周

7、期）,第4拍：讀出數(shù)據(jù)（指令）送寄存器（指令I(lǐng)R）,22,指令執(zhí)行步驟： (1)取指令（第1機(jī)器周期）： （PC） 存儲(chǔ)器地址寄存器、存儲(chǔ)器讀、讀出指令送指令寄存器（譯碼）（PC）+1 PC,控制器設(shè)計(jì)兩種方案： 組合邏輯電路 微程序控制器,(2)指令執(zhí)行（第2機(jī)器周期）: (讀取操作數(shù)) 地址送存儲(chǔ)器地址寄存器，譯碼，讀操作數(shù)，送寄存器,(3)指令執(zhí)行（第3機(jī)器周期）: (結(jié)果送存儲(chǔ)器) 地址送存儲(chǔ)器地址寄存器，譯碼，結(jié)果送存儲(chǔ)器單元,23,控制（時(shí)序）信號(hào)：（第1機(jī)器周期） 第1拍：（PC） 存儲(chǔ)器地址寄存器（PC）+1 PC,執(zhí)行指令：（第2機(jī)器周期）,第2拍：存儲(chǔ)器讀（可能延遲，插入等

8、待周期）,第4拍：讀出數(shù)據(jù)（指令）送寄存器（指令I(lǐng)R）,24,TEC-2008 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成,I/O 設(shè)備,地 址 總 線,數(shù)據(jù) 總 線,D,25,典型指令的執(zhí)行過程舉例,2000 ADD R0，R1 ；兩個(gè)累加器求和并保存結(jié)果到R0 2001 MVRR R2，R0 ；寄存器之間傳送數(shù)據(jù) 2002 MVRD R9，2008 ；把16進(jìn)制數(shù)2008傳送到累加器R9 ；這是雙字指令 2004 STRR R9，R2 ；寫 R2 的內(nèi)容寫到 R9 給出地址的內(nèi) ；存單元中 2005 IN 80 ；從串行口（接鍵盤）讀輸入數(shù)據(jù) ；并送到 R0 低位字節(jié) 2006 JRC 2000 ；若進(jìn)位觸發(fā)器

9、C為1，則相對(duì)轉(zhuǎn)移到 ； 2000 地址 2007 RET ；子程序返回指令, 這里用于結(jié)束程序 2008 ；這是用于寫入一個(gè)字的內(nèi)存單元,其他一些指令與這里的幾條指令有相當(dāng)多的共同特性，屬于同一組的指令的執(zhí)行步驟非常類似。,26,讀取指令 AR PC PC PC + 1 讀主存，IR 讀出內(nèi)容 執(zhí)行指令 ALU R0 ALU R1 執(zhí)行 + R0 ALU，記憶結(jié)果特征 結(jié)束，判中斷，無中斷請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)入下條指令的執(zhí)行過程,指令執(zhí)行步驟的文字描述 加法指令 ADD R0， R1,形成下條指令地址,27,ADD 指令的執(zhí)行過程與數(shù)據(jù)通路,I/O 設(shè)備,地 址 總 線,數(shù)據(jù) 總 線,1,R5經(jīng)A口送

10、AR, B(R5)+1 B 讀出內(nèi)存中指令 IR B+AB，存標(biāo)志位,取指,運(yùn)算,D,28,ADD 指令的執(zhí)行過程與數(shù)據(jù)通路,I/O 設(shè)備,地 址 總 線,數(shù)據(jù) 總 線,1,D,PC經(jīng)A口送AR, PC+1 送PC,送指令地址,讀出指令,相加運(yùn)算,讀出內(nèi)存中指令送 IR,B+AB, 存標(biāo)志位,+,29,ADD 指令的執(zhí)行過程與數(shù)據(jù)通路,I/O 設(shè)備,地 址 總 線,數(shù)據(jù) 總 線,1,D,PC經(jīng)A口送AR, PC+1 送PC,送指令地址,讀出指令,相加運(yùn)算,控制信號(hào),0022,0123,讀出內(nèi)存中指令送 IR,B+AB, 存標(biāo)志位,0012,0 0 1 2,0145,0 0 0 0,2002,2

11、002,2003,+,30,31,6.3 微程序控制器,32,6.3.1 微程序控制器的基本組成 程序計(jì)數(shù)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 存放指令內(nèi)容：包括指令操作碼與操作數(shù)地址兩部分 微指令下地址邏輯 形成并提供出讀控制存儲(chǔ)器要使用的微指令的地址，其作用與硬連線控制器的節(jié)拍發(fā)生器有些類同。 控制存儲(chǔ)器和微指令寄存器 控制存儲(chǔ)器用于保存由全部微指令構(gòu)成的微程序，讀控制存儲(chǔ)器得到的微指令將首先存入微指令寄存器，之后才能送到各被控制部件，這一部分的作用與硬連線控制器的控制信號(hào)產(chǎn)生部件有些類同。,33,拍發(fā)生器 （多譯碼器與時(shí)序電路）,第1拍：（R1） 存儲(chǔ)器

12、地址寄存器（硬件譯碼）,第2拍：存儲(chǔ)器讀（可能延遲，插入等待周期）,第4拍：讀出數(shù)據(jù)送寄存器（R4）,第3拍：（可能延遲，插入等待周期）,1 0 1 0 0 1 1 0,微程序存儲(chǔ)器,34,微程序控制器基本組成框圖,控制存儲(chǔ)器 (存放微程序),微指令字,微指令寄存器,下地址邏輯,控存地址,下地址字段,微命令字段,指令寄存器 IR,程序計(jì)數(shù)器 PC,影射,指令操作碼,條件信號(hào),Clock,微命令 (控制信號(hào)),35,微程序控制器的基礎(chǔ)知識(shí),用多條微指令實(shí)現(xiàn)每條機(jī)器指令的執(zhí)行過程。 一條微指令控制各部件執(zhí)行指令的一個(gè)執(zhí)行步驟，執(zhí)行一條微指令所用的時(shí)間被稱為一個(gè)微周期，相當(dāng)于硬連線控制器的一個(gè)節(jié)拍時(shí)

13、間。 微指令需要具備如下兩項(xiàng)功能： （1）提供機(jī)器指令的一個(gè)執(zhí)行步驟所需要的控制信號(hào) (微命令) ； （2）提供下一條待用微指令的地址。 全部微指令的集合構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的完整的微程序，保存在控制存儲(chǔ)器中。,36,微程序控制器的運(yùn)行原理,控制每條機(jī)器指令的執(zhí)行過程多條微指令組成 一個(gè)(段) 微程序，所有指令的微程序保存在存儲(chǔ)器 ROM 中，稱為微程序控制器。 對(duì)指令譯碼：生成相應(yīng)微程序的入口地址. 從控制存儲(chǔ)器讀出來的是一條微指令，包括微命令字段和微指令下一地址兩部分，讀出的微指令送微指令寄存器，輸出控制信號(hào)，同時(shí)下一條微指令地址送微程序控制器的地址寄存器。,37,38,8 位微下地址字段可以訪

14、問 256個(gè)字 的控存空間 ，用于直接給出下一條微指令的地址，如微指令的轉(zhuǎn)移地址 等,微指令中的下地址字段的信息,例如可以分成 3 個(gè)子字段，總共提供 16位 的信息,4 位的形成下地址方式編碼可以給出 16種 選擇，如順序執(zhí)行、條件轉(zhuǎn)移、微子程序調(diào)用與返回、從某一固定地址開始、循環(huán)執(zhí)行與結(jié)束、按照指令操作碼進(jìn)行功能分支 等。,4 位的轉(zhuǎn)移條件可給出 16種 不同的條件或組合，用于指出微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的條件，為真則轉(zhuǎn)移、否則順序執(zhí)行,微指令字的下地址字段有多種組織方案，各有長短，,39,直接控制法 直接用微指令字的一位作一個(gè)控制信號(hào)，簡單且速度快，但會(huì)使微指令字變得很長。,微指令格式和字段劃分設(shè)計(jì),微指令字,下地址字段,微命令字段,控制信號(hào),常數(shù)源字段 有點(diǎn)類似于指令中的立即數(shù)字段，位數(shù)不多,提供一個(gè)常數(shù)值，用來控制微程序循環(huán)次數(shù)等。,常數(shù)值,40,微指令格式和字段劃分設(shè)計(jì),微指令字,控制信號(hào),下地址字段,微命令字段,字段直接編譯法 把互斥的控制信號(hào)分在一組加以編碼，經(jīng)譯碼器給出控制信號(hào)，確?；コ猓俣葧?huì)稍慢，但可大大減短微指令字長度。,譯 碼 器,字段間接編譯法 微命令的一個(gè)字段的某些微命令還受另一