计算机组成原理第6章简.ppt

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,2,6.1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,3,1.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。,4,2.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,5,6,3.两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）。,7,8,6.2.1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,9,2.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）。,(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。,12,13,14,3.硬连线控制器特点,用与-或两级构成的逻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,15,6.2.3TEC-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（AdvancedBoolExpressionLanguage）语言描述。,16,16,AM2901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,17,17,18,(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。,19,依据指令执行的过程，产生每一步所需要的控制信号：,（2）控制器部件:由程序计数器PC、指令寄存器IR、节拍发生器Timing、控制信号产生线路CU等4部分组成。,20,无内存读写,有内存读写,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）+1PC,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）,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）+1PC,控制器设计两种方案：组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,23,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）+1PC,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）,24,TEC-2008计算机硬件系统组成,I/O设备,地址总线,数据总线,D,25,典型指令的执行过程举例,2000ADDR0，R1；两个累加器求和并保存结果到R02001MVRRR2，R0；寄存器之间传送数据2002MVRDR9，2008；把16进制数2008传送到累加器R9；这是双字指令2004STRRR9，R2；写R2的内容写到R9给出地址的内；存单元中2005IN80；从串行口（接键盘）读输入数据；并送到R0低位字节2006JRC2000；若进位触发器C为1，则相对转移到；2000地址2007RET；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。,26,读取指令ARPCPCPC+1读主存，IR读出内容执行指令ALUR0ALUR1执行+R0ALU，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ADDR0，R1,形成下条指令地址,27,ADD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,R5经A口送AR,B(R5)+1B读出内存中指令IRB+AB，存标志位,取指,运算,D,28,ADD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,D,PC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,+,29,ADD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,D,PC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,0022,0123,读出内存中指令送IR,B+AB,存标志位,0012,0012,0145,0000,2002,2002,2003,+,30,31,6.3微程序控制器,32,6.3.1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。,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）,10100110,微程序存储器,34,微程序控制器基本组成框图,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),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。,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。,37,38,8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,4位的形成下地址方式编码可以给出16种选择，如顺序执行、条件转移、微子程序调用与返回、从某一固定地址开始、循环执行与结束、按照指令操作码进行功能分支等。,4位的转移条件可给出16种不同的条件或组合，用于指出微指令转移所依据的条件，为真则转移、否则顺序执行,微指令字的下地址字段有多种组织方案，各有长短，,39,直接控制法直接用微指令字的一位作一个控制信号，简单且速度快，但会使微指令字变得很长。,微指令格式和字段划分设计,微指令字,下地址字段,微命令字段,控制信号,常数源字段有点类似于指令中的立即数字段，位数不多,提供一个常数值，用来控制微程序循环次数等。,常数值,40,微指令格式和字段划分设计,微指令字,控制信号,下地址字段,微命令字段,字段直接编译法把互斥的控制信号分在一组加以编码，经译码器给出控制信号，确保互斥，速度会稍慢，但可大大减短微指令字长度。,译码器,字段间接编译法微命令的一个字段的某些微命令还受另