第7章 控制器-1课件

1、2第七章第七章 控制器控制器 控制器的组成及指令的执行控制器的组成及指令的执行7.17.1 硬布线控制器硬布线控制器 7.27.2 微程序控制器微程序控制器 7.37.3 本章小结本章小结37 71 1控制器的组成及指令的执行控制器的组成及指令的执行控制器的控制器的组成组成基本的计算机组成和功能基本的计算机组成和功能指令的执行指令的执行过程过程系统结构和数据系统结构和数据通路的设计通路的设计时序系统与时序系统与控制方式控制方式4一、基本的计算机组成和功能一、基本的计算机组成和功能 冯冯诺诺依依曼曼体体系系结结构构计计算算机机普普林林斯斯顿顿结结构构v AB：CPU或总线主设备或总线主设备存储器

2、或存储器或IO设备（单向）设备（单向）v DB：各部件之间（双向）各部件之间（双向）v CB：包含许多不同的控制信号线和状态信号线（单包含许多不同的控制信号线和状态信号线（单/双向）双向） 5一、基本的计算机组成和功能一、基本的计算机组成和功能 v冯冯诺依曼结构特征诺依曼结构特征 程序和数据共同存储在同一个存储器程序和数据共同存储在同一个存储器 一套地址总线与数据总线一套地址总线与数据总线 存储器瓶颈存储器瓶颈v典型的冯典型的冯诺依曼体系结构的诺依曼体系结构的CPUCPU IntelIntel微处理器微处理器 ARM7ARM7 MIPSMIPS处理器处理器 6一、基本的计算机组成和功能一、基本

3、的计算机组成和功能v哈佛结构：哈佛结构：7一、基本的计算机组成和功能一、基本的计算机组成和功能 v哈佛结构特征哈佛结构特征 程序和数据分开存储：两个存储器程序和数据分开存储：两个存储器 两套地址总线与数据总线两套地址总线与数据总线 指令和数据宽度可以不同指令和数据宽度可以不同v典型的哈佛结构的典型的哈佛结构的CPU PIC系列、系列、MC68系列、系列、Z8系列、系列、AVR系列系列 ARM9、ARM10和和ARM11 51单片机：改进型哈佛结构单片机：改进型哈佛结构 本课程研究对象：本课程研究对象：冯冯诺依曼体系结构的诺依曼体系结构的SISD的电子的电子数字计算机数字计算机8CPUCPU的基

4、本功能的基本功能v指令控制：指令控制：确保计算机指令按程序的顺序执行。确保计算机指令按程序的顺序执行。v操作控制：操作控制：一条指令的功能通常有若干个操作信一条指令的功能通常有若干个操作信号（微操作）组合起来实现，号（微操作）组合起来实现，CPU控制这些微操控制这些微操作的产生、组合、传送和管理。作的产生、组合、传送和管理。v时间控制：时间控制：使各种微操作和指令的执行严格按照使各种微操作和指令的执行严格按照时间序列进行。时间序列进行。v数据加工：数据加工：由运算器对数据进行算术运算和逻辑由运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。运算。 9v CPU：实际上就是一：实际上就是一个复杂的个复杂的有限

5、状态机。有限状态机。v 设计设计CPU的过程：就的过程：就是是确定确定它所具有的它所具有的所所有状态，及其对应的有状态，及其对应的微操作微操作v 确定的依据：确定的依据：指令系指令系统统一、基本的计算机组成和功能一、基本的计算机组成和功能 10v指令的执行可分为：指令的执行可分为：取指令周期：取指令周期：从存储器从存储器中取出一条指令，并对中取出一条指令，并对该指令的操作码译码；该指令的操作码译码；执行周期：执行周期：执行该指令。执行该指令。v译码可能并不对应任何状译码可能并不对应任何状态，态，它只是取指令结束后它只是取指令结束后到各条指令的执行周期之到各条指令的执行周期之间的一个多路选择。间

6、的一个多路选择。一、基本的计算机组成和功能一、基本的计算机组成和功能 117 71 12 2 控制器的组成控制器的组成 v控制器的功能控制器的功能：从存储器中从存储器中取指令取指令、对、对指令译码指令译码、产生控制信号并控制计算机系统各部件有序地执行，产生控制信号并控制计算机系统各部件有序地执行，从而从而实现这条指令的功能实现这条指令的功能。v 具体：具体：取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令中断处理和响应特殊请求中断处理和响应特殊请求二、控制器的组成二、控制器的组成127 71 12 2 控制器的组成控制器的组成 v控制器的组成：控制器的组成： 1.专用寄存器：专用寄存器：程序计数器

7、（程序计数器（PC）：）：存放指令地址存放指令地址 顺序执行时，由顺序执行时，由PC+1产生下一条指令的地址产生下一条指令的地址 遇到转移指令时，转移地址遇到转移指令时，转移地址PC作为下一条指令的地址。作为下一条指令的地址。指令寄存器（指令寄存器（IR）：）：存放机器指令码存放机器指令码地址寄存器（地址寄存器（AR）：）：用于存放用于存放CPU访问存储器或访问存储器或者者IO设备的地址码。设备的地址码。数据寄存器（数据寄存器（DR）：）：用于存放用于存放CPU访问存储器或访问存储器或者者IO设备的数据。设备的数据。二、控制器的组成二、控制器的组成137 71 12 2 控制器的组成控制器的组

8、成 2.2.指令译码器：指令译码器：对指令的操作码进行译码，以识别对指令的操作码进行译码，以识别该指令所要求的操作。该指令所要求的操作。3.3.操作控制信号形成部件：操作控制信号形成部件：根据指令的操作码以及根据指令的操作码以及时序信号，产生取出指令和执行这条指令所需的各时序信号，产生取出指令和执行这条指令所需的各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，完成种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，完成取出指令和执行指令的控制。分为：取出指令和执行指令的控制。分为： 硬布线控制器：硬布线控制器：主要由组合逻辑电路构成主要由组合逻辑电路构成 微程序控制器：微程序控制器：主要由存储逻辑电路构成主要由

9、存储逻辑电路构成二、控制器的组成二、控制器的组成147 71 12 2 控制器的组成控制器的组成 4.4.时序信号产生器：时序信号产生器：负责提供时钟信号和机器周期负责提供时钟信号和机器周期信号，以规定每个操作的时间。包括：信号，以规定每个操作的时间。包括：脉冲源：脉冲源：产生一定频率的脉冲信号，为整个计算产生一定频率的脉冲信号，为整个计算机提供基准时钟信号。机提供基准时钟信号。 启停线路：启停线路：负责控制时钟脉冲的送出与封锁，从负责控制时钟脉冲的送出与封锁，从而实现计算机的启动与停止。而实现计算机的启动与停止。时序信号产生及其控制部件：时序信号产生及其控制部件：以脉冲源为基准，以脉冲源为基

10、准，产生不同的计算机所对应的多级时序信号，用以产生不同的计算机所对应的多级时序信号，用以控制计算机的每一步微操作。控制计算机的每一步微操作。 二、控制器的组成二、控制器的组成15控控制制器器的的结结构构框框图图二、控制器的组成二、控制器的组成16三、时序系统与控制方式三、时序系统与控制方式计算机中计算机中的时序信的时序信号号1 1时序系统时序系统2 2控制方式控制方式3 3171 1、计算机中的时序信号、计算机中的时序信号v指令周期：指令周期：是指计算机从内存取出一条指令并完成该是指计算机从内存取出一条指令并完成该指令的执行所需要的时间。指令的执行所需要的时间。不同指令的指令周期是不相同的。不

11、同指令的指令周期是不相同的。一个指令周期可能由若干个机器周期组成。一个指令周期可能由若干个机器周期组成。v机器周期：机器周期：又称为又称为CPU周期周期，用于完成，用于完成1次内存的读或次内存的读或写操作，或者写操作，或者1次次ALU的运算，或者的运算，或者1次总线传送次总线传送一般规定为一般规定为CPU与内存交换与内存交换1次信息（读或写内存）次信息（读或写内存）所需要的时间。所需要的时间。一个机器周期的功能需要多个时钟周期完成一个机器周期的功能需要多个时钟周期完成。v时钟周期：时钟周期：又称为又称为节拍节拍，是指，是指CPU执行一个微操作命执行一个微操作命令（即控制信号）的最小时间单位，也

12、即令（即控制信号）的最小时间单位，也即T周期。周期。 181 1、计算机中的时序信号、计算机中的时序信号v 指令周期、机器周期、时钟周期的关系指令周期、机器周期、时钟周期的关系191 1、计算机中的时序信号、计算机中的时序信号v三级时序信号三级时序信号 202 2、时序系统、时序系统时序脉冲发生器时序脉冲发生器 根据时钟产生一定频率的根据时钟产生一定频率的各种同步信号各种同步信号（M、T、P）作为整个机器工作的时序信号；）作为整个机器工作的时序信号； 机器周期机器周期M：通常用通常用访问一次主存取指或取数据访问一次主存取指或取数据的时间的时间来作为来作为机器周期机器周期的基本时间。的基本时间。

13、 节拍节拍T T：按照数据通路与控制方式来决定机器周：按照数据通路与控制方式来决定机器周期中的节拍数。期中的节拍数。 工作脉冲工作脉冲P P：每个节拍：每个节拍1 12 2个。个。 控制器的时钟输入控制器的时钟输入实际上是节拍脉冲序列，其频实际上是节拍脉冲序列，其频率即为率即为机器的主频机器的主频。212 2、时序系统、时序系统222 2、时序系统、时序系统启停控制电路启停控制电路 保证在适当的时刻保证在适当的时刻准确可靠地开启或封锁计算准确可靠地开启或封锁计算机工作时钟机工作时钟，以控制微操作命令序列的产生或，以控制微操作命令序列的产生或停止，从而启动或停止计算机的运行。停止，从而启动或停止

14、计算机的运行。233 3、控制方式、控制方式v讨论的问题：一条指令有几个机器周期？每个机器讨论的问题：一条指令有几个机器周期？每个机器周期又有几个节拍？周期又有几个节拍？v定义：对于不同的微操作控制信号序列定义：对于不同的微操作控制信号序列如何定时及如何定时及同步同步，并将信号序列衔接起来，从而保证计算机各，并将信号序列衔接起来，从而保证计算机各部件有节奏地依次执行规定的各种操作。部件有节奏地依次执行规定的各种操作。243 3、控制方式、控制方式同步控制方式：统一节拍法同步控制方式：统一节拍法又称为又称为固定时序控制方式固定时序控制方式或或无应答控制方式无应答控制方式。以微操作序列最长的指令为

15、标准，确定控制微操以微操作序列最长的指令为标准，确定控制微操作运行的时钟周期数（节拍数）。控制器产生统作运行的时钟周期数（节拍数）。控制器产生统一的、顺序固定的、周而复始的机器周期信号和一的、顺序固定的、周而复始的机器周期信号和节拍。节拍。优点：优点：电路简单，电路简单，缺点：缺点：运行速度慢。运行速度慢。 253 3、控制方式、控制方式异步控制方式：分散节拍法异步控制方式：分散节拍法异步控制方式又称异步控制方式又称可变时序控制方式或应答控制可变时序控制方式或应答控制方式方式。每条指令需要多少节拍，就产生多少节拍；。每条指令需要多少节拍，就产生多少节拍；当指令执行完毕，发出回答信号；控制器收到

16、回当指令执行完毕，发出回答信号；控制器收到回答信号时，才开始下条指令的执行。采用答信号时，才开始下条指令的执行。采用不定长不定长机器周期。机器周期。优点：优点：指令的运行效率高；指令的运行效率高；缺点：缺点：控制器的电路比较复杂。控制器的电路比较复杂。异步控制方式在计算机中得到广泛的应用。例如异步控制方式在计算机中得到广泛的应用。例如CPU对内存的读写；对内存的读写；I/O设备与内存的数据交换等设备与内存的数据交换等都采用异步控制方式，以保证高速度的执行。都采用异步控制方式，以保证高速度的执行。 263 3、控制方式、控制方式 联合控制方式：延长节拍法或者时钟周期联合控制方式：延长节拍法或者时

17、钟周期插入插入把同步控制方式和异步控制方式结合使用的一把同步控制方式和异步控制方式结合使用的一种方式。种方式。大部分指令安排在统一的机器周期内完成，即大部分指令安排在统一的机器周期内完成，即同步控制；而将较少数特殊指令，或微操作序同步控制；而将较少数特殊指令，或微操作序列过长或过短，或微操作时间难以确定的，采列过长或过短，或微操作时间难以确定的，采用异步控制来完成。用异步控制来完成。273 3、控制方式、控制方式 联合控制方式：延长节拍法或者时钟周期联合控制方式：延长节拍法或者时钟周期插入插入延长节拍法：延长节拍法：大多数机器周期采用相同的基本大多数机器周期采用相同的基本节拍数，若某个机器周期

18、无法完成该周期的全节拍数，若某个机器周期无法完成该周期的全部微操作，则可延长节拍。部微操作，则可延长节拍。时钟周期插入：时钟周期插入：大多数机器周期采用相同的时大多数机器周期采用相同的时钟周期数，对于复杂操作的机器周期，则插入钟周期数，对于复杂操作的机器周期，则插入等待时钟周期。等待时钟周期。（ 例如例如8086CPU ）283 3、控制方式、控制方式8086CPU延长机器周期的时序图延长机器周期的时序图 293 3、控制方式、控制方式 联合控制方式：延长节拍法或者时钟周期联合控制方式：延长节拍法或者时钟周期插入插入现代计算机系统大多采用联合控制方式，其一现代计算机系统大多采用联合控制方式，其

19、一般设计思想是，般设计思想是，在功能部件内部采用同步控制在功能部件内部采用同步控制方式，而在功能部件之间采用异步控制方式。方式，而在功能部件之间采用异步控制方式。优点：优点：能保证一定的运行速度能保证一定的运行速度缺点：缺点：控制电路设计相对比较复杂。控制电路设计相对比较复杂。 30四、系统结构和数据通路的设计四、系统结构和数据通路的设计 v 计算机的系统结构主要取决于指令系统、机器字计算机的系统结构主要取决于指令系统、机器字长等因素。长等因素。v 各部件间的数据通路设计，有两种方案：各部件间的数据通路设计，有两种方案：v 第一种第一种是在所有需要传送数据的部件之间创建一是在所有需要传送数据的

20、部件之间创建一条条直接通路直接通路，这种方案对于很小的计算机系统来，这种方案对于很小的计算机系统来说是可行的，但是如果所要设计的说是可行的，但是如果所要设计的CPU的复杂度的复杂度增加的话，用这种方案来设计数据通路将变得越增加的话，用这种方案来设计数据通路将变得越来越不现实。来越不现实。v 第二种方案第二种方案是在是在CPU内部创建一条内部创建一条总线总线，并且在，并且在各个部件之间使用总线来传递数据。各个部件之间使用总线来传递数据。31选择第二种方案，勾画出简单计算机系统的结选择第二种方案，勾画出简单计算机系统的结构构控制器控制器321 1、访存的数据通路：、访存的数据通路：v存储器读操作存

21、储器读操作：送地址到地址寄送地址到地址寄存器存器AR；发送存储器读信发送存储器读信号，启动存储器号，启动存储器读操作；读操作；将读出的数据从将读出的数据从数据总线上接收数据总线上接收至数据寄存器至数据寄存器DR。v在在1个个CPU周期内完成周期内完成331 1、访存的数据通路：、访存的数据通路：v存储器写操作存储器写操作：送地址到地址寄送地址到地址寄存器存器AR；送数据到送数据到DR，DR将数据送到数将数据送到数据总线；据总线；控制器发送存储控制器发送存储器写信号，启动器写信号，启动存储器写操作存储器写操作。v在在12个个CPU周期内完成周期内完成34v 运算器内部结构：运算器内部结构：单总线

22、结构单总线结构v 暂存器暂存器：DA1和和DA2，程序员不可见，程序员不可见v 通用寄存器堆：通用寄存器堆：程序员可见程序员可见运算部件内部结构图运算部件内部结构图 2 2、细化运算器部件、细化运算器部件 35简简化化后后的的简简单单计计算算机机系系统统结结构构图图3 3、简化总线接口部件（、简化总线接口部件（BIUBIU）省略了省略了DR把片外的数据总线和把片外的数据总线和CPU片内总线合并片内总线合并364 4、简化结构图上访存数据通路：、简化结构图上访存数据通路：v 存储器读操作：存储器读操作：送地址送地址到地址寄存到地址寄存器器AR；读出数据读出数据控制器发送存控制器发送存储器读信号储

23、器读信号读出的数据从读出的数据从DB上接收至目上接收至目的寄存器。的寄存器。v举例：取指令操作举例：取指令操作v在在2个个CPU周期内完成周期内完成374 4、简化结构图上访存数据通路：、简化结构图上访存数据通路：v 存储器写操作：存储器写操作：送地址送地址到地址寄存到地址寄存器器AR写数据写数据：送数据到送数据到DB控制器发送存储控制器发送存储器写信号，启动器写信号，启动存储器写操作。存储器写操作。v在在2个个CPU周期内完成周期内完成385 5、简化结构图上、简化结构图上ALUALU的数据通路：的数据通路：v 运算器的运算操作运算器的运算操作：送第一个数据到送第一个数据到DA1或或DA2送

24、第二个数据到送第二个数据到DA2或或DA1 运算：运算：发送运算器发送运算器功能选择信号，结功能选择信号，结果通过果通过DB送目的部送目的部件。件。v在在3个个CPU周期内完成周期内完成39五、指令的执行过程五、指令的执行过程指令执行过程概述指令执行过程概述( (一一) )典型指令的执行过程典型指令的执行过程( (二二) )计算机的工作过程计算机的工作过程( (三三) )40（一）指令执行过程概述（一）指令执行过程概述v一条指令的执行过程包括一条指令的执行过程包括取指令取指令、分析指令、分析指令、执行执行指令指令三个步骤：三个步骤：1、取指令、取指令 指令在哪里？指令在哪里？取到哪里？取到哪里

25、？如何取？如何取？指令在主存指令在主存读主存读主存指令在主存中指令在主存中的哪个单元？的哪个单元？即指令地址即指令地址=？指令地址指令地址在在PC中中取到取到IR中中v 总结：总结：取指令就是以取指令就是以PC为地址读存储器，读出的指为地址读存储器，读出的指令送令送IR，PC自增自增1。41（一）指令执行过程概述（一）指令执行过程概述2、分析、分析指令：指令：指令的功能？指令的功能？操作数在哪里？操作数在哪里？对对OP字段译码字段译码对寻址方式码对寻址方式码MOD译码译码指令含几个字？指令含几个字？由由OP或者或者MOD字段决定字段决定v 总结：总结：分析指令就是控制指令译码器分析指令就是控制

26、指令译码器ID工作，产生工作，产生识别指令识别指令OP和寻址方式的控制信号。和寻址方式的控制信号。42（一）指令执行过程概述（一）指令执行过程概述执行操作或处理执行操作或处理取指令剩余字；取指令剩余字；根据寻址方式计算操作数的根据寻址方式计算操作数的EA；取操作数。取操作数。3、执行、执行指令指令 取操作数取操作数根据指令功能执行：传根据指令功能执行：传送送/计算计算/移位移位/转移等操转移等操作作v 总结：总结：执行指令的具体操作取决于指令的功能与寻执行指令的具体操作取决于指令的功能与寻址方式。址方式。43模型计算机的系统结构模型计算机的系统结构44（一）指令执行过程概述（一）指令执行过程概

27、述v以模型计算机为例，介绍以模型计算机为例，介绍取指令和执行指令取指令和执行指令两大阶段：两大阶段：1、取指令、取指令 送指令地址：送指令地址：PC的内容送到地址寄存器的内容送到地址寄存器AR，同，同时时PC的内容递增以指向下一条指令的地址；即的内容递增以指向下一条指令的地址；即PCAR, PC+1读取指令：读取指令：控制器发出控制器发出读控制信号读控制信号，控制从存储，控制从存储器中读出这条指令；该指令通过数据总线送到指器中读出这条指令；该指令通过数据总线送到指令寄存器令寄存器IR；即；即RAM IR45（一）指令执行过程概述（一）指令执行过程概述指令译码：指令译码：由指令译码器对由指令译码

28、器对IR中的指令其进行中的指令其进行分析译码：首先判断该指令是什么指令，然后分析译码：首先判断该指令是什么指令，然后将判断结果信息传递给操作控制信号形成部件。将判断结果信息传递给操作控制信号形成部件。2、执行指令、执行指令 操作控制信号形成部件根据指令译码信息和时操作控制信号形成部件根据指令译码信息和时序信号，发出该指令所需的所有部件的带时间序信号，发出该指令所需的所有部件的带时间标志的控制信号序列，完成指令的执行。标志的控制信号序列，完成指令的执行。 执行指令的具体操作与指令的功能有很大的关执行指令的具体操作与指令的功能有很大的关系，不同的指令，其执行指令阶段也是不同的。系，不同的指令，其执

29、行指令阶段也是不同的。46（二）典型指令的执行过程（二）典型指令的执行过程v 假设存放在存储器中的二条指令内容为：假设存放在存储器中的二条指令内容为：地址地址机器码机器码助记符助记符功能功能04H 0101 0000ADD R0, 06H (R0)+06HR005H 0000 0110(立即数立即数)06H 1000 0000JMP 04H04HPC07H 0000 0100(转移地址转移地址)47模型计算机的系统结构模型计算机的系统结构48典型指令的指令周期典型指令的指令周期-ADD1、ADD Rd, Data; (Rd)+DataRd 加法指令：加法指令：寄存器立即数存入寄存器寄存器立即数

30、存入寄存器 寻址方式：寻址方式：源操作数为立即数寻址，目的操作数源操作数为立即数寻址，目的操作数为寄存器（直接）寻址为寄存器（直接）寻址 指令格式：指令格式： OP=0101 ADD R0，06H的机器码：的机器码： 50H、06H 执行过程：执行过程：OP(4)Rd(2)Data49ADD Rd, Data指令的指令的执行过程执行过程v取指令：取指令： M1 (送存储器地址送存储器地址)： PCAR, PC+1 M2 (读取指令并译码读取指令并译码)：RAM IR ,指令译码指令译码v执行指令：执行指令： M3（取源操作数送地址）：（取源操作数送地址）：PCAR, PC+1 M4（取源操作数

31、读）：（取源操作数读）：RAM DA1 M5（取目的操作数）：（取目的操作数）： RdDA2 M6（计算并置结果）：（计算并置结果）：DA1+DA2Rd机器周期机器周期/CPU周期周期50ADD R0, 06H；(R0)+06HR0指令的运行过程指令的运行过程取取指指令令过过程程0000 0100(04H)0000 0100(04H)0000 0101(05H)0101 0000(50H)51ADD R0, 06H；(R0)+06HR0指令的运行过程指令的运行过程执执行行指指令令过过程程0000 0101(05H)0000 0101(05H)0000 0110(06H)0101 0000(50

32、H)06HR052典型指令的指令周期典型指令的指令周期-JMP2、JMP ADDR; ADDRPC 跳转指令：跳转指令：从当前指令跳转到目标处执行从当前指令跳转到目标处执行 寻址方式：寻址方式：单操作数指令，操作数为直接转移地单操作数指令，操作数为直接转移地址，直接寻址址，直接寻址 指令格式：指令格式： OP=1000 JMP 04H的机器码：的机器码： 80H、04H 执行过程：执行过程：OP(4) ADDR53JMP ADDR指令的执行过程指令的执行过程v取指令：取指令： M1 (送存储器地址送存储器地址)：PCAR, PC+1 M2 (读取指令并译码读取指令并译码)：RAM IR ,J1

33、#v执行指令：执行指令： M3（取操作数送地址）：（取操作数送地址）：PCAR, PC+1 M4（取操作数读）：（取操作数读）：RAM PC54JMP 04H；04HPC指令的运行过程指令的运行过程取取指指令令过过程程0000 0110(06H)0000 0110(06H)0000 0111(07H)1000 0000(80H)55JMP 04H；04HPC指令的运行过程指令的运行过程执执行行指指令令过过程程0000 0111(07H)0000 0111(07H)0000 1000(08H)1000 0000(80H)0000 0100(04H)56指指令令执执行行的的流流程程图图取取指指令令

34、阶阶段段执执行行指指令令阶阶段段57（三）计算机的工作过程（三）计算机的工作过程v计算机的工作过程即是循环往复的取指令、分计算机的工作过程即是循环往复的取指令、分析指令、执行指令的过程。析指令、执行指令的过程。开机开机上电上电产生产生Reset信号信号置置PC为第一条指令的地址为第一条指令的地址取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令587.2 7.2 硬布线控制器硬布线控制器v 定义：控制器的操作控制信号形成部件是由复杂的定义：控制器的操作控制信号形成部件是由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成，因此又称为组合逻辑门电路和一些触发器构成，因此又称为组组合逻辑控制器合逻辑控制器，或，或常规

35、逻辑控制器。常规逻辑控制器。v 基本原理：根据基本原理：根据指令的功能指令的功能、当前的时序当前的时序及及外部和外部和内部的状态情况内部的状态情况，按时间的顺序按时间的顺序发送一系列微操作发送一系列微操作控制信号。控制信号。v 特点：速度快，设计较为繁琐、不规整，修改、扩特点：速度快，设计较为繁琐、不规整，修改、扩充较难。充较难。 597.2 7.2 硬布线控制器硬布线控制器607.2 7.2 硬布线控制器硬布线控制器 控制器的设计方法控制器的设计方法一一 硬布线控制器的结构与原理硬布线控制器的结构与原理二二 硬布线控制器的时序系统硬布线控制器的时序系统三三 硬布线控制器设计举例硬布线控制器设

36、计举例四四61一、控制器的设计方法一、控制器的设计方法1、硬布线控制器的、硬布线控制器的CPU设计步骤：设计步骤：确定指令系统，确定指令系统，包括每条指令的格式、功能和寻址包括每条指令的格式、功能和寻址方式，方式， 分配操作码。分配操作码。围绕着指令系统的实现，围绕着指令系统的实现，确定确定CPU的内部结构的内部结构，包括运算器的功能和组成，控制器的组成及它们的包括运算器的功能和组成，控制器的组成及它们的连接方式和数据通路，时序系统的构成。连接方式和数据通路，时序系统的构成。分析每条指令的执行过程分析每条指令的执行过程，按机器周期顺序，写出，按机器周期顺序，写出所必需发送的微操作控制信号序列。

37、所必需发送的微操作控制信号序列。综合每个微操作控制信号的逻辑函数综合每个微操作控制信号的逻辑函数，化简和优化。，化简和优化。 用逻辑用逻辑电路实现电路实现。62一、控制器的设计方法一、控制器的设计方法2、微程序控制器的、微程序控制器的CPU设计步骤：设计步骤：确定指令系统确定指令系统，包括每条指令的格式、功能和寻址，包括每条指令的格式、功能和寻址方式，分配操作码。方式，分配操作码。围绕着指令系统的实现，围绕着指令系统的实现，确定确定CPU的内部结构，的内部结构，包括运算器的功能和组成，包括运算器的功能和组成，微程序控制器的结构微程序控制器的结构、组成及各部件的连接方式和数据通路，时序系统的组成

38、及各部件的连接方式和数据通路，时序系统的构成。构成。 在以上基础上，在以上基础上，分析每条指令的执行过程分析每条指令的执行过程，画出指，画出指令系统的令系统的微程序流程图微程序流程图。63一、控制器的设计方法一、控制器的设计方法2、微程序控制器的、微程序控制器的CPU的设计步骤：的设计步骤： 根据根据CPU的结构，的结构，写出每条微指令所发送的微操作写出每条微指令所发送的微操作控制信号序列控制信号序列。 结合微程序控制器的结构、微操作控制信号序列和结合微程序控制器的结构、微操作控制信号序列和控制存储器容量，控制存储器容量，设计微指令格式设计微指令格式。 分配分配微程序流程图中各微指令的微程序流

39、程图中各微指令的微地址微地址，并，并编写微编写微指令代码指令代码。将所有的将所有的微指令代码装入微指令代码装入控制存储器的相应单元。控制存储器的相应单元。64一、控制器的设计方法一、控制器的设计方法3、需要注意两点、需要注意两点：在一个在一个CPU中，既可以使用硬布线控制器，也可中，既可以使用硬布线控制器，也可以同时使用微程序控制器以同时使用微程序控制器 在上述设计步骤中，不是单向线性的过程，而可在上述设计步骤中，不是单向线性的过程，而可能会交错进行能会交错进行 指令系统是软硬件的交接面，它既是硬件设计者的设指令系统是软硬件的交接面，它既是硬件设计者的设计依据和设计目标，也是软件设计者控制计算

40、机的惟计依据和设计目标，也是软件设计者控制计算机的惟一依据。一依据。 65二、硬布线控制器的结构与原理二、硬布线控制器的结构与原理硬布线控制器的组成硬布线控制器的组成 66二、硬布线控制器的结构与原理二、硬布线控制器的结构与原理v 组合逻辑电路的输入组合逻辑电路的输入：v 指令译码器译码产生的指令信息指令译码器译码产生的指令信息Imv 时序系统产生的机器周期信号时序系统产生的机器周期信号Mn和节拍信号和节拍信号Tnv 状态寄存器的状态信号状态寄存器的状态信号Sxv 外部控制、状态信号外部控制、状态信号Ejv输出：输出：微操作控制信号微操作控制信号Ci一部分为一部分为CPU外部控制信号：构成控制

41、总线外部控制信号：构成控制总线 另一部分为另一部分为CPU内部的微操作控制信号。内部的微操作控制信号。67二、硬布线控制器的结构与原理二、硬布线控制器的结构与原理v 设计硬布线控制器的过程，也就是求出每个微操设计硬布线控制器的过程，也就是求出每个微操作控制信号作控制信号Ci的逻辑函数的逻辑函数fi的过程。的过程。Ci=fi（Im，Mn，Tn，Sx，Ej）v从逻辑函数的角度来看，微操作控制信号从逻辑函数的角度来看，微操作控制信号Ci是是4种种输入信号的函数：输入信号的函数：68三、硬布线控制器的时序系统三、硬布线控制器的时序系统 v一般具有两级时序信号：一般具有两级时序信号： 机器周期：机器周期

42、：M 节拍：节拍：T指令周期、机器周期与节拍指令周期、机器周期与节拍 69三、硬布线控制器的时序系统三、硬布线控制器的时序系统v 机器周期信号一般可以采用计数器输出译码方式产生。机器周期信号一般可以采用计数器输出译码方式产生。机器周期信号产生电路机器周期信号产生电路70三、硬布线控制器的时序系统三、硬布线控制器的时序系统（c）指令系统）指令系统 （a）指令）指令A（b）指令）指令Bv 假设某机器的指令系统有两条指令：假设某机器的指令系统有两条指令： 指令指令A包含包含3个机器周期：个机器周期：M0M1M2 指令指令B包含包含4个机器周期：个机器周期：M0M1M2M3v 则则需要一个需要一个2位

43、计数器位计数器和和一个一个2：4译码器译码器v 2位计数器的状态转移图位计数器的状态转移图：M0M1M2M0M1M2M3M0M1M2M371三、硬布线控制器的时序系统三、硬布线控制器的时序系统指令指令A指令指令BQ1 Q2Q1 Q2Q1 Q2Q1 Q20 00 10 00 10 11 10 11 11 10 01 11 01 00 0v2位计数器的状态转移表：位计数器的状态转移表： Q1，Q2表示当前周期计数器状态输出表示当前周期计数器状态输出 Q1，Q2表示下一个周期计数器状态输出。表示下一个周期计数器状态输出。72v 对于指令对于指令B B，其表达式为：，其表达式为： 121212211Q

44、QQQQQQQQ 121212221211QQQQQQQQQQQQ 122211QQQBQQAQ 122211)(QBAQQBQQAQ所以：所以：三、硬布线控制器的时序系统三、硬布线控制器的时序系统v 根据真值表列出计数器的输出表达式根据真值表列出计数器的输出表达式v 对于指令对于指令A A，其表达式为，其表达式为73两两条条指指令令的的机机器器周周期期产产生生电电路路 三、硬布线控制器的时序系统三、硬布线控制器的时序系统v 当执行指令当执行指令A时，时，顺序产生机器周顺序产生机器周期信号期信号M0、M1、M2；v 当执行指令当执行指令B时，时，顺序产生机器周顺序产生机器周期信号期信号M0、M

45、1、M2、M3。74四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例设计实现设计实现ADD和和JMP指令的硬布线控制器指令的硬布线控制器v指令系统指令系统助记符助记符格式格式操作操作码码OP指令机器码指令机器码指令功能指令功能ADD R0, 06H0101（R0）+ 06HR0JMP 04H100004HPCOPDR立即数立即数010100000000 0110OP转移地址转移地址100000000000 010075四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例2.8位位模模型型计计算算机机系系统统结结构构76四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例2. 8位模型计算机系统结构位模

46、型计算机系统结构v 单总线结构、内外总线合并、单总线结构、内外总线合并、8位位AB、8位位DB运算器：运算器： 8位的算术逻辑运算器位的算术逻辑运算器：2片片74LS181串联，运算串联，运算功能选择信号功能选择信号S0S3、M、Ci 2个暂存器个暂存器DA1和和DA2：控制信号：控制信号B-DA1和和B-DA2 ALU输出三态门：运算结果送总线，控制信号输出三态门：运算结果送总线，控制信号ALU-B# 4个通用寄存器个通用寄存器： 读控制信号：读控制信号：R0-B#R3-B# 写控制信号：写控制信号： B-R0B-R3 77四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例2. 8位模型计算机

47、系统结构位模型计算机系统结构控制器：控制器： 程序计数器程序计数器PC： PC-B#：PC值送上数据总线值送上数据总线 PC+1：PC自增自增1，实际是，实际是PC的的CLK。 B-PC#：PC装数。装数。 地址寄存器地址寄存器AR：输入控制信号：输入控制信号B-AR 指令寄存器指令寄存器IR：输入控制信号是：输入控制信号是B-IR。 时序系统：采用机器周期时序系统：采用机器周期+节拍节拍(T1T4)78四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例2. 8位模型计算机系统结构位模型计算机系统结构存储器：存储器： 容量：容量：2568位位 类型：类型：SRAM 存储器读、写控制信号：存储器读

48、、写控制信号：M-R#、M-W#I/O设备：设备： 设备选择信号：设备选择信号： Ai# I/O读、写控制信号：读、写控制信号：I/O-R#、I/O-W#79模型计算控制信号一览表模型计算控制信号一览表序序号号控制信控制信号号功能功能序序号号控制控制信号信号功能功能1指令地址（指令地址（PC）送总线）送总线15运算器运算器ALU内容送总线内容送总线2B-AR总线内容打入地址寄存器总线内容打入地址寄存器16CiALU进位输入进位输入3PC+1程序计数器内容程序计数器内容+117B-R0总线内容打入总线内容打入R0寄存器寄存器4总线内容打入程序计数器总线内容打入程序计数器18B-R1总线内容打入总

49、线内容打入R1寄存器寄存器5B-IR总线内容打入指令寄存器总线内容打入指令寄存器19B-R2总线内容打入总线内容打入R2寄存器寄存器6存储器写存储器写20B-R3总线内容打入总线内容打入R3寄存器寄存器7存储器读存储器读21R0寄存器内容送总线寄存器内容送总线8S3S3- S0选择选择ALU 16种运算之种运算之122R1寄存器内容送总线寄存器内容送总线9S2同上同上23R2寄存器内容送总线寄存器内容送总线10S1同上同上24R3寄存器内容送总线寄存器内容送总线11S0同上同上25写写I/O端口（输出）端口（输出）12MM=1，ALU做逻辑运算做逻辑运算M=0，ALU做算术运算做算术运算26读

50、读I/O端口（输入）端口（输入）13B-DA1总线内容打入暂存器总线内容打入暂存器DA127端口地址线（选中端口地址线（选中IO）14B-DA2总线内容打入暂存器总线内容打入暂存器DA228指令译码器工作指令译码器工作J1AiR-I/OW-I/OB-R3B-PCB-ALUPC-BW-MR-MB-R0B-R1B-R280四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例v 指令执行过程指令执行过程v ADD指令：分为指令：分为6个机器周期完成个机器周期完成M0： PCAR，PC+1PC；（取指令地址）；（取指令地址）M1： RAMIR, 指令译码；（取指令并译码）指令译码；（取指令并译码）ADDM

51、2： PCAR，PC+1PC；（取指令第；（取指令第二字地址）二字地址）ADDM3： RAMDA1；（取数据）；（取数据）ADDM4： DRDA2；（送寄存器数据）；（送寄存器数据）ADDM5： DA1+DA2DR ；（计算并存结果）；（计算并存结果）81四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例v 指令执行过程指令执行过程v JMP指令：分为指令：分为4个机器周期完成个机器周期完成M0： PCAR，PC+1PC；（取指令地址）；（取指令地址）M1： RAMIR，指令译码；（取指令并译码），指令译码；（取指令并译码）JMPM2： PCAR，PC+1PC；（取指令第；（取指令第二字地址）二

52、字地址）JMPM3： RAMPC；（取转移地址并执行转；（取转移地址并执行转移）移）82每个机器周期发送的微操作控制信号每个机器周期发送的微操作控制信号v取指令公操作：取指令公操作：M0：PC-B，B-AR，PC+1；M1：M-R，B-IR，J1；vADD指令：指令：ADDM2： PC-B ，B-AR，PC+1；ADDM3： M-R ，B-DA1；ADDM4：R0-B，B-DA2；ADDM5：S3S2S1S0MCi=100101,ALU-B,B-R0vJMP指令：指令：JMPM2： PC-B ，B-AR，PC+1； JMPM3： M-R ，B-PC； 83四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制

53、器设计举例v 综合每个微操作控制信号的逻辑函数综合每个微操作控制信号的逻辑函数 220MJMPM ADDMBPC B-AR = M0+ ADDM2+ JMPM2PC+1 = M0+ ADDM2+ JMPM2331MJMPMADDMR-M B-IR = M1 1M1J B-DA1 = ADDM3 84四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例v 综合微操作控制信号的逻辑函数综合微操作控制信号的逻辑函数 2331T)MJMPMADDM(R-M B-IR = M1T3 v 注意：注意：v 假设某个微操作控制信号必须在某个机器周期内的假设某个微操作控制信号必须在某个机器周期内的Tn时刻有效，则该信号表达式还要和时刻有效，则该信号表达式还要和Tn时钟周期信时钟周期信号相与。号相与。85四、硬布线控制器设计举例四、硬布线控制器设计举例v 注意：注意：v 当当指令系统被扩充指令系统被扩充时，需要更新相关微操作控制时，需要更新相关微操作控制信号的逻辑函数；信号的逻辑函数； 对各信号的逻辑函数进行化简、优化时，不仅要对各信号的逻辑函数进行化简、优化时，不仅要从逻辑代数的角度来进行，还要从从逻辑代