第8章：控制器系统课件

1、 控制器是统一指正和控制计算机各个部件按时序协调操作的中心部件。 计算机自动计算过程就是执行已存入存储器的一段程序的过程，而执行程序的过程就是执行一条又一条指令的过程，即周而复始地按一定的时序取指令，分析指令和执行指令的过程。由此可见，控制器应具备下列功能。（1）根据指令在存储器中的存放地址，从存储器中取出指令，并对该指令进行分析，以判断取出的指令是一条什么指令。（2）根据判别的结果，按一定的时序发出执行该指令所需要的一组操作控制信号。由于这些控制信号所完成的操作是计算机中最简单的“微小”操作，故称为微操作控制信号。这些信号通过控制总线CBUS送到运算器，存储器及I/O设备。（3）当执行完一条

2、指令后，自动从存储器中取出下一条执行的指令。为了实现上述功能，控制器一般由指令部件时序部件微操作控制部件三个部件组成。第第8 8章章 控制器系统控制器系统 1 1 控制器的基本组成控制器的基本组成 一、指令部件： 指令部件由：（1）程序计数器PC （2）指令寄存器IR （3）指令译码器ID （4）地址形成器AGU。这些都是实现控制器上述功能（1）和（3）所必需的。1、程序计数器PC（指令地址计数器，指令计数器） 由若干位触发器及逻辑门电路组成。用来存放将要执行的指令在存储器中的存放地址。通常情况下，指令是按顺序执行的，每当按程序计数器所提供的地址从存储器取出指令后，程序计数器就会自动加1，（记

3、为PC PC+1）向下一条指令在存储器的存放地址。 当转移指令时，控制器将把转移后的指令地址通过地址形成器送入程序计数器，使程序计数器的内容被指定的地址所取代，这样，按此地址从存储器中取出指令，便改变了程序的执行顺序，实现了程序的转移。 程序计数器的位数取决于指令在存储器中存放的地址范围。Eg:若程序计数器为16位，则指令在存储器中的存放地址可为0216-1。 指令地址是通过地址总线传送到存储器的。2、指令寄存器（IR）（由触发器所组成）： 用来存放从存储器取出的指令。 指令寄存器的位数取决于计算机的基本指令的格式。 从存储器中取出的指令是通过数据总线送入指令寄存器的。3、指令译码器（ID）（

4、由门组合线路组成）： 用来实现对指令操作码译码。 如操作码为4位，则可产生16种译码信号。4、地址形成器（AGU）：由简单加法器及逻辑门电路所组成。其任务是：（1）实现PC PC+1 （2）转移地址的形成（3）根据指令所提供的信息（X和d）形成操作数的有效地址。二、时序部件 如前所述，计算机执行一条指令是通过按一定的时间顺序执行一系列微操作实现的。如要完成ADD、R2、R1指令，控制器必须按时间顺序依次发出： R1 A， R2 B，ADD， S DB,CP等信号。 这一“时间顺序”就是通常所说的“时标”。 计算机中的时标是由时标发生器（TGU）产生的，它由节拍脉冲发生器和启停线路所组成。 在脉

5、冲振荡起（MF）所产生的脉冲驱动下，节拍脉冲发生器将产生一定频率的节拍脉冲与节拍电位。三、微操作控制部件（MOCU）Micro Operation Control Unit1、功能 综合时序部件所产生的时标信号和指令译码器所产生的译码信号，发出取指令和执行指令所需要的一系列微操作信号。 由于计算机的指令种类很多，每种指令所包含的微操作又各不同，要把每条指令的微操作合理地安排在不同时标上是一件相当复杂的工作。因此，微操作控制部件是计算机硬件设计中难度最大的部件，通常采用两种设计方法来实现：（1）组合逻辑 （2）微程序逻辑2、组合逻辑控制这种控制方式的优缺点：优点：速度快缺点：（1）随着指令数量和

6、种类增多，设计工作变得非常复杂（2）一旦设计完成，修改或增加指令相当困难。所以，这种控制方式只适宜于指令种类较少，速度要求较高的计算机。组合逻辑微操作信号译码信号时标信号F寄存器状态信号3、微程序逻辑控制 如mov R2，R1，和ADD，R2，R1两条指令用组合逻辑控制电路实现的电路如下图所示： R1 AR2 BS DBMOVADDCP2MOV ADDW0 W1 W2 W3 从上图可以看出，完成微操作的实质是打开或关闭数据通路中的一些门。如果我们用一位数字1和0来表示某一微操作的执行或不执行（开和关），那么就可以用一个字的不同位来表示不同的微操作。按照这种方法定义的字，其各位的值将直接产生不同

7、的微操作信号，我们把这一字称为一条微指令。 按照这种思想，我们可以用若干条微指令编制一段程序，并通过对微程序的执行来实现一条指令所要求的微操作。 假如微操作指令格式为： 微操作码下一条微指令地址R2 BMOVADDS DBCP2CP4R2 AR3 BR1 A对于MOV R2,R1 对应的微指令序列(微程序)1000000 0010 R1 A0010000 0011 MOV0000100 0100 S DB0000010 0101 CP2综上所述：每一条机器指令都可以用一段微程序来实现。这种方式的优点缺点：优点：便于指令增加和修改缺点：速度较慢2 2 控制器的控制方式控制器的控制方式 控制器如何

8、在时序上对指令的执行过程实施控制。一、同步控制:（社会主义大锅饭） 在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变，都由CPU统一的时序信号控制。（与主频同步）由于不同指令的执行时间不同，如果采用同步控制方式就必须要选最长的指令执行时间做标准。特点：控制简单，设计方便，实现容易，但费时，效率低。 现在的微、小型机中都采用改进的同步控制方式：中央控制和局部控制相结合。 对于大多数指令执行时间接近或相等的指令，由中央控制器的主频时钟实现同步控制。对于少数执行时间差别大的指令，由局部控制器发出的节拍控制。但局部控制器的时钟也要与中央时钟同步。二、异步方式:（分散控制）（共产主

9、义的按需分配） 机器没有统一的时钟，各部件分设自己的时钟，按照微操作实际所需，由应答线路来控制。特点：省时，效率高，但控制复杂。三、联合控制：同步和异步相结合 绝大多数执行时间差不多的指令用同步，少数执行时间差异大的指令用异步。一般情况下功能部件内部用同步，功能部件之间用异步。3 3 CPUCPU的总体结构的总体结构 一、CPU中的寄存器设置1、通用寄存器：ACC、R组（几个上百个）2、专用寄存器:IR、PC、MAR、MDR、PSW二、指令执行过程分析（图7-2）例1：加法指令 ADD R1，R0 含义：（R0）+（R1）R1 取指令：（PC）MAR，Read MMAR MDR (MDR) I

10、R (PC)+1PC 分析指令：OP（IR）ID 执行指令：（R0）MAR，Read MMAR MDR (MDR) ALU (R1) Y (Y) ALU,+ (Z) R1相应的微操作如下图所示（如下图）例2：加法指令 ADD R1，R0 含义：（R0）+（R1）（R1）（如下图） 取指令：（PC）MAR，Read MMAR MDR (MDR) IR (PC)+1PC 分析指令：OP（IR）ID 执行指令：（R1）MAR，Read MMAR MDR (MDR) LB (R0) LA ALU,+ MDR Write相应的微操作如下图所示 4 4 中断系统（中断系统（InterruptInterru

11、pt） 中断功能是近代计算机非常重要而又不可缺少的一种功能。有人说：没有中断，就难以实现计算机系统软件的功能。也就是说，没有中断，就没有计算机工作的高度自动化，中断如此重要，它是如何提出的？如何实现的？一、概述 是50年代中期，在这之前，计算机虽然能自动运行程序，但有两个问题不能很好的解决：1、不能自动处理异常情况或特殊请求。如电源掉电等2、CPU与外设串行工作，CPU得不到充分利用3、实时控制的需要 为了改变这种现状，充分利用机器资源，提出了中断。目的是使得CPU和外设可以并行工作。下面我们来看一看中断传送方式（如下图）二、基本概念1、什么叫中断？ 指计算机在运行过程中，遇到一些异常情况或特

12、殊请求，CPU能暂停正在执行的程序，转去为外来请求服务，并在服务结束之后，自动返回原程序的过程或功能。从上述定义看，中断过程很像“转子”过程，二者有无区别？有何区别？2、中断与“转子”的区别（1）转子是事先安排的，而中断多是随机的。（只有自愿中断是人为设置的）（2）主子程序在功能上一般有联系，而被中断的程序和中断服务程序可以没有任何联系。（3）中断过程比“转子”过程复杂。因为中断功能多由硬件实现，不可能由一条或几条指令简单地解决，所以其过程远比“转子”复杂。 三、中断类型（如下图）按照不同的方式，可对中断做不同的分类 四、中断过程1、中断请求（1）中断请求信号的提出 CPU是在现行指令周期结束

13、后，才查询有无中断请求。每一个中断源必须设置一个中断请求触发器IQ和一个中断屏蔽触发器IM，只有当IQ=1,IM=0时，才会将中断源的请求信号送到下一级排队线路。（2）中断请求信号的传送 有三种方式：独立请求线；公共请求线；二维结构2、排队判优 按中断源的重要性，给每个中断源确定一个优先级，按优先级大小，给每个中断源排队。CPU相应时，先响应优先级高的中断请求。故CPU在响应中断前，须先对中断源排队判优。判优既可以由硬件实现，也可以由软件实现。3、中断响应 指CPU从发现中断请求，中止现行程序到调出中断处理程序这一过程。有的人说是CPU从一种程序状态到另一种程序状态的转换过程 【CPU响应中断

14、需满足的条件】（1）IQ为1态，IM为0态（2）开中断（即中断允许触发器为1态）（3）一条指令执行完成后（直到指令周期结束后）【中断响应过程】 要完成中断响应，需做三件事：（1）关中断：将中断允许触发器置0.为什么要这样做？ CPU在运行一些重要程序或在保护现场、恢复现场时，一般的都不希望外界干扰，于是就关掉中断。CPU响应中断后要保护旧现场，因此，在保护现场前需先关掉中断。 【提醒】能用“关中断”指令来屏蔽的只是可屏蔽中断，还有一类中断叫非屏蔽中断，像电源掉电、机器故障等就属于这一类中断，这类中断一旦发生，CPU必须马上相应。因此，不能用“关中断”来屏蔽的。【问题】CPU响应中断后就“关中断

15、”，外来更高级别的中断怎么办？中断处理时在响应。（2）保护旧现场 PC中的程序断点地址（程序间断处下一条指令的地址），PSW中的断点处有关状态信息均送入堆栈。（3）建立新现场 把获得优先处理权的中断服务程序运行所需的环境建立起来。如：中断服务程序的入口地址送PC，中断服务程序有关状态标志送PSW。 【中断服务程序入口地址如何寻找】（1）硬件向量法（向量中断）：利用硬件线路形成中断源的向量地址的方法。 中断向量：服务程序的入口地址，状态字。 向量地址：存放中断向量的地址。（2）软件查询法：软件编程按中断源的优先级查询。二者比较：硬件法速度快，成本高；软件法速度低，成本低。4、中断处理就是运行中断

16、服务程序。一般做以下几件事：（1）开中断 为了在运行服务程序时，能相应更高级别的中断请求，必须在运行服务程序前开中断。（2）运行中断服务程序（3）恢复现场 将被中断程序的断点、状态字恢复，以备返回时用。5、中断返回 中断服务程序的最后一条指令一般是一条中断返回指令，以便返回到被中断的程序继续运行。五、多重中断（中断嵌套）1、实现多重中断的条件（1）CPU响应中断后，必须开中断。（2）优先级高的中断源能中断优先级低的。要保证这一点，须使优先级低的中断请求传不到CPU，只有优先级高的才能传过去，如何实现？采用屏蔽技术。2、屏蔽技术 每一个中断源都有一个屏蔽触发器，多个屏蔽触发器合在一起，可以组成一

17、个屏蔽寄存器，屏蔽寄存器的内容叫一个屏蔽字。通过屏蔽字，可以看出中断源的处理优先级。如4个中断源，要求其中断处理顺序为：1234，屏蔽字如何设置？若要求其处理顺序为：1342，屏蔽字又如何设置？（如下图）5 5 应用举例应用举例例1：写出单总线结构计算机中指令MOVE mem1,(mem2)的执行过程，其含义是将存储器单元mem1中的数据写入另一个存储器单元，其地址在存储器单元mem2中。解：1、送指令地址。将PC的值送MAR：PCMAR 2、计算下一条指令的地址。PC加1送回PC：PC+1PC 3、读入指令。把从存储器中读出的指令经过MDR送入IR中： DBUSMDRIR 4、送源数据地址。

18、IR（mem1）MAR，读 5、读数据。将数据临时放在Y寄存器中：DBUSMDRY 6、送目标数据间接地址，读存储器。IR（mem2）MAR，读 7、读目标数据地址。DBUSMDRMAR 8、写数据。Y+0Z，YMDR，写例2：CPU结构如下图所示，除累加器AC，状态寄存器SR之外还有4个寄存器。各部分连线为数据或地址通路，箭头表示传送方向，要求：（1）表明A,B,C,D四个寄存器的名称。（2）标明指令传输过程及所涉及的指令传输通道。（3）标明数据读传输过程及所涉及的指令传输通道。（4）标明数据写传输过程及所涉及的指令传输通道。（5）标明程序计数器PC的数据变更方式。解：（1）A为数据寄存器，

19、B为地址寄存器，C为指令寄存器，为程序计数器（2）程序计数器D中顺序地址或指令寄存器IR中转移地址地址寄存器B主存储器M，主存储器读出指令数据寄存器A指令寄存器C操作控制器。（3）存储器读操作源操作数读过程：指令寄存器C中的源操作数地址地址寄存器B主存储器M，主存储器读出源操作数数据寄存器A累加器ACCALU。目的操作数读过程：指令寄存器C中的目的操作数地址地址寄存器B主存储器M，主存储器读出目的操作数数据寄存器AALU。（4）存储器写操作 累加器AC数据寄存器A主存储器M（此处认为在读目的操作数时已将目的地址送地址寄存器B，因此传送运算结果时不需要再送Medellin地址）（5）指令顺序执行时，程序计数器D做加1操作，跳跃执行时，由指令寄存器C提供转移地址。 03年：定点运算器的内部总线结构有三种形式，_的描述是对应三总线结构的运算器。（D） A执行一次操作需要三步B在此运算器中至少需要设置两个暂