控制方式与控制器教学课件

第五章控制方式与控制《计算机组成原理》精品课程主要内容5.1基本概念5.2组合控制逻辑5.4模型机微程序控制单元的设计笫五章控制方式与控制器5.1基本概念5.1.1控制器的功能控制器作为计算机的指挥中心,保证各个组成部件协调工作,必须完成以下功能1、指令控制功能计算机的工作过程是连续执行指令的过程,指令在主存储器中连续存放一般情况下,指令被顺序执行,只有遇到控制转移类指令才会改变顺序,所以指令在主存中的存放是静态的,而指令的执行顺序是动态的,形成计算机的指令流。2、时序控制功能机器指令的操作过程是由指令操作流程图严格规定的,各条指令的指令周期中包含的机器周期数不尽相同,同时各个机器周期中包含的节拍数目也不定相同,所以指令周期、机器周期和节拍信息等时序信号,必须由控制器产生以完成时序控制功能。3、操作控制功能在时序信号的控制下,各条机器指令在每个机器周期的每个节拍中应产生哪些微操作控制信号,由指令操作流程图做了严格的规定,控制器应能根据指令操作流程图的安排,在各个节拍中产生相应的微操作时序信号,以有效地完成各条指令的操作过程笫五章控制方式与控制器512控制器的组成各种不同类型的计算机的控制器会有不少差别但基本组成是相同的如图5.1所示控制器的基本组成部分如下微操作命令序列IO状态信息控制台信息微操作程序计数器信号发生器行状态状态寄存费][节拍发生费[码器[址形成部件】>AR中断控淛逻辑]时钟[作码地址鹤指中断启停‖脉冲指令寄存器IR结束请求逻辑‖源图5.1控制器基本组成笫五章控制方式与控制器1、程序计数器PG程序计数器又称为指令计数器或指令指针P,用来存放下一次要执行的指令的地址。PC不断的加以保证按顺序逐条执行指令,这种加“1”功能。当遇到改变程序执行顺序的指令(转移控制类指令)时,由转移控制类指令将转移地址送往程序计数器作为准备取出下一条指令的地址2、指令寄存器R指令寄存器用来存放当前正在执行的指令。当指令从主存取出之后,将其暂存在指令寄存器中,完成一条指令的全部功能控制。3、指令译码器|D指令译码器又称为操作译码器,它是解析指令的部件,对指令寄存器中的指令操作码进行解析,产生相应的控制信号,提供给微操作信号发生器。4、地址形成部件。根据机器的不同寻址方式,用来形成操作数的有效地址,以便CPU取得操作数。笫五章控制方式与控制器5、脉冲源脉冲源用来产生具有一定频率和宽度的脉冲信号,称为主脉冲。为使主脉冲的频率稳定,一般都是用石英晶体振荡器作为脉冲源。6、启停逻辑■启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要,可靠地开放或封锁脉冲,控制时序信号的发生或停止,实现对整个机器的正确启动或停止。7、节拍发生器节拍发生器又称为脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号,经过节拍发生器后,产生时序信号(节拍电位),提供给微操作信号发生器以产生微操作信号。8、微操作信号发生器微操作信号发生器接收由指令译码器提供的操作信号、节拍发生器提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件信号等综合形成各种指令的微操作控制信号序列。9、中断控制逻辑中断控制逻辑是用来控制中断处理的硬件逻韉五章控制方式与控制器5.1.3指令执行流程计算机的运行需要不断地执行完成某个特定任务的指令序列,因此计算机的工作过程实质上就是不断的取指令、分析指令和执行指令的过程。下面以图5.2的CP的内部数据通路为例分析几条典型指令的具体执行过程。中1拍译石骨制号A工1图5.2cPU的数据通路笫五章控制方式与控制器1.加法指令ADDR0,R1这条指令完成的功能是把R0的内容作为地址送到主存以取得一个操作数,再与R1中的内容相加,最后将结果送回主存中。即实现:((R0))+(R1)→(R0)(1)取指周期①POut和MARin有效,完成PC经CPU内部总线送至MAR的操作,记作(PC)→MAR;②通过控制总线(图中未画出)向主存发读命令③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容(指令)送至MDR,记作(MAR→MDR;④MDRout和|Rin有效,将MDR的内容送至指令寄存器|R记作(MDR)→R。至此,指令被从主存中取出,其操作码字段开始控制CU⑤使Pc内容加1,记作(PC)+1→Pc第五章控制方式与控制器取数問期取数周期要完成取操作数的任务,被加数在主存中,加数已放在寄存器R1中①R0out和MARin有效,完成将被加数地址送至MAR的操作,记作(RO)→MAR;②向主存发读命令,记作Read;③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容(数据)送至MDR,同时MDRout和Yin有效,记作M(MAR)→MDR→Y;(3执行周期执行周期完成加法运算的任务,并将结果写回主存。DR1out和ALUin有效,同时叫U向ALU发“AD”控制信号,使R1的内容和Y的内容相加,结果送寄存器Z,记作(R1)+Y→Z;有的,将运算结9五幸找制方式与控制景2.转移指令JCA这是一条条件转移指令,若上次运算结果有进位(0=1),就转移;若上次运算结果无进位(0=0),就顺序执行下一条指令。设A为位移量,转移地址等于P的内容加位移量。相应的微操作序列如下:(1)取指周期与上条指令的微操作序列完全相同(2执行周期如果有进位(G=1),则完成(PC)+A→PC的操作,否则跳过以下几步。①SCout和Yin有效,记作(P)→Y(c=1)②Ad|