2010组成ch9控制器.ppt

1、第9章 控制器, CPU(Central Process Unit,中央处理器) 控制并执行指令的部件，该部件不仅要与计算机的其它功能部件进行信息交换，还要控制它们的操作。 CPU基本功能：读取并执行指令，它通常包括控制器与运算器两大部分。,9.1 CPU的结构与功能, 指令存放在连续的主存单元中，当未遇到转移或跳步指令时，CPU将按照指令在主存中的存放顺序逐条将其读出并执行。CPU用一个专门的寄存器，即程序计数器（PC），以存放下一条指令所在主存单元的地址。,9.1.1 CPU的组成与操作, CPU的组成(图9.1), CPU至少应有以下四种基本功能：, 读取某一主存单元的内容，并将其装入某

2、一个CPU寄存器； 把一个数据字从某一CPU寄存器存入某个给定的主存单元中；,1从内存读取一个字 （1） MARR1 （2） Read （3） WMFC ；等待MFC信号（Wait MFC） （4） R2MDR, 把一个数据字从某一CPU寄存器送到另一个寄存器或者ALU； 进行一个算术运算或逻辑运算，将结果送入某一CPU寄存器。,2把一个字写入主存 (1) MARR1 (2) MDRR2 (3) Write (4) WMFC,.,3通用寄存器之间传送数据 R1out，R4in,4完成算术、逻辑运算 (1) R1out，Yin (2) R2out，Add，Zin (3) Zout，R3in,9.

3、1.2 CPU时序控制方式, 控制器的主要任务:能够按正确的时序产生操作 控制信号。 控制器三种时序控制方式：同步、异步和联合控制方式。,1同步控制方式 同步控制方式是指控制序列中每步的执行，都由确定的具有基准时标的时序信号来控制。每个时序信号的结束就意味着所要求的操作已经完成。 同步方式的时序信号通常由周期、节拍和脉冲组成。, 周期是指令运行过程中相对独立的阶段，也被称为工作状态。 指令的运行过程可分为取指令、读取操作数及执行(包括写结果)三个基本工作周期。, 以主存的工作周期为基础来确定CPU周期。, 一个周期划分成若干节拍，以控制不同操作控制步的顺序执行。, 为了产生操作控制信号并使某些

4、操作能在一拍的时间内配合工作，常在一拍之内再设置一个或多个工作脉冲。,2异步控制方式 异步控制方式，不仅要区分不同指令所对应的操作序列的长短，而且要区分其中每个操作的繁简，按每条指令、每个操作的需要而占用时间的一种控制方式。 各操作之间是用“结束”或“就绪”“起始”的方式衔接起来的。,3联合控制方式 联合控制方式是同步和异步控制方式的结合。 现代计算机大多采用同步控制方式或联合控制方式。,9.1.3 CPU控制流程, 计算机进行信息处理的过程就是不断地取指令、分析指令和执行指令这样一个周而复始的过程。, 图6.5给出了CPU控制流程 对异常情况和某些请求通过中断处理。,9.1.4 控制器的组成

5、,（1）程序计数器（PC）: （2）指令寄存器（IR）: （3）指令译码器: （4）脉冲源及启停控制线路: （5）时序信号产生部件: （6）操作控制信号形成部件: （7）中断机构: （8）总线控制逻辑:,9.2 组合逻辑控制与PLA控制, “操作控制信号形成部件”产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制器的核心，也是最复杂的部件。, 该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式或PLA方式，即通过逻辑电路直接产生控制信号（又称硬布线方式）。,9.2.1 组合逻辑控制, 产生需要的操作控制信号由下列因素确定： 控制步计数器的内容(时序信号)； 指令寄存器的内容

6、； 条件码和其它状态标志的内容。 状态标志是指CPU中各部分状态以及连到各控制部件的信号，如MFC信号等。, 图9.14中所有输出到编码器的信号共同产生各种控制信号Yin，Zin，PCout，Add，End等；,图9.14 简化的组合逻辑控制器, 编码器结构实现逻辑功能： Zin=T1+T6ADD+T5BR+,9.2.2 PLA控制, 可编程逻辑阵列（PLA）产生指令执行操作控制信号, 图9.18是一个简单的PLA模型 第一级为AND阵列，水平线为输入变量，a、b、c、d可以是指令操作码，也可以是控制步计数(时序信号)或标志；垂直线为输出乘积项；, 第二级为OR阵列，垂直线为“或”的输入端，水

7、平线为“或”的输出。,F1,F3,F2,F4,控制信号,a,d,c,b,“IR”或,“时序”或,“标志”,“OR”阵列,“AND”阵列,图9.18 PLA模型,9.3 微程序控制9.3.1 Wilkes微程序控制, Wilkes英提出的微程序控制器设计方案如图9.19, 与组合逻辑的控制方法相比，大大减少了控制器的复杂性和非标准化程度，从而把硬件的用量限制在狭小范围内。, 主要缺点是：它要比相同或相近半导体技术的硬布线式控制器(如PLA方式)慢一些。, 当代大部分计算机采用硬布线式控制器；也有不少计算机(特别是60-70年代的计算机)采用微程序控制器。,9.3.2 基本概念,1. 基本术语,

8、微命令：微命令是微操作的控制信号，而微操作是微命令的操作内容。, 一条指令的功能是通过执行一系列操作控制步完成的；这些控制步中的基本操作称为微操作。, 微指令：可以同时执行的一组微命令组成一条微指令，完成一个基本运算或传送功能。也将微指令称作控制字（CW），其中每一位代表一个微命令。, 微程序：完成指定任务的微指令序列称为微程序。一条机器指令其功能可由一段微程序解释完成。, 微程序控制的基本思想是把机器指令的每一操作控制步编成一条微指令。每条机器指令对应一段微程序。当执行机器指令时，只要从控制存储器中顺序取出这些微指令，即可按所要求的次序产生相应的操作控制信号。, 微程序存储器（控制存储器）：

9、存放计算机指令系统所对应的所有微程序的一个专门存储器。,2微程序控制器,（1）微程序定义了计算机的指令系统；可以借助改变微程序存储器的内容来改变指令系统。, 总结：,（2）不经常改变微程序存储器的内容，通常用只读存储器ROM充当微程序存储器。,（3）任何机器指令的执行都将多次访问控制存储器，控制存储器的速度起着主要的作用。,3. 微程序控制器 工作流程, 微程序控制器的工作流程就是不断地执行取指令的微程序和执行相应功能指令的微程序。,9.3.3 微指令的格式与编码, 微指令格式可分为两种： 水平型微指令和垂直型微指令。, 水平型微指令 能最大限度地表示微操作的并行性； 需要使用较长的代码，少则

10、几十位，多则上百位； 水平型微指令的码空间利用率较低，并且编制最佳水平微程序难度较大。,操作控制 顺序控制, 垂直型微指令 采用短格式，一条微指令只能控制一、二个微操作； 设有微操作码字段，由微操作码确定微指令的功能； 包含的地址码用来指定微操作数所在的寄存器地址或微指令转移地址，也可表示立即数或标志码等。, 用垂直型微指令编写的微程序称垂直微程序； 垂直微程序不着重于微操作的并行性，并以此换取较短的微指令长度和较高的码空间利用率； 垂直型微指令面向算法描述而水平型微指令面向处理机内部控制逻辑的描述。, 水平型微指令编码设计,1）直接表示法 在微指令的微命令字段中，每个二进制位表示一个 微命令。, 这种方法直观、不必译码、控制电路简单、速度快； 通常微命令的个数很多，使得微指令字长多达几百位，实现上非常困难； 只有极个别的计算机采用这种直接表示法。,2）字段直接编码法, 微指令中相容的微命令分配在不同字段； 微指令中相斥的微命令组合在一起，编成一个字段；, 微命令字段中所包含的小字段数目，是在一条微指令中最多可同时发出微命令的个数； 可以把微指令中的微命令长度压缩到直接表示法的二分之一到三分之一。, 只要求少量级数不多的译码器，对微指令的执行速 度影响不大； 它为多数微程序控制的计算机所采用。,3）字段间