计算机组成原理3_2控制器的功能与组成.ppt

1、二、控制器的功能与组成,1. 控制器的功能: 控制执行指令 控制各部件协调运行，即为各部件提供控制信号。 2. 控制器的组成： 程序计数器 指令寄存器 指令步骤标记线路 提供控制信号的部件 分类 ： 微程序的控制器 硬布线的控制器,1. 控制器的功能,计算机的功能是执行程序 程序是依次排列起来的指令代码 控制器的功能就在于: 正确地分步完成每一条指令规定的功能, 正确且自动地连续执行指令; 再进一步说，就是向计算机各功能部件提供 协调运行每一个步骤所需要的控制信号。,指令的执行过程,冯. 诺依曼 结构的计算机 即存储程序的计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前存入。 执行程序： 正确

2、从程序首地址开始； 正确分步执行每一条指令， 并形成下条待执行指令的地址； 正确并自动地连续执行指令， 直到程序的最后一条指令。,每条指令的执行步骤,读取指令 指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数， 和具体操作内容差异很大, 检查有无中断请求 若有，则响应中断并转中断处理 若无，则转入下一条指令的执行过程,R_R类型指令 读写内存类型指令 输入输出类型指令 其他类型指令,可能执行 一次或多次,是一次读 内存操作,公共操作,公共操作,是每一条指令的特定操作,2. 控制器的组成,程序计数器PC：存放指令地址，有+1或接

3、收新值功能 指令寄存器IR：存放指令内容：操作码与操作数地址 主脉冲源与启停控制线路，按需要给出主脉冲信号 指令执行步骤标记线路： 指明每条指令的执行步骤 控制信号保存或形成线路：给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。,运算器部件,主存储器部件,总线及输入/输出接口(输入/输出设备),控制器部件本身,各部件包括,也包括,设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制,时序控制 信号 形成部件,译码,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,节拍,启停,地址寄存器械,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,控制器信号,主振,硬布线 方案的 控制器,控制 存储器,映射

4、,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,下地址,启停,地址寄存器械,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,微指令寄存器,主振,微程序 方案的 控制器,第 3 章的第 3 讲 1. 微程序控制器的组成、运行原理 2. 微指令的格式和下地址的处理技术 3. 主存储器、计算机总线、接口电路等预备性知识,控制器的组成, 程序计数器PC 存放指令地址，有+1或接收新值功能 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 指明每条指令的执行步骤。 控制信号保存或形成线路 给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号,控制 存储器,映射,IR,PC,接口

5、 输出 设备,主 存 储 器,运算器 部件,下地址,启停,地址寄存器,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,微指令寄存器,主振,微程序 方案的 控制器,接口 输入 设备,微程序控制器组成与设计,Am2910,MAPROM,SCC Gal,控制存储器（ ROM）,指令操作码,微指令转移的控制条件,/CC,微指令寄存器,0MRW SA I86 B口 0SST DC2 0 I20 SB I53 A口 SSHSCI DC1,CP,/G,读命令,1. 确定指令功能与格式 2. 划分指令执行步骤 3.确定微指令格式 4. 设计微指令内容 5. 把新微指令写入控存 6. 需要时修改 MAPROM 和

6、SCC Gal等 7. 调试并且运行,B 口二选一,A 口二选一,IR.SR,IR.DR,/MAP,/PL,TEC-2000的3个型号,Am2910,MAPROM,SCC Gal,控制存储器（ ROM）,指令操作码,微指令转移的控制条件,/CC,微指令寄存器,0MRW SA I86 B口 0SST DC2 0 I20 SB I53 A口 SSHSCI DC1,CP,/G,读命令,TEC-2000: 微命令字段使用 5 片 GAL20V8 芯片实现，与硬连线控制器分时合用； TEC-2000A: 微命令字段使用 5 片 8D 寄存器实现，与硬连线控制器5 片 GAL20V8 芯片分开单独运行；

7、TEC-2000B: 又增加了联机直接写控制存储器芯片内容的能力。,B 口二选一,A 口二选一,IR.SR,IR.DR,/MAP,/PL,微程序控制器部件 56位的微指令字长， 微下地址字段16位， 控制命令字段40位， 7 片 28C64 组成控存。 1 片 28C65，从指令操 作码产生微地址， 1 片 374 存 8 位下地址， 1 片 273 存 8 位条件码， 1 片377存8位现微地址。 1 片Am2910给出下一条 微指令地址， 1 片GAL 按判断条件产 生微指令转移信号/CC； 5 片GAL用作为 5 片 8位 的 D 触发器的寄存器， 2 片GAL 实现两个4 位的 2 选

8、 1 芯片功能。 8 或 16位的指令寄存器。,三、微程序控制器的运行原理,每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令 每条微指令可以包括一到多个微操作。 用多条微指令(一个微程序)解释每条指令的执行过程。 全部的微程序有机地组合在一起，被保在控制存储器中。 执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期。 微指令的格式和内容： 下地址字段 控制命令字段,读与执行微指令的 并行流水技术,下地址字段的内容,得到下地址的方法： 由指令操作码得到 微指令顺序执行 微指令必转或条件转移 多路微地址转移 微子程序调用和返回 按次数循环一段微程序 其他：如特定入口微地址,在微指令下地址字段中表示清楚：

9、使用哪种方法， 哪个(些)判断条件， 要用的有关地址等， 并用专门电路完成必要支持和处理， 微指令的下地址是微程序设计中要重点解决的问题之一， 技术、技巧性强， 应学得好些。,在教学计算机中，解决下地址使用了 Am2910 器件,微堆桟指针 SP,5字 * 12位 微堆桟 F,微程序计数器 PC,寄存器/计数器 R / C,D R F PC 多路选择器,命令译码器,增 量 器,零检 测,D11D0,Y11Y0,CP,/FULL,CI,/CC,/CCEN,I3I0,/PL /MAP /VECT,/RLD,/OE,出栈/入栈 保持/清零,装数 减量 保持,清零 选择,R为零,Am2910器件,非零

10、循环 零 /PL PC 弹出 PC 弹出,4 入栈与装数 注1 /PL PC 压入 PC 压入,6 读手拨开关 /VECT PC D,3 条件微转移 /PL PC D,2 功能分支 /MAP D D,1 条件转微子 /PL PC D 压入,完成 R/C R/C 使能 /CC=高 /CC=低 功能 内容 操作 信号 Y输出 堆栈 Y输出 堆栈,0 初始化 /PL 0 清除 0 清除,8 R/C 非零 减1 /PL F F,10 微子返回 /PL PC F 弹出,14 顺序执行 /PL PC PC,15 三路转移 非零 减1 /PL F PC 弹出,零 /PL D 弹出 PC 弹出,8 位微下地址

11、字段用于直接给出下一条微指令的地址，常用 8 位, 使用微指令字中最高 8 位编码 。 最高一位用于扩展功能, 单独接线。,TEC-2000 教学机微程序的下地址字段,微下地址 2910的命令码 微转移条件,8位,4位,4位,分成 3 个子字段，总共使用17位码 (微指令中用16位)。,4 位的命令码，用于选择Am2910的16个命令, 如前一页的表格内容所示。,4 位的微转移条件给出微指令转移所依据的条件，与教学机具体设计有关。,1位,给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号, 划分成若干字段，分别用于控制各部件 控制运算器部件 如：运算功能，数据来源，结果处理等 控制内部总线 把什么数

12、据送到内部总线 控制主存、入出接口(设备) 如: 指出是主存读、写还是入出设备读、写，,控制命令字段,控制几个寄存器的接收 （下地址字段） 如：指令寄存器、地址寄存器等,1. 对运算器部件的控制（脱机、联机）,Y15Y0 用16个指示灯显示结果,D15D0,RAM15,Q15,RAM0,Q0,Cin,Cy F=0 Over F15,运 算 器 部 件 (4 片 Am2901),A30,B30,I86,用16个数据开关提供输入数据,C Z V S,SSH,SST,SCI,I53,I20,SCI SSH A口 B口,I86 I53 I20 SST,通过24位微型开关 提供控制信号,各用四个指示灯显

13、示状态,Gal 20V8,Gal 20V8,Am2901 的9位控制码,编码 000 001 010 011 100 101 110 111,I8I6： 运算结果处理,I2I0：数据来源,I5I3: 运算功能,2. 对内部总线的控制,总线是用于连接计算机各个功能部件的线路和连接线，通常由具有三态输出功能的器件构成，以便用分时地方式，在不同时刻把不同的数据发送到总线上，任何时刻仅能有一个数据发送到总线上； 总线上的数据可以被送到需要接收数据的部件或者线路，多个线路可以同时接收同一个数据数据。 计算机中总要使用 3 种类型的总线： 数据总线，地址总线，控制总线 教学计算机需要对送达内部总线多路数据

14、来源进行选择，分配3位编码。,3. 读写主存储器 或 I/O 接口,从学习指令执行步骤考虑，理解对主存储器读写的控制，分成两步： 1. 传送主存地址，以选择被读写的存储单元； 2. 给出读写命令， 读操作时，把读出数据保存起来， 写操作时，还要给出写入的数据。 从学习指令执行步骤考虑，理解对接口电路读写的控制，分成两步： 1. 传送 IO 端口地址，以选择被读写的芯片； 2. 给出读写命令， 读操作时，把读出数据保存起来， 写操作时，还要给出写入的数据。,4. 控制几个专用寄存器的接收操作,由 D 触发器构成的寄存器(SN74LS377)，可以在时钟脉冲的上升沿把送到它的输入端的数据接收到寄存

15、器中，这类寄存器有一个输入控制引脚 /G，用于寄存器是否接受输入的控制使用，当 /G低电平才允许接受输入数据，否则寄存器已有的内容不变。 例如: 对教学计算机的指令寄存器IR，地址寄存器 AR 等寄存器就需要实现这种控制。 思考，对程序计数器PC ，堆栈指针SP是如何若控制的？,微命令字段的编码译码方法,1.直接控制法 直接用微指令字的一位作一个控制信号则简单且速度快，但会使微指令字变得很长。 2.字段直接编译法 把互斥的命令分在一组加以编码，经译码器给出命令， 速度会稍慢，但可大大减短微指令字长度，确保互斥。 3.字段间接编译法 是对直接译码的的一种改进，可进一步缩短微指令字长度，即一个字段的某些微命令还受另一字段的制约。 4.常数源字段 微指令中分配几位，用于给出特定用途的有关数值