第8周大課 控制器

1、6.1計算機組成原理計算機組成原理指令級并行技術指令級并行技術6.2計算機組成原理計算機組成原理控制器概述控制器概述硬布線控制器硬布線控制器微程序控制器微程序控制器 6.3計算機組成原理計算機組成原理掌握控制器的工作原理掌握控制器的工作原理熟悉硬布線控制器和微程序控制器的機理熟悉硬布線控制器和微程序控制器的機理6.4計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 CU的功能是，通過對指令的分析（譯碼），按照一的功能是，通過對指令的分析（譯碼），按照一定的時序，根據(jù)當前處理器的狀態(tài)（標志），向計算機定的時序，根據(jù)當前處理器的狀

2、態(tài)（標志），向計算機的各個部件（包括控制器本身）發(fā)出控制命令的各個部件（包括控制器本身）發(fā)出控制命令/信號（即信號（即微命令微命令），部件接受微命令后進行的操作叫做），部件接受微命令后進行的操作叫做微操作微操作。 為了對微操作進行時序控制，處理器用時鐘信號為了對微操作進行時序控制，處理器用時鐘信號CLK來控制每一個微命令的產生。來控制每一個微命令的產生。 6.5計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成PCC1時鐘信號時鐘信號(Clock, CLK) 控制信號產生器控制信號產生器CSG(Control Signal Ge

3、nerator)S0指令譯碼器指令譯碼器IDOPADID指令寄存器指令寄存器IRFR標志寄存器標志寄存器FR程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCS1SnC2 C3控制信號控制信號 6.6計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 處理器每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫處理器每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫指令周期指令周期。 在一個指令周期內，處理器要完成的操作有在一個指令周期內，處理器要完成的操作有“取指取指”和和“執(zhí)行執(zhí)行”?！叭≈溉≈浮笔菍⒁粭l指令從主存取入到處是將一條指令從主存取入到處理器中，理器中，“執(zhí)行執(zhí)行”是對指

4、令進行譯碼并完成其指定的操是對指令進行譯碼并完成其指定的操作。作。 這兩個操作是有嚴格的時間順序的，即先這兩個操作是有嚴格的時間順序的，即先“取指取指”后后“執(zhí)行執(zhí)行”。 （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)6.7計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成例如，例如，“取指取指”階段，需要發(fā)出的微命令有：階段，需要發(fā)出的微命令有： 1. MAR (PC)2. R13. PC (PC)+1 4. MDRM(MAR) 5. IR(MDR) 6. CUOP(IR) （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)6.8計算機組成原理計算機

5、組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 以加法指令以加法指令ADD M（注：（注：源操作數(shù)在主存中，另源操作數(shù)在主存中，另一個一個操作數(shù)隱含存放在累加器操作數(shù)隱含存放在累加器AC中，相加結果仍存回中，相加結果仍存回AC）為例）為例，“執(zhí)行執(zhí)行”階段，需要發(fā)出的微命令有：階段，需要發(fā)出的微命令有： 1. MARAD (IR)2. R13. MDRM(MAR) 4. AC(MDR)+(AC) （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)6.9計算機組成原理計算機組成原理6.10計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器

6、的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 不同指令的解釋時間不盡相同。為了簡化控制，它們不同指令的解釋時間不盡相同。為了簡化控制，它們一般都是被設計成節(jié)拍的某個整數(shù)倍一般都是被設計成節(jié)拍的某個整數(shù)倍基準周期，這個基基準周期，這個基準周期稱為機器周期（或準周期稱為機器周期（或CPU周期），它的長短取決于指周期），它的長短取決于指令的基本操作和器件的工作速度。令的基本操作和器件的工作速度。 整數(shù)倍數(shù)可以是整數(shù)倍數(shù)可以是1倍也可以是多倍。倍也可以是多倍。1倍時，稱為單機倍時，稱為單機器周期（簡稱器周期（簡稱“單周期單周期”）處理器。多倍時，稱為多機器周）處理器。多倍時，稱為多機器周期（簡稱期（簡

7、稱“多周期多周期”）處理器。）處理器。 （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)6.11計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 “單周期單周期”處理器中，所有指令的指令周期都是相同的處理器中，所有指令的指令周期都是相同的，等于一個機器周期。指令周期的大小，取決于指令集中最，等于一個機器周期。指令周期的大小，取決于指令集中最復雜指令的執(zhí)行時間。例如指令周期為復雜指令的執(zhí)行時間。例如指令周期為9或或10個節(jié)拍。個節(jié)拍。 由于單周期處理器的效率很低，大多數(shù)處理器采用由于單周期處理器的效率很低，大多數(shù)處理器采用“多周期多周期”。

8、最簡單的多周期就是兩周期，即把。最簡單的多周期就是兩周期，即把“取指取指”所花所花的時間稱為的時間稱為“取指周期取指周期”，“執(zhí)行執(zhí)行”所花的時間稱為所花的時間稱為“執(zhí)行執(zhí)行周期周期”。取指周期和執(zhí)行周期是等長。取指周期和執(zhí)行周期是等長。 （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)6.12計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 在多周期處理器中，機器周期就變成了所有指令執(zhí)行在多周期處理器中，機器周期就變成了所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間。那么，它的長度（即包含的節(jié)拍數(shù)過程中的一個基準時間。那么，它的長度（即包含的節(jié)拍數(shù)）

9、應取多少呢？）應取多少呢？ （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng) 為了保證在一個機器周期至少能夠完成一個指令的基為了保證在一個機器周期至少能夠完成一個指令的基本操作，一般選取處理器訪問一次主存的時間（也稱總線周本操作，一般選取處理器訪問一次主存的時間（也稱總線周期）作為機器周期。期）作為機器周期。 一個標準的、同步總線的總線周期包含一個標準的、同步總線的總線周期包含4個節(jié)拍。個節(jié)拍。6.13計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 不同指令的功能不同，其指令周期也是不盡相同的。不同指令的功能不同，其指令周期也是不盡相同

10、的。例如，例如，JUMP指令和指令和NOP指令就沒有執(zhí)行周期。指令就沒有執(zhí)行周期。 （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng) 另外，采用間接尋址的指令，在取指周期之后，還有一另外，采用間接尋址的指令，在取指周期之后，還有一個訪問主存，讀取操作數(shù)地址的周期個訪問主存，讀取操作數(shù)地址的周期間址周期間址周期。 如果在指令執(zhí)行的末尾，處理器檢測到中斷請求信號，如果在指令執(zhí)行的末尾，處理器檢測到中斷請求信號，且當時處理器處于允許中斷的狀態(tài)，則處理器將在執(zhí)行周期且當時處理器處于允許中斷的狀態(tài)，則處理器將在執(zhí)行周期結束后進入結束后進入中斷周期中斷周期。6.14計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制

11、器概述 （一）控制器的功能和基本組成（一）控制器的功能和基本組成 多周期處理器的多周期處理器的CU中應設置中應設置“指令執(zhí)行階段的標記指令執(zhí)行階段的標記” ，如，如 “FE”、“IND”、“EXE”和和“INT”分別是分別是“取取指周期指周期”、“間址周期間址周期”、“執(zhí)行周期執(zhí)行周期”和和“中斷周期中斷周期”的的狀態(tài)標志。一個時刻，這些標志只能有一個為狀態(tài)標志。一個時刻，這些標志只能有一個為“1”。 （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)1FE1IND1EX1INTFEDINDDINTDCLKEXD6.15計算機組成原理計算機組成原理4. 1 控制器概述控制器概述 （一）控制器的功能和基本組成

12、（一）控制器的功能和基本組成“間址周期間址周期”需要發(fā)出的微命令有：需要發(fā)出的微命令有： 1. MAR AD(IR)2. R13. MDRM(MAR) 4. MAR(MDR) （二）三級時序系統(tǒng)（二）三級時序系統(tǒng)6.16計算機組成原理計算機組成原理“中斷周期中斷周期” 需要發(fā)出的微命令有：需要發(fā)出的微命令有： 1. MDR (PC) /保存斷點保存斷點PC中的值中的值2. MAR(SP)3. SP (SP)+1 /到到“向上增長的空堆棧向上增長的空堆棧”中中4. W 1 5. M(MAR) MDR6. MDR (PSW) /保存程序狀態(tài)寄存器的值保存程序狀態(tài)寄存器的值7. MAR(SP)8.

13、SP (SP)+1 9. W 1 10. M(MAR) MDR11. EINT0 /關中斷關中斷12. PC 中斷向量地址中斷向量地址 6.17計算機組成原理計算機組成原理 總之，一個機器周期包含了若干個節(jié)拍。在每一個節(jié)總之，一個機器周期包含了若干個節(jié)拍。在每一個節(jié)拍內，處理器可以同時執(zhí)行一個或幾個的微操作。拍內，處理器可以同時執(zhí)行一個或幾個的微操作。 指令周期、機器周期和節(jié)拍構成了控制器的三級時序指令周期、機器周期和節(jié)拍構成了控制器的三級時序系統(tǒng)系統(tǒng)。6.18計算機組成原理計算機組成原理控制器中控制器中“控制信號發(fā)生器控制信號發(fā)生器”的實現(xiàn)有兩種方式：的實現(xiàn)有兩種方式：n基于組合邏輯的硬聯(lián)控

14、制基于組合邏輯的硬聯(lián)控制/硬布線控制硬布線控制 ( Hardwired Control)n基于存儲邏輯的微程序控制基于存儲邏輯的微程序控制 ( Microprogrammed Control )硬布線控制器硬布線控制器微程序控制器微程序控制器6.19計算機組成原理計算機組成原理4. 2 硬布線控制器硬布線控制器設計產生控制信號的組合邏輯電路的步驟是：設計產生控制信號的組合邏輯電路的步驟是：（1）寫出指令周期中每個節(jié)拍內的應發(fā)出的微操作；）寫出指令周期中每個節(jié)拍內的應發(fā)出的微操作；（2）列出所有控制信號的操作時間表；）列出所有控制信號的操作時間表；（3）根據(jù)時間表，寫出每個控制信號的邏輯表達式；

15、）根據(jù)時間表，寫出每個控制信號的邏輯表達式；（4）根據(jù)邏輯表達式，設計組合邏輯電路。）根據(jù)邏輯表達式，設計組合邏輯電路。6.20計算機組成原理計算機組成原理設計產生控制信號的組合邏輯電路的步驟是：設計產生控制信號的組合邏輯電路的步驟是：（1）寫出指令周期中每個節(jié)拍內的應發(fā)出的微操作；）寫出指令周期中每個節(jié)拍內的應發(fā)出的微操作； 安排控制信號，首先要嚴格遵循解釋一條指令所要發(fā)安排控制信號，首先要嚴格遵循解釋一條指令所要發(fā)出的出的/控制信號的先后順序；控制信號的先后順序； 其次，對于控制部件不同的控制信號，應安排在一個其次，對于控制部件不同的控制信號，應安排在一個節(jié)拍內發(fā)出，以縮短時間；節(jié)拍內發(fā)出

16、，以縮短時間； 最后，對于一些占用時間短的微操作，其控制信號可最后，對于一些占用時間短的微操作，其控制信號可以在一個節(jié)拍內，按照規(guī)定的先后順序，依次發(fā)出。以在一個節(jié)拍內，按照規(guī)定的先后順序，依次發(fā)出。4. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.21計算機組成原理計算機組成原理1）取指周期的控制信號節(jié)拍安排）取指周期的控制信號節(jié)拍安排C1：MAR (PC)，R1C2：MDRM(MAR)C3：PC (PC)+1C4：IR(MDR)，CUOP(IR) 2）算術左移指令）算術左移指令“SHL”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：C2：C3：C4：ACR(AC)，AC0AC04. 2 硬

17、布線控制器硬布線控制器6.22計算機組成原理計算機組成原理3）取數(shù)指令）取數(shù)指令“LDA M”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：MARAD(IR)，R1C2：MDRM(MAR)C3：C4：AC (MDR) 4）存數(shù)指令）存數(shù)指令“STA M”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：MARAD(IR) C2：MDRAC，W1 C3：C4：M(MAR) MDR4. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.23計算機組成原理計算機組成原理5）無條件轉移指令）無條件轉移指令“JMP X”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：MARAD(IR)，R1

18、C2：MDRM(MAR)C3：C4：PC (MDR) 6）為零轉移指令）為零轉移指令“JZ X”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：C2：C3：C4：PCZFAD(IR)+ ZF(PC) 4. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.24計算機組成原理計算機組成原理7）加法指令）加法指令“ADD M”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：MARAD(IR)，R1C2：MDRM(MAR)C3：C4：AC (AC) + (MDR) 8）求補）求補/取反指令取反指令“COM”執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排執(zhí)行周期的控制信號節(jié)拍安排C1：C2：C3：C4：ACAC 4.

19、2 硬布線控制器硬布線控制器6.25計算機組成原理計算機組成原理列出控制信號的操作時間表。表中，列出控制信號的操作時間表。表中，“1”表示發(fā)出控表示發(fā)出控制信號，制信號，“0”（省略填寫）（省略填寫） 表示不發(fā)出控制信號。表示不發(fā)出控制信號。周期周期標志標志節(jié)節(jié)拍拍控制信號控制信號SHLLDA MSTA MFE取指取指C1MAR (PC)111R1111C2MDRM(MAR)111C3PC (PC)+1111C4IR(MDR) 111CUOP(IR)1114. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.26計算機組成原理計算機組成原理周期標志周期標志節(jié)拍節(jié)拍控制信號控制信號SHLLDA MSTA MEX

20、E執(zhí)行執(zhí)行C1MARAD(IR) 1R11C2MDRM(MAR)1MDRAC1W11C3C4ACR(AC)1AC0AC01AC (MDR)1M(MAR) MDR14. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.27計算機組成原理計算機組成原理根據(jù)時間表，寫出每個控制信號的邏輯表達式根據(jù)時間表，寫出每個控制信號的邏輯表達式例如，例如，“MDRM(MAR)”的邏輯表達式為：的邏輯表達式為：FE C2(SHL+LDA M+ STA M+ JMP X +JZ X +COM)+ EXEC2(LDA M)= FE C2+ EXEC2(LDA M)= C2FE + EXE(LDA M)其中，其中，SHL、LDA M、

21、STA M、JMP X、JZ X和和COM均均為指令譯碼器的輸出信號。為指令譯碼器的輸出信號。4. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.28計算機組成原理計算機組成原理 根據(jù)邏輯表達式，畫出所有控制信號的組合邏輯電路根據(jù)邏輯表達式，畫出所有控制信號的組合邏輯電路圖。例如下圖就是圖。例如下圖就是“MDRM(MAR)”的邏輯電路圖。的邏輯電路圖。&FE C2 EXE &LDA M &1MDRM(MAR) 4. 2 硬布線控制器硬布線控制器6.29計算機組成原理計算機組成原理4. 3 微程序控制器微程序控制器 在硬聯(lián)控制中，不同的控制信號用不同的組合邏輯在硬聯(lián)控制中，不同的控制信

22、號用不同的組合邏輯電路來實時地生成。這種方法設計復雜、實現(xiàn)成本高。電路來實時地生成。這種方法設計復雜、實現(xiàn)成本高。 既然每條指令需要發(fā)出的控制信號都是固定的，而既然每條指令需要發(fā)出的控制信號都是固定的，而且已經被分析出來、順序安排在每個節(jié)拍中，那么把這且已經被分析出來、順序安排在每個節(jié)拍中，那么把這些信息存儲起來，在解釋指令時調出來，直接發(fā)出控制些信息存儲起來，在解釋指令時調出來，直接發(fā)出控制信號不就可以了嗎？信號不就可以了嗎？ 的確可以，這種被稱為的確可以，這種被稱為“微程序控制微程序控制”的方法，在的方法，在1951年就被英國劍橋大學的計算機教授年就被英國劍橋大學的計算機教授Wilkes提

23、出來了（提出來了（所以所以“微程序控制微程序控制”也稱也稱“Wilkes模型模型”） 。6.30計算機組成原理計算機組成原理微程序控制器的設計原理是：微程序控制器的設計原理是：1.依據(jù)指令的執(zhí)行步驟中，每一個節(jié)拍需要發(fā)出的控依據(jù)指令的執(zhí)行步驟中，每一個節(jié)拍需要發(fā)出的控制信號，編制微指令。一個節(jié)拍對應一條微指令。制信號，編制微指令。一個節(jié)拍對應一條微指令。2.把這些微指令編制成微程序。把這些微指令編制成微程序。3.在所有指令的微程序都編制完成后，將其存入控制在所有指令的微程序都編制完成后，將其存入控制器內部的專用只讀存儲器器內部的專用只讀存儲器ROM控制存儲器（控制存儲器（Control Mem

24、ory, CM）中。）中。4. 3 微程序控制器微程序控制器6.31計算機組成原理計算機組成原理微程序控制器的工作原理是：微程序控制器的工作原理是： 運行時，控制器按順序從控制存儲器（簡稱控存）運行時，控制器按順序從控制存儲器（簡稱控存）中讀出某條指令對應微程序的微指令，逐拍、逐條送入中讀出某條指令對應微程序的微指令，逐拍、逐條送入微指令寄存器微指令寄存器(IR)和譯碼器，譯碼后產生所需微命令和譯碼器，譯碼后產生所需微命令/控制信號，使相應部件執(zhí)行所規(guī)定的操作，完成對該指控制信號，使相應部件執(zhí)行所規(guī)定的操作，完成對該指令的解釋。令的解釋。 4. 3 微程序控制器微程序控制器6.32計算機組成原

25、理計算機組成原理 微指令由微指令由“操作控制（控制命令）字段操作控制（控制命令）字段”和和“順序控順序控制字段制字段”組成。其中組成。其中“順序控制字段順序控制字段”用來在當前微指令用來在當前微指令執(zhí)行結束后，確定下一條微指令的地址（簡稱執(zhí)行結束后，確定下一條微指令的地址（簡稱“下地址下地址”）。）。 微程序控制器的組成，除了微程序控制器的組成，除了IR、PC、FR和時序系統(tǒng)和時序系統(tǒng)外，增加了控存、微指令寄存器、微指令地址轉移邏輯電外，增加了控存、微指令寄存器、微指令地址轉移邏輯電路以及微指令地址寄存器（路以及微指令地址寄存器（AR）等部件）等部件.4. 3 微程序控制器微程序控制器6.33計算機組成原理計算