計算機組織與結(jié)構(gòu)(雷建軍)9

1、計算機組織與結(jié)構(gòu)第九章第九章 控制器控制器重慶郵電大學(xué)9.1控制器的功能9.1.1 9.1.1 控制器的功能控制器的功能每個指令周期包括每個指令周期包括取值取值、間址間址、執(zhí)行執(zhí)行和和中斷中斷等子等子周期；周期；每個子周期可分為更小的步驟（微操作）。每個子周期可分為更小的步驟（微操作）。所有的微操作可按如下分類：在寄存器之間傳送數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)由寄存器傳送到外部接口；將數(shù)據(jù)由外部接口傳送到寄存器；以寄存器作為輸入、輸出，完成算術(shù)或邏輯運算。控制器的兩項基本任務(wù)：排序：根據(jù)被執(zhí)行程序的指令邏輯，產(chǎn)生引起微操作的控制信號，引導(dǎo)處理器以正確的次序來執(zhí)行微操作；執(zhí)行：控制器產(chǎn)生的控制信號引起邏輯門的打開和

2、關(guān)閉，從而正確的建立數(shù)據(jù)通道和控制ALU和各個部件的協(xié)同操作。 9.1.2 9.1.2 控制器的組成控制器的組成微操作控制部件、指令控制部件、地址形成部件和時序控制信號形成部件等。 微操作控制部件指令譯碼器：對指令進行解釋。微操作命令發(fā)生器：根據(jù)指令操作碼和時序控制信號，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便正確的建立數(shù)據(jù)通道，從而完成取指和執(zhí)行指令的控制。指令控制部件程序計數(shù)器：程序計數(shù)器存放即將要執(zhí)行的下一條指令的地址。指令寄存器：存放指令內(nèi)容（操作碼與操作數(shù)地址）。地址形成部件正確計算出指令地址和操作數(shù)地址。時序控制信號形成部件按當(dāng)前正在執(zhí)行指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號。9.1.3微操作命令分

3、析1 1、取指子周期、取指子周期執(zhí)行過程如下（指令存放的內(nèi)存地址為X）：PC的內(nèi)容X裝入MAR。PC的內(nèi)容加I，為取下一條指令做好準(zhǔn)備。取出內(nèi)存X單元的內(nèi)容，傳送到MBR中。MBR的內(nèi)容傳送到IR，指令譯碼器對指令進行譯碼。 取指操作流程（ 在3個時間周期內(nèi)完成）T1：MAR（PC）T2：MBRM（MAR） PC（PC）+IT3：IR（MBR）MBRCUMARPCIR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+I 微操作的分組執(zhí)行必須根據(jù)以下原則：1）操作順序必須是合理的。例如不能使存儲器的讀操作發(fā)生在PC把地址傳送到MAR之前。2）避免在同一時序內(nèi)的兩個操作在CP

4、U資源的使用上形成沖突。例如同時去讀、寫同一個寄存器。3）不同的微操作，若能在一個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，應(yīng)盡可能安排在同一個節(jié)拍內(nèi)，以節(jié)省時間。 2 2、間址子周期、間址子周期(假定IR中指令地址字段為X，而存儲器中X處存放的數(shù)據(jù)為Y)IR中的指令的地址字段X傳送到MAR；取出存放在X單元處的內(nèi)容Y；修改IR的地址字段，使其現(xiàn)在容納的是操作數(shù)的直接地址Y而不再是間接地址X。直接直接地址地址 間址子周期子周期T1：MAR（IR（地址）T2：MBRM（MAR）T3：（IR（地址）（MBR）CUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PCIR存儲器存儲器地址地址MBRMBR 3 3、中斷子

5、周期、中斷子周期PC的內(nèi)容傳送到MBR。將待存放PC（斷點地址）的內(nèi)存位置的地址裝入MAR。保存中斷返回地址（斷點地址）到內(nèi)存。中斷處理子程序的起始地址裝入PC。 中斷子周期T1：MBR（PC）T2：MAR斷點地址的保存地址 PC中斷服務(wù)子程序的起始地址T3：M（MAR）（MBR）MBRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PC存儲器存儲器 4 4、執(zhí)行子周期、執(zhí)行子周期1 1）INC AXINC AX該指令在執(zhí)行子周期只有一個微操作，即將寄該指令在執(zhí)行子周期只有一個微操作，即將寄存器存器AXAX的值加的值加1 1，此操作可安排在，此操作可安排在T1T1T3T3的任的

6、任一節(jié)拍內(nèi)，其余節(jié)拍為空。如一節(jié)拍內(nèi)，其余節(jié)拍為空。如T1T1：T2T2：T3T3：AXAX AX+1 AX+1 2）ADD AX，X該指令的動作序列如下：IR中的指令的地址字段X傳送到MAR；從內(nèi)存X單元中讀出操作數(shù)，傳送到存儲緩沖寄存器MBR。由MBR送來的操作數(shù)送往ALU，和累加器中的內(nèi)容相加，運算結(jié)果放回累加器AX，累加器中原來的值被沖掉。需要的微操作為：T1：MARIR（地址）T2：MBRM（MAR）T3：AX（AX）+（MBR） CPU執(zhí)行指令過程 CPU CPU 訪存有四種性質(zhì)訪存有四種性質(zhì)取取 指令指令 取指周期取指周期取取 地址地址 間址周期間址周期取取 操作數(shù)操作數(shù) 執(zhí)行周

7、期執(zhí)行周期存存 程序斷點程序斷點 中斷周期中斷周期 用2 位信息作為指令周期代碼（ICC） 指令周期的微操作流程圖9.1.4控制信號外部的外部的輸入控制信號輸入控制信號主要有：指令寄存器信息、主要有：指令寄存器信息、標(biāo)志寄存器信息、時鐘信號和來自系統(tǒng)總線的控標(biāo)志寄存器信息、時鐘信號和來自系統(tǒng)總線的控制信號。制信號?？刂破鳟a(chǎn)生的控制器產(chǎn)生的輸出信號輸出信號有：到控制總線的控制信有：到控制總線的控制信號和向號和向CPUCPU內(nèi)部發(fā)出的控制信號。內(nèi)部發(fā)出的控制信號。 1. 1. 輸入信號輸入信號(1) (1) 時鐘時鐘CU CU 受時鐘控制，一個時鐘脈沖發(fā)出一個操作命令受時鐘控制，一個時鐘脈沖發(fā)出一

8、個操作命令或一組可同時執(zhí)行的操作命令?；蛞唤M可同時執(zhí)行的操作命令。(2) (2) 指令寄存器指令寄存器OP ( IR ) OP ( IR ) CU CU 控制信號控制信號 與操作碼與操作碼有關(guān)。有關(guān)。(3) (3) 標(biāo)志標(biāo)志CU CU 受標(biāo)志控制，如受標(biāo)志控制，如 JZ doneJZ done(4) (4) 外來信號外來信號INTR INTR 中斷請求中斷請求HRQ HRQ 總線請求總線請求 l時鐘周期：時鐘周期：CPUCPU頻率的倒數(shù)，是頻率的倒數(shù)，是CPUCPU處理操作的最小單位（節(jié)拍脈沖）；處理操作的最小單位（節(jié)拍脈沖）；l機器周期：指令執(zhí)行中每一步操作所需時間（機器周期：指令執(zhí)行中每一

9、步操作所需時間（CPUCPU周期）；周期）；l指令周期：一條指令啟動到下一條指令啟動的間隔時間（若干機器周期）。指令周期：一條指令啟動到下一條指令啟動的間隔時間（若干機器周期）。CLKT1T2T3T4時鐘周期時鐘周期機器周期機器周期機器周期機器周期T1T2T3T4T1T2T3T4 2. 2. 輸出信號輸出信號(1) (1) CPU CPU 內(nèi)的各種控制信號內(nèi)的各種控制信號R Ri i R Rj j(PC) + 1 (PC) + 1 PC PCALU ALU 、與、或、與、或(2) (2) 送至控制總線的信號送至控制總線的信號MREQ MREQ 訪存控制信號訪存控制信號IO/M IO/M 訪訪

10、IO/ IO/ 存儲器的控制信號存儲器的控制信號RD RD 讀命令讀命令WR WR 寫命令寫命令I(lǐng)NTA INTA 中斷響應(yīng)信號中斷響應(yīng)信號HLDA HLDA 總線響應(yīng)信號總線響應(yīng)信號 未采用CPU內(nèi)部總線方式的數(shù)據(jù)通路和控制信號 取指子周期控制信號：控制信號C2有效，打開PC送往MAR的通道；控制信號C0有效，打開MAR送往地址總線的輸出門；通過控制總線向主存發(fā)讀命令CR；C12有效，打開數(shù)據(jù)總線送至MBR的輸入門；C4有效，打開MBR和IR之間的控制門，至此指令送至IR；C13有效，打開指令操作碼送至控制單元的輸出門?？刂茊卧诓僮鞔a和時鐘的控制下產(chǎn)生各種控制信號；使PC內(nèi)容加I（圖中未標(biāo)

11、出）。 取指周期取指周期數(shù)據(jù)通路和控制信號（不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式）PCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號C2C0C12C4C13PCIRCUPCPCPC M D R M A R M B R M A R 間址周期間址周期數(shù)據(jù)通路和控制信號（不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式）PCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號 M B R M A RC0C12C4C8IR M B R M A R 執(zhí)行周期執(zhí)行周期數(shù)據(jù)通路和控制信號（不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式） 如：ADD AC, XPCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志

12、控制控制信號信號 M D R M A RC0C12C8C6C9C7ACALU控制控制信號信號 M A R M B R 取指周期取指周期數(shù)據(jù)通路和控制信號（采用 CPU 內(nèi)部總線的方式）MBRMBRCUIRPCMARAC YALUZ控制信號控制信號控制信號控制信號CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時鐘時鐘IRPCPCMBRMARCUIRPCPCCU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線9.2 硬布線控制器9.2.19.2.1硬布線控制器的概述硬布線控制器的概述硬布線設(shè)計的方法就是把控制部件看作為產(chǎn)生固定時序控制信號的邏輯電路。硬布線的實現(xiàn)方式其實就是一種硬件電路的實現(xiàn)方法通過對一組控制電路輸入邏輯信號，則

13、會輸出相應(yīng)的邏輯控制信號。硬布線的本質(zhì)就是一種由門電路構(gòu)成的復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，一旦設(shè)計完成，要想增加新的控制功能是不可能的，除非重新設(shè)計制造。 9.2.2 9.2.2 硬布線控制器的結(jié)構(gòu)硬布線控制器的結(jié)構(gòu)9.2.3 硬布線控制器的設(shè)計步驟1）設(shè)計指令的操作碼長度，并確定指令長度是固定還是可變的；2）確定機器的時鐘周期、節(jié)拍和主頻，確定機器時鐘周期是固定的還是可變長的；3）根據(jù)操作碼功能，確定每一個操作碼需要的所有機器子周期以及每一個周期要完成的操作，并畫出流程圖和控制時序圖；4）綜合所有操作碼的每一個操作命令，寫出邏輯表達式，并進行化簡；5）實現(xiàn)硬件邏輯電路。 例：定義兩個新的控制信號P和Q P

14、Q = 00 取指周期PQ = 01 間址周期PQ = 10 執(zhí)行周期PQ = 11 中斷周期則如下的布爾表達式可以定義C12（C12在取指和間址周期的第二個時間單位有效）又假設(shè)只有ADD，SUB和AND三條指令需要在執(zhí)行時讀內(nèi)存，則C12定義為：9.3 微程序控制器9.3.1 9.3.1 微程序控制器的概述微程序控制器的概述1951 1951 英國劍橋大學(xué)教授英國劍橋大學(xué)教授 WilkesWilkes基本思想把操作控制信號編成所謂的“微指令”，存放到一個只讀存儲器里。當(dāng)機器運行時，一條又一條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機所需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。微程序控制的主要優(yōu)

15、點有：（1）一組指令系統(tǒng)可以同時適合多種型號的計算機，為發(fā)展系列機提供了很好的條件；（2）一臺計算機可以包含若干組指令系統(tǒng)。用戶無需做任何修改，就可將“老”機器上的程序在“新”機器上運行。 微程序：執(zhí)行一條指令時控制器發(fā)出的各控制字序列的集合；微指令：將一條指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實現(xiàn)指令的功能。微指令產(chǎn)生的控制信號可以引發(fā)寄存器和ALU的各種操作；控制字：控制器產(chǎn)生的所有輸出信號?？刂谱种械拿恳晃淮硪粋€控制信號；微地址：微指令在控制存儲器中的存儲位置。微操作：執(zhí)行部件接收微指令后進行的操作； 9.3.2 9.3.2 微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖 控

16、制存儲器、微指令寄存器、地址轉(zhuǎn)移邏輯 控制存儲器用來存放實現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，一條機器指令對應(yīng)一個微程序?？刂拼鎯ζ鞯淖珠L就是微指令字的長度。 微指令寄存器存放從控制存儲器中讀出的一條微指令操作控制字段：發(fā)出各種控制信號順序控制字段：指出下條微指令的地址，以控制微指令序列的執(zhí)行順序。直接順序控制字段和轉(zhuǎn)移條件字段 地址轉(zhuǎn)移邏輯 第一條微指令的地址由機器指令的譯碼結(jié)果自動獲取。下一條微指令的地址由微地址寄存器給出。大多數(shù)情況是本條微指令的直接順序控制字段作為下一條微指令的地址放入微地址寄存器中；當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時，通過判別測試轉(zhuǎn)移條件字段和執(zhí)行部件的“狀態(tài)條件”反饋信息，修改微地址寄存器的內(nèi)

17、容，然后按此地址去取下一條微指令。 9.3.3 9.3.3 微程序控制器的工作原理微程序控制器的工作原理微程序控制器產(chǎn)生的微指令和微程序控制器產(chǎn)生的微指令和CPUCPU指令的關(guān)系指令的關(guān)系 控制器控制器操作控制字段操作控制字段順序控制字段順序控制字段 微程序控制器和輸入信號的微結(jié)構(gòu)CMARCMBR 控制器的控制功能：第一條微指令的地址由機器指令的譯碼結(jié)果自動獲取。順序邏輯發(fā)出讀命令到控制存儲器；控制地址寄存器指定的微指令被讀入控制緩沖寄存器；根據(jù)控制緩沖寄存器的內(nèi)容生成控制信號，并提供順序邏輯的下一條微指令地址信息；順序邏輯根據(jù)這個地址信息和ALU標(biāo)志，決定執(zhí)行下列三種情況中的一種：順序取出下

18、一條微指令：CAR=CAR+1；基于轉(zhuǎn)移微指令轉(zhuǎn)移到新的微指令序列；轉(zhuǎn)移到新的機器指令執(zhí)行：根據(jù)IR中的操作碼，將新的微指令的地址裝入控制地址寄存器。 微程序控制單元的基本框圖 微地址微地址 形成部件形成部件順序邏輯順序邏輯 CMAR地址譯碼地址譯碼 控制存儲器控制存儲器 標(biāo)標(biāo)志志 CLK下地址下地址 CMBR至至 CPU CPU 內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號 OPIR 順序控制順序控制操作控操作控 制制微指令基本格微指令基本格 式式9.3.4 微指令的格式微指令由操作控制和順序控制兩個部分組成操作控制：控制CPU 內(nèi)部和系統(tǒng)總線的所有的控制門的打開和關(guān)閉。順序控制：包含轉(zhuǎn)

19、移條件字段和直接順序控制字段，用來產(chǎn)生下一條微指令的地址。微指令的格式：水平型微指令和垂直型微指令。 水平型微指令操作控制字段中的每一位都直接控制CPU 內(nèi)部或系統(tǒng)總線的一個控制門特點：指令字比較長，能表達較高程度的微操作并行性，微操作控制信號編碼量較小。操作控制順序控制 垂直型微指令采用類似機器指令操作碼的方式，將一套微命令代碼化，構(gòu)成微指令。各個二進制位與數(shù)據(jù)通路的各個控制門之間完全不存在直接對應(yīng)關(guān)系，需要譯碼之后才能對相應(yīng)的控制門進行控制。特點：指令字較短，微操作并行程度較低，要進行操作控制信號的編碼和解碼。操作控制順序控制9.3.5 微指令的編碼方式每條微指令都有多個不同的內(nèi)部或外部控

20、制信號組成。（假設(shè)微指令有K 位，則表明允許在任意指令周期內(nèi)產(chǎn)生2K 個可能的控制信號組合）微程序控制器產(chǎn)生的控制信號（微操作）主要分為兩大類：相容性微操作：在同時或同一個CPU 周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作；而相斥性微操作：不能在同時或不能在同一個CPU 周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作。微指令的編碼方式主要有：直接編碼直接編碼方式方式字段直接編碼字段直接編碼方式方式字段間接編碼字段間接編碼方式方式混合編碼混合編碼 直接編碼（直接控制）方式直接編碼（直接控制）方式將每一個控制信號都作為微指令中的一個位；將每一個控制信號都作為微指令中的一個位；優(yōu)點：簡單直觀，輸出的控制信號直接用于控制優(yōu)點：簡單直觀，輸出

21、的控制信號直接用于控制缺點：指令代碼較長，編碼效率相對較低。缺點：指令代碼較長，編碼效率相對較低。 字段直接編碼方式字段直接編碼方式將微指令的操作控制字段分為若干段，將一組相斥信號分在一個字段中，通過對這個字段譯碼，便可產(chǎn)生對應(yīng)的微指令。優(yōu)點：減少了控制器微指令的代碼字長；缺點：增加了譯碼操作，也就增加了控制信號的延遲。 小字段劃分的原則有：（1）相斥性微命令分在同一個字段內(nèi)，相容性命令分在不同的字段內(nèi)。前者可以提高信息位的利用率，縮短微指令字長，后者有利于實現(xiàn)并行操作，加快指令執(zhí)行速度；（2）應(yīng)與數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。例如：可把控制寄存器傳送的數(shù)據(jù)通路組合成為一組，可以避免微命令編制的混亂，

22、便于微指令的設(shè)計、修改和檢查；（3）每個小字段包含的信息位不能太多。每個小字段的信息太多，便增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼的時間。 字段間接編碼方式字段間接編碼方式將微指令的操作控制字段分為若干段，但與字段直接編將微指令的操作控制字段分為若干段，但與字段直接編碼不同的是，碼不同的是，字段之間不是完全獨立的字段之間不是完全獨立的，能進一步壓縮，能進一步壓縮微指令字長。微指令字長?；舅枷耄菏挂粋€字段的微命令編碼由另一個字段的編基本思想：使一個字段的微命令編碼由另一個字段的編碼或某個標(biāo)志位加以解釋，以便用較少的信息位表示更碼或某個標(biāo)志位加以解釋，以便用較少的信息位表示更多的微命令。多的微命令。優(yōu)點：編

23、碼碼位的利用率較高，能有效地縮短指令字長。優(yōu)點：編碼碼位的利用率較高，能有效地縮短指令字長。缺點：譯碼電路復(fù)雜。缺點：譯碼電路復(fù)雜。 混合編碼混合編碼將直接編碼和字段編碼（包括字段直接編碼和字段間接編碼）結(jié)合使用。將一些速度要求高，或者與其他控制信號都相容的控制信號以直接編碼方式表示；將其他信號以字段編碼方式表示。這種編碼方法能綜合平衡指令字長、靈活性和執(zhí)行速度方面的要求。9.3.6 微指令序列地址的形成機器指令會給出第一條微指令的地址，從控制存儲器中取出第一條微指令；下一條微指令地址的產(chǎn)生需要根據(jù)當(dāng)前微指令的地址、條件標(biāo)志和指令寄存器中的內(nèi)容一起決定。三種形成下一條微指令地址的方法：雙地址字

24、段法單地址字段法可變地址字段法 雙地址字段法提供兩個地址字段，采用一個多路選擇器，從兩個地址字兩個地址字段段和指令寄存令寄存器器中選擇一個作為輸出。 單地址字段法采用一個多路選擇器，從一一個地址字段個地址字段和指令寄存器指令寄存器中選擇一個作為輸出或者順序順序選擇下一個地選擇下一個地址址。 可變地址字段法（兩種格式）一位使能控制1：所有位作為控制信號。下一條微指令的地址是當(dāng)前微指令的下一個地下一個地址址或是由指令寄存指令寄存器器提供。0：微指令中某些位用于驅(qū)動轉(zhuǎn)移邏輯模塊，剩余的位（地址字段）用來提供下一條微指令的地址。1：控制信號0：轉(zhuǎn)移邏輯，下地址例：某微程序控制器中，采用水平型直接控制（編碼）方式的微指令格式，后續(xù)微指令地址由微指令的下地址字段給出。已知機器共有28 個微命令，6 個互斥的可判定的外部條件，控制存儲器的容量為51240 位。試設(shè)計其微指令格式，并說明理由。解：解：水平型微指令由水平型微指令由操作控制字段操作控制字段，判別測試字段判別測試字段和和下地址下地址字段字段三部分構(gòu)成。三部分構(gòu)成。（1 1）微指令采用直接控制（編碼）方式，所以其操作控）微指令采用直接控制（編碼）方式，所以其操作控制字段的位數(shù)等于微命令數(shù)，為制字段的位數(shù)等于微命令數(shù)，為