第8周大課 控制器

回顧指令級(jí)并行技術(shù)教學(xué)內(nèi)容控制器概述硬布線控制器微程序控制器

教學(xué)要求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(jī)理第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成

CU的功能是，通過(guò)對(duì)指令的分析（譯碼），按照一定的時(shí)序，根據(jù)當(dāng)前處理器的狀態(tài)（標(biāo)志），向計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件（包括控制器本身）發(fā)出控制命令/信號(hào)（即微命令），部件接受微命令后進(jìn)行的操作叫做微操作。為了對(duì)微操作進(jìn)行時(shí)序控制，處理器用時(shí)鐘信號(hào)CLK來(lái)控制每一個(gè)微命令的產(chǎn)生。

第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成PC……C1時(shí)鐘信號(hào)(Clock,CLK)控制信號(hào)產(chǎn)生器CSG(ControlSignalGenerator)S0指令譯碼器IDOPADID指令寄存器IRFR標(biāo)志寄存器FR程序計(jì)數(shù)器PCS1SnC2C3……控制信號(hào)第4章控制器4.1控制器概述

（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(shí)間叫指令周期。在一個(gè)指令周期內(nèi)，處理器要完成的操作有“取指”和“執(zhí)行”?！叭≈浮笔菍⒁粭l指令從主存取入到處理器中，“執(zhí)行”是對(duì)指令進(jìn)行譯碼并完成其指定的操作。這兩個(gè)操作是有嚴(yán)格的時(shí)間順序的，即先“取指”后“執(zhí)行”。

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成例如，“取指”階段，需要發(fā)出的微命令有：MAR←(PC)R←1PC←(PC)+1MDR←M(MAR)IR←(MDR)CU←OP(IR)

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成

以加法指令A(yù)DDM（注：源操作數(shù)在主存中，另一個(gè)操作數(shù)隱含存放在累加器AC中，相加結(jié)果仍存回AC）為例，“執(zhí)行”階段，需要發(fā)出的微命令有：MAR←AD(IR)R←1MDR←M(MAR)AC←(MDR)+(AC)

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成不同指令的解釋時(shí)間不盡相同。為了簡(jiǎn)化控制，它們一般都是被設(shè)計(jì)成節(jié)拍的某個(gè)整數(shù)倍——基準(zhǔn)周期，這個(gè)基準(zhǔn)周期稱為機(jī)器周期（或CPU周期），它的長(zhǎng)短取決于指令的基本操作和器件的工作速度。整數(shù)倍數(shù)可以是1倍也可以是多倍。1倍時(shí)，稱為單機(jī)器周期（簡(jiǎn)稱“單周期”）處理器。多倍時(shí)，稱為多機(jī)器周期（簡(jiǎn)稱“多周期”）處理器。

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成“單周期”處理器中，所有指令的指令周期都是相同的，等于一個(gè)機(jī)器周期。指令周期的大小，取決于指令集中最復(fù)雜指令的執(zhí)行時(shí)間。例如指令周期為9或10個(gè)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“多周期”。最簡(jiǎn)單的多周期就是兩周期，即把“取指”所花的時(shí)間稱為“取指周期”，“執(zhí)行”所花的時(shí)間稱為“執(zhí)行周期”。取指周期和執(zhí)行周期是等長(zhǎng)。

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成在多周期處理器中，機(jī)器周期就變成了所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間。那么，它的長(zhǎng)度（即包含的節(jié)拍數(shù)）應(yīng)取多少呢？

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)

為了保證在一個(gè)機(jī)器周期至少能夠完成一個(gè)指令的基本操作，一般選取處理器訪問(wèn)一次主存的時(shí)間（也稱總線周期）作為機(jī)器周期。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、同步總線的總線周期包含4個(gè)節(jié)拍。第4章控制器4.1控制器概述

（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。例如，JUMP指令和NOP指令就沒(méi)有執(zhí)行周期。

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)另外，采用間接尋址的指令，在取指周期之后，還有一個(gè)訪問(wèn)主存，讀取操作數(shù)地址的周期——間址周期。如果在指令執(zhí)行的末尾，處理器檢測(cè)到中斷請(qǐng)求信號(hào)，且當(dāng)時(shí)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(jié)束后進(jìn)入中斷周期。第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成多周期處理器的CU中應(yīng)設(shè)置“指令執(zhí)行階段的標(biāo)記”，如“FE”、“IND”、“EXE”和“INT”分別是“取指周期”、“間址周期”、“執(zhí)行周期”和“中斷周期”的狀態(tài)標(biāo)志。一個(gè)時(shí)刻，這些標(biāo)志只能有一個(gè)為“1”。

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)1FE1IND1EX1INTFEDINDDINTDCLKEXD第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成“間址周期”需要發(fā)出的微命令有：MAR←AD(IR)R←1MDR←M(MAR)MAR←(MDR)

（二）三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)第4章控制器“中斷周期”需要發(fā)出的微命令有：MDR←(PC)//保存斷點(diǎn)——PC中的值MAR←(SP)SP←(SP)+1//到“向上增長(zhǎng)的空堆?！敝蠾←1

M(MAR)←MDRMDR←(PSW)//保存程序狀態(tài)寄存器的值MAR←(SP)SP←(SP)+1W←1M(MAR)←MDREINT←0//關(guān)中斷PC←中斷向量地址第4章控制器總之，一個(gè)機(jī)器周期包含了若干個(gè)節(jié)拍。在每一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，處理器可以同時(shí)執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)的微操作。指令周期、機(jī)器周期和節(jié)拍構(gòu)成了控制器的三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)。第4章控制器控制器中“控制信號(hào)發(fā)生器”的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：基于組合邏輯的硬聯(lián)控制/硬布線控制

(

HardwiredControl)基于存儲(chǔ)邏輯的微程序控制(

MicroprogrammedControl

)硬布線控制器微程序控制器第4章控制器4.2硬布線控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生控制信號(hào)的組合邏輯電路的步驟是：（1）寫出指令周期中每個(gè)節(jié)拍內(nèi)的應(yīng)發(fā)出的微操作；（2）列出所有控制信號(hào)的操作時(shí)間表；（3）根據(jù)時(shí)間表，寫出每個(gè)控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式；（4）根據(jù)邏輯表達(dá)式，設(shè)計(jì)組合邏輯電路。第6章控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生控制信號(hào)的組合邏輯電路的步驟是：（1）寫出指令周期中每個(gè)節(jié)拍內(nèi)的應(yīng)發(fā)出的微操作；

安排控制信號(hào)，首先要嚴(yán)格遵循解釋一條指令所要發(fā)出的/控制信號(hào)的先后順序；其次，對(duì)于控制部件不同的控制信號(hào)，應(yīng)安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)發(fā)出，以縮短時(shí)間；最后，對(duì)于一些占用時(shí)間短的微操作，其控制信號(hào)可以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，按照規(guī)定的先后順序，依次發(fā)出。4.2硬布線控制器第4章控制器1）取指周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：MAR←(PC)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：PC←(PC)+1C4：IR←(MDR)，CU←OP(IR)

2）算術(shù)左移指令“SHL”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：C2：C3：C4：AC←R(AC)，AC0←AC04.2硬布線控制器第4章控制器3）取數(shù)指令“LDAM”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：AC←(MDR)

4）存數(shù)指令“STAM”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：MAR←AD(IR)C2：MDR←AC，W←1C3：C4：M(MAR)←MDR4.2硬布線控制器第4章控制器5）無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令“JMPX”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：PC←(MDR)

6）為零轉(zhuǎn)移指令“JZX”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：C2：C3：C4：PC←ZF·AD(IR)+ZF·(PC)

4.2硬布線控制器第4章控制器7）加法指令“ADDM”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：AC←(AC)+

(MDR)

8）求補(bǔ)/取反指令“COM”執(zhí)行周期的控制信號(hào)節(jié)拍安排C1：C2：C3：C4：AC←AC

4.2硬布線控制器第4章控制器列出控制信號(hào)的操作時(shí)間表。表中，“1”表示發(fā)出控制信號(hào)，“0”（省略填寫）表示不發(fā)出控制信號(hào)。周期標(biāo)志節(jié)拍控制信號(hào)SHLLDAMSTAMFE取指C1MAR←(PC)111R←1111C2MDR←M(MAR)111C3PC←(PC)+1111C4IR←(MDR)111CU←OP(IR)1114.2硬布線控制器周期標(biāo)志節(jié)拍控制信號(hào)SHLLDAMSTAMEXE執(zhí)行C1MAR←AD(IR)1R←11C2MDR←M(MAR)1MDR←AC1W←11C3C4AC←R(AC)1AC0←AC01AC←(MDR)1M(MAR)←MDR1第4章控制器4.2硬布線控制器第4章控制器根據(jù)時(shí)間表，寫出每個(gè)控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式例如，“MDR←M(MAR)”的邏輯表達(dá)式為：FE·C2·(SHL+LDAM+STAM+JMPX+JZX+COM)+EXE·C2·(LDAM)=FE·C2+EXE·C2·(LDAM)=C2·[FE+EXE·(LDAM)]其中，SHL、LDAM、STAM、JMPX、JZX和COM均為指令譯碼器的輸出信號(hào)。4.2硬布線控制器第4章控制器根據(jù)邏輯表達(dá)式，畫出所有控制信號(hào)的組合邏輯電路圖。例如下圖就是“MDR←M(MAR)”的邏輯電路圖。&FEC2EXE&LDAM&1≥MDR←M(MAR)4.2硬布線控制器第4章控制器4.3微程序控制器在硬聯(lián)控制中，不同的控制信號(hào)用不同的組合邏輯電路來(lái)實(shí)時(shí)地生成。這種方法設(shè)計(jì)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本高。既然每條指令需要發(fā)出的控制信號(hào)都是固定的，而且已經(jīng)被分析出來(lái)、順序安排在每個(gè)節(jié)拍中，那么把這些信息存儲(chǔ)起來(lái)，在解釋指令時(shí)調(diào)出來(lái)，直接發(fā)出控制信號(hào)不就可以了嗎？

的確可以，這種被稱為“微程序控制”的方法，在1951年就被英國(guó)劍橋大學(xué)的計(jì)算機(jī)教授Wilkes提出來(lái)了（所以“微程序控制”也稱“Wilkes模型”）。第4章控制器微程序控制器的設(shè)計(jì)原理是：依據(jù)指令的執(zhí)行步驟中，每一個(gè)節(jié)拍需要發(fā)出的控制信號(hào)，編制微指令。一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一條微指令。把這些微指令編制成微程序。在所有指令的微程序都編制完成后，將其存入控制器內(nèi)部的專用只讀存儲(chǔ)器ROM——控制存儲(chǔ)器（ControlMemory,CM）中。4.3微程序控制器第4章控制器微程序控制器的工作原理是：運(yùn)行時(shí)，控制器按順序從控制存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱控存）中讀出某條指令對(duì)應(yīng)微程序的微指令，逐拍、逐條送入微指令寄存器(μIR)和譯碼器，譯碼后產(chǎn)生所需微命令/控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作，完成對(duì)該指令的解釋。

4.3微程序控制器第4章控制器

微指令由“操作控制（控制命令）字段”和“順序控制字段”組成。其中“順序控制字段”用來(lái)在當(dāng)前微指令執(zhí)行結(jié)束后，確定下一條微指令的地址（簡(jiǎn)稱“下地址”）。微程序控制器的組成，除了IR、PC、FR和時(shí)序系統(tǒng)外，增加了控存、微指令寄存器、微指令地址轉(zhuǎn)移邏輯電路以及微指令地址寄存器（μAR）等部件.4.3