組成原理課件 - 控制器的概述

§6·1控制器的概述1、取指令2、分析指令3、執(zhí)行指令4、發(fā)出各種微操作命令5、改變指令執(zhí)行順序的功能6、具有控制主機與I/O設(shè)備交換信息的功能7、異常情況和特殊情況的處理功能一、控制器的基本功能（1）指令控制（2）操作控制（3）時間控制（4）數(shù)據(jù)加工中央處理器CPU的四個主要功能二、控制器的組成

至運算器+1時序信號發(fā)生器中斷系統(tǒng)控制臺CAR指令譯碼器ID地址形成部件微操作命令序列形成部件OPADCIRDBAB至輸入設(shè)備至輸出設(shè)備至存儲器異常特殊請求狀態(tài)控制條件現(xiàn)行指令地址寄存器CAR

用于存放當前正在執(zhí)行的指令地址或即將執(zhí)行執(zhí)行的下一條指令的地址。其位數(shù)取決于內(nèi)存單元的個數(shù)。現(xiàn)行指令寄存器CIR

用來存放當前正在執(zhí)行的指令。其位數(shù)與存儲字長相等，對指令寄存器的操作碼進行分析、譯碼并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。地址形成部件根據(jù)指令的地址碼AD部分，形成操作數(shù)的地址時序信號發(fā)生器用來產(chǎn)生計算機運行所需的時序信號，以保證各個微操作的執(zhí)行順序。微操作命令序列的形成部件是產(chǎn)生各種微操作命令的部件，微操作控制信號是由指令譯碼器產(chǎn)的譯碼信號、時序信號發(fā)生器提供的時序信號、被控制部件所反饋的狀態(tài)及條件信號綜合形成。它由觸發(fā)器和邏輯門電路等組成。中斷機構(gòu)用于處理機器運行中所出現(xiàn)的異常情況和特殊情況的部件，它主要包括開中斷觸發(fā)器、中斷排隊判優(yōu)、中斷隱指令的產(chǎn)生和執(zhí)行部件?？刂婆_用來實現(xiàn)用戶對機器作某些干預(yù)的部件。三、CPU結(jié)構(gòu)MAR存儲體MBMIRCAR中斷機構(gòu)OPA+1ID微操作信號發(fā)生器時序元件通用寄存器組RiALULALB移位器PSW控制器運算器指令流：在取指令周期，CAR→BUS→MAR；READ；MIR→BUS→IR整個操作過程中涉及到的信息流動。數(shù)據(jù)流：除指令流外，在數(shù)據(jù)通路中流動的信息是數(shù)據(jù)流。（1）A→MAR，READ，MIR→BUS→ALU→內(nèi)存；（2）Ri→ALU→BUS→Ri

（內(nèi)存）（3）A→MAR，READ，MIR→BUS→MARIR四、指令周期

CPU每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間。取指階段執(zhí)行階段取指周期執(zhí)行周期指令周期（取指、分析）（執(zhí)行指令）由于各種指令操作功能不同，所以各種指令的指令周期是不相同的。取指周期指令周期無條件轉(zhuǎn)移指令取指周期指令周期執(zhí)行周期加法指令取指周期指令周期執(zhí)行周期乘法指令間接尋址的指令周期包括取指周期、間址周期和執(zhí)行周期。取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期當CPU采用中斷方式實現(xiàn)主機與I/O交換信息時，CPU要每條指令執(zhí)行結(jié)束前，發(fā)中斷查詢信號，若檢查到I/O提出中斷請求，CPU要進入中斷響應(yīng)階段——中斷周期。

一個完整的指令周期包括取指、間址、執(zhí)行和中斷四個子周期。取指周期FE有間址嗎？間址周期IND執(zhí)行周期EX有中斷嗎？中斷周期INTYNYN指令周期流程CPU工作周期的標志

FE、IND、EX和INT分別表示取指、間址、執(zhí)行和中斷四個周期，用高電平“1”表示有效，則四個周期分別由1→FE、1→IND、1→EX和1→INT四個信號控制。當各個周期的控制信號為低電平時則表示相應(yīng)的周期結(jié)束。FEDINDDEXDINTDCLK1→FE1→IND1→EX1→INT五、指令周期的數(shù)據(jù)流1、取指令周期的數(shù)據(jù)流

CARMAR控制單元CUIRMIR①②存儲器③ABDBCB④⑤⑤2、間址周期的數(shù)據(jù)流

ABDBCBMAR控制單元CUMIR①②存儲器③④3、執(zhí)行周期的數(shù)據(jù)流

指令在執(zhí)行周期的操作各不相同，在執(zhí)行周期的數(shù)據(jù)是多種多樣的，可能是CPU內(nèi)部寄存器間的數(shù)據(jù)傳送、或?qū)Υ鎯ζ鳎↖/O）進行讀寫操作、或?qū)LU進行的操作。IR4、中斷周期的數(shù)據(jù)流

CARMAR控制單元CUMIR①②存儲器③ABDBCB④⑤②控制單元CU把用于保存程序斷點的存儲器特殊地址（堆棧指針）送往MAR，并送到地址總線上，同時將CAR的內(nèi)容送到MIR，并命令存儲器寫，將斷點地址寫入堆棧，最后CU控制將中斷服務(wù)程序入口地址送CAR。六、控制器的控制方式控制器控制一條指令的運行的過程是依次運行一組的微操作序列的過程，由于每條指令對應(yīng)的微操作數(shù)不同，每個微操作所需的時間是不同的。

形成控制不同微操作序列的時序控制信號的方法稱控制器的控制方式。1、同步控制方式同步控制方式中，任何一個微操作的執(zhí)行均由統(tǒng)一的基準時標系統(tǒng)的時序信號控制。（1）定長指令周期所有指令都含有相同的機器周期數(shù)，每個機器周期含有相同的節(jié)拍電位，每條指令的執(zhí)行時間相等。（簡單、浪費）T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3機器周期FE機器周期IND機器周期EX指令周期T0T1T2T3機器周期INT（2）不定長指令周期、定長機器周期指令周期不固定，但所包含的每個機器周期（存儲周期）都相等。（3）變長機器周期、定長節(jié)拍電位指令周期、機器周期均不固定，每個機器周期中含有節(jié)拍電位根據(jù)需要而定，但每個節(jié)拍電位的是定長的。T0T1T2T3TFE指令周期無條件轉(zhuǎn)移指令T0T1T2T3TFE指令周期T0T1T2T3TEX加法指令T0T1T2T3TFE指令周期T0T1T2T3TEX乘法指令T*T*T*T*2、異步控制方式當控制器發(fā)出進行某一微操作控制信號后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的“回答”信號或“結(jié)束”信號，再開始新的微操作。用此方式形成的微操作序列沒有固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步。每條指令、每個微操作需要多少時間就占用多少時間。特點：CPU利用率低，控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3、聯(lián)合控制方式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式稱為聯(lián)合控制方式。對不同指令的各個微操作實行大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對待的方式。大部分微操作安排在一個固定機器周期中，并在同步時序信號控制下進行，而對那些時間難以確定的操作微操作則以執(zhí)行部件送回“回答”信號作為本次微操作的結(jié)束。

CPU內(nèi)部以CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送加工的指令采用同步控制。乘除法、浮點運算指令等采用中央與局部結(jié)全的控制方式。I/O操作的指令采用異步控制方式。練習(xí)：CPU結(jié)構(gòu)如圖所示，包括一個累加器AC、一個狀態(tài)寄存器和其他四個寄存器，各部分之間的連線表示數(shù)據(jù)通路，箭頭表示信息傳送方向。（1）標明四個寄存器的名稱。（2）簡述取指令的數(shù)據(jù)通路。（3）簡述完成LDAX、ADDY和STAZ指令的數(shù)據(jù)通路。主存儲器

MACACBDALU操作控制器狀態(tài)寄存器+11、A是MIR、B是IR、C是MAR、D是CAR2、指令的數(shù)據(jù)通路

CAR→MAR→M（

內(nèi)存）→MIR→IR3、（1）LDAXX（MIR）→MAR