【正文】 第 6章 計算機的控制器部件 2 本章主要內(nèi)容 ? 控制器的功能組成與指令執(zhí)行步驟 ? 微程序控制器部件 ? 組合邏輯控制器部件 3 控制器的功能與組成 1. 控制器的功能 : 控制執(zhí)行指令 控制各部件協(xié)調(diào)運行，即為各部件提供控制信號。 2. 控制器的組成： 程序計數(shù)器 指令寄存器 指令步驟標(biāo)記線路 提供控制信號的部件 分類 ： 微程序的控制器 硬布線的控制器 4 控制器的功能 計算機的功能是執(zhí)行程序 程序是依次排列起來的指令代碼 控制器的功能就在于 : 正確地分步完成每一條指令規(guī)定的功能 , 正確且自動地連續(xù)執(zhí)行指令 。 再進一步說，就是向計算機 各功能部件 提供 協(xié)調(diào)運行 每一個步驟所需要的 控制信號 。 5 控制器的組成 ① 程序計數(shù)器 PC： 存放指令地址，有 +1或接收新值功能。 ② 指令寄存器 IR： 存放指令內(nèi)容：操作碼與操作數(shù)地址。 主脈沖源與啟停控制線路，按需要給出主脈沖信號。 ③ 指令執(zhí)行步驟標(biāo)記線路： 指明每條指令的執(zhí)行步驟。 ④ 控制信號記憶或產(chǎn)生線路 ： 給出計算機各功能部件部件協(xié)同運行所需要的控制信號。 運算器部件 主存儲器部件 總線及輸入 /輸出接口 (輸入 /輸出設(shè)備 ) 控制器部件 各部件包括 也包括 設(shè)計中的難點，在于解決對運算器、控制器的控制 6 控制器的組成 7 控制信號提供方法 ? 生成法 ?將操作碼和微操作序號作為輸入，寫出控制信號和下一微操作序號的邏輯表達式，然后，用相應(yīng)的邏輯器件實現(xiàn)。 ?組合邏輯控制器，也稱硬布線控制器 ? 查表法 ?將每一操作碼的每個微操作對應(yīng)的全部控制信號和下一操作步驟事先存儲在控制存儲器中，需要的時候從控存中讀出。 ?微程序控制器 8 時序控制 信號 形成部件 譯碼 IR PC 輸出 設(shè)備 輸入 設(shè)備 主 存 運算器 部件 時序 啟停 地址寄存器械 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 …. 控制條件 控制器信號 主振 組合邏輯 方案的 控制器 9 控制 存儲器 映射 IR PC 輸出 設(shè)備 輸入 設(shè)備 主 存 運算器 部件 下地址 啟停 地址寄存器械 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 …. 控制條件 微指令寄存器 主振 微程序 方案的 控制器 10 微程序控制器基本原理 ?轉(zhuǎn) 取 操 作 數(shù) 或 執(zhí) 行 指 令取 指 令 微 程 序 段?轉(zhuǎn) 執(zhí) 行 指 令取 操 作 數(shù) 微 程 序 段?轉(zhuǎn) 取 指 令中 斷 處 理 微 程 序 段開 始 執(zhí) 行 指 令?轉(zhuǎn) 取 執(zhí) 行 指 令 或 中 斷A N D 指 令 微 程 序 段?轉(zhuǎn) 取 執(zhí) 行 指 令 或 中 斷A D D 指 令 微 程 序 段?11 微程序控制器指令執(zhí)行流程 ? 讀當(dāng)前指令到 IR，且 PC=PC+1； ? 根據(jù)指令的操作碼，得到該指令的微程序入口地址； ? 讀取該指令的微指令，并送到相應(yīng)的計算機部件，完成微操作，同時，得到下一微指令的地址； ? 重復(fù)上一步，直到本條指令執(zhí)行完畢； ? 判中斷標(biāo)志，如有，則進行中斷處理； ? 轉(zhuǎn)取指令，執(zhí)行下一條指令 12 微程序控制器的運行原理 ? 每條指令一個執(zhí)行步驟用到的全體控制信號組成一微指令 ? 每條指令可以包括一到多個微操作 ? 用多條微指令解釋每條指令的整個執(zhí)行過程 ? 全部微指令的集合叫做微程序 ? 執(zhí)行一條微指令所用的時間被稱為一個微周期。 ? 微指令的格式和內(nèi)容： ? 下地址字段 控制命令字段 13 微程序控制器組成 clock 14 微程序控制器設(shè)計 ? 定序器 ?根據(jù)指令操作碼、指令當(dāng)前步驟以及條件碼，確定下一步驟的微程序地址 ? 微指令 ?給出當(dāng)前指令的當(dāng)前步驟要完成指令規(guī)定的功能，各功能部件所需要的控制信號。對控制器本身而言，則是要給出下一步驟的微程序地址。 ?水平 ?垂直 15 下地址 ? 順序執(zhí)行下一條微指令 ? 無條件轉(zhuǎn)移到某條微指令 ? 根據(jù)微指令的某一狀態(tài)結(jié)果，選擇順序執(zhí)行或轉(zhuǎn)向某一地址 ? 微子程序調(diào)用，要使用到微堆棧 ? 多路轉(zhuǎn)移 ? 根據(jù)指令操作碼，轉(zhuǎn)移到指令的入口地址 16 定序器組成 17 微指令設(shè)計 ? 微指令字長 ?縮短控制存儲器的字長 ? 微程序的長度 ?控制存儲器的容量 ? 提高性能 ?提高整個計算機指令執(zhí)行性能 18 微指令設(shè)計 ? 直接控制法 ?直接給出各部件需要的控制信號（ 0或 1） ? 字段直接編譯法 ?將某些互斥信號進行編碼，由譯碼器給出這些信號，可縮短微指令字長 ? 垂直型微指令 ?采用對微操作碼譯碼的方式給出控制信號，可進一步縮短微指令字長 19 微程序控制器特點 ? 采用 ROM存儲控制信號的方式，可擴展性好 ? 兼容性實現(xiàn)比較容易 ? 容易實現(xiàn)復(fù)雜的指令系統(tǒng) ? 性能比較低 ? 并行性不好 ? 主要用在 CISC中 20 組合邏輯控制器 ? 采用邏輯電路直接提供全部控制信號 ? 輸入 ? 操作碼 ? 指令狀態(tài)字 ? 指令步驟編碼（節(jié)拍） ? 外部信號（ Reset等） ? 輸出 ? 全部控制信號 ? 主要解決的問題 ? 節(jié)拍轉(zhuǎn)換 ? 控制信號生成 21 節(jié)拍發(fā)生器 ? 控制每條指令的執(zhí)行步驟 ? 用觸發(fā)器實現(xiàn) ? 有限狀態(tài)自動機 ? 用觸發(fā)器狀態(tài)表示當(dāng)前執(zhí)行步驟 ? 狀態(tài)自動機自動轉(zhuǎn)入下一狀態(tài) 22 節(jié)拍發(fā)生器設(shè)計舉例 我們假定某機器的指令系統(tǒng)有兩條指令 A和 B，其中 A指令需要 4個步驟完成，而 B指令只需要 3個步驟。為此，節(jié)拍發(fā)生器需要有 2個觸發(fā)器，用它形成的 4個狀態(tài)來標(biāo)記不同的步驟。如給 A指令分配的節(jié)拍狀態(tài)是 00→01→10→11 ， B指令分配的節(jié)拍狀態(tài)為 00→10→11 。 T0 T1 A B T0’ T1’ 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 T0’=/T0*/T1*/A*B+/T0*T1*A*/B+T0*/T1 T1’=/T0*/T1*A*/B+T0*/T1 23 控制信號生成 ? 直接利用邏輯電路生成控制信號 ?大規(guī)模集成電路 ?現(xiàn)場可編程器件 ? 輸入 ?節(jié)拍狀態(tài) ?條件碼 ?指令操作碼 ? 輸出 ?控制信號 24 組合邏輯控制器特點 ? 直接用邏輯電路實現(xiàn)，用節(jié)拍標(biāo)記指令步驟，性能良好 ? 可擴展性差，兼容性不好 ? 適合實現(xiàn)比較精簡的指令系統(tǒng) ? 較容易實現(xiàn)并行 ? 常用于實現(xiàn) RISC 25 指令的執(zhí)行過程 馮 . 諾依曼 結(jié)構(gòu)的計算機 即存儲程序的計算機，設(shè)置內(nèi)存，存放程序和數(shù)據(jù)，在程序運行之前存入。 執(zhí)行程序： 正確從程序首地址開始； 正確分步執(zhí)行每一條指令， 并形成下條待執(zhí)行指令的地址； 正確并自動地連續(xù)執(zhí)行指令， 直到程序的最后一條指令。 26 每條指令的執(zhí)行步驟 — 讀取指令 指令地址送入主存地址寄存器 讀主存，讀出內(nèi)容送入指定的寄存器 — 分析指令 — 按指令規(guī)定內(nèi)容執(zhí)行指令 不同指令的操作步驟數(shù)， 和具體操作內(nèi)容差異很大 , — 檢查有無中斷請求 若有，則響應(yīng)中斷并轉(zhuǎn)中斷處理 若無，則轉(zhuǎn)入下一條指令的執(zhí)行過程 形成下一條指令地址 R_R類型指令 讀寫內(nèi)存類型指令 輸入輸出類型指令其他類型指令 可能執(zhí)行 一次或多次 是一次讀 內(nèi)存操作 公共操作 公共操作 是每一條指令的特定操作 27 典型指令的執(zhí)行過程舉例 2021 0001 ADD r0, r1 。 加法指令 2021 0790 MVRR r9, r0 。 傳送指令 2021 E709 STRA [2021] , r9 。 寫內(nèi)存指令 , 這是一條雙字指令 , 2021 。 第二個字中的 807 是直接地址 2021 8280 IN 80 。 讀串行口數(shù)據(jù)到 R0低 8位 2021 44FA JRC 2021 。 若 C為 1轉(zhuǎn)移到 2021,否則順序執(zhí)行 2021 8F00 RET 。 子程序返回指令 其他一些指令與這里的幾條指令有相當(dāng)多的共同特性，屬于 同一組的指令的執(zhí)行步驟非常類似。 28 讀取指令 ① AR ? PC（注） ② 讀主 存， IR ? 讀出內(nèi)容 PC ? PC + 1 執(zhí)行指令 ③ ALU ? R0 ALU ? R1 執(zhí)行 + R0 ? ALU，記憶結(jié)果特征 結(jié)束，判中斷 加法指令 ADD R0， R1 形成下條指令地址 29 MVRR R9， R0 讀取指令 ① AR ? PC（注） ② 讀主 存， IR ? 讀出內(nèi)容 PC ? PC + 1 執(zhí)行指令 ③ ALU ? 0 ALU ? R0 執(zhí)行 + R9 ? ALU 結(jié)束，判中斷 形成下條指令地址 30 STRA [2021] ， R9 讀取指令 ① AR ? PC ② 讀主存， IR ? 讀出內(nèi)容 PC ? PC + 1 執(zhí)行指令 ③ AR ? PC ， PC ? PC+ 1 ④ 讀主存， AR ? 讀出內(nèi)容 ⑤ ALU ? 0 , ALU ? R9 ， + 寫主存 , 總線 ? ALU ， 結(jié)束，判中斷 （地址 2021 存在指令的第二個字中） 形成下條指令地址 31 輸入指令 IN 80 形成下條指令地址 讀取指令 ① AR ? PC（注） ② 讀主 存， IR ? 讀出內(nèi)容 PC ? PC + 1