【正文】 第五章 控制方式與控制器《 計(jì) 算 機(jī) 組 成 原 理 》 精 品 課 程 進(jìn) 入第五章 控制方式與控制器主要內(nèi)容 基本概念 組合控制邏輯 微程序控制 模型機(jī)微程序控制單元的設(shè)計(jì)第五章 控制方式與控制器 基本概念167。 控制器的功能167。 控制器 作為計(jì)算機(jī)的指揮中心，保證各個(gè)組成部件協(xié)調(diào)工作，必須完成以下功能：167。 指令控制功能167。 計(jì)算機(jī)的工作過程是連續(xù)執(zhí)行指令的過程，指令在主存儲(chǔ)器中連續(xù)存放，一般情況下，指令被順序執(zhí)行，只有遇到控制轉(zhuǎn)移類指令才會(huì)改變順序，所以指令在主存中的存放是靜態(tài)的，而指令的執(zhí)行順序是動(dòng)態(tài)的，形成計(jì)算機(jī)的指令流。167。 時(shí)序控制功能167。 機(jī)器指令的操作過程是由指令操作流程圖嚴(yán)格規(guī)定的，各條指令的指令周期中包含的機(jī)器周期數(shù)不盡相同，同時(shí)各個(gè)機(jī)器周期中包含的節(jié)拍數(shù)目也不一定相同，所以指令周期、機(jī)器周期和節(jié)拍信息等時(shí)序信號(hào)，必須由控制器產(chǎn)生，以完成時(shí)序控制功能。167。 操作控制功能167。 在時(shí)序信號(hào)的控制下，各條機(jī)器指令在每個(gè)機(jī)器周期的每個(gè)節(jié)拍中應(yīng)產(chǎn)生哪些微操作控制信號(hào)，由指令操作流程圖做了嚴(yán)格的規(guī)定，控制器應(yīng)能根據(jù)指令操作流程圖的安排，在各個(gè)節(jié)拍中產(chǎn)生相應(yīng)的微操作時(shí)序信號(hào)，以有效地完成各條指令的操作過程。第五章 控制方式與控制器各種不同類型的計(jì)算機(jī)的控制器會(huì)有不少差別 ， 但基本組成是相同的 ， 如圖 ， 控制器的基本組成部分如下 ： 圖 控制器基本組成 控制器的組成第五章 控制方式與控制器167。 程序計(jì)數(shù)器 PC167。 程序計(jì)數(shù)器又稱為指令計(jì)數(shù)器或指令指針 IP， 用來存放下一次要執(zhí)行的指令的地址。 PC不斷的加 “ 1” ，以保證按順序逐條執(zhí)行指令，這種加 “ 1” 功能。當(dāng)遇到改變程序執(zhí)行順序的指令（轉(zhuǎn)移控制類指令）時(shí)，由轉(zhuǎn)移控制類指令將轉(zhuǎn)移地址送往程序計(jì)數(shù)器作為準(zhǔn)備取出下一條指令的地址。167。 指令寄存器 IR167。 指令寄存器 用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令 。當(dāng)指令從主存取出之后，將其暫存在指令寄存器中，完成一條指令的全部功能控制。167。 指令譯碼器 ID167。 指令譯碼器又稱為操作譯碼器，它 是解析指令的部件，對(duì)指令寄存器中的指令操作碼進(jìn)行解析，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，提供給微操作信號(hào)發(fā)生器 。167。 地址形成部件 。根據(jù)機(jī)器的不同尋址方式， 用來形成操作數(shù)的有效地址 ，以便 CPU取得操作數(shù)。第五章 控制方式與控制器167。 脈沖源167。 脈沖源 用來產(chǎn)生具有一定頻率和寬度的脈沖信號(hào)，稱為主脈沖 。為使主脈沖的頻率穩(wěn)定，一般都是用石英晶體振蕩器作為脈沖源。167。 啟停邏輯 167。 啟?？刂七壿嫷淖饔?是根據(jù)計(jì)算機(jī)的需要，可靠地開放或封鎖脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生或停止，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器的正確啟動(dòng)或停止 。167。 節(jié)拍發(fā)生器167。 節(jié)拍發(fā)生器 又稱為脈沖分配器。 脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)過節(jié)拍發(fā)生器后，產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)（節(jié)拍電位），提供給微操作信號(hào)發(fā)生器以產(chǎn)生微操作信號(hào)。167。 微操作信號(hào)發(fā)生器167。 微操作信號(hào)發(fā)生器 接收由指令譯碼器提供的操作信號(hào)、節(jié)拍發(fā)生器提供的時(shí)序信號(hào)、被控制功能部件所反饋的狀態(tài)及條件信號(hào)等綜合形成各種指令的微操作控制信號(hào)序列。167。 中斷控制邏輯167。 中斷控制邏輯是 用來控制中斷處理的硬件邏輯。第五章 控制方式與控制器 指令執(zhí)行流程167。 計(jì)算機(jī)的運(yùn)行需要不斷地執(zhí)行完成某個(gè)特定任務(wù)的指令序列，因此 計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì) 上就是不斷的取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程。下面以圖 CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路為例分析幾條典型指令的具體執(zhí)行過程。圖 CPU的數(shù)據(jù)通路第五章 控制方式與控制器167。 ADD @R0,R1167。 這條指令完成的功能是把 R0的內(nèi)容作為地址送到主存以取得一個(gè)操作數(shù)，再與 R1中的內(nèi)容相加，最后將結(jié)果送回主存中。 即實(shí)現(xiàn)： ((R0))＋ (R1)→(R0)167。 ⑴ 取指周期167。 ① PCout和 MARin有效，完成 PC經(jīng) CPU內(nèi)部總線送至 MAR的操作，記作 (PC)→MAR ；167。 ② 通過控制總線（圖中未畫出）向主存發(fā)讀命令167。 ③ 存儲(chǔ)器通過數(shù)據(jù)總線將 MAR所指單元的內(nèi)容（指令）送至 MDR，記作 (MAR)→MDR ； 167。 ④ MDRout和 IRin有效，將 MDR的內(nèi)容送至指令寄存器 IR，記作 (MDR)→IR 。至此，指令被從主存中取出，其操作碼字段開始控制 CU。167。 ⑤ 使 PC內(nèi)容加 1，記作 (PC)+1→PC 。第五章 控制方式與控制器167。 ⑵ 取數(shù)周期 取數(shù)周期要完成取操作數(shù)的任務(wù)，被加數(shù)在主存中，加數(shù)已放在寄存器 R1中。167。 ① R0out和 MARin有效，完成將被加數(shù)地址送至 MAR的操作，記作 (R0)→MAR ；167。 ② 向主存發(fā)讀命令，記作 Read；167。 ③ 存儲(chǔ)器通過數(shù)據(jù)總線將 MAR所指單元的內(nèi)容（數(shù)據(jù)）送至 MDR，同時(shí) MDRout和 Yin有效，記作M(MAR)→MDR→Y ；167。 ⑶ 執(zhí)行周期167。 執(zhí)行周期完成加法運(yùn)算的任務(wù)，并將結(jié)果寫回主存。167。 ① R1out和 ALUin有效，同時(shí) CU向 ALU發(fā) “ ADD” 控制信號(hào)，使 R1的內(nèi)容和 Y的內(nèi)容相加，結(jié)果送寄存器 Z，記作 (R1)+Y→Z ；167。 ② Zout和 MDRin有效，將運(yùn)算結(jié)果送寄存器 MDR，記作 (Z)→MDR 。167。 ③ 向主存發(fā)寫命令，記作 Write。第五章 控制方式與控制器167。 2．轉(zhuǎn)移指令 JC A167。 這是一條條件轉(zhuǎn)移指令，若上次運(yùn)算結(jié)果有進(jìn)位（ C=1），就轉(zhuǎn)移；若上次運(yùn)算結(jié)果無進(jìn)位（ C=0），就順序執(zhí)行下一條指令。設(shè)A為位移量，轉(zhuǎn)移地址等于 PC的內(nèi)容加位移量。相應(yīng)的微操作序列如下：167。 ⑴ 取指周期167。 與上條指令的微操作序列完全相同。167。 ⑵ 執(zhí)行周期167。 如果有進(jìn)位（ C=1），則完成 (PC)+A→PC 的操作，否則跳過以下幾步。167。 ① PCout和 Yin有效，記作 (PC)→Y （ C=1）；167。 ② Ad IRout和 ALUin有效，同時(shí) CU向 ALU發(fā) “ ADD” 控制信號(hào)，使 IR寄存器中的地址碼字段 A和 Y的內(nèi)容相加，結(jié)果送寄存器 Z，記作 Ad(IR)+Y→Z