计算机组成原理与系统结构 马礼 第5章 控制器组成原理

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1、第5章控制器组成原理本章主要内容：本章讲述控制器的基本组成、基本功能、硬布线控制器的组成原理与实现方法、微程序控制器的组成原理与实现方法及控制器的控制方式等内容。要求重点掌握两种控制器的实现方法。5.1控制器的基本功能及结构5.2指令的执行过程5.3硬布线控制器的组成原理与实现方法5.4微程序控制器的组成原理与实现方法5.5控制器的控制方式5.1控制器的基本功能及结构5.1.1控制器的功能1．取指令2．分析指令3．执行指令4．控制程序和数据的输入与结果输出5．随机事件和某些特殊请求的处理5.1.2

2、控制器的基本组成图5-1控制器基本组成框图1．指令部件完成取指令并分析指令。包括以下部分：（1）程序计数器PC（2）指令寄存器IR（3）指令译码器ID2．时序部件能产生一定的时序信号，以保证计算机的各功能部件有节奏的运行。包括以下部分：（1）脉冲源（2）启停线路（3）节拍信号发生器3．微操作信号发生器用来产生微操作序列，根据微操作序列的形成方式不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器。4．中断机构即响应和处理中断的逻辑线路，负责处理异常情况和特殊请求。5.2指令的执行过程5.2.1时序系统控制

3、器的心脏，为指令的执行提供各种定时信号。包括以下部分：1．指令周期和机器周期机器周期又称CPU周期，通常它是主存储器的一个访问周期。2．节拍节拍的宽度取决与CPU执行一次微操作所需要的时间，不同的机器周期内所包括的节拍数可以是固定不变的，也可以是可变的。3．工作脉冲在一个节拍中，有的操作还需要严格的定时脉冲，所以在一个节拍之内往往还需要设置几个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。5.2.2指令的执行过程一条指令的执行通常都可以分为以下三个阶段：1．取指令任何一条指令的执行，都必须经过取指令阶段，该阶

4、段主要是将指令从主存中取出放入CPU内部的指令寄存器中。2．分析指令取出指令后指令译码器对保存在IR中的指令操作码进行译码，产生译码信号并送微操作序列形成部件，进而产生微操作序列送运算器、存储器、外设及控制器本身。3．执行指令根据分析指令阶段所产生的微操作序列，控制运算器、存储器、外设及控制器本身完成指令规定的各种操作。5.2.3指令的执行过程举例控制器在实现一条指令的功能时，总是把每条指令分解成一系列时间上先后有序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。下面通过一个简单的模型机来看具体指令的执行

5、过程，即指令的微操作序列。1．数据通路图5-4模型机的数据通路……PCMARMDRR0RN-1…控制信号形成部件IDIR微操作控制信号ALUZYADDSUB至地址总线至数据总线1→C02．加法指令ADDR1，[NUM]即实现：（NUM）+（R1）→R1相应的微操作如下：（1）PCout、MARin、READ、在数据没取出的间隙进行PC+1（0→Y，1→C0，ADD，Zin）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存储功能完成）；（3）MDRout、IRin；（4）IR（D）out、MARin、R

6、EAD；（5）R1out、Yin、WMFC；（6）MDRout、ADD、Zin；（7）Zout、R1in；（8）END。3．转移指令JZA若上次运算结果为0（ZF=1），就转移，转移地址为A；若上次运算结果不为0（ZF=0），就顺序执行下一条指令。相应的微操作序列如下：（1）PCout、MARin、READ、在数据没取出的间隙进行PC+1（0→Y，1→C0，ADD，Zin）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存储功能完成）；（3）MDRout、IRin（4）IFZF=1THENIR（D）ou

7、t、PCinELSEEND；（5）END。5.3硬布线控制器的组成原理与实现方法5.3.1硬布线控制器的组成原理硬布线控制器（组合逻辑控制器），其中的控制信号直接由各种类型的逻辑门和触发器等构成。一般来说，硬布线控制器的设计步骤如下：1．绘制指令流程图以指令为线索，按指令类型分类，将每条指令归纳成若干微操作，然后根据操作的先后次序画出流程图。2．安排指令操作时间表指令流程图的进一步具体化，把每一条指令的微操作序列分配到各个机器周期的各个时序节拍信号上。要求尽量多地安排公共操作，避免出现互斥。3．安

8、排微命令表以微命令为依据，表示在哪个机器周期的哪个节拍有哪些指令要求这些微命令。4．进行微操作逻辑综合根据微操作时间表，将执行某一微操作的所有条件（哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉冲等）都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的逻辑表达式，并加以简化。5．实现电路根据上面所得逻辑表达式，用逻辑门电路的组合或PLA电路来实现。5.3.2硬布线控制器的设计实例1．模型机的数据通路2．模型机的指令系统3．绘制指令流程图4．安排指令的操作时间表5．安排指令的微命令表6．进行微操作信号