计算机组成原理与系统结构 第5章 控制器

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1、第五章控制器5.1控制器概述5.2时序5.3微程序控制5.4硬布线控制5.5流水线5.6CPU实例5.1控制器概述中央处理器主要由运算器和控制器组成。依据控制器的具体组成与运行原理的不同，通常把控制器分为微程序控制器和硬布线控制器两大类。这两种控制器，指令的执行步骤基本相同，其主要差异表现在解决指令执行步骤衔接关系的方案，以及提供每个执行步骤要用到的控制信号的具体逻辑线路、运行速度等方面。5.1.1控制器的功能控制器部件是计算机的五大功能部件之一，其作用是向计算机的每个部件（包括控制器部）提供协同运行所需要的控制信号。当我们使用计算机解决某个问

2、题时，必须首先编写程序，而程序是由很多条指令组成的，这些指令告诉计算机应该完成什么操作，在哪里找到指令执行所需要的数据。程序在运行之前要装入到主存储器中，然后由计算机自动完成取出指令并执行指令，完成这项工作的硬件就是中央处理器。5.1.2控制器的组成1.控制器的组成为了实现上述的功能，控制器必须由一些具有不同处理功能的逻辑线路组成，如图5.1所示。各种不同类型计算机的控制器会有不少差别，但其基本组成是相同的，控制器主要由以下几部分组成。（1）程序计数器(ProgrammingCounter，PC)即指令地址寄存器。在某些计算机中用来存放当前正在

3、执行的指令地址；而在另一些计算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地址；程序计数器具有加1或接收新值功能。有两种方法来形成指令地址，顺序执行程序的时候，通过PC加1或其他固定值来形成下一条指令的地址。（2）指令寄存器(InstructionRegister，IR)指令寄存器用来存放当前正在执行的指令。当指令从主存储器中取出暂时存放在指令寄存器后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许被改变，以保证实现指令的全部功能。（3）指令译码器指令译码器又称为操作码译码器，对指令寄存器中的指令的操作码进行译码分析，产生相应的控制信号。（4）脉冲源脉冲源

4、产生一定频率和宽度的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号，在机器刚加电时，还应产生一个总清信号(Reset)。Reset信号撤掉后，脉冲源立即按照规定的频率重复发出方波时钟脉冲序列，直到关闭电源。（5）启停线路启停线路也称为启停控制逻辑。电源一旦接通，脉冲源就发出一定频率的主时钟脉冲，但这并不意味着计算机已经开始工作，只有通过启停线路把计算机启动后，主时钟脉冲才被允许进入，并启动时序控制信号形成部件开始工作。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使机器停机。（6）时序控制信号

5、形成部件当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。（7）指令执行步骤标记线路指明每条指令的执行步骤及接续关系。（8）中断控制逻辑中断控制逻辑的作用是用来控制中断处理的硬件逻辑电路。2.CPU中的寄存器CPU中的寄存器用来暂时存放运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及控制状态信息。CPU中的寄存器分两大种：通用寄存器和专用寄存器。.通用寄存器通用寄存器的功能很多，可以用来存放原始操作数和运算结果，还可以作为变址寄存器、指针寄存器等。.专用寄存器前面介绍过

6、的程序计数器、指令寄存器等都是专用寄存器，用来完成特定的功能。该课程中用到的CPU寄存器主要有程序计数器、指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器、累加寄存器和状态条件寄存器，程序计数器和指令寄存器不再重复，其他几个寄存器的功能如下：（1）数据寄存器（DR）数据寄存器用来临时存放从主存储器中取出的一条指令或一个数据字。反过来，当向主存储器写入一条指令或一个数据字时，也把它们临时存放在数据寄存器中。（2）地址寄存器（AR）地址寄存器保存当前CPU所访问的主存储器单元的地址。由于在CPU和主存之间存在着操作速度上的差异，所以必须要使用地址寄存器来保持内存

7、的地址信息，直到主存储器存取操作完成为止。5.1.3指令的执行过程控制器部分最重要的问题是理解指令的分步执行，这部分内容所涉及的知识综合性最强，是本课程最难的部分。要理解与设计指令的执行步骤，需要了解每条指令的格式与功能，要了解计算机各个功能部件的组成与运行原理，以及它们各自的控制与使用方式、它们之间的连接关系等，要涉及整台计算机的几乎全部组成逻辑和运行机制。⒈指令的执行过程一般情况下，一条指令的执行过程分为四个阶段：取指令，分析指令，执行指令和检查有无中断请求。（1）取指令把将要执行的指令从主存储器中取出，送往指令寄存器，具体操作如下：①把程

8、序计数器中的内容送往地址寄存器AR，然后再送往地址总线。②控制器向主存储器发出读的控制信号。③从主存储器中读出的指令经过数据总线送往指令寄存器。④程序