计算机组成第6章_1.ppt

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1、计算机组成原理教学课件王诚教授清华大学计算机系2009年10月1第６章计算机的控制器部件６.1控制器的功能、组成和指令执行步骤概述６.2硬连线控制器部件６.3微程序的控制器部件６.4指令流水线的概念和实现技术2１、控制器部件概述冯.诺依曼结构的计算机“存储程序”计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序。计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令序列计算机执行程序的基本过程从程序首地址开始执行第一条指令分步执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址自动地连续执行指令

2、，直到程序的最后一条指令3控制器的功能概述控制器的功能就是控制指令的执行过程能够正确并且自动地连续执行指令按程序中设定的指令次序执行能够正确并分步完成每一条指令规定的功能读取指令→分析指令→执行指令能够在执行程序的过程中响应并处理中断使计算机得以更有效的地兼顾多项工作进一步讲，就是向计算机各功能部件(运算器、存储器、总线、输入输出设备的接口，也包括控制器部件本身)提供它们执行指令过程中每一个步骤运行所需要的控制信号。4控制器的组成概述①程序计数器PC存放指令地址，有增量或接收新值的功能②指令寄存器IR存

3、放指令内容：操作码与操作数地址③指令执行步骤标记线路指明每条指令的执行步骤和相对次序关系④控制信号产生线路给出计算机各功能部件协同运行所需要的全部控制信号主脉冲源与启停控制线路5控制器组成和在整机中的地位在计算机硬件系统中，控制器处于指挥控制地位①②③④6两种不同类型的控制器根据指令步骤标记线路和控制信号产生线路不同的组成和不同的运行原理，有两种不同类型的控制器：硬连线控制器(组合逻辑控制器)：采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步骤直接产生控制信号。微程序控制器：采用存储器电路把控制信号存储起来，依据指

4、令执行的步骤读出要用到的信号组合。7时序控制信号形成部件译码IRPC节拍启停….控制条件控制器信号主振硬连线控制器地址寄存器输出设备输入设备主存运算器部件数据总线地址总线控制总线8２、硬连线控制器组成与运行原理硬连线控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、节拍发生器Timer和控制信号产生部件CU4部分组成PC用于提供待读出指令在主存储器中的地址，IR用于保存从主存储器中读出的指令内容，Timer用于给出并维护指令执行步骤的编码，控制信号产生部件用于依据指令内容（在IR中）和指令执行所处的操作步骤（Ti

5、mer提供），用组合逻辑线路产生计算机本操作步骤中各个部件所需要的控制信号。划分指令执行步骤，确定各步骤应执行的功能和步骤之间的衔接关系，以及确定各部件完成这些功能所需要的控制信号，是控制器设计的几个关键环节。9硬连线控制器组成与运行原理如何划分指令执行步骤，是由指令的格式、功能和计算机结构决定的。已经说过，一条指令的执行过程包括读取指令、指令译码、指令执行等几个步骤，而且读取指令公用于所有指令，指令译码步骤对不同指令差异也不大，不同指令执行上的主要差异表现在指令执行这一步骤，如具体用到几个操作步骤、具

6、体完成何种功能，需要遵照指令本身的功能要求来安排指令中最常用到的操作功能主要是：累加器之间的数据运算或传送(1步完成)，存储器或入/出设备读写(2步完成)，改变指令执行次序(1或2步完成)等几种基本类型10硬连线控制器组成与运行原理划分指令执行步骤，与分配各步骤应执行的功能以及步骤之间的衔接方案密切相关，是由指令的总体功能决定的，各步骤的执行次序有严格的逻辑关系，在简单的、指令完全串行执行的多周期CPU系统中，这个关系是简单而明确的。例如，执行指令的前提是先得到指令，因此执行指令的第1个动作只能是取指步

7、骤，之后进入译码步骤；接着执行指令具体功能，例如寄存器之间的数据运算或传送，读写主存或I/O接口(要先送地址，之后才能开始读写操作)。在这个期间还要形成下条指令的地址，如此等等。力争用最少的执行步骤完成每条指令的功能是设计多周期CPU的控制器的原则之一。11硬连线控制器组成与运行原理在多周期CPU系统中,要按照指令总的功能要求,把不同的功能序列划分到相应的步骤，再落实到不同的部件，控制器需要按照指令及其执行步骤，为计算机各个部件提供它们协同运行所需要的控制信号。向各部件提供哪些控制信号，决定于各部件的运

8、行要求。为此必须规划汇总各部件在各个执行步骤中要求使用的控制信号。例如，教学机的运算器要求使用23位控制信号，控制器就必须按照运算器的运行要求如实提供。控制器同样需要向主存储器、接口电路、总线电路、也包括控制器部件本身提供相应控制信号。这些信号是用组合逻辑电路产生的，可以表示为：信号i=f(指令内容,执行步骤等)，通常表现为多个由与、或两级逻辑构成的表达式。12指令执行步骤标记:节拍发生器前面已经说到，一条指令的执行时间被称为指令周期，一个