计算机硬件系统基础――第6章ppt课件.ppt

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1、第六章控制器6.1控制器的组成及指令的执行一、控制器的组成能识别机器指令的计算机硬件称为控制器。计算机的工作过程，就是其控制器指令译码和指令执行的过程。1．程序计数器（PC）当指令顺序执行时，由PC+1产生下一条指令的地址当遇到转移指令时，转移地址PC作为下一条指令的地址。2．指令寄存器（IR）在指令寄存器中控制器对指令进行译码、执行3．指令译码器指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入，操作码经过译码后的信号与操作控制信号形成部件一起产生该指令所需要的有一定时序关系的操作控制信号序列。4．操作控制信号形成部件采用硬

2、布线设计（时序逻辑电路）的操作控制信号形成部件采用微程序设计的操作控制信号形成部件功能：根据指令的操作码以及时序信号，产生取出指令和执行这条指令所需的各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，完成取出指令和执行指令的控制。5．时序信号产生器取指令和执行指令所需的各种操作控制信号是有一定时序的，这些时序由时序信号产生器产生。时序信号产生器负责提供时钟信号和机器周期信号，以规定每个操作的时间。时序信号产生器包括启停线路，负责控制时钟脉冲的送出与封锁，从而实现计算机的启动与停止。指令的执行过程：包括取指令、执行指令；（1）取指令：（

3、a）控制器先将第一条指令的地址置入PC，PC将当前指令的地址送到地址寄存器AR，同时，PC+1->PC；AR（地址寄存器）的输出通过AB（地址总线）送到存储器，指明指令所在的地址单元，控制器发出读控制信号，从存储器中读出该条指令；该指令通过DB（数据总线）送到指令寄存器IR；（b）指令送到IR后，通过指令译码器对其进行分析，将译码结果送到操作控制信号形成部件。（2）执行指令：操作控制信号形成部件根据译码信息和时序周期信号，发出该指令所需的所有部件的控制信号，这些控制信号具有一定的时序关系，完成该指令的执行。例：指令字长为8位，

4、高4位为基本操作码，低4位为源寄存器和目的寄存器地址，指令可以是单字长、双字长和三字长。存储器指令如下表所示：指令地址指令机器码助记符0000010001010000ADDR0,06H0000010100000110（立即数）0000011010000000JMP04H0000011100000100（转移地址）分别给出两条指令的取指和执行过程。加法指令的取指和执行过程：取指过程：（见图7.2）（1）PC置为04H，送地址寄存器AR，AR的地址通过AB送到存储器的地址端，PC+1->PC，指向05H地址单元。准备取立即数；（2

5、）控制器发出读控制信号，将04H地址单元的内容50H取出，即读出指令，通过数据总线送指令寄存器IR。（3）IR中的指令送到指令译码器进行译码分析判断，将结果信息送到操作控制信号形成部件。加法指令的取指和执行过程：执行过程：（见图7.3）（1）PC的内容05H送地址寄存器AR，同时PC+1送PC，指向下一条指令的地址06H，准备取下一条指令（2）控制器发出读信号，从存储器05H单元中读出操作数，通过数据总线和内部总线送到ALU。（3）根据指令寄存器IR中的低4位，由寄存器地址译码得到源操作数寄存器为R0，因此，从R0中取出另一操

6、作数，并送运算器ALU。（4）在ALU中进行加法运算，将结果送目的寄存器R0。转移指令的取指和执行过程：取指过程：（见图7.4）（1）PC置为00000110，送地址寄存器AR，PC+1->PC，指向07H。准备取转移地址；（2）AR的内容通过AB送到存储器的地址端，控制器发出读控制信号，将该地址单元的内容取出，即读出指令，通过数据总线送指令寄存器IR。（3）IR中的指令送到指令译码器进行译码分析判断，将结果信息送到操作控制信号形成部件。转移指令的取指和执行过程：执行过程：（见图7.5）（1）PC的内容07H送地址寄存器AR，

7、同时PC+1送PC，指向下一条指令的地址08H，准备取下一条指令（2）控制器发出读信号，从存储器07H单元中读出转移地址，通过数据总线和内部总线送到ALU。（3）因为该地址为直接转移地址，不需要进行转移地址的运算，因此将该地址从ALU中直接送PC，实现转移操作。总结：指令的执行过程包括取指和执行指令两个阶段，这两个阶段的所有操作控制信号由控制器产生，所有指令的取指阶段，其控制信号都是相同的；执行指令阶段的操作控制信号不同。二、指令周期1、指令周期的基本概念（1）指令周期：计算机从取出一条指令并完成该指令的执行所需要的时间，各种

8、指令的指令周期是不同的。如一条访问内存指令和非访问内存指令的指令周期是不同的。机器周期：又称CPU周期，指CPU与内存交换一次信息（读或写）所需要的最短时间。一个指令周期包含若干机器周期。时钟周期：又称节拍脉冲（或T周期），指CPU执行一个微操作命令（控制信号）的最小时间单位