简单控制器控制器

1、简单控制器的设计及原理 控制器的概述 1、取指令、取指令 2、分析指令、分析指令 3、执行指令、执行指令 4、发出各种微操作命令、发出各种微操作命令 5、改变指令执行顺序的功能、改变指令执行顺序的功能 6、具有控制主机与、具有控制主机与I/O设备交换信息的功能设备交换信息的功能 7、异常情况和特殊情况的处理功能、异常情况和特殊情况的处理功能 一、控制器的基本功能一、控制器的基本功能 控制器由如下基本部分组成： （1）程序计数器（PC）：用来存放下条将要执行的指令在主存 中的地址。 （2）指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的指令。 （3）指令译码器（ID）：对指令寄存器中的指令的操作码进行

2、 译码，向微操作控制信号形成部件提供特定的操作控制信号。 （4）时序发生器：用于产生机器所需的各种时序信号，以控 制有关部件在不同的时间完成的不同操作。 （5）微操作控制信号形成部件：根据不同的时序关系、操作 码和有关的状态标志给出所需要的微操作控制信号序列。 （6）中断机构：对异常情况及某些中断请求进行处理。 （7）总线控制逻辑：对总线上各部件使用总线进行仲裁。 二、控制器的组成 二、控制器的组成 至运算器至运算器 +1 时序信号发生器时序信号发生器中断系统中断系统 控制台控制台 PC(程序计数器程序计数器) 指令译码器指令译码器 ID 地址形成地址形成 部件部件 微操作命令微操作命令 序列

3、形成部件序列形成部件 OP ADIR(指令寄存器指令寄存器) DB AB 至输入设备至输入设备 至输出设备至输出设备至存储器至存储器 异常特殊请求异常特殊请求 状态控制条件状态控制条件 现行指令地址寄存器现行指令地址寄存器PC 用于存放当前正在执行的指令地址或即将执行执行的下一条指用于存放当前正在执行的指令地址或即将执行执行的下一条指 令的地址。其位数取决于内存单元的个数。令的地址。其位数取决于内存单元的个数。 现行指令寄存器现行指令寄存器IR 用来存放当前正在执行的指令。其位数与存储字长相等，用来存放当前正在执行的指令。其位数与存储字长相等， 对指令寄存器的操作码进行分析、译码并产生相应的控

4、制信号。对指令寄存器的操作码进行分析、译码并产生相应的控制信号。 地址形成部件地址形成部件 根据指令的地址码根据指令的地址码AD部分，形成操作数的地址部分，形成操作数的地址 时序信号发生器时序信号发生器 用来产生计算机运行所需的时序信号，以保证各个微操作的用来产生计算机运行所需的时序信号，以保证各个微操作的 执行顺序。执行顺序。 微操作命令序列的形成部件微操作命令序列的形成部件 是产生各种微操作命令的部件，微操作控制信号是由指令译码是产生各种微操作命令的部件，微操作控制信号是由指令译码 器产的译码信号、时序信号发生器提供的时序信号、被控制部件所器产的译码信号、时序信号发生器提供的时序信号、被控

5、制部件所 反馈的状态及条件信号综合形成。它由触发器和逻辑门电路等组成。反馈的状态及条件信号综合形成。它由触发器和逻辑门电路等组成。 中断机构中断机构 用于处理机器运行中所出现的异常情况和特殊情况的部件，它用于处理机器运行中所出现的异常情况和特殊情况的部件，它 主要包括开中断触发器、中断排队判优、中断隐指令的产生和执行主要包括开中断触发器、中断排队判优、中断隐指令的产生和执行 部件。部件。 控制台控制台 用来实现用户对机器作某些干预的部件。用来实现用户对机器作某些干预的部件。 三、CPU 结构 MAR 存储体存储体 M MDR PC 中断中断 机构机构 OPA +1 ID 微操作信号微操作信号

6、发生器发生器 时序元件时序元件 通用寄通用寄 存器组存器组 Ri ALU LALB 移位器移位器 PSW 控制器控制器运算器运算器 指令流：在取指令周期，指令流：在取指令周期，PCBUS MAR ；READ； MDR BUS IR整个操作过程中涉及到的信息流动。整个操作过程中涉及到的信息流动。 数据流：除指令流外，在数据通路中流动的信息是数据流。数据流：除指令流外，在数据通路中流动的信息是数据流。 （1）A MAR，READ，MDR BUS ALU 内存；内存； （2）Ri ALU BUS Ri （内存）（内存） （3）A MAR，READ，MDR BUS MAR IR PC MAR 存储体存

7、储体 M MDR A MAR 存储体存储体 M MDR LA通用寄通用寄 存器组存器组 Ri LB 移位器移位器 四、指令周期 CPU CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间。每取出并执行一条指令所需的全部时间。 取取 指指 阶阶 段段执执 行行 阶阶 段段 取取 指指 周周 期期执执 行行 周周 期期 指指 令令 周周 期期 （取指、分析）（取指、分析）（执行指令）（执行指令） 由于各种指令操作功能不同，所以各种指令的指令周期由于各种指令操作功能不同，所以各种指令的指令周期 是不相同的。是不相同的。 取指周期取指周期 指指 令令 周周 期期 无条件转移指令无条件转移指令 取指周期取指周期

8、指指 令令 周周 期期 执行周期执行周期 加法指令加法指令 取指周期取指周期 指指 令令 周周 期期 执行周期执行周期 乘法指令乘法指令 间接寻址的指令周期包括取指周期、间址周期和执行周间接寻址的指令周期包括取指周期、间址周期和执行周 期。期。 取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期 指指 令令 周周 期期 当当CPUCPU采用中断方式实现主机与采用中断方式实现主机与I/OI/O交换信息时，交换信息时，CPUCPU 要每条指令执行结束前，发中断查询信号，若检查到要每条指令执行结束前，发中断查询信号，若检查到I/OI/O 提出中断请求，提出中断请求，CPUCPU要进入中断响应阶段要进入

9、中断响应阶段中断周期。中断周期。 一个完整的指令周期包括取指、间址、执行和中断四个一个完整的指令周期包括取指、间址、执行和中断四个 子周期。子周期。 取指周期取指周期FE 有间址吗？有间址吗？ 间址周期间址周期IND 执行周期执行周期EX 有中断吗？有中断吗？ 中断周期中断周期INT Y N Y N 指令周期流程 CPU工作周期的标志 FE FE、INDIND、EXEX和和INTINT分别表示取指、间址、执行和中分别表示取指、间址、执行和中 断四个周期，用高电平断四个周期，用高电平“1”1”表示有效，则四个周期分别表示有效，则四个周期分别 由由 1 FE1 FE、1IND1IND、1EX1EX

10、和和1INT1INT四个信号控制。当各个四个信号控制。当各个 周期的控制信号为低电平时则表示相应的周期结束。周期的控制信号为低电平时则表示相应的周期结束。 FE D IND D EX D INT D CLK 1 FE 1 IND1 EX1 INT 五、指令周期的数据流 1 1、取指令周期的数据流、取指令周期的数据流 PCMAR 控制单元控制单元CU IRMIR 存存 储储 器器 AB DBCB +1 PCMARMAR 存存 储储 器器 控制单元控制单元CU 存存 储储 器器 MIRMIRIR 2 2、间址周期的数据流、间址周期的数据流 AB DB CB MAR 控制单元控制单元CU MIR 存

11、存 储储 器器 3 3、执行周期的数据流、执行周期的数据流 指令在执行周期的操作各不相同，在执行周期的数据指令在执行周期的操作各不相同，在执行周期的数据 是多种多样的，可能是是多种多样的，可能是CPUCPU内部寄存器间的数据传送、或内部寄存器间的数据传送、或 对存储器（对存储器（I/OI/O）进行读写操作、或对）进行读写操作、或对ALUALU进行的操作。进行的操作。 4 4、中断周期的数据流、中断周期的数据流 PCMAR 控制单元控制单元CU MIR 存存 储储 器器 AB DBCB 控制单元控制单元CU把用于保存程序断点的存储器特殊地址（堆栈指针）把用于保存程序断点的存储器特殊地址（堆栈指针

12、） 送往送往MAR，并送到地址总线上，同时将，并送到地址总线上，同时将CAR的内容送到的内容送到MIR，并，并 命令存储器写，将断点地址写入堆栈，最后命令存储器写，将断点地址写入堆栈，最后CUCU控制将中断服务控制将中断服务 程序入口程序入口 地址送地址送CAR。 六、控制器的控制方式 控制器控制一条指令的运行的过程是依次运行一组的微操作序控制器控制一条指令的运行的过程是依次运行一组的微操作序 列的过程，由于每条指令对应的微操作数不同，每个微操作所需的列的过程，由于每条指令对应的微操作数不同，每个微操作所需的 时间是不同的。时间是不同的。 形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法称控制器的控

13、形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法称控制器的控 制方式。制方式。 1 1、同步控制方式、同步控制方式 同步控制方式中，任何一个微操作的执行均由统一的基准时标同步控制方式中，任何一个微操作的执行均由统一的基准时标 系统的时序信号控制。系统的时序信号控制。 （1 1）定长指令周期）定长指令周期 所有指令都含有相同的机器周期数，每个机器周期含有相同的所有指令都含有相同的机器周期数，每个机器周期含有相同的 节拍电位，每条指令的执行时间相等。（简单、浪费）节拍电位，每条指令的执行时间相等。（简单、浪费） T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3 机器周期机器周期 FE 机器周期机器周期

14、IND 机器周期机器周期 EX 指令周期指令周期 T0T1T2T3 机器周期机器周期 INT （2 2）不定长指令周期、定长机器周期）不定长指令周期、定长机器周期 指令周期不固定，但所包含的每个机器周期（存储周期）都相指令周期不固定，但所包含的每个机器周期（存储周期）都相 等。等。 （3 3）变长机器周期、定长节拍电位）变长机器周期、定长节拍电位 指令周期、机器周期均不固定，每个机器周期中含有节拍电位指令周期、机器周期均不固定，每个机器周期中含有节拍电位 根据需要而定，但每个节拍电位的是定长的。根据需要而定，但每个节拍电位的是定长的。 T0T1T2T3 T FE 指令周期指令周期 无条件转移指

15、令无条件转移指令 T0T1T2T3 T FE 指令周期指令周期 T0T1T2T3 T EX 加法指令加法指令 T0T1T2T3 T FE 指令周期指令周期 T0T1T2T3 T EX 乘法指令乘法指令 T*T*T*T* 2 2、异步控制方式、异步控制方式 当控制器发出进行某一微操作控制信号后，等待执行部件完成当控制器发出进行某一微操作控制信号后，等待执行部件完成 该操作后发该操作后发 回的回的“回答回答”信号或信号或“结束结束”信号，再开始新的微操作。信号，再开始新的微操作。 用此方式形成的微操作序列没有固定的周期节拍和严格的时钟用此方式形成的微操作序列没有固定的周期节拍和严格的时钟 同步。每

16、条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间。同步。每条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间。 特点：特点：CPU利用率低，控制器结构复杂。利用率低，控制器结构复杂。 3 3、联合控制方式、联合控制方式 同步控制和异步控制相结合的方式称为联合控制方式。对不同同步控制和异步控制相结合的方式称为联合控制方式。对不同 指令的各个微操作实行大部分统一、小部分区别对待的方式。大部指令的各个微操作实行大部分统一、小部分区别对待的方式。大部 分微操作安排在一个固定机器周期中，并在同步时序信号控制下进分微操作安排在一个固定机器周期中，并在同步时序信号控制下进 行，而对那些时间难以确定的操作微操作则以执行

17、部件送回行，而对那些时间难以确定的操作微操作则以执行部件送回“回答回答” 信号作为本次微操作的结束。信号作为本次微操作的结束。 CPUCPU内部以内部以CPUCPU与内存之间的数据传送加工的指令采用同与内存之间的数据传送加工的指令采用同 步控制。步控制。 乘除法、浮点运算指令等采用中央与局部结全的控制方式。乘除法、浮点运算指令等采用中央与局部结全的控制方式。 I/OI/O操作的指令采用异步控制方式。操作的指令采用异步控制方式。 操作控制操作控制 微地址微地址 状态条件状态条件 微操作信号微操作信号 微地址微地址 形成部件形成部件 OP IR CMAR 译码驱动译码驱动 控制存储器控制存储器 二

18、、微程序控制原理二、微程序控制原理 （一）组成（一）组成 1 1、控制存储器（、控制存储器（C MC M） 存放实现计算机指令系统的存放实现计算机指令系统的 所有微程序，由所有微程序，由ROMROM实现。控实现。控 制存储器的字长是微指令字的制存储器的字长是微指令字的 长度。控制存储器的容量取决长度。控制存储器的容量取决 于指令的数量和每条指令的微于指令的数量和每条指令的微 程序长度，也取决于微指令代程序长度，也取决于微指令代 码的利用率。码的利用率。 2 2、微指令寄存器（、微指令寄存器（CMDRCMDR） 存放由控制存储器读出的一条微指令信息。存放由控制存储器读出的一条微指令信息。 3 3、微地址寄存器（、微地址寄存器（CMARCMAR）：）： 存放将要访问的下一条微指令的微地址。存放将要访问的下一条微指令的微地址。 4 4、微地址形成部件：、微地址形成部件