计算机组成原理控制器课件

计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器1（1）程序控制保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。（2）操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。（3）时间控制对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。（4）数据加工CPU的基本功能（1）程序控制CPU的基本功能2

控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令。控制器的基本功能 控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指31、编程2、送存储器（通过输入设备）3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。4、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。程序控制原理1、编程程序控制原理4(1)

常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)； 方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化为原则，用逻辑门电路实现；(2)

可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，用大规模集成电路(LSI)来实现。(3)微程序控制逻辑法。 将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑； 将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）； 一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。控制器实现方法(1)

常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)；控制器实现方法533336CPU组成

一、控制器组成：PC、IR、指令译码器、程序状态寄存器PSW、时序产生器、微命令发生器（操作控制器）微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送MCPU组成微命令微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…7微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器微命令发生器功能：产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作(微操作)的命令电位型脉冲型构成微命令发生器微命令微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...P8二、运算器对数据进行加工处理，它的操作由控制器发来的控制信号控制执行算逻运算。二、运算器9IRPCARDRACPSWCPU中的主要寄存器IRCPU中的主要寄存器101、指令寄存器IR存放现行指令指令从存储器中取出→数据缓冲寄存器DR→IRCPU中的主要寄存器1、指令寄存器IR存放现行指令CPU中的主要寄存器11功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址转移地址控制台信息送MPC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器IR地址码字段译码器微命令发生器地址形成部件寻址方式D功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址控制台信122、程序计数器PC存放指令在存储器中的地址程序开始执行前，将起始地址(第一条指令地址)→PCPC应具有寄存信息和计数两种功能CPU中的主要寄存器2、程序计数器PC存放指令在存储器中的地址CPU中的主要寄存13微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M指令计数器PC功能：指示指令在M中的位置。PC本身+1顺序执行PC先+1，再用转移地址修改PC微命令发生器PC转移执行:ALU+1IR微命令微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...P143、地址寄存器AR保存当前CPU所访问内存单元的地址AR结构同DR、IR，使用单纯的寄存器结构信息的存入一般采用电位(电平)-脉冲方式

(电平输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时将信息打入寄存器)CPU中的主要寄存器3、地址寄存器AR保存当前CPU所访问内存单元的地址CPU中154、数据缓冲寄存器DR暂时存放：①由存储器读出的一条指令或一个数据字②向存储器存入的一个数据字CPU与M、I/O之间信息传送的中转站，补偿速度差别在单累加器结构的运算器中，可兼作操作数寄存器CPU中的主要寄存器4、数据缓冲寄存器DR暂时存放：CPU中的主要寄存器165、累加寄存器AC即累加器，是一个通用寄存器为ALU的算逻运算提供一个工作区ALU两个输入端加入多路开关或三态门或选择器，以便选择输入CPU中的主要寄存器5、累加寄存器AC即累加器，是一个通用寄存器CPU中的主要176、程序状态寄存器PSW指示程序工作方式、反映程序运行结果PSW与控制/状态寄存器有何区别？

PSW在CPU中，反映程序运行状态；控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态。CPU中的主要寄存器6、程序状态寄存器PSW指示程序工作方式、反映程序运行结果18程序状态寄存器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。例.某机的PSW控制台信息送MPC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器PCIRPSW工作方式优先级TNZVC151211876543210程序状态寄存器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果19C=1进位

V=1溢出Z=1结果为0N=1结果为负T=1,执行跟踪程序（1）条件码反映程序运行结果工作方式优先级TNZVC151211876543210（2）跟踪标志为程序查错设置的断点标志T。程序初始化置T为1...测试T跟踪程序….....C=1进位T=1,执行跟踪程序（1）条件码反映程序20程序优先级高于外部优先级，不响应程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：禁止程序执行某些指令核心方式：允许程序执行所有指令（3）优先级为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。151211876543210（4）工作方式规定程序的特权级。工作方式优先级TNZVC程序优先级高于外部优先级，不响应用户方式：禁止程序执行某些指21控制台信息PC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW

时序时序线路控制台信息PC微命令微命令序列I/O状态运行状态译码…...22功能：控制操作时间和操作时刻。振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时钟周期(节拍)产生电位型微命令，控制操作时间段产生脉冲型微命令，控制定时操作时序产生器功能：控制操作时间和操作时刻。振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时23指令执行过程指令执行过程241.取指令PC控制台信息送MPC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器PCIRPSW

时序地址M指令IR、译码(OP、寻址方式)PC+1PC1.取指令PC控制台信息送MPC微命令微命令序列I/O状态运252.取操作数(按寻址方式)立:指令操作数有效地址M,取数R,取数直:寄存器号间:间接地址M,取有效地址寄存器号R,取有效地址变:形式地址变址量运算器计算有效地址PC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

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时序送M2.取操作数(按寻址方式)立:指令操作数有效地址M,取数R,263.执行操作(按操作码)结果存储器/寄存器操作数加法器操作数PC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

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时序送M3.执行操作(按操作码)结果存储器/寄存器操作数加法器操作数27单总线结构ZALUYR7R0…PCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUS…+1单总线结构ZALUYR7R0…PCIR控制器.MAR微操作信28计算机组成原理控制器课件29计算机组成原理控制器课件305.2.2指令周期一、何谓指令周期一条指令从取指到执行完的时间5.2CPU工作机制5.2.1基本概念：指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。取一条指令执行该指令开始5.2.2指令周期一、何谓指令周期5.2CPU工作315.2.2指令周期一、何谓指令周期

5.2CPU工作机制5.2.1基本概念：指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。取一条指令执行该指令开始

机器周期（工作周期）：是从内存中读取一个指令字的最短时间，即CPU周期。

由周期状态触发器完成。5.2.2指令周期一、何谓指令周期5.2CPU工作32二.组合逻辑控制器的时序划分即时序信号与操作的关系●采用三级时序系统：指令周期CPU周期1CPU周期2CPU周期n……时钟周期1时钟周期2时钟周期m….….工作脉冲1工作脉冲2工作脉冲k…..……….(节拍1)(节拍2)(节拍m)5.2CPU工作机制机器周期/工作周期节拍脉冲/T周期二.组合逻辑控制器的时序划分即时序信号与操作的关系●采用33时钟周期（节拍T）：时序系统中最基本的时间分段，每个时钟周期完成一步操作。由节拍发生器产生。时钟脉冲：时钟周期虽然提供了一项操作所需的时间分段，但有的操作还需要严格的定时脉冲。例如寄存器打入、时钟周期的切换等。

5.2CPU工作机制时钟周期（节拍T）：时序系统中最基本的时间分段，每个时钟周期34定长CPU周期的指令周期示意图

定长CPU周期的指令周期示意图35●时序关系：晶振输出工作周期1工作周期2工作周期3时钟T1工作脉冲P时钟T2指令周期控制不同阶段操作时间控制分步操作时间对微操作定时取指执行取数取出指令修改PC打入IR打入PC●时序关系：晶振输出工作周期1工作周期2工作周期3时钟T365.2CPU工作机制三、典型指令周期由5条指令构成一个简单程序32八进制地址八进制内容

助记符020021022023024030031040250000030030021031000000140021000006000040

存和数单元CLAADD30STA40NOPJMP21

数据5.2CPU工作机制三、典型指令周期32八进制地址八进制373333385.2.3指令周期的拟定用方框图语言表示：一个方框：一个CPU周期菱形：判别或测试公操作5.2CPU工作机制345.2.3指令周期的拟定用方框图语言表示：5.2395.2CPU工作机制5.2CPU工作机制40355.2CPU工作机制例教材图5.15所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。

(1)“ADDR2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。

(2)“SUBR1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，画出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。355.2CPU工作机制例教材图5.15所示为双总41计算机组成原理控制器课件42谢谢！谢谢！43计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器计算机组成原理控制器44（1）程序控制保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。（2）操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。（3）时间控制对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。（4）数据加工CPU的基本功能（1）程序控制CPU的基本功能45

控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令。控制器的基本功能 控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指461、编程2、送存储器（通过输入设备）3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。4、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。程序控制原理1、编程程序控制原理47(1)

常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)； 方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化为原则，用逻辑门电路实现；(2)

可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，用大规模集成电路(LSI)来实现。(3)微程序控制逻辑法。 将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑； 将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）； 一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。控制器实现方法(1)

常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)；控制器实现方法48333349CPU组成

一、控制器组成：PC、IR、指令译码器、程序状态寄存器PSW、时序产生器、微命令发生器（操作控制器）微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送MCPU组成微命令微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…50微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器微命令发生器功能：产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作(微操作)的命令电位型脉冲型构成微命令发生器微命令微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...P51二、运算器对数据进行加工处理，它的操作由控制器发来的控制信号控制执行算逻运算。二、运算器52IRPCARDRACPSWCPU中的主要寄存器IRCPU中的主要寄存器531、指令寄存器IR存放现行指令指令从存储器中取出→数据缓冲寄存器DR→IRCPU中的主要寄存器1、指令寄存器IR存放现行指令CPU中的主要寄存器54功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址转移地址控制台信息送MPC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器IR地址码字段译码器微命令发生器地址形成部件寻址方式D功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址控制台信552、程序计数器PC存放指令在存储器中的地址程序开始执行前，将起始地址(第一条指令地址)→PCPC应具有寄存信息和计数两种功能CPU中的主要寄存器2、程序计数器PC存放指令在存储器中的地址CPU中的主要寄存56微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M指令计数器PC功能：指示指令在M中的位置。PC本身+1顺序执行PC先+1，再用转移地址修改PC微命令发生器PC转移执行:ALU+1IR微命令微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...P573、地址寄存器AR保存当前CPU所访问内存单元的地址AR结构同DR、IR，使用单纯的寄存器结构信息的存入一般采用电位(电平)-脉冲方式

(电平输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时将信息打入寄存器)CPU中的主要寄存器3、地址寄存器AR保存当前CPU所访问内存单元的地址CPU中584、数据缓冲寄存器DR暂时存放：①由存储器读出的一条指令或一个数据字②向存储器存入的一个数据字CPU与M、I/O之间信息传送的中转站，补偿速度差别在单累加器结构的运算器中，可兼作操作数寄存器CPU中的主要寄存器4、数据缓冲寄存器DR暂时存放：CPU中的主要寄存器595、累加寄存器AC即累加器，是一个通用寄存器为ALU的算逻运算提供一个工作区ALU两个输入端加入多路开关或三态门或选择器，以便选择输入CPU中的主要寄存器5、累加寄存器AC即累加器，是一个通用寄存器CPU中的主要606、程序状态寄存器PSW指示程序工作方式、反映程序运行结果PSW与控制/状态寄存器有何区别？

PSW在CPU中，反映程序运行状态；控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态。CPU中的主要寄存器6、程序状态寄存器PSW指示程序工作方式、反映程序运行结果61程序状态寄存器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。例.某机的PSW控制台信息送MPC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器PCIRPSW工作方式优先级TNZVC151211876543210程序状态寄存器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果62C=1进位

V=1溢出Z=1结果为0N=1结果为负T=1,执行跟踪程序（1）条件码反映程序运行结果工作方式优先级TNZVC151211876543210（2）跟踪标志为程序查错设置的断点标志T。程序初始化置T为1...测试T跟踪程序….....C=1进位T=1,执行跟踪程序（1）条件码反映程序63程序优先级高于外部优先级，不响应程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：禁止程序执行某些指令核心方式：允许程序执行所有指令（3）优先级为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。151211876543210（4）工作方式规定程序的特权级。工作方式优先级TNZVC程序优先级高于外部优先级，不响应用户方式：禁止程序执行某些指64控制台信息PC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW

时序时序线路控制台信息PC微命令微命令序列I/O状态运行状态译码…...65功能：控制操作时间和操作时刻。振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时钟周期(节拍)产生电位型微命令，控制操作时间段产生脉冲型微命令，控制定时操作时序产生器功能：控制操作时间和操作时刻。振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时66指令执行过程指令执行过程671.取指令PC控制台信息送MPC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器PCIRPSW

时序地址M指令IR、译码(OP、寻址方式)PC+1PC1.取指令PC控制台信息送MPC微命令微命令序列I/O状态运682.取操作数(按寻址方式)立:指令操作数有效地址M,取数R,取数直:寄存器号间:间接地址M,取有效地址寄存器号R,取有效地址变:形式地址变址量运算器计算有效地址PC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器PCIRPSW

时序送M2.取操作数(按寻址方式)立:指令操作数有效地址M,取数R,693.执行操作(按操作码)结果存储器/寄存器操作数加法器操作数PC微命令发生器微命令序列I/O状态运行状态译码…...PSW

时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1微命令发生器PCIRPSW

时序送M3.执行操作(按操作码)结果存储器/寄存器操作数加法器操作数70单总线结构ZALUYR7R0…PCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUS…+1单总线结构ZALUYR7R0…PCIR控制器.MAR微操作信71计算机组成原理控制器课件72计算机组成原理控制器课件735.2.2指令周期一、何谓指令周期一条指令从取指到执行完的时间5.2CPU工作机制5.2.1基本概念：指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。取一条指令执行该指令开始5.2.2指令周期一、何谓指令周期5.2CPU工作745.2.2指令周期一、何谓指令周期

5.2CPU工作机制5.2.1基本概念：指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。取一条指令执行该指令开始

机器周期（工作周期）：是从内存中读取一个指令字的最短时间，即CPU周期。

由周期状态触发器完成。5.2.2指令周期一、何谓指令周期5.2CPU工作75二.组合逻辑控制器的时序划分即时序信号与操作的关系●采用三级时序系统：指令周期CPU周期1CPU周期2CPU周期n……时钟周期1时钟周期2时钟周期m….….工作脉冲1工作脉冲2工作脉冲k…..……….(节拍1)(节拍2)(节拍m)5.2CPU工作机制机器周期/工作周期节拍脉冲/T周期二.组合逻辑控制器的时序划分即时序信号与操作的关系●采用76时钟周期（节拍T）：时序系统中最基本的时间分