第8周大课 控制器

回顾指令级并行技术教学内容控制器概述硬布线控制器微程序控制器

教学要求掌握控制器的工作原理熟悉硬布线控制器和微程序控制器的机理第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成

CU的功能是，通过对指令的分析（译码），按照一定的时序，根据当前处理器的状态（标志），向计算机的各个部件（包括控制器本身）发出控制命令/信号（即微命令），部件接受微命令后进行的操作叫做微操作。为了对微操作进行时序控制，处理器用时钟信号CLK来控制每一个微命令的产生。

第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成PC……C1时钟信号(Clock,CLK)控制信号产生器CSG(ControlSignalGenerator)S0指令译码器IDOPADID指令寄存器IRFR标志寄存器FR程序计数器PCS1SnC2C3……控制信号第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成

处理器每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。在一个指令周期内，处理器要完成的操作有“取指”和“执行”。“取指”是将一条指令从主存取入到处理器中，“执行”是对指令进行译码并完成其指定的操作。这两个操作是有严格的时间顺序的，即先“取指”后“执行”。

（二）三级时序系统第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成例如，“取指”阶段，需要发出的微命令有：MAR←(PC)R←1PC←(PC)+1MDR←M(MAR)IR←(MDR)CU←OP(IR)

（二）三级时序系统第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成

以加法指令ADDM（注：源操作数在主存中，另一个操作数隐含存放在累加器AC中，相加结果仍存回AC）为例，“执行”阶段，需要发出的微命令有：MAR←AD(IR)R←1MDR←M(MAR)AC←(MDR)+(AC)

（二）三级时序系统第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成不同指令的解释时间不尽相同。为了简化控制，它们一般都是被设计成节拍的某个整数倍——基准周期，这个基准周期称为机器周期（或CPU周期），它的长短取决于指令的基本操作和器件的工作速度。整数倍数可以是1倍也可以是多倍。1倍时，称为单机器周期（简称“单周期”）处理器。多倍时，称为多机器周期（简称“多周期”）处理器。

（二）三级时序系统第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成“单周期”处理器中，所有指令的指令周期都是相同的，等于一个机器周期。指令周期的大小，取决于指令集中最复杂指令的执行时间。例如指令周期为9或10个节拍。由于单周期处理器的效率很低，大多数处理器采用“多周期”。最简单的多周期就是两周期，即把“取指”所花的时间称为“取指周期”，“执行”所花的时间称为“执行周期”。取指周期和执行周期是等长。

（二）三级时序系统第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成在多周期处理器中，机器周期就变成了所有指令执行过程中的一个基准时间。那么，它的长度（即包含的节拍数）应取多少呢？

（二）三级时序系统

为了保证在一个机器周期至少能够完成一个指令的基本操作，一般选取处理器访问一次主存的时间（也称总线周期）作为机器周期。一个标准的、同步总线的总线周期包含4个节拍。第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成

不同指令的功能不同，其指令周期也是不尽相同的。例如，JUMP指令和NOP指令就没有执行周期。

（二）三级时序系统另外，采用间接寻址的指令，在取指周期之后，还有一个访问主存，读取操作数地址的周期——间址周期。如果在指令执行的末尾，处理器检测到中断请求信号，且当时处理器处于允许中断的状态，则处理器将在执行周期结束后进入中断周期。第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成多周期处理器的CU中应设置“指令执行阶段的标记”，如“FE”、“IND”、“EXE”和“INT”分别是“取指周期”、“间址周期”、“执行周期”和“中断周期”的状态标志。一个时刻，这些标志只能有一个为“1”。

（二）三级时序系统1FE1IND1EX1INTFEDINDDINTDCLKEXD第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本组成“间址周期”需要发出的微命令有：MAR←AD(IR)R←1MDR←M(MAR)MAR←(MDR)

（二）三级时序系统第4章控制器“中断周期”需要发出的微命令有：MDR←(PC)//保存断点——PC中的值MAR←(SP)SP←(SP)+1//到“向上增长的空堆栈”中W←1

M(MAR)←MDRMDR←(PSW)//保存程序状态寄存器的值MAR←(SP)SP←(SP)+1W←1M(MAR)←MDREINT←0//关中断PC←中断向量地址第4章控制器总之，一个机器周期包含了若干个节拍。在每一个节拍内，处理器可以同时执行一个或几个的微操作。指令周期、机器周期和节拍构成了控制器的三级时序系统。第4章控制器控制器中“控制信号发生器”的实现有两种方式：基于组合逻辑的硬联控制/硬布线控制

(

HardwiredControl)基于存储逻辑的微程序控制(

MicroprogrammedControl

)硬布线控制器微程序控制器第4章控制器4.2硬布线控制器设计产生控制信号的组合逻辑电路的步骤是：（1）写出指令周期中每个节拍内的应发出的微操作；（2）列出所有控制信号的操作时间表；（3）根据时间表，写出每个控制信号的逻辑表达式；（4）根据逻辑表达式，设计组合逻辑电路。第6章控制器设计产生控制信号的组合逻辑电路的步骤是：（1）写出指令周期中每个节拍内的应发出的微操作；

安排控制信号，首先要严格遵循解释一条指令所要发出的/控制信号的先后顺序；其次，对于控制部件不同的控制信号，应安排在一个节拍内发出，以缩短时间；最后，对于一些占用时间短的微操作，其控制信号可以在一个节拍内，按照规定的先后顺序，依次发出。4.2硬布线控制器第4章控制器1）取指周期的控制信号节拍安排C1：MAR←(PC)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：PC←(PC)+1C4：IR←(MDR)，CU←OP(IR)

2）算术左移指令“SHL”执行周期的控制信号节拍安排C1：C2：C3：C4：AC←R(AC)，AC0←AC04.2硬布线控制器第4章控制器3）取数指令“LDAM”执行周期的控制信号节拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：AC←(MDR)

4）存数指令“STAM”执行周期的控制信号节拍安排C1：MAR←AD(IR)C2：MDR←AC，W←1C3：C4：M(MAR)←MDR4.2硬布线控制器第4章控制器5）无条件转移指令“JMPX”执行周期的控制信号节拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：PC←(MDR)

6）为零转移指令“JZX”执行周期的控制信号节拍安排C1：C2：C3：C4：PC←ZF·AD(IR)+ZF·(PC)

4.2硬布线控制器第4章控制器7）加法指令“ADDM”执行周期的控制信号节拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：AC←(AC)+

(MDR)

8）求补/取反指令“COM”执行周期的控制信号节拍安排C1：C2：C3：C4：AC←AC

4.2硬布线控制器第4章控制器列出控制信号的操作时间表。表中，“1”表示发出控制信号，“0”（省略填写）表示不发出控制信号。周期标志节拍控制信号SHLLDAMSTAMFE取指C1MAR←(PC)111R←1111C2MDR←M(MAR)111C3PC←(PC)+1111C4IR←(MDR)111CU←OP(IR)1114.2硬布线控制器周期标志节拍控制信号SHLLDAMSTAMEXE执行C1MAR←AD(IR)1R←11C2MDR←M(MAR)1MDR←AC1W←11C3C4AC←R(AC)1AC0←AC01AC←(MDR)1M(MAR)←MDR1第4章控制器4.2硬布线控制器第4章控制器根据时间表，写出每个控制信号的逻辑表达式例如，“MDR←M(MAR)”的逻辑表达式为：FE·C2·(SHL+LDAM+STAM+JMPX+JZX+COM)+EXE·C2·(LDAM)=FE·C2+EXE·C2·(LDAM)=C2·[FE+EXE·(LDAM)]其中，SHL、LDAM、STAM、JMPX、JZX和COM均为指令译码器的输出信号。4.2硬布线控制器第4章控制器根据逻辑表达式，画出所有控制信号的组合逻辑电路图。例如下图就是“MDR←M(MAR)”的逻辑电路图。&FEC2EXE&LDAM&1≥MDR←M(MAR)4.2硬布线控制器第4章控制器4.3微程序控制器在硬联控制中，不同的控制信号用不同的组合逻辑电路来实时地生成。这种方法设计复杂、实现成本高。既然每条指令需要发出的控制信号都是固定的，而且已经被分析出来、顺序安排在每个节拍中，那么把这些信息存储起来，在解释指令时调出来，直接发出控制信号不就可以了吗？

的确可以，这种被称为“微程序控制”的方法，在1951年就被英国剑桥大学的计算机教授Wilkes提出来了（所以“微程序控制”也称“Wilkes模型”）。第4章控制器微程序控制器的设计原理是：依据指令的执行步骤中，每一个节拍需要发出的控制信号，编制微指令。一个节拍对应一条微指令。把这些微指令编制成微程序。在所有指令的微程序都编制完成后，将其存入控制器内部的专用只读存储器ROM——控制存储器（ControlMemory,CM）中。4.3微程序控制器第4章控制器微程序控制器的工作原理是：运行时，控制器按顺序从控制存储器（简称控存）中读出某条指令对应微程序的微指令，逐拍、逐条送入微指令寄存器(μIR)和译码器，译码后产生所需微命令/控制信号，使相应部件执行所规定的操作，完成对该指令的解释。

4.3微程序控制器第4章控制器

微指令由“操作控制（控制命令）字段”和“顺序控制字段”组成。其中“顺序控制字段”用来在当前微指令执行结束后，确定下一条微指令的地址（简称“下地址”）。微程序控制器的组成，除了IR、PC、FR和时序系统外，增加了控存、微指令寄存器、微指令地址转移逻辑电路以及微指令地址寄存器（μAR）等部件.4.3