组成原理课件 - 控制器的概述

§6·1控制器的概述1、取指令2、分析指令3、执行指令4、发出各种微操作命令5、改变指令执行顺序的功能6、具有控制主机与I/O设备交换信息的功能7、异常情况和特殊情况的处理功能一、控制器的基本功能（1）指令控制（2）操作控制（3）时间控制（4）数据加工中央处理器CPU的四个主要功能二、控制器的组成

至运算器+1时序信号发生器中断系统控制台CAR指令译码器ID地址形成部件微操作命令序列形成部件OPADCIRDBAB至输入设备至输出设备至存储器异常特殊请求状态控制条件现行指令地址寄存器CAR

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。现行指令寄存器CIR

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制信号。地址形成部件根据指令的地址码AD部分，形成操作数的地址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执行顺序。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部件。控制台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MBMIRCAR中断机构OPA+1ID微操作信号发生器时序元件通用寄存器组RiALULALB移位器PSW控制器运算器指令流：在取指令周期，CAR→BUS→MAR；READ；MIR→BUS→IR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。（1）A→MAR，READ，MIR→BUS→ALU→内存；（2）Ri→ALU→BUS→Ri

（内存）（3）A→MAR，READ，MIR→BUS→MARIR四、指令周期

CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间。取指阶段执行阶段取指周期执行周期指令周期（取指、分析）（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是不相同的。取指周期指令周期无条件转移指令取指周期指令周期执行周期加法指令取指周期指令周期执行周期乘法指令间接寻址的指令周期包括取指周期、间址周期和执行周期。取指周期间址周期指令周期执行周期当CPU采用中断方式实现主机与I/O交换信息时，CPU要每条指令执行结束前，发中断查询信号，若检查到I/O提出中断请求，CPU要进入中断响应阶段——中断周期。

一个完整的指令周期包括取指、间址、执行和中断四个子周期。取指周期FE有间址吗？间址周期IND执行周期EX有中断吗？中断周期INTYNYN指令周期流程CPU工作周期的标志

FE、IND、EX和INT分别表示取指、间址、执行和中断四个周期，用高电平“1”表示有效，则四个周期分别由1→FE、1→IND、1→EX和1→INT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。FEDINDDEXDINTDCLK1→FE1→IND1→EX1→INT五、指令周期的数据流1、取指令周期的数据流

CARMAR控制单元CUIRMIR①②存储器③ABDBCB④⑤⑤2、间址周期的数据流

ABDBCBMAR控制单元CUMIR①②存储器③④3、执行周期的数据流

指令在执行周期的操作各不相同，在执行周期的数据是多种多样的，可能是CPU内部寄存器间的数据传送、或对存储器（I/O）进行读写操作、或对ALU进行的操作。IR4、中断周期的数据流

CARMAR控制单元CUMIR①②存储器③ABDBCB④⑤②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）送往MAR，并送到地址总线上，同时将CAR的内容送到MIR，并命令存储器写，将断点地址写入堆栈，最后CU控制将中断服务程序入口地址送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。

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。1、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系统的时序信号控制。（1）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节拍电位，每条指令的执行时间相等。（简单、浪费）T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期FE机器周期IND机器周期EX指令周期T0T1T2T3机器周期INT（2）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）都相等。（3）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根据需要而定，但每个节拍电位的是定长的。T0T1T2T3TFE指令周期无条件转移指令T0T1T2T3TFE指令周期T0T1T2T3TEX加法指令T0T1T2T3TFE指令周期T0T1T2T3TEX乘法指令T*T*T*T*2、异步控制方式当控制器发出进行某一微操作控制信号后，等待执行部件完成该操作后发回的“回答”信号或“结束”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：CPU利用率低，控制器结构复杂。3、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”信号作为本次微操作的结束。

CPU内部以CPU与内存之间的数据传送加工的指令采用同步控制。乘除法、浮点运算指令等采用中央与局部结全的控制方式。I/O操作的指令采用异步控制方式。练习：CPU结构如图所示，包括一个累加器AC、一个状态寄存器和其他四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。（1）标明四个寄存器的名称。（2）简述取指令的数据通路。（3）简述完成LDAX、ADDY和STAZ指令的数据通路。主存储器

MACACBDALU操作控制器状态寄存器+11、A是MIR、B是IR、C是MAR、D是CAR2、指令的数据通路

CAR→MAR→M（

内存）→MIR→IR3、（1）LDAXX（MIR）→MAR