计算机组成与结构课件 第5章 控制器

第5章控制器运算器控制器数据通路结构与外部的连接指令的执行过程,微命令序列的形成CPU逻辑组成CPU工作原理本章主要讨论运算器控制器数据通路结构与外部的连接本章将回答如下问题：CPU由哪些部件组成?各部件之间如何交换信息?CPU如何建立与外部的连接?CPU如何形成微命令序列,来控制指令的执行?1.从寄存器传送级分析指令的分步执行流程.2.从微操作控制级阐述寄存器传送的具体实现.主要内容：5.1控制器的功能、组成及类型5.2时序控制与信息传送5.3指令的执行流程5.4组合逻辑控制器5.5微程序控制器5.6IntelCPU内部组成的发展（自学）第5章控制器5.1控制器的功能、组成及类型5.1.1控制器的功能5.1.2控制器的组成5.1.3控制器分类指令控制操作控制时间控制5.1.2控制器的组成

寄存器

寄存器微命令产生部件运算器控制器运算部件时序系统CPU的基本组成控制器的组成微命令产生部件指令寄存器IR数据缓冲寄存器MDR地址寄存器MAR程序计数器PC时序系统主存I/O接口运算器微命令序列条件数据总线地址总线控制总线指令译码器ID地址形成部件可断控制逻辑控制器1.指令寄存器IR(1)作用：用来存放当前正在执行的指令。控制器根据其内容（操作码以及地址信息）产生所需要的各种微命令。(2)构成形式：为了提高计算机的处理速度，现代计算机一般将指令寄存器扩充为指令队列（指令栈），形成了指令流水线处理方式.指令流水线：一次预取多条指令，增加指令间执行的衔接速度和并行处理能力。2.程序计数器PC也叫指令计数器或指令指针。(1)作用：指示指令在存储器中的存放位置。①程序顺序执行时，每当从主存中取出一条指令后，PC内容就自动增量计数，指向下一条指令。②程序发生转移时，将转移地址送入PC，使其指向转移目的地的指令地址。(2)作用机制：3.地址寄存器MAR(1)作用：暂时存储CPU所要访问的主存单元地址。①CPU取指令时，先将PC的内容送入MAR，再由MAR将指令的存放地址送往主存译码。②CPU存取数据时，将数据的存放地址先送到MAR，再送往主存进行地址译码。PCMARM，译码数据存放地址MARM，译码(2)作用机制4.数据缓冲寄存器MDR(1)作用：存放CPU与主存之间交换的数据。(2)作用机制CPU写入主存时：数据MDRM单元译码,寻址写入从主存中读出时：主存数据MDR某R译码,寻址读出5.1.3控制器的类型微命令发生器指令译码器译码输出微命令序列时序信号各部件状态反馈信号根据微命令序列的产生方式，控制器分为：

（1）组合逻辑型控制器（2）存储逻辑型控制器（也称微程序控制器）把指令转化为微命令序列，以控制计算机内的信息的传送5.2时序控制与信息传送5.2.1时序系统的组成5.2.2时序控制方式5.2.3数据通路结构5.2.4信息传送及其微命令设置5.2.5信息传送控制方式5.2.1时序系统的组成工作周期信号发生器时钟周期信号发生器工作脉冲信号发生器&晶体振荡器SQR启动停止取指周期取数周期执行周期T0TnP0Pn图4-2时序系统组成框图时序信号举例案例分析【例5-1】设A机器的主频为8MHz，每个机器周期包含4个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS，试求该机机器周期为多少μs，平均指令执行时间为多少μs，每个指令周期含几个机器周期？解：根据A机器的主频为8MHz，得时钟周期为1/8M=0.125（μs）。（1）机器周期=0.125×4=0.5（μs）.（2）平均指令执行时间是1÷0.4M=2.5（μs）。（3）每个指令周期含2.5÷0.5=5个机器周期。5.2.2时序控制方式基本概念：(1)时序信号：就是在微命令逻辑中引入的时间标志（可以是周期、节拍或者脉冲信号），以保证计算机的操作能在不同的时间段中有序完成。(2)时序控制方式：指计算机的操作与时序信号之间的关系，包括：同步控制方式异步控制方式联合控制方式(了解）1.同步控制方式(1)定义：指各步操作受统一时序信号的控制。这种方式，操作时间被划分为许多长度固定的时间段，一个时间段为一个节拍（时钟周期），每个时钟周期完成一定的操作。(2)特点有明显的时序时间的划分；时钟周期是基本的时序单位；时钟周期时间固定，各指令必须在规定的时钟周期内完成。(3)同步控制的实现通过同步定时脉冲实现同步控制(4)适应场合：由于控制方式简单、时间安排不灵活，因而适应于速度差异不大的部件，如CPU内部、设备内部、或连接部件速度相近时的系统总线操作。思考：由谁来负责产生这种同步时序信号？同步控制举例设运算器的核心为SN74181，采用单总线分立寄存器结构，若在一个时钟周期内执行R0=R0+R1，则主要同步控制脉冲信号如右图所示。主频MS3S2S1S0R0→AR1→B移位器DMCPR02.异步控制方式(1)定义：指各步操作不受统一时序信号（如时钟周期）的约束，而根据实际需要安排不同的时间。(2)特点：无统一时钟周期划分，信息交换采用异步应答方式。异步应答过程包括申请、响应、询问和回答。(3)应答过程中的主从设备主设备申请并掌握总线控制权；从设备响应主设备要求，不能掌握总线控制权。应答过程由主设备启动。(4)适应场合：由于控制方式复杂，只能用于速度差异较大，传送时间不确定，传送距离较远的场合。3.联合控制方式在实际应用中，联合使用同步控制和异步控制：(1)不同指令安排不同的时钟周期数需时最短的指令只占用一个时钟周期需时较长的指令可占用多个时钟周期(2)总线周期中允许插入延长周期在时钟周期结束之前，如果传送操作未完成，必需延长总线周期(3)同步方式中引入异步应答通过发出请求、响应、释放脉冲实现总线权的转移5.2.3数据通路结构1．单组内总线、分立寄存器结构2．单组内总线、集成寄存器结构3．多组内总线结构1.单组内总线、分立寄存器结构特点：使用单向数据总线连接寄存器和ALU；ALU既是运算部件，也是数据传送中心；移位器只能向内总线发送数据，不能从内总线直接接收；寄存器只能从内总线上接收数据，而不能直接向内总线发送移位器选择器A选择器BALUR0…RnR0…RnR0Rn…思考：怎样才能把寄存器R0中的数据传送到R1中？内总线案例介绍：一种简单的数据通路结构2.单组内总线、集成寄存器结构特点：使用双向数据总线连接寄存器与ALUALU与各个R通过内总线既可送出数据，又可接收数据；一个节拍只能完成一种基本的数据通路操作，CPU速度较低移位器暂存器C暂存器DALURn…R0内总线思考：能否把暂存器改为选择器？为什么？3.多组内总线结构(1)特点一个节拍中可以并行地实现几种数据通路操作，因此CPU速度较高(2)应用与发展设置指令栈（称为指令队列），以便预取若干条指令；设置操作数栈；设置专用ROM（称为控制存储器）以存放微程序；设置片内高速Cache5.2.4信息传送及其微命令设置包括指令、操作数、地址等信息1．指令信息的传送M→数据总线→IR 2．数据信息的传送（1）寄存器Ri与寄存器Rj之间Ri→选择器A或B→ALU→移位器→内总线→Rj（2）主存与寄存器之间主存M向寄存器Ri传送M→数据总线→MDR→选择器B→ALU→移位器→内总线→Ri寄存器Ri向主存M传送Ri→选择器A或B→ALU→移位器→内总线→MDR→数据总线→M（3）寄存器与外设之间寄存器Ri向外设传送Ri→选择器A或B→ALU→移位器→内总线→MDR→数据总线→I/O接口外设向寄存器Ri传送I/O接口→数据总线→MDR→选择器B→ALU→移位器→内总线→Ri（4）主存单元之间S1：M→数据总线→MDR→选择器B→ALU→移位器→内总线→CS2：C→A/B→ALU→移位器→内总线→MDR→数据总线→M（5）主存与外设之间CPU执行通用传送指令方式：M←→数据总线←→MDR←→数据总线←→I/O接口DMA控制器控制方式：M←→数据总线←→I/O接口I/O接口3.地址信息的传送（1）指令地址PC→选择器A→ALU→移位器→内总线→MAR（2）顺序执行的后续指令地址PC→选择器A→ALU→移位器→内总线→PCC0=1↗(3）转移地址寄存器寻址：Ri→选择器A或B→ALU→移位器→内总线→PC寄存器间址：S1:Ri→选择器A或B→ALU→移位器→内总线→MAR→地址总线→M；S2:M→数据总线→MDR→选择器B→ALU→移位器内总线→PC（4）操作数地址寄存器间址：Ri→A或B→ALU→移位器→内总线→MAR变址寻址：设指令字长为2个机器字长S1:PC→A→ALU→移位器→内总线→MAR→地址总线→M→数据总线→MDR→B→ALU→移位器→内总线→CS2:Rb→A→ALU→移位器→内总线→MARC→B↗获得形式地址计算有效地址课堂练习设MOV指令的源操作数为寄存器间接寻址，请写出读取源操作数的所有信息的传送过程。注意，设寄存器为Ri4.微命令设置①输入选择微命令，如：R0经A送入ALU：R0→A；暂存器C经B送入ALU：C→B；……。②功能选择微命令，如：工作方式选择S0~S3；算/逻模式选择M；……。③

移位器功能选择，如：直传DM、左移、右移……。④

结果分配，如：打入脉冲命令CPR0、CPMDR、CPPSW……(1)有关数据通路操作的微命令4.微命令设置EMAR：将MAR中的内容送入地址总线的地址使能信号R/W：控制数据传送方向的读写信号SMDR：将主从中取出的数据置入MDR中的置入命令；……(2)有关访存操作所需微命令案例分析【例5-2】设MOV指令的源操作数为寄存器间接寻址，设寄存器为Ri，请分析读取源操作数的信息传送过程。解：因为源操作数为寄存器间接寻址，因此其信息过程首先是将Ri的内容送入地址寄存器MAR，然后从内存读出源操作数经数据总线进入CPU内的暂存器C。详细过程如下：第一步：Ri→数据选择器A或B→ALU→移位器→内总线→MAR第二步：M(主存)→数据总线→MDR→数据选择器B→ALU→移位器→内总线→C5.2.5信息传送控制方式信息传送控制方式直接程序传送方式DMA方式开中断启动外设中断请求返回中断服务程序程序中断控制方式的程序组织程序中断方式DMA初始化启动外设中断请求返回结束处理DMA控制方式的程序组织响应DMA请求DMA请求(DMA传送)(DMA传送)5.3指令执行流程单周期方案：全部指令都必须经过4个步骤并将其安排在一个时钟周期内依次完成。多周期方案：不同类别的指令设置不同的执行步骤，例如功能简单的指令只需要2个步骤，控制器需根据指令及其所处的执行步骤向各部件发送不同的控制信号。指令流水线方案：让全部指令都经历4个执行步骤，由于不同执行步骤所占用的硬件资源并不相同，因此让相邻的几条指令同时进入不同的步骤执行，以同时完成不同的操作功能。取指令取源操作数取目的操作数运算并存放结果5.3.1指令执行的基本步骤5.3.2指令周期的设置(1)取指令周期(FT)(2)源周期(ST)(3)目的周期(DT)(4)执行周期(ET)(5)中断周期(IT)(6)DMA周期(DMAT)FTSTDTETDMATITDMA请求中断请求NNYY5.3.3取指令周期FT的操作流程M→IRPC+1→PC相应的微命令序列EMARRSIRPC→AS3S2S1S0MC0DM1→ST(逻辑式1)1→DT(逻辑式2)1→ET(逻辑式3)访存操作：内部通路操作：时序切换：5.3.4指令执行流程设计举例1.MOV指令传送流程传送操作：Ri→Rj、Ri→M、M→Ri、M→M工作周期包含取指周期、源周期、目的周期、执行周期各工作周期的节拍数：寻址方式不同且传送操作不同时需要不同的时钟周期数。微命令序列包括：取指微命令序列（与取指周期相同）获得源操作数的微命令序列获得目的地址的微命令序列将源操作数送入目的地址的微命令序列（略）M→IR，PC+1→PCRi→MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CRi-1→Ri，MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CPC→MARM→MDR→CRi+1→RiRi+1→RiC→MARPC+1→PCC+Ri→MARM→MDR→CM→MDR→CRj→MARRj→MARRj-1→Rj，MARRj→MARPC→MARRj+1→RjRj+1→RjPC+1→PCM→MDR→DD+Rj→MARM→MDR→MARRj→MARC→RjRi→MDRC→MDRMDR→MMDR→MRPC→MARMOV指令执行流程ST0ST1ST2ST3ST4DT0DT1DT2DT3ET0ET1ET2R(R)-(R)I/(R)+@(R)+X(R)R(R)-(R)(R)+@(R)+X(R)SR·DRSR·DRSR·DRSR·DR案例分析【例4-3】写出指令MOV(R0),@(R1)+;的完整执行流程解：@(R1)+表示源操作数的寻址方式为自增型双间址寻址，(R0)表示目的地址的寻址方式为寄存器间址寻址。故，完整执行流程如下：FTM→IRPC+1→PCST0R1→MARST1M→MDR→CST2R1+1→R1ST3C→MARST4M→MDR→CDT0R0→MARET0C→MDRET1MDR→MET2PC→MAR2.

ADD指令执行流程双操作数指令包括ADD加、SUB减、AND与、OR或、EOR异或操作流程工作周期类似MOV指令M→IR，PC+1→PCRi→MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CRi-1→Ri，MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CPC→MARM→MDR→CRi+1→RiRi+1→RiC→MARPC+1→PCC+Ri→MARM→MDR→CM→MDR→CRiOPRj→RjCOPRj→RjRiOPD→MDRCOPD→MDRMDR→MMDR→MRPC→MAR双操作数指令ST0ST1ST2ST3ST4DT0DT1DT2DT3ET0ET1ET2R(R)-(R)I/(R)+@(R)+X(R)R(R)-(R)(R)+@(R)+X(R)SR·DRSR·DRSR·DRSR·DRRj→MARM→MDR→DRj→MARM→MDR→DRj-1→Rj，MARM→MDR→DRj→MARM→MDR→DPC→MARM→MDR→DRj+1→RjRj+1→RjD→MARPC+1→PCD+Rj→MARM→MDR→DM→MDR→DDT4STFTDTET案例分析解：(R1)表示源操作数是寄存器间址寻址，(R0)表示目的地址也是寄存器间址寻址。因此，该指令的完整执行流程如下。FTM→IRPC+1→PCST0R1→MARST1M→MDR→CDT0R0→MARDT1M→MDR→DET0CADDD→MDRET1MDR→MET2PC→MAR【例5-4】写出指令ADD(R0),(R1);的完整执行流程3.转移指令JMP及返回指令RST主要任务：获得转移地址或返回地址M→IR，PC+1→PCET0ET1ET2PCR(R)RST(R)+X(PC)PC+1→PC，MARRj→MARM→MDR→PC，MARRi→PC，MARRj→MARPC→MARM→MDR→CRi+1→RiRPC+C→PC，MARPC→MARM→MDR→PC，MAR

PCSKIPNJPJP，RSTETFT4.转子指令流程M→IR，PC+1→PC转子指令JSPFTETET0ET1ET2转子指令流程图PCR(R)(R)+PC+1→PC，MARPC→MAR

PCNJSRJSRRi→MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CRi+1→RiSP-1→SP，MARPC→MDRSP-1→SP,MARPC→MDRMDR→MRi→PC，MARMDR→MC→PC，MARSTST0ST1ST2ET35.4组合逻辑控制器5.4.1组合逻辑控制的组成与运行原理5.4.2组合逻辑控制器的设计（略）5.4.3组合逻辑控制器的时序系统5.4.1组合逻辑控制的组成与运行原理每一条微命令都需要一组逻辑电路，全机所有微命令所需的逻辑电路构成了微命令发生器，其中微命令是直接作用于部件或控制门电路的控制信号。由组合逻辑电路产生微命令的方式称为组合逻辑控制方式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PCθD寻址来自M送M或ALU+1送M5.4.2组合逻辑控制器的设计(1)根据CPU的结构图写出每条指令的操作流程图并分解成微操作序列。(2)选择合适的控制方式和控制时序。(3)为微操作流程图安排时序，列出微操作时间表。(4)根据操作时间表写出微操作的表达式，并对表达式进行化简；(5)根据微操作的表达式画出逻辑电路并实现。5.4.3组合逻辑控制器的时序系统1.时序系统组成工作周期信号发生器时钟周期信号发生器工作脉冲信号发生器&晶体振荡器SQR启动停止取指周期取数周期执行周期T0TnP0Pn2.组合逻辑控制器的时序系统组合逻辑控制器时序系统(2)工作周期

(4)工作脉冲

(3)时钟周期

(1)指令周期

执行一条指令所需的时间，从取指令开始到执行结束为止。指机器完成一个工作（如取指令、取操作数或执行指令）所需要的时间，又称机器周期。指机器完成一个最基本的内部通路操作所需要的时间，又称节拍周期。指为了与时钟周期配合完成一次数据传送操作而发送给触发器的脉冲信号。提问：当工作周期长度不确定时，如何进行时序控制？组合逻辑控制器的时序关系举例CPU周期(取指周期)CPU周期(取数周期)CPU周期(执行周期)时钟周期T0时钟周期T1时钟周期T2时钟周期T3工作脉冲P0工作脉冲P1工作脉冲P2工作脉冲P3主频clock5.5微程序控制器5.5.1微程序控制器的基本原理5.5.2微指令的编码方式5.5.3微地址的形成方式（略）5.5.4微指令格式设计（略）5.5.1微程序控制器的基本原理1.基本思想：在组合逻辑控制器中，一条指令的执行要经过多个工作周期，每个工作周期中又包括多个时钟周期，每个时钟周期产生特定微命令序列（微操作序列）。如果首先把微操作序列以二进制编码的形式表示为一条微指令，再将多个微指令组成一段微程序（以解释一条机器指令），并将微程序存放在控制存储器中，执行完微程序就意味着执行完一条机器指令。这就是微程序控件方式。2.微程序控制的组成

微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器

µAR控制存储器CM

译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR存放微程序，CM属于CPU，不属于主存储器存放现行微指令，微命令字段提供一步操作所需的微命令，微地址字段指明后续微地址的形成方式。提供两类微地址：微程序入口地址——由机器指令操作码形成；后续微地址——由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。3.微程序的执行过程工作过程：取机器指令：CM

µIR

译码器

主存

IR转微程序入口:IR

微地址形成电路

µAR

CM

µIR执行首条微指令:µIR

译码器

操作部件取后续微指令:微地址字段的现行微地址、运行状态

微地址形成电路

µAR

CM

µIR执行后续微指令:µIR

译码器

操作部件返回:微程序执行完，返回CM中存放取指微指令的固定单元。思考：控制存储器CM是ROM，还是RAM？5.5.2微指令的编码方式1.直接控制方式2.分段直接编码方式3.分段间接编码方式4.其他编码方式1.直接控制法（不译法）方法：在微指令的控制字段中，每一位直接对应一个微命令，表示一种微操作。例微指令：C0=0进位初值为01进位初值为1R/W=0读1写优点：简单直观，不需要译码，速度快缺点：能表达的微命令有限应用：个别最常用的微命令可采用此法------R/W------C0------112.分段直接编译法方法：划分多个字段，微命令由字段编码直接给出。例：

加法器

A

BR0~R3C、DR0~R3C、D------BI------AI------33AI：000001010011100101BI：000001010011100101不发命令R0→A或BR1→A或BR2→A或BR3→A或BC→A或BD→A或B分段原则：同类操作中互斥的微命令放同一字段，以保证不会在同一条微指令中同时出现。3.分段间接编译法方法：微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。具体方法是：(1)设置解释位或解释字段(2)按功能类型将微指令分类，分别安排各类微指令格式和字段编码，并设置区分标志。3------BIAI------13CAI/BI：000001010011100101C：0R→A1R→B不发命令R0→A或BR1→A或BR2→A或BR3→A或BC→A或BD→A或B4.其他方法

微指令译码与机器指令译码复合控制例.机器指令

寄存器号

寄存器传A微指令译码器译码器001R1A

R1A门5.5.3微地址的形成方式初始微地址的形成2.后续微地址的形成(1)一级功能转移(2)二级功能转移(3)用PLA电路实现功能转移(1)增量方式(2)断定方式1.初始微地址的形成功能转移：指根据指令代码转换为微程序入口地址的过程。(1)一级功能转移：即：根据指令操作码直接转换为微程序入口地址。(2)二级功能转移：即：先根据指令操作码、长度或类型字段进行第一次功能转移，再根据寻址方式进行第二次功能转移。(3)用PLA电路实现功能转移PLA即可编程逻辑阵列将指令各种字段作为转移依据输入PLA,对应的输出即为微程序入口地址。2.后续微地址的形成(1)增量方式当微程序按地址递增顺序执行微指令时，后续微地址加一个增量得到；当微程序转移或调用微子程序时，由微指令的地址控制字段产生后续微地址。(2)断定方式在微指令中直接给定微地址的高位部份和断定条件（即形成低位微地址的方法），最终根据断定条件来产生后续微地址。优点：可实现快速多路分支。5.5.4微指令格式水平型微指令2.垂直型微指令3.毫微程序设计判别测试字段下地址字段控制字段源寄存器II目的寄存器其他源寄存器IμOP特点：微指令字长较长、并行能力强、编码简单、微程序编制困难但执行速度快。特点：每条微指令直接规定了信息的的传送路径，字长较短，并行能力较弱、编码复杂、易于编制微程序但执行速度慢。特点：采用两级微程序设计方法，当执行指令时，先进行第一级微程序，需要时再调用第二级微程序（毫微程序执行完时返回至第一级微程序）。缺点：硬件成本高，一般不在微、小型机中使用。案例解析：模型机CPU的设计模型机设计步骤模型机的设计模型机设计步骤1.指令系统的设计2.总体结构的设计3.时序系统的设计4.指令流程的设计5.控制逻辑的设计模型机的设计1.模型机的指令系统2.时序安排3.模型机微指令格式4.微程序的编制模型机的设计1.模型机的指令系统(1)指令格式（略）(2)寻址方式(3)指令类型模型机的设计1.模型机的指令系统(1)指令格式寄存器号操作码119151286目的字段寻址方式寄存器号寻址方式源字段5320未用操作码1115126寄存器号寻址方式目的字段5320寄存器号操作码119151286转移地址寻址方式转移条件2N’Z’V’C’54310双操作数指令单操作数指令转移指令模型机的设计1.模型机的指令系统(2)寻址方式编码寻址方式助记符指定寄存器说明000寄存器寻址RR0~R3、SP、PC、PSW寄存器的内容即为操作数001寄存器间址(R)R0~R3寄存器的内容为操作数的地址010自减型寄存器间址-(R)R0~R3寄存器的内容减