1、第5章控制器組成基本原理本章主要內(nèi)容：本章講述控制器的基本組成、基本功能、 硬布線控制器的組成原理與實現(xiàn)方法、微程序控制器的組成原理與實現(xiàn)方法及控制器的控制方式等內(nèi)容。要求重點掌握兩種控制器的實現(xiàn)方法。控制器的基本功能及結(jié)構(gòu)控制器的功能1取指令2分析指令3執(zhí)行指令4控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出5隨機事件和某些特殊請求的處理控制器的基本組成圖5-1 控制器基本組成框圖 I/O狀狀態(tài)態(tài)信信息息 程程序序狀狀態(tài)態(tài)字字寄寄存存器器 來來 自自 ALU 節(jié)節(jié)拍拍發(fā)發(fā)生生器器 啟啟 停停 線線 路路 脈脈 沖沖 源源 譯譯 碼碼 器器 操操 作作 碼碼 地地 址址 碼碼 微微 操操 作作 序序 列列 形

2、形 成成 部部 件件 地地 址址 形形 成成 電電 路路 程程 序序 計計 數(shù)數(shù) 器器 PC + 送送MAR 或或ALU 中中 斷斷 機機 構(gòu)構(gòu) 中中 斷斷 源源 微微 操操 作作 序序 列列 1指令部件 完成取指令并分析指令。包括以下部分： （1）程序計數(shù)器PC （2）指令寄存器IR （3）指令譯碼器ID2時序部件 能產(chǎn)生一定的時序信號，以保證計算機的各功能部件有節(jié)奏的運行。 包括以下部分： （1）脈沖源 （2）啟停線路 （3）節(jié)拍信號發(fā)生器 3微操作信號發(fā)生器 用來產(chǎn)生微操作序列，根據(jù)微操作序列的形成方式不同，控制器可分為硬布線控制器和微程序控制器。4中斷機構(gòu) 即響應(yīng)和處理中斷的邏即響應(yīng)和

3、處理中斷的邏輯線路，負(fù)責(zé)處理異常輯線路，負(fù)責(zé)處理異常情況和特殊請求情況和特殊請求指令的執(zhí)行過程時序系統(tǒng) 控制器的心臟，為指令的執(zhí)行提供各種定時信號。包括以下部分：1指令周期和機器周期 機器周期 通常它是主存儲器的一個訪問周期。 又稱又稱CPU周期，周期，2節(jié)拍 3工作脈沖 在一個節(jié)拍中，有的操作還需要嚴(yán)格的定時脈沖，所以在一個節(jié)拍之內(nèi)往往還需要設(shè)置幾個工作脈沖，作為各種同步脈沖的來源。 節(jié)拍的寬度取決與節(jié)拍的寬度取決與CPU執(zhí)行一次微操作所需要的時間，不執(zhí)行一次微操作所需要的時間，不同的機器周期內(nèi)所包括的節(jié)拍數(shù)可以是固定不變的，也可同的機器周期內(nèi)所包括的節(jié)拍數(shù)可以是固定不變的，也可以是可變的。

4、以是可變的。指令的執(zhí)行過程一條指令的執(zhí)行通常都可以分為以下三個階段：1取指令 任何一條指令的執(zhí)行，都必須經(jīng)過取指令階段，該階段主要是將指令從主存中取出放入CPU內(nèi)部的指令寄存器中。 2分析指令 取出指令后指令譯碼器對保存在IR中的指令操作碼進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生譯碼信號并送微操作序列形成部件，進(jìn)而產(chǎn)生微操作序列送運算器、存儲器、外設(shè)及控制器本身。 3執(zhí)行指令 根據(jù)分析指令階段所產(chǎn)生的微操作序列，控制運算器、存儲器、外設(shè)及控制器本身完成指令規(guī)定的各種操作。指令的執(zhí)行過程舉例 控制器在實現(xiàn)一條指令的功能時，總是把每條指令分解成一系列時間上先后有序的最基本、最簡單的微操作，即微操作序列。下面通過一個簡單的模

5、型機來看具體指令的執(zhí)行過程，即指令的微操作序列。 1數(shù)據(jù)通路圖圖5-4 模型機的數(shù)據(jù)通路模型機的數(shù)據(jù)通路PCMARMDRR0RN-1 控制信號形成部件控制信號形成部件 ID IR微操作控制信號微操作控制信號ALU Z YADDSUB至地址總線至地址總線至數(shù)據(jù)總線至數(shù)據(jù)總線1C02加法指令A(yù)DD R1，NUM 即實現(xiàn)：（NUM）+（R1）R1 相應(yīng)的微操作如下： （1）PCout、MARin、READ、在數(shù)據(jù)沒取出的間隙進(jìn)行PC+1（0Y，1C0，ADD，Zin）； （2）Zout、PCin、WMFC（等待存儲功能完成）； （3）MDRout、IRin； （4）IR（D）out、MARin、RE

6、AD； （5）R1out、Yin、WMFC； （6）MDRout、ADD、Zin； （7）Zout、R1in； （8）END。 3轉(zhuǎn)移指令JZ A 若上次運算結(jié)果為0（ZF=1），就轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移地址為A；若上次運算結(jié)果不為0（ZF=0），就順序執(zhí)行下一條指令。相應(yīng)的微操作序列如下：（1）PCout、MARin、READ、在數(shù)據(jù)沒取出的間隙進(jìn)行PC+1（0Y，1C0，ADD，Zin）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存儲功能完成）；（3）MDRout、IRin（4）IF ZF=1 THEN IR（D）out、PCin ELSE END；（5）END。硬布線控制器的組成原理與實現(xiàn)方法硬布線控

7、制器的組成原理 硬布線控制器（組合邏輯控制器），其中的控制信號直接由各種類型的邏輯門和觸發(fā)器等構(gòu)成。 一般來說，硬布線控制器的設(shè)計步驟如下：1繪制指令流程圖 以指令為線索，按指令類型分類，將每條指令歸納成若干微操作，然后根據(jù)操作的先后次序畫出流程圖。 2安排指令操作時間表 指令流程圖的進(jìn)一步具體化，把每一條指令的微操作序列分配到各個機器周期的各個時序節(jié)拍信號上。要求盡量多地安排公共操作，避免出現(xiàn)互斥。3安排微命令表 以微命令為依據(jù)，表示在哪個機器周期的哪個節(jié)拍有哪些指令要求這些微命令。 4進(jìn)行微操作邏輯綜合 根據(jù)微操作時間表，將執(zhí)行某一微操作的所有條件（哪條指令、哪個機器周期、哪個節(jié)拍和脈沖等

8、）都考慮在內(nèi)，加以分類組合，列出各微操作產(chǎn)生的邏輯表達(dá)式，并加以簡化。 5實現(xiàn)電路 根據(jù)上面所得邏輯表達(dá)式，用邏輯門電路的組合或PLA電路來實現(xiàn)。硬布線控制器的設(shè)計實例1模型機的數(shù)據(jù)通路2模型機的指令系統(tǒng)3繪制指令流程圖4安排指令的操作時間表5安排指令的微命令表 6進(jìn)行微操作信號綜合7實現(xiàn)電路圖圖5-8 微操作控制信號微操作控制信號CE的邏輯實現(xiàn)圖的邏輯實現(xiàn)圖 T5 T6 T2 T1 T0 T3 T4 T7 CE 指指 令令 寄寄 存存 器器 指指 令令 譯譯 碼碼 器器 節(jié)節(jié) 拍拍 發(fā)發(fā) 生生 器器 IN ADD STA OUT JMP 1 + +1 + +1 1 5.4 微程序控制器的組成

9、原理與實現(xiàn)方法5.4.1 微程序控制器的基本原理1有關(guān)的術(shù)語和概念（1）微命令：構(gòu)成控制信號序列的最小單位。 （2）微操作：由微命令控制實現(xiàn)的最基本的操作。 （3）微指令：一組實現(xiàn)一定操作功能的用二進(jìn)制編碼表示的微命令的組合。（4）微周期：從控制存儲器讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時間。 （5）微程序：一系列微指令的有序集合。2微程序控制器的組成原理框圖圖圖5-9 微程序控制器的組成原理框圖微程序控制器的組成原理框圖 操操作作碼碼 地地址址碼碼 地地 址址 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 移移 邏邏 輯輯 微微 地地 址址 寄寄 存存 器器 地地 址址 譯譯 碼碼 控控 制制 存存 儲儲 器器 操操 作作 控控

10、 制制 字字 段段 IR 順順 序序 控控 制制 字字 段段 微微 命命 令令 信信 號號 微微 程程 序序 入入 口口 （1）控制存儲器 實現(xiàn)整個指令系統(tǒng)的所有微程序。 （2）微指令寄存器 存放從控制存儲器讀出的當(dāng)前微指令。 （3）微地址寄存器 存放將要訪問的下一條微指令的地址。 （4）地址轉(zhuǎn)移邏輯 形成即將要執(zhí)行的微指令的地址。3微程序控制器執(zhí)行過程描述 （1）從控制存儲器中逐條取出“取機器指令”用的微指令，執(zhí)行取指令公共操作，執(zhí)行完后，從主存中取出的機器指令就已存入指令寄存器中了。一般取指令微程序的入口地址為控制存儲器的0號單元。 （2）根據(jù)指令寄存器中的操作碼，經(jīng)過微地址形成部件，得到

11、這條指令對應(yīng)的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。 （3）從控制存儲器中逐條取出對應(yīng)的微指令并執(zhí)行之。 （4）執(zhí)行完對應(yīng)于一條機器指令的一段微程序后又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)第（1）步，以完成取下一條機器指令的公共操作。微程序設(shè)計的技術(shù)問題1微指令編碼法 （1）直接控制法：就是在微指令的操作控制字段中，每一個微命令都用一位信息表示。 （2）最短字長編碼：將所有的微命令進(jìn)行統(tǒng)一的二進(jìn)制編碼，用不同的碼點去表示不同的微命令，通過譯碼器產(chǎn)生微操作控制信號。 （3）分段直接編碼：將微操作控制字段劃分為若干個小字段，每個小字段獨立譯碼，每個碼點表示一個微命令。 （4）分段間接編碼：一個控制字段的微

12、操作需要另外一個控制字段來解釋才能確定。2微指令格式 （1）水平型微指令 （2）垂直型微指令 （3）混合型微指令3微地址的形成方式 （1）微程序入口地址的確定 （2）后繼微地址的產(chǎn)生。 主要有兩種產(chǎn)生方式：計數(shù)器方式主要有兩種產(chǎn)生方式：計數(shù)器方式、多路轉(zhuǎn)移方式、多路轉(zhuǎn)移方式4微指令的執(zhí)行方式 （1）串行方式 取微指令和執(zhí)行微指令順序進(jìn)行。圖圖5-14 微指令的串行執(zhí)行過程微指令的串行執(zhí)行過程 取 微 指 令K 執(zhí) 行 微 指 令K 第K條 微 指 令 周 期 第K+1條 微 指 令 周 期 （2）并行方式 將取微指令和執(zhí)行微指令的操作重疊起來。 圖圖5-15 微指令的并行執(zhí)行過程微指令的并行執(zhí)行過程 取 微 指 令K 執(zhí) 行 微 指 令K 第K條 微 指 令 周 期 取 微 指 令K+1 執(zhí) 行 微 指 令K+1 取 微 指 令K+2 執(zhí) 行 微 指 令K+2 5微指令格式設(shè)計舉例 見例5-15.4.3 微程序控制器的設(shè)計實例1.模型機的數(shù)據(jù)通路（見節(jié)）2.模型機的指令系統(tǒng)（見節(jié)）3.繪制微程序流程圖 根據(jù)模型機的指令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通路，繪制出微程序流程圖。4.設(shè)計微指令格式 根據(jù)模型機的數(shù)據(jù)通路和控制存儲器的要求，設(shè)計出微指令格式 。 5.將微程序代碼化 根據(jù)數(shù)據(jù)通路、微程序流程圖和微指令