1、第5章控制器組成基本原理本章主要內容：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方法、微程序控制器的組成原理與實現方法及控制器的控制方式等內容。要求重點掌握兩種控制器的實現方法。控制器的基本功能及結構控制器的功能1取指令2分析指令3執行指令4控制程序和數據的輸入與結果輸出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狀狀態態信信息息 程程序序狀狀態態字字寄寄存存器器 來來 自自 ALU 節節拍拍發發生生器器 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 數數 器器 PC + 送送MAR 或或ALU 中中 斷斷 機機 構構 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）程序計數器PC （2）指令寄存器IR （3）指令譯碼器ID2時序部件 能產生一定的時序信號，以保證計算機的各功能部件有節奏的運行。 包括以下部分： （1）脈沖源 （2）啟停線路 （3）節拍信號發生器 3微操作信號發生器 用來產生微操作序列，根據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 即響應和處理中斷的邏即響應和

3、處理中斷的邏輯線路，負責處理異常輯線路，負責處理異常情況和特殊請求情況和特殊請求指令的執行過程時序系統 控制器的心臟，為指令的執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節拍 3工作脈沖 在一個節拍中，有的操作還需要嚴格的定時脈沖，所以在一個節拍之內往往還需要設置幾個工作脈沖，作為各種同步脈沖的來源。 節拍的寬度取決與節拍的寬度取決與CPU執行一次微操作所需要的時間，不執行一次微操作所需要的時間，不同的機器周期內所包括的節拍數可以是固定不變的，也可同的機器周期內所包括的節拍數可以是固定不變的，也可以是可變的。

4、以是可變的。指令的執行過程一條指令的執行通常都可以分為以下三個階段：1取指令 任何一條指令的執行，都必須經過取指令階段，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中的指令操作碼進行譯碼，產生譯碼信號并送微操作序列形成部件，進而產生微操作序列送運算器、存儲器、外設及控制器本身。 3執行指令 根據分析指令階段所產生的微操作序列，控制運算器、存儲器、外設及控制器本身完成指令規定的各種操作。指令的執行過程舉例 控制器在實現一條指令的功能時，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行過程，即指令的微操作序列。 1數據通路圖圖5-4 模型機的數據通路模型機的數據通路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據總線至數據總線1C02加法指令ADD R1，NUM 即實現：（NUM）+（R1）R1 相應的微操作如下： （1）PCout、MARin、READ、在數據沒取出的間隙進行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轉移指令JZ A 若上次運算結果為0（ZF=1），就轉移，轉移地址為A；若上次運算結果不為0（ZF=0），就順序執行下一條指令。相應的微操作序列如下：（1）PCout、MARin、READ、在數據沒取出的間隙進行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器等構成。 一般來說，硬布線控制器的設計步驟如下：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拍信號上。要求盡量多地安排公共操作，避免出現互斥。3安排微命令表 以微命令為依據，表示在哪個機器周期的哪個節拍有哪些指令要求這些微命令。 4進行微操作邏輯綜合 根據微操作時間表，將執行某一微操作的所有條件（哪條指令、哪個機器周期、哪個節拍和脈沖等

8、）都考慮在內，加以分類組合，列出各微操作產生的邏輯表達式，并加以簡化。 5實現電路 根據上面所得邏輯表達式，用邏輯門電路的組合或PLA電路來實現。硬布線控制器的設計實例1模型機的數據通路2模型機的指令系統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進行微操作信號綜合7實現電路圖圖5-8 微操作控制信號微操作控制信號CE的邏輯實現圖的邏輯實現圖 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 節節 拍拍 發發 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、原理與實現方法5.4.1 微程序控制器的基本原理1有關的術語和概念（1）微命令：構成控制信號序列的最小單位。 （2）微操作：由微命令控制實現的最基本的操作。 （3）微指令：一組實現一定操作功能的用二進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行相應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 轉轉 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 實現整個指令系統的所有微程序。 （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）地址轉移邏輯 形成即將要執行的微指令的地址。3微程序控制器執行過程描述 （1）從控制存儲器中逐條取出“取機器指令”用的微指令，執行取指令公共操作，執行完后，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）根據指令寄存器中的操作碼，經過微地址形成部件，得到

11、這條指令對應的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。 （3）從控制存儲器中逐條取出對應的微指令并執行之。 （4）執行完對應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，繼續第（1）步，以完成取下一條機器指令的公共操作。微程序設計的技術問題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：將所有的微命令進行統一的二進制編碼，用不同的碼點去表示不同的微命令，通過譯碼器產生微操作控制信號。 （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）后繼微地址的產生。 主要有兩種產生方式：計數器方式主要有兩種產生方式：計數器方式、多路轉移方式、多路轉移方式4微指令的執行方式 （1）串行方式 取微指令和執行微指令順序進行。圖圖5-14 微指令的串行執行過程微指令的串行執行過程 取 微 指 令K 執 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 將取微指令和執行微指令的操作重疊起來。 圖圖5-15 微指令的并行執行過程微指令的并行執行過程 取 微 指 令K 執 行 微 指 令K 第K條 微 指 令 周 期 取 微 指 令K+1 執 行 微 指 令K+1 取 微 指 令K+2 執 行 微 指 令K+2 5微指令格式設計舉例 見例5-15.4.3 微程序控制器的設計實例1.模型機的數據通路（見節）2.模型機的指令系統（見節）3.繪制微程序流程圖 根據模型機的指令系統和數據通路，繪制出微程序流程圖。4.設計微指令格式 根據模型機的數據通路和控制存儲器的要求，設計出微指令格式 。 5.將微程序代碼化 根據數據通路、微程序流程圖和微指令