計算機組成原理

第九章控制器

機械工業出哪社思一算權策1班暈理黃穎等主編

hdangylhg@E

9.1控制器的功能

■9.1.1控制器的功能

■所有的微操作可按如下分類：

■?在寄存器之間傳送數據；

■?將數據由寄存器傳送到外部接口（如系統總線）；

■?將數據由外部接口傳送到寄存器；

■?以寄存器作為輸入、輸出，完成算術或邏輯運算。

■控制器的功能更明確的表述為兩項基本任務：

■排序：根據被執行程序的指令邏輯，產生引起微操作

的控制信號，引導處理器以正確的次序來執行微操

作；

■執行：控制器產生的控制信號引起邏輯門的打開和關

閉，從而正確的建立數據通道和控制ALU和各個部件的

協同操作。教學課件

9.1.2控制器的組成

^忤

■9.1.3微操作命令分析

■1、取指子周期

■取值子周期的執行過程如下（假設這條指令存放

的內存地址為X）：

■①PC的內容X裝入MAR。

■②PC的內容加I,為取下一條指令做好準備。

■③取出內存X單元的內容，傳送到MBR中。

■④MBR的內容傳送到IR,指令譯碼器對指令進行

譯碼。取指子周期結束。

教學課件

■Tl：MAR((PC)

■T2：MBR(M(MAR)

■PC6(PC)+1

■T3：IR((MBR)

■注意微操作的分組執行必須根據以下原則：

■1)操作順序必須是合理的。如不能使存儲器的讀操作發

生在PC把地址傳送到MAR之前。

■2)避免在同一時序內的兩個操作在CPU資源的使用上形

成沖突。如同時去讀、寫同一個寄存器。

■3)凡是被控制對象不同的微操作，若能在一個節拍內執

行，應急可能安排在同一個節拍內，以節省時間。

教學課件

■2、間址子周期

■①IR中的指令的地址字段X傳送到MAR；

■②取出存放在X單元處的內容Y；

■③修改IR的地址字段，使其現在容納的是操作數

的直接地址Y而不再是間接地址X,間址周期結

束。

■間址周期也可以用微操作進行描述。

■Tl：MARV（IR（地址））

■T2：MBR<-M（MAR）

■T3：（IR（地址））（MBR（地址））

教學課件

■3、中斷子周期

■①PC的內容傳送到MBR,保存由中斷返回的地

址，也就是斷點地址。

■②將待存放PC的內存位置的地址裝入MAR,而中

斷處理子程序的起始地址裝入PC。

■用微操作描述這一個子周期過程如下：

■Tl：MB"(PC)

■T2：MAR(斷點地址的保存地址

■PCG中斷服務子程序的起始地址

■T3：M(MAR)6(MBR)

教學課件

■4、執行子周期

■1)INCAX

■該指令在執行子周期只有一個微操作，即

將寄存器AX的值加1,此操作可安排在T1?

T3的任一節拍內，其余節拍為空。如

■T1：

■T2：

■T3：AXGAX+1

教學課件

■2)ADDAX,[X]

■該指令的動作序列如下：

■①IR中的指令的地址字段X傳送到MAR；

■②從內存X單元中讀出操作數，傳送到存儲緩沖寄存器

MBRo

■③由MBR送來的操作數送往ALU,和累加器中的內容相

力口，運算結果放回累加器AX,累加器中原來的值被沖

掉。至此，ADD指令執行完畢。

■需要的微操作為：

■Tl：MAR^IR(地址)

■T2：MBR^M(MAR)

■T3：AX((AX)+(MBR)

教學課件

取指了周期

教學課件

教學課件

■9.1.4控制信號

■外部的輸入控制信號主要有：指令寄存器信息、

標志寄存器信息、時鐘信號和來自系統總線的控

制信號。

■控制器產生的輸出信號有：到控制總線的控制信

號和向CPU內部發出的控制信號。

教學課件

M

B

R

PC

C13

M

標

A時T

?*心dt

R鐘

控制.信號

教學課件

■當取指子周期到來：

■①控制信號C2有效，打開PC送往MAR的通道；

■②控制信號CO有效，打開MAR送往地址總線的輸出門；

■③通過控制總線向主存發讀命令CR；

■④C5有效，打開數據總線送至MBR的輸入門；

■⑤C4有效，打開MBR和IR之間的控制門，至此指令送至

IR;

■⑥C13有效，打開指令操作碼送至控制單元的輸出門。控

制單元在操作碼和時鐘的控制下產生各種控制信號；

■⑦使PC內容加I（圖中未標出）。

教學課件

9.2硬布線控制器

■921硬布線控制器的概述

■硬布線的實現方式其實就是一種硬件電路的實現

方法，通過對一組控制電路輸入邏輯信號，則會

輸出相應的邏輯控制信號。硬布線設計的方法就

是把控制部件看作為產生固定時序控制信號的邏

輯電路，一旦設計完成，要想增加新的控制功能

是不可能的，除非重新設計制造，因此硬布線的

本質就是一種由門電路構成的復雜的網絡電路。

教學課件

■9.2.2硬布線控制器的結構

數字珠件

■923硬布線控制器的設計步驟

■1）設計指令的操作碼長度，并確定指令長度是固

定還是可變的；

■2）確定機器的時鐘周期、節拍和主頻，確定機器

時鐘周期是固定的還是可變長的；

■3）根據操作碼功能，確定每一個操作碼需要的所

有機器子周期以及每一個周期要完成的操作，并

畫出流程圖和控制時序圖；

■4）綜合所有操作碼的每一個操作命令，寫出邏輯

表達式，并進行化簡；

■5）實現硬件邏輯電路。

教學課件

■例：

■定義兩個新的控制信號P和Q

■PQ=01取指周期

■PQ=01間址周期

■PQ=10執行周期

■PQ=11中斷周期

■則如下的布爾表達式可以定義C5。

C5=PQT2+PQT2

9.3微程序控制器

■9.3.1微程序控制器的概述

■微程序控制的主要優點有：

■(1)一組指令系統可以同時適合多種型號

的計算機，這就為發展系列機提供了很好

的條件；

■(2)一臺計算機可以包含若干組指令系

統。用戶無需做任何修改，就可將“老”機器

上的程序在“新”機器上運行。這也是機器之

間保持軟件兼容的一種重要手段。

教學課件

■微程序：執行一條指令時控制器發出的各控制字序列的集

合；

■微指令：可以將一條指令分成若干條微指令，按次序執行

這些微指令，就可以實現指令的功能，微指令產生的控制

信號可以引發寄存器和ALU的操作。因此微指令的實質就

是微程序的各個控制字加上其相應的微程序控制信息；

■微操作：在微程序控制器中，執行部件接收微指令后進行

的操作；

■控制字：控制器產生的所有輸出信號。控制字中的每一位

代表一個控制信號；

■微地址：微指令在控制存儲器中的存儲位置。

教學課件

■932微程序控制器的結構框圖

指令寄狀態條件

存器

地址

微地址譯碼轉移

邏輯

微地址微命令信號

寄存器

控制存儲器III

順序控制字段操作控制字段

微命令控制器

教學課件

>-

取指微程序

控跳轉到間址或執行

制間址微程序

跳轉到執行

存J

中斷微程序

???

儲A

器跳轉到取指

跳轉到操作碼微程序執行微程序開始

AND微程序

跳轉到取指或中斷

J

ADD微程序

X

跳轉到取指或中斷

Y

A

???

圖9.9微程序存儲器的組織

■微指令寄存器

■微指令寄存器用來存放從控制存儲器中讀

出的一條微指令，分成兩個部分：微地址

寄存器和微命令寄存器。

教學課件

■地址轉移邏輯

■第一條微指令的地址由機器指令的譯碼結

果自動獲取，下一條微指令的地址由微地

址寄存器給出。大多數情況是本條微指令

的直接順序控制字段作為下一條微指令的

地址放入微地址寄存器中，如果微程序不

出現分支，微地址寄存器的值不需要進行

修改。

教學課件

■9.3.3微程序控制器的工作原理

■微程序控制器產生的微指令和CPU指令的

關系

微操作控制信號

tt

課件

■控制器的控制功能：

■順序邏輯首先發出讀命令到控制存儲器；

■控制地址寄存器指定的微指令被讀入控制緩沖寄存器；

■根據控制緩沖寄存器的內容生成控制信號，并提供順序

邏輯的下一條微指令地址信息；

■順序邏輯根據這個地址信息和ALU標志，決定執行下列

三種情況中的一種：

■順序取出下一條微指令：CAR=CAR+1；

■基于轉移微指令轉移到新的微指令序列：將控制緩沖寄

存器的地址字段裝入控制地址寄存器；

■轉移到新的機器指令執行：根據IR中的操作碼，將新的

微指令的地址裝入控制地址寄存器。

教學課件

L-A-摔制信號系統總線

■微程序控制器的工作原理可以用微程序的執行過程進行描

述：

■①根據機器指令給出的第一條微指令的地址，從控制存儲

器中取出第一條微指令。

■②微指令分成兩部分：操作控制部分和順序控制部分，由

操作控制部分產生微操作控制信號，去控制執行部件完成

規定的操作；順序控制部分中的直接順序控制部分放入微

地址寄存器；由轉移條件字段和執行部件反饋的狀態條件

信息決定要不要修改以及如何修改微地址寄存器中的值。

■③按微地址寄存器中的值從控制存儲器中取出下一條微指

令，繼續上面第②步處理，循環執行完所有的微指令。

教學課件

■9.3.4微指令的格式

■微指令的格式主要有水平型微指令和垂

型微指令兩種。

-9.3.5微指令的編碼方式

譯碼譯碼

圖9.17間接編碼流程

圖918混合編碼法

教

■9.3.6微指令序列地址的形成

■雙地址字段法

■單地址字段法

■可變地址字段法

教

地址譯碼器

CBR

轉

CAR跳

個

地址

整

制

控

段

段

字

字

段

字

和

門CAR

能

使能功