回顧指令級并行技術教學內容控制器概述硬布線控制器微程序控制器

教學要求掌握控制器的工作原理熟悉硬布線控制器和微程序控制器的機理第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成

CU的功能是，通過對指令的分析（譯碼），按照一定的時序，根據當前處理器的狀態（標志），向計算機的各個部件（包括控制器本身）發出控制命令/信號（即微命令），部件接受微命令后進行的操作叫做微操作。為了對微操作進行時序控制，處理器用時鐘信號CLK來控制每一個微命令的產生。

第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成PC……C1時鐘信號(Clock,CLK)控制信號產生器CSG(ControlSignalGenerator)S0指令譯碼器IDOPADID指令寄存器IRFR標志寄存器FR程序計數器PCS1SnC2C3……控制信號第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成

處理器每取出并執行一條指令所需的全部時間叫指令周期。在一個指令周期內，處理器要完成的操作有“取指”和“執行”。“取指”是將一條指令從主存取入到處理器中，“執行”是對指令進行譯碼并完成其指定的操作。這兩個操作是有嚴格的時間順序的，即先“取指”后“執行”。

（二）三級時序系統第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成例如，“取指”階段，需要發出的微命令有：MAR←(PC)R←1PC←(PC)+1MDR←M(MAR)IR←(MDR)CU←OP(IR)

（二）三級時序系統第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成

以加法指令ADDM（注：源操作數在主存中，另一個操作數隱含存放在累加器AC中，相加結果仍存回AC）為例，“執行”階段，需要發出的微命令有：MAR←AD(IR)R←1MDR←M(MAR)AC←(MDR)+(AC)

（二）三級時序系統第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成不同指令的解釋時間不盡相同。為了簡化控制，它們一般都是被設計成節拍的某個整數倍——基準周期，這個基準周期稱為機器周期（或CPU周期），它的長短取決于指令的基本操作和器件的工作速度。整數倍數可以是1倍也可以是多倍。1倍時，稱為單機器周期（簡稱“單周期”）處理器。多倍時，稱為多機器周期（簡稱“多周期”）處理器。

（二）三級時序系統第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成“單周期”處理器中，所有指令的指令周期都是相同的，等于一個機器周期。指令周期的大小，取決于指令集中最復雜指令的執行時間。例如指令周期為9或10個節拍。由于單周期處理器的效率很低，大多數處理器采用“多周期”。最簡單的多周期就是兩周期，即把“取指”所花的時間稱為“取指周期”，“執行”所花的時間稱為“執行周期”。取指周期和執行周期是等長。

（二）三級時序系統第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成在多周期處理器中，機器周期就變成了所有指令執行過程中的一個基準時間。那么，它的長度（即包含的節拍數）應取多少呢？

（二）三級時序系統

為了保證在一個機器周期至少能夠完成一個指令的基本操作，一般選取處理器訪問一次主存的時間（也稱總線周期）作為機器周期。一個標準的、同步總線的總線周期包含4個節拍。第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成

不同指令的功能不同，其指令周期也是不盡相同的。例如，JUMP指令和NOP指令就沒有執行周期。

（二）三級時序系統另外，采用間接尋址的指令，在取指周期之后，還有一個訪問主存，讀取操作數地址的周期——間址周期。如果在指令執行的末尾，處理器檢測到中斷請求信號，且當時處理器處于允許中斷的狀態，則處理器將在執行周期結束后進入中斷周期。第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成多周期處理器的CU中應設置“指令執行階段的標記”，如“FE”、“IND”、“EXE”和“INT”分別是“取指周期”、“間址周期”、“執行周期”和“中斷周期”的狀態標志。一個時刻，這些標志只能有一個為“1”。

（二）三級時序系統1FE1IND1EX1INTFEDINDDINTDCLKEXD第4章控制器4.1控制器概述

（一）控制器的功能和基本組成“間址周期”需要發出的微命令有：MAR←AD(IR)R←1MDR←M(MAR)MAR←(MDR)

（二）三級時序系統第4章控制器“中斷周期”需要發出的微命令有：MDR←(PC)//保存斷點——PC中的值MAR←(SP)SP←(SP)+1//到“向上增長的空堆棧”中W←1

M(MAR)←MDRMDR←(PSW)//保存程序狀態寄存器的值MAR←(SP)SP←(SP)+1W←1M(MAR)←MDREINT←0//關中斷PC←中斷向量地址第4章控制器總之，一個機器周期包含了若干個節拍。在每一個節拍內，處理器可以同時執行一個或幾個的微操作。指令周期、機器周期和節拍構成了控制器的三級時序系統。第4章控制器控制器中“控制信號發生器”的實現有兩種方式：基于組合邏輯的硬聯控制/硬布線控制

(

HardwiredControl)基于存儲邏輯的微程序控制(

MicroprogrammedControl

)硬布線控制器微程序控制器第4章控制器4.2硬布線控制器設計產生控制信號的組合邏輯電路的步驟是：（1）寫出指令周期中每個節拍內的應發出的微操作；（2）列出所有控制信號的操作時間表；（3）根據時間表，寫出每個控制信號的邏輯表達式；（4）根據邏輯表達式，設計組合邏輯電路。第6章控制器設計產生控制信號的組合邏輯電路的步驟是：（1）寫出指令周期中每個節拍內的應發出的微操作；

安排控制信號，首先要嚴格遵循解釋一條指令所要發出的/控制信號的先后順序；其次，對于控制部件不同的控制信號，應安排在一個節拍內發出，以縮短時間；最后，對于一些占用時間短的微操作，其控制信號可以在一個節拍內，按照規定的先后順序，依次發出。4.2硬布線控制器第4章控制器1）取指周期的控制信號節拍安排C1：MAR←(PC)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：PC←(PC)+1C4：IR←(MDR)，CU←OP(IR)

2）算術左移指令“SHL”執行周期的控制信號節拍安排C1：C2：C3：C4：AC←R(AC)，AC0←AC04.2硬布線控制器第4章控制器3）取數指令“LDAM”執行周期的控制信號節拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：AC←(MDR)

4）存數指令“STAM”執行周期的控制信號節拍安排C1：MAR←AD(IR)C2：MDR←AC，W←1C3：C4：M(MAR)←MDR4.2硬布線控制器第4章控制器5）無條件轉移指令“JMPX”執行周期的控制信號節拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：PC←(MDR)

6）為零轉移指令“JZX”執行周期的控制信號節拍安排C1：C2：C3：C4：PC←ZF·AD(IR)+ZF·(PC)

4.2硬布線控制器第4章控制器7）加法指令“ADDM”執行周期的控制信號節拍安排C1：MAR←AD(IR)，R←1C2：MDR←M(MAR)C3：C4：AC←(AC)+

(MDR)

8）求補/取反指令“COM”執行周期的控制信號節拍安排C1：C2：C3：C4：AC←AC

4.2硬布線控制器第4章控制器列出控制信號的操作時間表。表中，“1”表示發出控制信號，“0”（省略填寫）表示不發出控制信號。周期標志節拍控制信號SHLLDAMSTAMFE取指C1MAR←(PC)111R←1111C2MDR←M(MAR)111C3PC←(PC)+1111C4IR←(MDR)111CU←OP(IR)1114.2硬布線控制器周期標志節拍控制信號SHLLDAMSTAMEXE執行C1MAR←AD(IR)1R←11C2MDR←M(MAR)1MDR←AC1W←11C3C4AC←R(AC)1AC0←AC01AC←(MDR)1M(MAR)←MDR1第4章控制器4.2硬布線控制器第4章控制器根據時間表，寫出每個控制信號的邏輯表達式例如，“MDR←M(MAR)”的邏輯表達式為：FE·C2·(SHL+LDAM+STAM+JMPX+JZX+COM)+EXE·C2·(LDAM)=FE·C2+EXE·C2·(LDAM)=C2·[FE+EXE·(LDAM)]其中，SHL、LDAM、STAM、JMPX、JZX和COM均為指令譯碼器的輸出信號。4.2硬布線控制器第4章控制器根據邏輯表達式，畫出所有控制信號的組合邏輯電路圖。例如下圖就是“MDR←M(MAR)”的邏輯電路圖。&FEC2EXE&LDAM&1≥MDR←M(MAR)4.2硬布線控制器第4章控制器4.3微程序控制器在硬聯控制中，不同的控制信號用不同的組合邏輯電路來實時地生成。這種方法設計復雜、實現成本高。既然每條指令需要發出的控制信號都是固定的，而且已經被分析出來、順序安排在每個節拍中，那么把這些信息存儲起來，在解釋指令時調出來，直接發出控制信號不就可以了嗎？

的確可以，這種被稱為“微程序控制”的方法，在1951年就被英國劍橋大學的計算機教授Wilkes提出來了（所以“微程序控制”也稱“Wilkes模型”）。第4章控制器微程序控制器的設計原理是：依據指令的執行步驟中，每一個節拍需要發出的控制信號，編制微指令。一個節拍對應一條微指令。把這些微指令編制成微程序。在所有指令的微程序都編制完成后，將其存入控制器內部的專用只讀存儲器ROM——控制存儲器（ControlMemory,CM）中。4.3微程序控制器第4章控制器微程序控制器的工作原理是：運行時，控制器按順序從控制存儲器（簡稱控存）中讀出某條指令對應微程序的微指令，逐拍、逐條送入微指令寄存器(μIR)和譯碼器，譯碼后產生所需微命令/控制信號，使相應部件執行所規定的操作，完成對該指令的解釋。

4.3微程序控制器第4章控制器

微指令由“操作控制（控制命令）字段”和“順序控制字段”組成。其中“順序控制字段”用來在當前微指令執行結束后，確定下一條微指令的地址（簡稱“下地址”）。微程序控制器的組成，除了IR、PC、FR和時序系統外，增加了控存、微指令寄存器、微指令地址轉移邏輯電路以及微指令地址寄存器（μAR）等部件.4.3