第6章

計算機的控制器部件

洋幸：要向客

合控制器的功能組成與指令執行步驟

⑥微程序控制器部件

合組合邏輯控制器部件

控制器的功能與組成

1.控制器的功能：控制執行指令

控制各部件協調運行，即為各部件提供控制信號。

2.控制器的組成：程序計數器指令寄存器

指令步驟標記線路提供控制信號的部件

分類：

微程序的控制器

硬布線的控制器

控制器的功能

計算機的功能是執行程序

程序是依次排列起來的指令代碼

控制器的功能就在于：

正確地分步完成每一條指令規定的功能，

正確且自動地連續執行指令；

再進一步說，就是向計算機各功能部件提供

協調運行每一個步驟所需要的控制信號。

控制器的組成

①程序計數器PC：存放指令地址，有+1或接收新值功能。

②指令寄存器IR：存放指令內容：操作碼與操作數地址。

主脈沖源與啟停控制線路，按需要給出主脈沖信號。

③指令執行步驟標記線路：指明每條指令的執行步驟。

④控制信號記憶或產生線路：給出計算機各功能部件部

件協同運行所需要的控制信號。

各部件包括運算器部件主存儲器部件

總線及輸入/輸出接口（輸入/輸出設備）

也包括控制器部件

設計中的難點，在于解決對運算器、控制器的控制

控制器的組成

指令轉移地址

存儲器；；I/OI

控制信號提供方法

?生成法

-將操作碼和微操作序號作為輸入，寫出控制

信號和下一微操作序號的邏輯表達式，然后,

用相應的邏輯器件實現。

-組合邏輯控制器，也稱硬布線控制器

?查表法

-將每一操作碼的每個微操作對應的全部控制

信號和下一操作步驟事先存儲在控制存儲器

中，需要的時候從控存中讀出。

-微程序控制器

微程序

方案的

控制器

運算器

部件

微程序控制器基本原理

八取指令微程序段

轉取操作數或執行指令

?取操作數微程序段

轉執行指令

a中斷處理微程序段

轉取指令

\開始執行指令

?AND指令微程序段

轉取執行指令或中斷

>ADD指令微程序段

轉取執行指令或中斷

微程序控制器指令執行流程

?讀當前指令到IR,且PC=PC+1；

?根據指令的操作碼，得到該指令的微程

庠入口應任;

?讀取該指令的微指令，并送到相應的計

算機部件，完成微操作，同時，得到下

一微指令的地址；

?重復上一步，直到本條指令執行完畢；

?判中斷標志，如有，則進行中斷處理；

?轉取指令，執行下一條指令

微程序控制器的運行原理

?每條指令一個執行步驟用到的全體控制信號

組成一微指令

?每條指令可以包括一到多個微操作

?用多條微指令解釋每條指令的整個執行過程

?全部微指令的集合叫做微程序

?執行一條微指令所用的時間被稱為一個微周

期。

?微指令的格式和內容：

-下地址字段控制命令字段

微程序控制器組成

ALU

狀態標志

clock

下地址控制

控制信號

微程序控制器設計

?定序器

-根據指令操作碼、指令當前步驟以及條件碼,

確定下一步驟的微程序地址

?微指令

-給出當前指令的當前步驟要完成指令規定的

功能，各功能部件所需要的控制信號。對控

制器本身而言，則是要給出下一步驟的微程

—址。

-水平

-垂直

下地址

■順序執行下一條微指令

?無條件轉移到某條微指令

?根據微指令的某一狀態結果，選擇順序

執行或轉向某一地址

?微子程序調用，要使用到微堆棧

?多路轉移

■根據指令操作碼，轉移到指令的入口地

址

定序器組成

微指令微地址

寄存器寄存器

標志

信號

指令寄存器

微指令設計

?微指令字長

-縮短控制存儲器的字長

?微程序的長度

-控制存儲器的容量

?提高性能

-提高整個計算機指令執行性能

微指令設計

?直接控制法

-直接給出各部件需要的控制信號（0或1）

-字段直接編譯法

-將某些互斥信號進行編碼，由譯碼器給出這

些信號，可縮短微指令字長

?垂直型微指令

-采用對微操作碼譯碼的方式給出控制信號，

可進一步縮短微指令字長

微程序控制器特點

?采用ROM存儲控制信號的方式，可擴展

性好

?兼容性實現比較容易

?容易實現復雜的指令系統

?性能比較低

?并行性不好

?主要用在CISC中

組合邏輯控制器

?采用邏輯電路直接提供全部控制信號

?輸入

-操作碼

-指令狀態字

-指令步驟編碼（節拍）

-外部信號（Reset等）

?輸出

-全部控制信號

?主要解決的問題

-節拍轉換

-控制信號生成

節拍發生器

?控制每條指令的執行步驟

?用觸發器實現

?有限狀態自動機

?用觸發器狀態表示當前執行步驟

?狀態自動機自動轉入下一狀態

節拍發生器設計舉例

我們假定某機器的指令系統有兩條指令A和B,其中A指令需要4個步驟完成，

而B指令只需要3個步驟。為此，節拍發生器需要有2個觸發器，用它形成的4

個狀態來標記不同的步驟。如給A指令分配的節拍狀態是00-01-10-11,B

指令分配的節拍狀態為00-10-11o

TT，

A0LAB1。TJ

001001

000110

011010

101011

100111

111000

110100

T0'=/T0*/T1*/A*B+/T0*T1*A7B+T0*/T1

T1'=/T0*/T1*A7B+T0*/T1

控制信號生成

?直接利用邏輯電路生成控制信號

-大規模集成電路

-現場可編程器件

?輸入

-節拍狀態

-條件碼

-指令操作碼

?輸出

-控制信號

組合邏輯控制器特點

?直接用邏輯電路實現，用節拍標記指令

步驟，性能良好

?可擴展性差，兼容性不好

?適合實現比較精簡的指令系統

?較容易實現并行

?常用于實現RISC

指令的執行過程

馮.諾依曼結構的計算機

即存儲程序的計算機，設置內存，存放

程序和數據，在程序運行之前存入。

執行程序：正確從程序首地址開始；

正確分步執行每一條指令，

并形成下條待執行指令的地址；

正確并自動地連續執行指令，

直到程序的最后一條指令。

每條指令的執行步驟

一讀取指令--------------------

是一次讀指令地址送入主存地址寄存器公共操作

內存操作讀主存，讀出內容送入指定的寄存器

形

—分析指令成

下

—按指令規定內容執行指令一

RR類型指令不同指令的操作步驟數，條

讀與誦存爰通指令和具體操作內容差異很大,可能執行指

令

就鯨塞嬰指令是每一條指令的特定操作一次或多次

地

其他類型指令

址

—檢查有無中斷請求

公共操作

若有，則響應中斷并轉中斷處理

若無，則轉入下一條指令的執行過程

典型指令的執行過程舉例

20000001ADDr0,rl;加法指令

20010790MVRRr9,r0;傳送指令

2002E709STRA[2007],r9;寫內存指令,這是一條雙字指令,

2007；第二個字中的807是直接地址

20048280IN80；讀串行口數據到R0低8位

200544FAJRC2000；若C為1轉移到2000,否則順序執行

20068F00RET；子程序返回指令

其他一些指令與這里的幾條指令有相當多的共同特性，屬于

同一組的指令的執行步驟非常類似。

指令執行步驟簡單的文字描述

加法指令ADDRO,RI

讀取指令①AR-PC（注）形

②讀主存，IR一讀出內容成

下

PC―PC+1—條

指

令

執行指令③（地

ALU—R0址

ALU-R1

,執行+

、R0-ALU,記憶結果特征

結束，判中斷

寄存器內容傳送指令

MVRRR9,R0

讀取指令①AR—PC（注）形

②［讀主存，讀出內容成

IR—下

PCPC+1?條

指

令

執行指令③地

ALU-0址

ALU—R0

執行+

R9—ALU

結束，判中斷

寫寄存器內容到主存

STRA[2007],R9

（地址2007存在指令的第二個字中）

讀取指令①AR―PC

②讀主存，IR一讀出內容

PCPC+1J

執行指令③JAR—PC,t

\PC<-PC+1—.汽

④讀主存，AR一讀出內容址

5)rALU<-0,ALU—R9,+

\寫主存,總線―ALU,

結束，判中斷

輸入指令IN80

讀取指令①AR—PC（注）形

成

②讀主存，一讀出內容

rIR下

二PC—PC+1.條

指

令

地

執行指令③AR—I/OPort址

④r讀外設，ALU一讀出數據

ALU―0

<執行+

<R0—ALU

結束，判中斷

相對轉移指令JRC2000

讀取指令①AR—PC（注）

形

②讀主存，一讀出內容成

fIR下

jPC—PC+1—條

指

令

地

執行指令若c=1則：址

尸ALU—PC

vALUoffset（IR低字節）

、二者相加，結果送PC

否則，PC不接收二者之和

結束，判中斷

子程序返回指令RET

讀取指令①AR-PC

②］讀主存，IR一讀出內容形

成

1PC—PC+1—下

條

指

令

執行指令③[AR—SP地

ISP―SP+1址

④讀主存,PC一讀出內容一

結束，判中斷

16位機的基本指令、擴展指令執行流程圖

TEC-2000教學機系統的組成

電

源

V

微程序運算器

計算機+內5

接

存

控制器（8/16位）口

終端

擴

行實

展

接硬布線主存儲器驗

實

—口中

斷

控制器（8/16位）驗

實

按鍵指示燈驗

當前微指令地址

兒個寄存器送內部總線內存與I/O片選

送入/出設備串行人/出

寄存器的接收允許的選擇控制信號及讀寫命令

廿?十廿產擴展實驗+5V

控制存儲器串行接口芯片

電平轉換線路直流電源

2片譯碼器3片譯碼器

微指令W鐘分頻線路］時鐘信號

址部件73

V.I/O片選

----1-------/OFCLK

微指令寄存器⑶<32串行接口

I/CC內存I/O端口.Reset

z-DC23^20DC13^l0/

串行入/出Intel8251芯片|.讀寫命令

控制命；令字段|/MIOREQ/WEZ3位地址高位地址其他通用

/OE微指令地址

下地址送譯碼電路

一，映射部件

字段A3?AOB3?B018?10C_/D

低8位

并行

SST2?SSTOSCI1?SCI0ARL低位地址地址總線

條件碼數據

SSH1?SSH0寄荏器I/O接口

SCC,8位入/出

日送地址寄存器數據總線

口口/OE

振

PCCoutCin■片選

8位

程序計數器8位運算器.擴展實驗

CLK1IR[（在運算器芯片內）|丙存儲暮?/0E

部件移位部怦.讀寫命令

啟指令寄存器移位信號:

信號

停8位8位

控轉移地址+iQ高位

制，件二地址總線

8位內部總線IBARH.

SCISSH|高位地址

中

移面壽臥（接地）I,寄存器I

8位INTP斷

進位信號舒/0E數據總線

時序實

信號.片選驗

州

控制信號CZ4VSSST“位運算器ICin8位線

發狀態位JyZr___丙荏能涯___一讀寫命令

形成部件路

生OvF

觸發器部件一部件INTS

器移位信號-r--------總位

f信號

-

位內部總線

8IB3個無鎖按鍵（中斷源）

來自八位開關△A來自八位開關

TEC2000總體框架

控制器應提供的控制信號

各Y15?Y0用16個指示燈顯示結果

用

四

個

指

示

燈

顯

示

狀

態

18?615?312-0SSTSCISSH通過24位微型開關

提供控制信號

(1)對運算器的控制

24位控制信號，同24位微型開關內容，

A3?AO,B3?B0,18?16,15?13,12?10

SST2?0,SSH1?0,SCI1?0

寄存器分配：

R4：SPR5：PC

約定用法：R0：I/O指令約定使用，也是通用累加器

(2)讀寫主存儲器或I/O接口

從學習指令執行步驟考慮，理解對主存儲器讀寫的控制,

分成兩步：

1.傳送主存地址，以選擇被讀寫的存儲單元；

2.給出讀寫命令，

讀操作時，把讀出數據保存起來，

寫操作時，還要給出寫入的數據。

從學習指令執行步驟考慮，理解對接口電路讀寫的控制,

分成兩步：

1.傳送IO端口地址，以選擇被讀寫的芯片；

2.給出讀寫命令，

讀操作時，把讀出數據保存起來，

寫操作時，還要給出寫入的數據。

對內存和I/O接口的讀寫

/MIO（0：有內存或串口讀寫，1：無）

REQ（0：讀寫內存，1：讀寫串行口）

/WE（0：寫操作，1：讀操作）

000寫內存

001讀內存

010寫串口

011讀串口

1XX無內存和串口的讀寫操作

(3)對總線的控制

總線是用于連接計算機各個功能部件的

線路和連接線，通常由具有三態輸出功能的

器件構成，以便用分時地方式，在不同時刻

把不同的數據發送到總線上，任何時刻僅能

有一個數據發送到總線上；

總線上的數據可以被送到需要接收數據

的部件或者線路，多個線路可以同時接收同

一個來源數據。

計算機中總要使用3種類型的總線：

數據總線，地址總線，控制總線

(4)對內部總線和特定寄存器的控制

選擇送內部總線的信息來源控制指定寄存器接收信息

DC—信號名稱注釋DC2?信號名稱注釋

OOO/SWTOIB來自開關000NC不用

001/RTOIBALU的輸出001/GIR指令寄存器

010/ETOIB符號擴展16位010/GARL地址寄存器低位

Oil/FTOIB狀態位輸出011/GARH地址寄存器高位

100/STOIB符號擴展8位100/INTR取原中斷優先級

101/INTVH中斷向量的101/INTN置新中斷優先級

110/INTVL高、低8位110/EI開中斷

110NC不用110/DI關中斷

洋幸：要向客

合控制器的功能組成與指令執行步驟

⑥微程序控制器部件

④組合邏輯控制器部件

微程序控制器組成與設計

(1)微程序控制器的運行原理

(2)教學計算機的微程序控制器的實際組成

(3)微程序解釋的基本指令執行流程圖

(4)微指令的格式設計

(5)指令執行流程舉例與說明

(1)微程序控制器的運行原理

每條指令一個執行步驟用到的全體控制信號組成一微指令

每條微指令可以包括一到多個微操作。

用多條微指令(一個微程序)解釋每條指令的執行過程。

全部的微程序有機地組合在一起，被保在控制存儲器中。

執行一條微指令所用的時間被稱為一個微周期。

微指令的格式和內容:?個微周期

接

下地址字段控制命令字段收

微

韋

讀與執行微指令的執行第i條微指令令

形成第i+1條微指令地址

并行流水技術?---

1出第i+1條微指令’

下地址字段的內容

得到下地址的方法：

在微指令下地址

1.由指令操作碼得到字段中表示清楚：

使用哪種方法，

2.微指令順序執行哪個（些）判斷條件，

3.微指令必轉或條件轉移要用的有關地址等，

并用專門電路完成必

多路微地址轉移要支持和處理，

4.微子程序調用和返回微指令的下地址是微

程序設計中要重點解

5.按次數循環一段微程序決的問題之一，

技術、技巧性強，

6.其他：如特定入口微地出應學得好些。

在教學計算機中，解決下地址使用了Am2910器件

Dll?DO

器件

Am2910/RLDCP/FULL

t

裝數寄存器/計數器

減量微堆棧指針

保持R/C^iSP

出棧/入棧

R為零

1零檢保持/清零

/cc測

命5字*12位

令微堆棧F

/CCEN譯

碼微程序計數

器aDRFNPC器RPC

13?10清零多路選擇器

選

擇

增量器

/PL/MAP/VECT/OE

YU?Y0

完成R/CR/C使能代=高代=低

功能內容操作信號Y輸出堆棧Y輸出堆棧

0初始化/PL0清除0清除

1條件轉微子/PLRPCD壓入

2功能分支/MAPDD

3條件微轉移/PLpiPCD

4入棧與裝數注1/PLRPC壓入RPC壓入

6讀手撥開關/VECTRPCD

8R/C非零減1/PLFF

1二戶

非零循環.零/PLRPC彈出RPC彈出

10微子返回/PLRPCF彈出

14順序執行/PLNPC^PC

15三路轉移非零減1/PLFRPC彈出

.零J-I-A/PLD彈出RPC彈出

微命令字段的編碼譯碼方法

1.直接控制法

直接用微指令字的一位作一個控制信號則簡單且速度快,

但會使微指令字變得很長。

2.字段直接編譯法

把互斥的命令分在一組加以編碼，經譯碼器給出命令，

速度會稍慢，但可大大減短微指令字長度，確保互斥。

3.字段間接編譯法

是對直接譯碼的的一種改進，可進一步縮短微指令字長

度，即一個字段的某些微命令還受另一字段的制約。

4.常數源字段

微指令中分配幾位，用于給出特定用途的有關數值。

卜地址?lSCC當前地址

8個燈8個燈8個燈

CI3-0SCC3-0(2)微程序控制器組成

19174240383634

89II127756位的微指令字長，

14\71916151296521916159652191615：129652

/CC13-10D7~D0

3111Q7-Q0Q7-Q0Q7-Q02~52120

』GAL20V8

CPAM2910CLK374CLKCLK—?微下地址字段位，

八37716

/PL/OE/CLR

Y7-Y0/MAPD7~D0D7-D0D7-D023187614670

18171^387437X

201831393735337控制命令字段位，

1817141I3874340

181714138743CZ/INTS/Reset

IRH4?IRHO

卜地址

CI3WSCC3-0/MIOREPAVE12-10

18?16|113-11片組成控存。

221,19-1513-11197513Tl19-1513-11728c64

/OED7~DOD7~D0D7~D0一茂二DO-

/CE/CEMPROM1/CEMPROM2/CEMPROM31片28c65,從指令操

A7~A0ANA7-AOANA：AOASA7-A0

""會3~1025?~介工10251~03~1025l~~介3To

vcoc>§NDIRH7?【RHO作碼產生微地址，

:91025：S73-10254\

25173-1025173-101片374存8位下地址，

A8A7~A0A8A7~A0A8A7-AOA8A7~A0

202020

/CEMPROM4/CEMPROM5/CEMPROM6/CEMPROM71片273存8位條件碼，

D7-D0D7-D0D7~D0D7-D0

19-1513-1119?1513-11g5137119?1513-11

SA18-16SB15-13A3?A0SSTSSHSCIDC23-20DC13-101片377存8位現微地址。