计算机组织与系统结构季福坤电子教案 第6章.ppt

6.1.1 控制器的基本组成 CPU的三大基本组成部分：运算器、cache和控制器 控制器的基本组成部分：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器 控制器主要功能：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向 CPU的基本组成 1、指令部件 包括：程序计数器、指令寄存器和指令译码器 程序计数器(PC)：存储将要执行的下一条指令的地址，具有寄存信息和计数两种功能 指令寄存器：保存当前正在执行的一条指令 指令译码器：对指令的操作码进行译码 2、时序部件 产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行信息传送、加工及信息存储，包括： 脉冲源 ：产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号 启停控制逻辑：根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止 节拍信号发生器，脉冲分配器，脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作 3、微操作信号发生器 最基本的不可再分割的操作称为微操作。微操作序列形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。不同的机器指令具有不同的微操作序列 4、中断控制逻辑 中断控制逻辑是用来控制中断处理的硬件逻辑 6.1.2 控制器的实现 控制器的核心：微操作序列形成部件 控制器可分为：组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型 1、组合逻辑型 常规控制器或硬布线控制器，是采用组合逻辑技术来实现的，其微操作序列形成部件是由门电路组成的复杂树形网络 最大优点：速度快 应用：仅有一些巨型机和RISC机为了追求高速度仍采用 2、存储逻辑型 也称微程序控制器，采用存储逻辑来实现，即微操作信号代码化，每条机器指令转化成一段微程序并存入控制存储器中，微操作控制信号由微指令产生 优点：设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便，易于实现自动化设计 应用：当前控制器的主流 3、组合逻辑和存储逻辑结合型 称为PLA控制器，吸收前两种设计思想，，实际上也是一种组合逻辑控制器，但它是可编程的，某一微操作控制信号由PLA的某一输出函数产生 应用：组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物，克服了两者的缺点，是一种较有前途的方法 6.2.1 指令周期 1、指令周期（Instruction cycle） 取出并执行一条指令的时间 一般含有若干个（至少两个）CPU周期（机器周期） 2、指令执行的过程 可以分为三个阶段： （1）取指令 将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中：首先，微处理器把指令的地址放到地址总线上，然后，存储器子系统从总线上输入该地址并予以译码，访问指定的存储单元，即PC→MAR（内存地址寄存器）； 对地址译码和访问所需的存储单元之后，微处理器发出读（READ）控制信号；存储器子系统就把要取的指令码放到计算机的数据总线上，微处理器就从数据总线上输入该指令码并将它存储在其内部的指令寄存器IR中：DB→MDR→IR 微处理器已经取得该指令，然后将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备：PC+1→PC 6.2.2 指令的微操作序列 控制器总要把每条指令分解成为一系列时间上先后有序的最基本、最简单的微操作序列,才能实现一条指令的功能。 每一个部件在什么时候输入，什么时候输出都由一系列时间顺序排列好了的微操作信号控制着。这些微操作控制信号由控制器产生，见图6-5所示。 不同的数据通路就有不同的微操作序列 。 ?例6-1???加法指令ADD （R0），R1 把R0的内容作为主存中第一操作数地址，与R1的内容加，结果送回R0指向的内存中。即： （（R0）） + （ R1） →（（R0）） 相应的微操作序列如下： （1）取指令周期 ①PCout与MARin 有效，完成（PC）→MAR。 ②地址信号稳定后控制器向存储器发Read信号。 ③存储器经过地址译码后，将所指单元的内容（指令）送上数据总线DB，同时到达MDR。 ④MDRout和IRin有效，指令送至IR，即（MDR）→IR。至此，指令被取出，指令的操作码开始控制CU而产生相应的控制信号。 ⑤ PC的内容+1，准备取下一条指令，记作：（PC）+1→PC （2）取操作数周期 该指令有两个操作数，其中一个在寄存器R1中，另一个在通过R0寻址的内存中，在这个周期要完成从内存中取出操作数的任务。 ① R0out和MARin有效，完成（R0）→MAR。 ② 向存储器发出Read信号。 ③