06控制器原理概论.ppt

第六章 控制器与CPU 本章学习的主要内容 控制器的功能与组成 控制方式与时序系统 CPU的总体结构 组合逻辑控制器设计 微程序控制器设计 流水线处理技术 6.1 控制器概述 控制器是计算机的指挥和控制中心，其主要功能就是根据事先编好并存放在存储器中的解题程序,按所执行指令的具体要求，适时地产生并发出各种控制命令，控制计算机各部件自动、连续、协调地进行工作，直到完成程序的全部功能为止。所以控制器的基本功能就是运行程序。 一、 指令执行的基本步骤 1. 取指令： 根据PC提供的指令地址，从存储器中取出所要执行的指令放入IR(指令寄存器)。 2. 分析指令：对取出的指令进行译码分析 对指令的操作码进行译码分析。确定指令应完成的操作，产生相应操作的控制电位，去参与形成该指令功能所需要的全部控制命令（微操作控制信号）。 根据寻址方式，形成操作数的有效地址，并按此地址取出操作数据（运算型指令）或形成转移地址(转移类指令)，以实现程序转移。 3. 执行指令： 根据指令功能，执行指令所规定的操作，并根据需要，保存操作结果。 一条指令执行结束，若没有异常情况和特殊请求，则按程序顺序，再去取出并执行下一条指令。 二、 控制器的基本功能 1. 控制指令的正确执行——取指、分析、执行指令 另外还控制 指令流向： 顺序执行：PC增量→PC 转移指令：转移地址→PC 转子指令：子程序入口地址→PC 中断处理：中断服务程序的入口地址→PC 2. 控制程序和数据的输入及结果的输出。 3. 异常情况和特殊请求的处理。 运行程序必须解决的问题 1、指令的流出控制（取指令） 从主存中取出所要执行的指令。基本步骤如下： (PC) → MAR, Read (PC)增量 → PC (MDR) → IR 2、分析指令 实质是对指令进行译码的过程。 3、形成地址 指令地址的形成 程序按地址增加顺序执行时：通过PC自动增量形成下条指令的地址。 程序转移时：通过修改PC值，把转移地址送入PC实现。 操作数地址的形成 按不同的寻址方式形成。 4、时序控制 从指令控制的观点来看，计算机的解题过程又是一个个简单基本的操作（称为微操作）的执行过程，即微操作的执行过程。 这些微操作有些可以同时进行，有些则必须按严格的时间顺序进行。因此必须对各个微操作在时间上加以控制，为各个微操作进行定时，这就是时序控制的问题。 5、微操作控制 不同的指令完成不同的操作功能，控制器必须对不同的指令在不同的时间，产生一组不同的控制信号，以控制计算机各部件完成不同的操作。所以，每一条指令都对应一组唯一的微操作控制信号序列，控制其微操作序列的实现。 三、控制器的组成 四、控制器的组成方式 控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成部件采用何种组成方式产生微操作控制信号。 1．组合逻辑型(硬联逻辑、硬布线逻辑) 控制信号=F(控制电位、时序、状态条件)，并用门电路来实现。 优点：速度快 缺点：微操作信号发生器结构不规整，设计、调试、维修较困难，难以扩充。 将微操作控制信号代码化，形成微指令，微操作控制信号由微指令产生，每条机器指令对应一段微程序，存于控制存储器中。 优点：设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便。 缺点：由于它增加了一级控制存储器，所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。 组合逻辑和存储逻辑结合型控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。 PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它的输出是程序可编的，某一微操作控制信号由PLA的某一输出函数产生。 6.2 控制器的控制方式与时序系统 一、控制方式 如何在时间上对指令对应的各个微操作进行控制？ 同步控制 异步控制 联合控制 任何指令的运行或指令中各个微操作的执行，均由确定的具有统一基准时标的时序信号所控制。 典型的同步控制方式： 以微操作序列最长的指令和执行时间最长的微操作为标准，把一条指令执行过程划分为若干个相对独立的阶段（称为周期）或若干个时间区间（称为节拍），采用完全统一的周期（或节拍）控制各条指令的执行。 优点：时序关系简单，控制方便 缺点：浪费时间。 (1) 采用中央控制与局部控制相结合的方法 中央控制：统一节拍的控制 根据大多数指令的微操作序列的情况，设置一个统一的节拍数，使之大多数指令均能在统一的节拍内完成。 局部控制：对于少数在统一节拍内不能完成的指令，采用延长节拍或增加节拍数，使之在延长节拍内完成，执行完毕再返回中央控制。 例：设某机的指令通常在8个中央节拍 W0～W7内完成，当某指令在8个