第6章控制器原理案例.ppt

第 6 章 控制系统与CPU 本章学习内容 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 6.1 控制器概述 控制器和运算器一起组成中央处理器，即CPU（Central Process Unit） 。 控制器的功能 根据事先编好并存放在存储器中的解题程序，控制各部件有条不紊地、自动协调地进行工作。 控制器是计算机的指挥和控制中心，由它把计算机的运算器、存储器、I/O设备等联系成一个有机的系统，并根据各部件具体要求，适时地发出各种控制命令，控制计算机各部件自动、协调地进行工作。 6.1.1 指令执行的基本步骤 计算机运行程序的基本过程： 1.取指令 根据指令地址（由PC提供），从存储器中取出所要执行的指令 2.分析指令 ① 对取出的指令进行译码分析。确定指令应完成的操作，产生相应操作的控制电位，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）。 ② 根据寻址方式的分析和指令功能要求，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： 根据指令分析所产生的操作控制信号和形成的有效地址，按一定的算法形成指令操作控制序列，控制有关部件完成指令规定的功能。 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。 控制器的任务 按取指令、分析指令、执行指令这样的步骤进行周而复始的控制过程，直到完成程序所规定的任务并停机为止。 指令ADD A，R7的执行过程 程序的执行过程 设有程序： MOV AL，07H ADD AL，0AH MOV [20H]，AL (1) 指令长度均为2字节，其中第一字节为操作码部分，第二字节为形式地址部分。 (2) 程序存放在以00H开始的区域内。 程序执行过程演示 6.1.2 控制器的基本功能 1．控制指令的正确执行 包括指令流出的控制，分析指令和执行指令的控制，指令流向的控制。 ⑴ 指令流出控制（对取指令的控制） 取指令时需进行的操作 (PC)→MAR，Read ；给出指令地址，并向MEM发 出读命令 (MDR)→IR ；读出的指令经MDR存放到指 令寄存器IR中 (PC)增量→PC ；为取下一条指令作准备 ⑵ 分析指令和执行指令的控制 IR中的指令经指令译码器(ID)译码分析，确定操作性质，判明寻址方式并形成操作数的有效地址。 控制器根据分析的结果和形成的有效地址产生相应的操作控制信号序列，控制有关的部件完成指令所规定的操作功能。 例：设某指令的IR15～IR12＝0000时为MOV指令，则 MOV 的控制信号为： ⑶ 指令流向的控制 指令流向控制即下条指令地址的形成控制。 ① 按指令序列顺序执行时，通过PC自动增量形成下条指令的地址。 ② 当需要改变指令流向时，需改变程序计数器PC中的内容。 转移指令的执行：把形成的转向地址送入PC； 转子指令的执行：把子程序入口地址送入PC； 中断处理：将中断服务程序入口地址送入PC。 为了正确返回，转子和中断还需保留PC被改变之前的内容(即返回地址)。 2.控制程序和数据的输入及结果的输出 为完成某项任务而编制的程序及所需数据，必须通过某些输入设备预先存放在存储器中，运算结果要用输出设备输出。所以必须由控制器统一指挥，完成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 机器在运行程序过程中，往往可能会遇到一些异常情况（如电源掉电、运算溢出等）或某些特殊请求（如打印机请求传送打印字符等）。这些异常和请求往往是事先无法预测的，控制器必须具有检测和处理这些异常情况和特殊请求的功能。 宏观上每条指令的执行过程均是取指、译码、执行，但每条指令有不同的操作序列，需要在不同时间产生不同的控制序列，并有严格的时序要求。控制器必须根据不同指令产生不同的控制序列。 控制器在工作时，需要根据不同的指令、不同的状态条件，在不同的时间，产生不同的控制信号，控制计算机的各部件自动、协调地进行工作。 指令执行的一般流程 6.1.3 控制器的组成 1．指令部件 指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。 ⑴ 程序计数器 PC （指令计数器、指令地址寄存器） PC用于保证程序按规定的序列正确运行，并提供将要执行指令的地址。 由于PC可以指向主存中任一单元的地址，因此它的位数应能表示主存的最大容量并与主存地址寄存器MAR的位数相同。 在CPU中可以单独设置程序计数器，也可以指定通用寄存器中的某一个作为PC使用。 程序顺序执行时的PC增量可以通过PC本身的计数逻辑实现，也可以由运算器的ALU实现。不同机器，实现方法