第十节_控制器的组成.pdf

9章CPU的结构和功能－9.3 控制器组织 控制器的功能是，从存储器中取指令， 对指令译码产生控制信号并控制计算机系统 各部件有序地执行，从而实现指令的功能。 为了实现控制器的这些功能，需要配备相应 的器件。 9章CPU的结构和功能－9.3 .1控制器的基本组成 （1）指令寄存器（IR） 用来存放由内存取出的指令，在指令执行过程中指令一直保存 在IR中。指令是控制工作的依据，IR 内容的改变就意味着一条新 指令的开始。 （2 ）程序计数器（PC） 用来存放即将执行的指令地址，具有计数器的功能，PC的值是 程序执行位置的体现。当程序开始执行时，PC内装有程序的起 始位置的体现。当程序顺序执行时，每执行一条指令PC增加一 个量，这个量等于指令所含的字节数（这就是为什么称为程序计 数器的原因）。当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要 改变PC的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转移。在有些 机器中PC也被称为指令指针（Instruction Pointer，IP）。 （3 ）时序部件 用于产生计算机系统所需的各种时序（定时）信号，计算机中 的各种控制信号都有很强的定时性。指令告诉计算机做什么，由 时序线路确定什么时候去做。时序线路由脉冲源、启停线路负责 时钟信号的通断。时序形成线路负责生成周期信号，节拍信号和 节拍脉冲信号。 （4 ）程序状态字寄存器（PSW） PSW用来存放两类信息：一类是体现当前指令执行结果的各种状 态信息。例如有无进位（CF位）、有无溢出（OF ）、结果正负 （SF ）、结果是否为零（ZF位）、奇偶标志（PF位）等；另一 类是存放控制信息，例如允许中断（IF位）、跟踪标志（TF位） 等。有些机器中将PSW称为标志寄存器（Flag Register，FR） 。实际上不同的机器其状况信息的内容和名称并不完全相同。 （5 ）微操作形成部件 根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）以及时序线 路3方面的内容，由微操作控制形成部件产生控制整个计算机系 统所需要的各种控制信号（也称微命令或微操作），操作形成方 式有组合逻辑和微程序两种方式，其形成部件的结构也大不相同 。根据微操作的形成方式可将控制器分为组合逻辑控制器（或硬 布线控制器）和微程序控制器两大类。 9章CPU的结构和功能－9.3.2 指令执行的基本过程 （1）取指令阶段 取指令阶段对所有指令都是相同的，它是将程序计数器（PC ）的内容作为地址去读内存，将该单元的内容即指令读出送 往指令寄存器（IR）。同时PC的内容自增，指向下一条指令 ，也就是说取指令是一次内存的读操作。 （2 ）取操作数阶段 取操作数仅针对操作数存放在内存的情况。由于寻址方式的 不同（直接、间接、基址、相对、变址等），取操作数的过 程也大不相同，取操作数是一次或多次内存的读操作，还可 能包括操作数地址的计算（如变址、基址、相对等）。 （3 ）执行指令阶段 执行指令是根据指令操作码对操作数实施各种算术、逻辑及 移位操作。对于结果地址在内存的，还应包括一次内存的写 操作。对于转移指令或子程序调用及返回等指令，应对PC的 内容进行更新。 9章CPU的结构和功能－9.3.3 控制器的时序系统 计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是 用时序信号来体现的。一般来说，控制器发出的各种 控制信号都是时间因素 （时序信号）和空间因素 （部 件位置）的函数。 时序系统的作用就在于将各种控制信号严格定时 ，使多个控制信号在时间上相互配合完成某一功能。 1．组合逻辑控制器的时序系统 控制器组成有组合逻辑方式和微程序方式，相应地其时序 系统也有区别。组合逻辑控制器中，将时序信号分为指令周 期、CPU周期、节拍周期和节拍脉冲 。 指令周期 C PU 周期（取指） C PU 周期（取数） C PU 周期（执行） 节拍周期 T 0 节拍脉冲 P 0 节拍周期 T 1 节拍脉冲 P 1 节拍周期 T 2 节拍脉冲 P 2 节拍周期 T 3 节拍脉冲 P 3