第六篇 中央控制器(6-1,2,3).ppt

第六章 中央控制器 控制器的功能和组成 微程序控制器及微程序设计技术 硬布线控制器 控制器的控制方式 流水线工作原理 CPU举例 计算机的加电及控制过程 第六章 中央控制器 本章主要研究计算机控制器的组成原理。 要求掌握: 1.在计算机运行过程中各硬件部件的作用， 2.了解CPU中各部件的操作过程及其实现方法； 3.重点掌握控制器如何实现各指令的功能，如何保证逐条指令的连续执行过程。 6.2 控制器的功能和组成 一、控制器的功能 控制器的作用是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能： 1．取指令 当程序已在存储器中时，首先根据程序入口从存储器中取出第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。然后不断取出第2，3，…条指令。 2．分析指令 或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分析，指出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。 6.2 控制器的组成 3．执行指令 根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输入输出设备的执行，实现每条指令的功脂，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。 计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行……，如此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。 6.2 控制器的组成 4．控制程序和数据的输入与结果输出 根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成I／O功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。 5．对异常情况和某些请求的处理 对出现的某些异常情况进行处理，诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错等；或者某些外来请求，诸如磁盘上的成批数据需送存储器或程序员从键盘送入命令等，对这些异常情况的处理通常是由被称为中断程序的程序来完成的。 6.2 控制器的组成 二、控制器的组成 控制器是计算机的指挥中心，其基本功能就是执行指令。 控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指令译码器(ID)、时序系统和微操作信号发生器组成。 下图是控制器的基本组成结构框图。 控制器的组成框图 6.2 控制器的组成 6.2 控制器的组成 根据对CPU模型结构分析，得出CPU的基本组成如下： ① 程序计数器(PC) 用以指出所执行的指令在主存中的存放地址，CPU根据PC的内容从主存取得指令。因程序中指令大多是顺序执行的，所以PC有自增计数功能。 ② 指令寄存器(IR): 用来保存当前正在执行指令的代码。 ③ 地址寄存器(AR): 用来存放当前CPU访问内存单元的地址。 ④ 数据寄存器(DR): 用来暂存由内存储器中读出和准备写入内存的指令或数据。 6.2 控制器的组成 ⑤ 指令译码器: 分别对操作码字段、寻址方式字段、地址码字段进行译码，向控制器提供操作的特定信号。 ⑥ 时序部件: 用来产生各种时序信号，时序信号可分为①CPU周期信号、②节拍周期信号和③节拍脉冲信号，它们都是由统一时钟CLOCK分频得到。 ⑦ 微操作信号形成部件: 根据①IR的内容(指令)、②PSW的内容(状态信息)以及③时序线路三方面的内容，产生控制整个计算机系统所需的全部控制信号。其结构有组合逻辑型(硬布线)和存储逻辑型(微程序)两种。 6.2 控制器的组成 图6.3是控制器基本组成的逻辑框图。 6.2 控制器的组成 在某些计算机的控制器中，将反映机器运行的状态集中在一起，称为程序状态字(PSW)，而将保存程序状态的寄存器称为程序状态寄存器(PSR)。 图6.3中的程序计数器PC和运算器中的状态寄存器以及是否允许CPU响应中断的标志位等都可包含在程序状态字中。应该说明一下，各个机器的程序状态字所包含的内容不完全相同。 图6.3给出的框图是最基本的控制器组成，事实上由于VLSI的发展，使计算机体系结构有了很大的发展，例如在CPU中，往往有一个指令预取队列，可以预取出若干条指令，存放在由寄存器组成的队列中，这样当执行程序需取指令时，可以从速度比主存储器快得多的寄存器中得到，从而缩短运行程序的时间。 指令指行过程 三、指令执行的逻辑过程 指令执行的过程 指令的执行过程 【例如】一段简单的汇编源程序如下所示，分析其执行过程。 020?? ??CLA ；累加器清0 021??? ?ADD 30 ；（AC）+（30）→AC? 022? ???STA 40 ；（AC）→(40) 023?? ??NOP ； 空操作? 024? ???JMP 21 ； 21 → PC … 030 000 006 ;