国防科技大学非计算机专业计算机原理课件第六章 控制器.ppt

计算机系统原理 第六章 控制器 控制器——引言 6.1 概述 6.2 构造一个计算机 6.3 控制器基本设计方法 6.4 微操作技术 6.5 微程序技术 本讲简要说明 目的与要求：了解控制器作用，掌握实例计算机基本结构和运行原理 授课重点：实例计算机结构、控制器组成及控制方式 授课难点：控制器结构、微操作概念 阅读章节：第6.1节和6.2节 作业安排：P236 6.3、 6.4 6.1 概述 控制器是冯.诺依曼型计算机的五大组成部件之一，是指挥运算器、存储器、输入输出设备协调工作的核心单元 了解控制器的工作过程就是从全局的角度了解整个计算机的工作过程 6.1 概述 计算机是通过指令来使五大部件工作的，控制器可认为是处理指令的逻辑电路 计算机执行的指令序列称为指令流 根据指令依次访问的数据序列称为数据流 控制指令流正确执行、数据流正确访问的控制信号序列称为控制流 6.1 概述 控制器的功能：在时间和空间上产生正确的控制流，主要任务包括： 控制指令流出 控制指令分析 控制指令执行 控制指令流向 控制维护执行状态 6.1 概述 指令流的产生和控制过程 控制器设计的主要任务 控制信号 控制器需要产生对存储器、运算器和输入/输出设备的正确控制信号序列 研究任务 这些控制信号产生的时间和方法 研究控制器的思路： 构造一个计算机 分析、设计、实现控制器，控制整个计算机的工作。 6.2 实例计算机——1 结构 1 结构 控制器在不同的时机发出不同信号控制各个部件完成一条指令的处理，三大部件使用六个寄存器保存一定的指令执行状态： PC：程序计数器，用于保存指令的存储地址 IR：指令寄存器，用于保存当前指令 AC：累加器，用于保存运算结果和载入数据 MAR：存储器的地址寄存器 MBR：存储器的数据寄存器 RW：读写状态寄存器 2 指令系统 3 指令系统上的一个程序 4 指令格式 5 计算机执行过程 实例计算机的执行过程 按照当前PC值指示的地址取指令存入IR 控制器按照IR的高三位译码，确定指令类型 控制器按照IR的低29位设置MAR，并根据指令类型决定MBR、RW寄存器值 存储器按照控制器设置的MAR、MBR、RW状态对存储器进行读或写 运算器根据指令类型决定运算类型，并从MBR内取出源操作数参与运算 控制器按照指令类型更新PC的值，实现跳转或顺序执行 6.3 控制器基本设计方法——1指令周期 指令周期 定义： 一条指令的执行时间，即从取指令开始到指令执行完成所需要的时间 6.3 控制器基本设计方法——1指令周期 指令周期 取指周期 控制器将程序计数器PC内容送存储器，启动存储器读，从存储器中取出指令，然后对指令进行译码 执行周期 控制器将操作数地址送存储器，从存储器中取出操作数，并按指令要求对操作数完成相应操作，PC+4 6.3 控制器基本设计方法——1指令周期 6.3 控制器基本设计方法——1指令周期 6.3 控制器基本设计方法——1指令周期 1 指令周期 实例计算机指令周期的划分 2 控制器的基本组织 由六个寄存器和组合逻辑构成的电路 3 微操作 一条指令的处理包括一系列控制过程。在这个控制过程中，由控制器发出的每个控制信号均通过硬连线的方式连接到某个特定部件，在空间上形成受控部件的操作 一个部件能够完成的基本操作称为微操作，微操作可理解为是一个功能部件能够完成的最基本的硬件动作，是控制器需要处理的最小具有独立意义的操作。一条指令的执行可分解成为若干步微操作的执行 3 微操作 3 微操作 按同样思路分析其它4条指令，得所有微操作集合 4 控制方式 1) 单个微操作的时序控制 实例计算机涉及的大部分微操作都是寄存器传输微操作，即经过一定组合逻辑运算控制器控制结果存入寄存器的微操作。假设一个微操作在一个周期内完成 4 控制方式 2) 存储器访问时序 读时序 写时序 4 控制方式 3) 多个微操作控制——同步时序 同步时序控制：机器中所有微操作的动作均是在一个统一时钟控制下完成。这个时钟称为系统时钟，它的一个周期时间就是机器周期时间 一个指令周期中需要若干微操作要安排不同的时间段执行，怎样安排？ 节拍：把一个指令周期划分为若干相等的时间段，每个时间段称为一个节拍。把微操作安排到各个节拍去完成 最简单的情况：每个微操作都可在一个时钟周期内完成，则一个节拍对应一个特定的时钟周期 3) 同步时序 同步时序控制方式下指令周期内节拍及控制信号时序 不同指令由于复杂度不同，指令周期中包含的节拍个数也不同 控制信号在各个节拍中控制执行不同微操作 计算机系统原理 第六章 控制器 本讲简要说明 目的与要求：掌握实