《控制器与运算器》课件.ppt

课程简介与学习目标课程概述本课程旨在深入探讨计算机体系结构中的两个核心组件:控制器和运算器。通过对这两个组件的结构、功能和工作原理的学习，学生将能够理解计算机系统的基本工作机制，并掌握相关的设计方法和优化技术。学习目标理解控制器的作用和功能，掌握控制器的工作原理。了解控制器的硬件实现方式，包括基本结构和流水线设计。掌握运算器的基本结构和工作原理，包括算术逻辑单元的构成和功能。

计算机系统的基本组成计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是看得见摸得着的实体，包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入输出设备等。软件则是计算机系统中不可见的程序，它包括操作系统、应用程序、数据库等。硬件和软件协同工作，才能使计算机系统正常运行。

计算机体系结构的定义硬件组织计算机体系结构定义了计算机系统的硬件组织，包括中央处理器(CPU)、内存、输入/输出设备等，以及它们之间的连接方式。它决定了计算机系统如何工作以及如何执行指令。指令集体系结构还定义了计算机指令集，即CPU可以执行的指令的集合。指令集决定了计算机可以执行哪些操作，以及如何执行这些操作。用户视角

控制器的作用与功能作用控制器是计算机的核心部件之一，它负责控制整个计算机系统的运行，协调各个部件的协同工作。它就像一个指挥家，根据指令的指示，指挥各个部件完成特定的任务。功能解释并执行指令控制数据流向协调各个部件工作管理系统资源

控制器的基本原理1指令译码将指令中的操作码译码成控制信号2时序控制按指令的执行顺序产生各种控制信号3数据通路控制控制数据通路中各个部件的工作

控制器的硬件实现控制器的硬件实现是利用电子电路来实现控制器的功能，其主要组成部分包括：时序电路：产生各种控制信号的时序脉冲，例如指令周期中的各个阶段的时序信号。组合逻辑电路：根据指令和数据的状态，产生相应的控制信号，例如操作码译码器，地址译码器等。存储器：存放各种控制信息，例如微程序，指令寄存器等。接口电路：连接控制器和其他硬件部件，例如CPU和内存之间的接口。控制器的硬件实现需要满足以下要求：可靠性：控制器是计算机的核心部件，其可靠性直接影响整个系统的运行。速度：控制器的速度决定了计算机的执行速度，因此需要采用高速的电路和器件。

控制器的基本结构1指令寄存器（IR）保存当前正在执行的指令，供控制器进行译码和执行。2程序计数器（PC）保存下一条要执行的指令的地址，确保程序顺序执行。3指令译码器将指令的机器码转换为相应的控制信号，控制运算器、存储器和I/O设备执行指令。时序控制电路

控制器流水线的概念流水线原理控制器流水线是将控制器内部的控制信号生成过程分解成多个阶段，并将这些阶段并行执行，以提高控制信号生成的效率。阶段划分控制器流水线通常将控制信号生成过程划分为指令译码、地址计算、操作码译码、微操作生成等阶段。并行执行在流水线中，每个阶段可以同时处理不同的指令，从而实现控制信号的并行生成，提高控制器的执行速度。

控制器流水线的工作原理指令预取控制器从内存中预取下一条指令，并将其放入指令缓冲器。指令译码控制器将预取的指令进行译码，识别指令的类型和操作码。指令执行控制器根据译码结果，发出相应的控制信号，控制运算器、存储器和其他部件执行指令。结果写入控制器将指令执行的结果写入指定的寄存器或内存地址。

控制器流水线的优缺点提高执行速度流水线能够将指令的执行过程分解成多个阶段，并行执行各个阶段的指令，从而提高指令执行的效率，缩短指令执行时间。提高硬件利用率在流水线执行过程中，各个功能部件可以被充分利用，提高了硬件的利用率，降低了硬件成本。资源冲突流水线执行过程中，可能出现多个指令争用同一个资源，导致指令执行的延迟。数据冒险流水线执行过程中，如果后面的指令需要使用前面指令的结果，而前面指令的结果还没有计算出来，就会出现数据冒险，导致指令执行的延迟。

运算器的作用与功能算术运算运算器负责执行各种算术运算，例如加减乘除、取余、移位等。这些运算用于处理数据，例如计算数值表达式、更新数据值、进行数据转换等。逻辑运算运算器可以执行逻辑运算，例如与、或、非、异或等。这些运算用于处理逻辑条件、进行数据比较、控制程序流程等。数据传送运算器还负责在计算机系统内部进行数据传送，例如将数据从一个存储器位置传输到另一个位置，将数据从寄存器传输到运算器进行运算等。

运算器的基本结构算术逻辑单元(ALU)ALU是运算器的核心，负责执行算术运算和逻辑运算。它包含加法器、减法器、乘法器、除法器、逻辑运算器等部件，可以执行加、减、乘、除、与、或、异或等操作。寄存器组寄存器组用于存储运算数据和中间结果，是ALU的输入和输出接口。常用的寄存器包括累加器(AC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)等，它们在运算过程中起着重要的作用。数据通路