计算机组成原理与系统结构-第5章-控制器课件.ppt

1Computer System Organization and Architecture第五章第五章 控制器控制器 n5.1 5.1 控制器概述控制器概述n5.2 5.2 时序时序 n5.3 5.3 微程序控制微程序控制 n5.4 5.4 硬布线控制硬布线控制n5.5 5.5 流水线流水线n5.65.6 CPUCPU实实例例 2Computer System Organization and Architecture返回目录5.1 5.1 控制器概述控制器概述 中央处理器主要由运算器和控制器组成。中央处理器主要由运算器和控制器组成。依据控制器的具体组成与运行原理的不同，依据控制器的具体组成与运行原理的不同，通常把控制器分为微程序控制器和硬布线控制通常把控制器分为微程序控制器和硬布线控制器两大类。这两种控制器，指令的执行步骤基器两大类。这两种控制器，指令的执行步骤基本相同，其主要差异表现在解决指令执行步骤本相同，其主要差异表现在解决指令执行步骤衔接关系的方案，以及提供每个执行步骤要用衔接关系的方案，以及提供每个执行步骤要用到的控制信号的具体逻辑线路、运行速度等方到的控制信号的具体逻辑线路、运行速度等方面。面。3Computer System Organization and Architecture返回目录5.1.1 5.1.1 控制器的功能控制器的功能 控控制制器器部部件件是是计计算算机机的的五五大大功功能能部部件件之之一一，其其作作用用是是向向计计算算机机的的每每个个部部件件（包包括括控控制制器器部部）提提供协同运行所需要的控制信号。供协同运行所需要的控制信号。当当我我们们使使用用计计算算机机解解决决某某个个问问题题时时，必必须须首首先先编编写写程程序序，而而程程序序是是由由很很多多条条指指令令组组成成的的，这这些些指指令令告告诉诉计计算算机机应应该该完完成成什什么么操操作作，在在哪哪里里找找到到指指令令执执行行所所需需要要的的数数据据。程程序序在在运运行行之之前前要要装装入入到到主主存存储储器器中中，然然后后由由计计算算机机自自动动完完成成取取出出指指令令并并执执行行指指令令，完完成成这这项项工工作作的的硬硬件件就就是是中中央央处处理理器。器。4Computer System Organization and Architecture返回目录5.1.2 5.1.2 控制器的组成控制器的组成 1.1.控制器的组成控制器的组成 为了实现上述的功能，控制器必须由一些为了实现上述的功能，控制器必须由一些具有不同处理功能的逻辑线路组成，如图具有不同处理功能的逻辑线路组成，如图5.15.1所所示。示。5Computer System Organization and Architecture返回目录6Computer System Organization and Architecture返回目录 各种不同类型计算机的控制器会有不少差别，各种不同类型计算机的控制器会有不少差别，但其基本组成是相同的，控制器主要由以下几但其基本组成是相同的，控制器主要由以下几部分组成。部分组成。（1 1）程序计数器）程序计数器(Programming CounterProgramming Counter，PC)PC)即指令地址寄存器。在某些计算机中用来即指令地址寄存器。在某些计算机中用来存放当前正在执行的指令地址；而在另一些计存放当前正在执行的指令地址；而在另一些计算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地址；程序计数器址；程序计数器具有加具有加1 1或接收新值功能。有或接收新值功能。有两两种方法种方法来形成指令地址，顺序执行程序的时候，来形成指令地址，顺序执行程序的时候，通过通过PCPC加加1 1或其他固定值来形成下一条指令的地或其他固定值来形成下一条指令的地址。址。7Computer System Organization and Architecture返回目录（2 2）指令寄存器）指令寄存器(Instruction RegisterInstruction Register，IR)IR)指指令令寄寄存存器器用用来来存存放放当当前前正正在在执执行行的的指指令令。当当指指令令从从主主存存储储器器中中取取出出暂暂时时存存放放在在指指令令寄寄存存器器后后，在在执执行行指指令令的的过过程程中中，指指令令寄寄存存器器的的内内容不允许被改变，以保证实现指令的全部功能。容不允许被改变，以保证实现指令的全部功能。（3 3）指令译码器）指令译码器 指令译码器又称为操作码译码器，对指令指令译码器又称为操作码译码器，对指令寄存器中的指令的操作码进行译码分析，产生寄存器中的指令的操作码进行译码分析，产生相应的控制信号。相应的控制信号。8Computer System Organization and Architecture返回目录（4 4）脉冲源）脉冲源 脉脉冲冲源源产产生生一一定定频频率率和和宽宽度度的的脉脉冲冲信信号号作作为为整整个个机机器器的的时时钟钟脉脉冲冲，是是机机器器周周期期和和工工作作脉脉冲冲的的基基准准信信号号，在在机机器器刚刚加加电电时时，还还应应产产生生一一个个总总清清信信号号(Reset)Reset)。ResetReset信信号号撤撤掉掉后后，脉脉冲冲源源立立即即按按照照规规定定的的频频率率重重复复发发出出方方波波时时钟钟脉脉冲冲序序列，直到关闭电源。列，直到关闭电源。9Computer System Organization and Architecture返回目录（5 5）启停线路）启停线路 启停线路也称为启停控制逻辑。电源一旦启停线路也称为启停控制逻辑。电源一旦接通，脉冲源就发出一定频率的主时钟脉冲，接通，脉冲源就发出一定频率的主时钟脉冲，但这并不意味着计算机已经开始工作，只有通但这并不意味着计算机已经开始工作，只有通过启停线路把计算机启动后，主时钟脉冲才被过启停线路把计算机启动后，主时钟脉冲才被允许进入，并启动时序控制信号形成部件开始允许进入，并启动时序控制信号形成部件开始工作。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉工作。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使机器停机。器工作或使机器停机。10Computer System Organization and Architecture返回目录（6 6）时序控制信号形成部件）时序控制信号形成部件 当机器启动后，在当机器启动后，在CLKCLK时钟作用下，根据当时钟作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。时序控制信号。（7 7）指令执行步骤标记线路指令执行步骤标记线路 指明每条指令的执行步骤及接续关系指明每条指令的执行步骤及接续关系。（8 8）中断控制逻辑）中断控制逻辑 中断控制逻辑的作用是用来控制中断处理的中断控制逻辑的作用是用来控制中断处理的硬件逻辑电路。硬件逻辑电路。11Computer System Organization and Architecture返回目录2.2.CPUCPU中的寄存器中的寄存器 CPUCPU中的寄存器用来暂时存放运算和控制过中的寄存器用来暂时存放运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及控制状态信息。程中的中间结果、最终结果以及控制状态信息。CPUCPU中的寄存器分两大种：通用寄存器和专用寄中的寄存器分两大种：通用寄存器和专用寄存器。存器。.通用寄存器通用寄存器 通用寄存器的功能很多，可以用来存放原通用寄存器的功能很多，可以用来存放原始操作数和运算结果，还可以作为变址寄存器、始操作数和运算结果，还可以作为变址寄存器、指针寄存器等。指针寄存器等。12Computer System Organization and Architecture返回目录.专用寄存器专用寄存器 前面介绍过的前面介绍过的程序计数器、指令寄存器等都程序计数器、指令寄存器等都是是专用寄存器，用来完成特定的功能。专用寄存器，用来完成特定的功能。该课程中用到的该课程中用到的CPUCPU寄存器主要有寄存器主要有程序计数程序计数器、指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器、器、指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器、累加寄存器和状态条件寄存器，程序计数器和累加寄存器和状态条件寄存器，程序计数器和指令寄存器不再重复，其他几个寄存器的指令寄存器不再重复，其他几个寄存器的功能功能如下：如下：13Computer System Organization and Architecture返回目录（1）数据寄存器（数据寄存器（DRDR）数据寄存器用来数据寄存器用来临时存放从主存储器中取出临时存放从主存储器中取出的一条指令或一个数据字。反过来，当向主存的一条指令或一个数据字。反过来，当向主存储器写入一条指令或一个数据字时，也把它们储器写入一条指令或一个数据字时，也把它们临时存放在临时存放在数据寄存器中。数据寄存器中。（2）地址寄存器（地址寄存器（ARAR）地址寄存器地址寄存器保存当前保存当前CPUCPU所访问的主存储器所访问的主存储器单元的地址。单元的地址。由于在由于在CPUCPU和和主主存之间存在着操作存之间存在着操作速度上的差异，所以必须要使用地址寄存器来速度上的差异，所以必须要使用地址寄存器来保持内存的地址信息，直到保持内存的地址信息，直到主主存存储器储器存取操作存取操作完成为止。完成为止。14Computer System Organization and Architecture返回目录5.1.3 5.1.3 指令的执行过程指令的执行过程 控制器部分最重要的问题是理解指令的分控制器部分最重要的问题是理解指令的分步执行，这部分内容所涉及的知识综合性最强，步执行，这部分内容所涉及的知识综合性最强，是本课程最难的部分。要理解与设计指令的执是本课程最难的部分。要理解与设计指令的执行步骤，需要了解每条指令的格式与功能，要行步骤，需要了解每条指令的格式与功能，要了解计算机各个功能部件的组成与运行原理，了解计算机各个功能部件的组成与运行原理，以及它们各自的控制与使用方式、它们之间的以及它们各自的控制与使用方式、它们之间的连接关系等，要涉及整台计算机的几乎全部组连接关系等，要涉及整台计算机的几乎全部组成逻辑和运行机制。成逻辑和运行机制。15Computer System Organization and Architecture返回目录指令的执行过程指令的执行过程 一一般般情情况况下下，一一条条指指令令的的执执行行过过程程分分为为四四个个阶阶段段：取指令，取指令，分析指令，执行指令和检查有无中断请求。分析指令，执行指令和检查有无中断请求。16Computer System Organization and Architecture返回目录（1）取指令取指令 把把将将要要执执行行的的指指令令从从主主存存储储器器中中取取出出，送送往往指令寄存器，具体操作如下：指令寄存器，具体操作如下：把把程程序序计计数数器器中中的的内内容容送送往往地地址址寄寄存存器器ARAR，然然后再送往地址总线。后再送往地址总线。控制器向主存储器发出读的控制信号。控制器向主存储器发出读的控制信号。从从主主存存储储器器中中读读出出的的指指令令经经过过数数据据总总线线送送往往指指令寄存器。令寄存器。程序计数器中的内容加程序计数器中的内容加1（或其他增量），为（或其他增量），为取下一条指令做准备。取下一条指令做准备。17Computer System Organization and Architecture返回目录（2）分析指令）分析指令 指令取出来后，指令译码器马上对指令进指令取出来后，指令译码器马上对指令进行分析。指令译码器可以识别和区分不同的指行分析。指令译码器可以识别和区分不同的指令以及各自的寻址方式，因为指令系统中指令令以及各自的寻址方式，因为指令系统中指令的功能各不相同，所以，分析指令这一阶段的的功能各不相同，所以，分析指令这一阶段的差异也很大。差异也很大。（3）执行指令）执行指令 指令分析完了、所需要的操作数也取出来指令分析完了、所需要的操作数也取出来后，就到了执行指令阶段，该阶段完成指令所后，就到了执行指令阶段，该阶段完成指令所规定的功能，如对操作数进行计算，并把计算规定的功能，如对操作数进行计算，并把计算结果送到指定地址存储下来。结果送到指定地址存储下来。18Computer System Organization and Architecture返回目录（4）检查有无中断请求）检查有无中断请求 最最后后，CPUCPU检检查查有有无无中中断断请请求求，有有则则响响应应中中断，转入中断服务程序，没有则执行下条指令。断，转入中断服务程序，没有则执行下条指令。以上四个阶段中，以上四个阶段中，1和和4阶段是公用的，与阶段是公用的，与具体的指令无关。不管什么指令，在运行时首具体的指令无关。不管什么指令，在运行时首先要取指令到指令寄存器，指令执行完了之后先要取指令到指令寄存器，指令执行完了之后总是要检查有无中断请求。总是要检查有无中断请求。19Computer System Organization and Architecture返回目录指令的执行过程举例指令的执行过程举例 一个指令系统中的指令有很多条，一个指令系统中的指令有很多条，不同指不同指令的操作内容差异很大，令的操作内容差异很大，导致指令的执行过程导致指令的执行过程都不相同。下面举两条指令的执行过程。都不相同。下面举两条指令的执行过程。20Computer System Organization and Architecture返回目录（1 1）加法指令的执行过程，指令的功能是主存储器）加法指令的执行过程，指令的功能是主存储器的数和寄存器中的数相加，结果送寄存器。的数和寄存器中的数相加，结果送寄存器。从从主主存存储储器器取取指指令令，送送入入指指令令寄寄存存器器，并并进进行行操操作作码译码码译码(分析指令分析指令)。计计算算数数据据地地址址，将将计计算算得得到到的的有有效效地地址址送送地地址址寄寄存存器器ARAR。到主存储器中取数。到主存储器中取数。进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果置状态位置状态位N，Z，V，C以及检查有无中断请求。以及检查有无中断请求。21Computer System Organization and Architecture返回目录 假设运算器的框图如图假设运算器的框图如图5.2所示。运算器由所示。运算器由8个通用寄存器个通用寄存器GR及一个算术逻辑运算部件及一个算术逻辑运算部件ALU组成。组成。22Computer System Organization and Architecture返回目录图图5.35.3给出了给出了加法指令的操作时序。加法指令的操作时序。23Computer System Organization and Architecture返回目录（2 2）条件转移指令的执行过程）条件转移指令的执行过程 指指令令功功能能：根根据据N N，Z Z，V V，C C的的状状态态，决决定定是是否否转转移移。如如转转移移条条件件成成立立，则则转转移移到到本本条条指指令令所所指定的地址，否则顺序执行下一条指令。指定的地址，否则顺序执行下一条指令。本条指令完成以下操作：本条指令完成以下操作：从从主主存存储储器器取取指指令令，送送入入指指令令寄寄存存器器，并并进进行行操操作码译码。作码译码。如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址，转移指令经常采用相对寻址方式，算有效地址，转移指令经常采用相对寻址方式，此时转移地址此时转移地址PC+disp。最后检查有无中断请最后检查有无中断请求，无则进入下一条指令的执行过程。求，无则进入下一条指令的执行过程。24Computer System Organization and Architecture返回目录5.2 5.2 时序时序 5.2.15.2.1时序概述时序概述 控制器的功能就是根据指令操作码和时序控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成信息的传送。控制器有立数据通路，从而完成信息的传送。控制器有两种：硬布线控制器和微程序控制器。这两种两种：硬布线控制器和微程序控制器。这两种控制器分别在控制器分别在5.35.3和和5.45.4节中介绍。节中介绍。CPUCPU中除了控中除了控制器外，还必须有时序产生器。时序产生器的制器外，还必须有时序产生器。时序产生器的作用就是对各种操作信号进行定时，在时间上作用就是对各种操作信号进行定时，在时间上对各种操作信号进行约束，以便对各种操作信对各种操作信号进行约束，以便对各种操作信号进行协调。号进行协调。25Computer System Organization and Architecture返回目录 硬布线控制器中，时序信号往往采用主状硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期态周期节拍电位节拍电位节拍脉冲三级体制。一个节拍脉冲三级体制。一个节拍电位表示一个节拍电位表示一个CPUCPU周期的时间，它表示了一周期的时间，它表示了一个较大的时间单位；在一个节拍电位中又包含个较大的时间单位；在一个节拍电位中又包含一个或几个具有一定宽度的节拍脉冲；而主状一个或几个具有一定宽度的节拍脉冲；而主状态周期可包含若干个节拍电位，所以它是最大态周期可包含若干个节拍电位，所以它是最大的时间单位。主状态周期可以用一个触发器的的时间单位。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间来表示。状态持续时间来表示。26Computer System Organization and Architecture返回目录 图图5.45.4给出了主状态周期给出了主状态周期节拍电位节拍电位节拍节拍脉冲三级时序系统。脉冲三级时序系统。27Computer System Organization and Architecture返回目录 图图5.45.4中中每每个个主主状状态态周周期期M M中中包包括括四四个个节节拍拍T T1 1T T4 4，每个节拍内有一个节拍脉冲每个节拍内有一个节拍脉冲P P。在微程序控制器中，时序信号比较简单，在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位一般采用节拍电位节拍脉冲二级体制。就是节拍脉冲二级体制。就是说，它只有一个节拍电位，在节拍电位中又包说，它只有一个节拍电位，在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲。节拍电位表示一个含若干个节拍脉冲。节拍电位表示一个CPUCPU周期周期的时间，而节拍脉冲把一个的时间，而节拍脉冲把一个CPUCPU周期划分成几个周期划分成几个较小的时间间隔。根据需要，这些时间间隔可较小的时间间隔。根据需要，这些时间间隔可以相等，也可以不等。以相等，也可以不等。28Computer System Organization and Architecture返回目录下面给出几个跟时序有关的名词。下面给出几个跟时序有关的名词。1.1.指令周期指令周期 从取指令、分析指令、执行指令到检查有无从取指令、分析指令、执行指令到检查有无中断请求所需的时间称谓一条指令的指令周期。中断请求所需的时间称谓一条指令的指令周期。2.2.机器周期机器周期 指令周期往往用若干个指令周期往往用若干个CPU周期数来表示，周期数来表示，CPU周期也称为机器周期。由于周期也称为机器周期。由于CPU本身的速度本身的速度很快，而很快，而CPU访问一次主存储器所花的时间较长，访问一次主存储器所花的时间较长，因此通常用从主存储器中读取一个指令字的最短因此通常用从主存储器中读取一个指令字的最短时间来规定时间来规定CPU周期。周期。29Computer System Organization and Architecture返回目录3.3.节拍节拍 一一个个CPUCPU周周期期又又包包含含了了若若干干个个时时钟钟周周期期，时时钟钟周周期期通通常常称称为为节节拍拍，是是处处理理操操作作的的最最基基本本单单位。位。一个机器周期内要完成若干微操作，其中一个机器周期内要完成若干微操作，其中有的可并行执行，有的要求顺序操作。因此，有的可并行执行，有的要求顺序操作。因此，需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一时间段对应一个电位信号，称为节拍电位每一时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。节拍的宽度取决于信号。节拍的宽度取决于CPUCPU完成一次基本操作完成一次基本操作的时间，如的时间，如ALUALU完成一次正确的运算，寄存器间完成一次正确的运算，寄存器间的一次传送等。的一次传送等。30Computer System Organization and Architecture返回目录 由由于于不不同同的的机机器器周周期期内内需需要要完完成成的的微微操操作作的的个个数数及及难难易易程程度度是是不不同同的的，因因而而不不同同机机器器周周期期内所需要的节拍数也不相同。内所需要的节拍数也不相同。（1）统一节拍法。以最复杂的机器周期为）统一节拍法。以最复杂的机器周期为准来定出节拍数，每一节拍时间的长短也以最准来定出节拍数，每一节拍时间的长短也以最繁琐的微操作为准，这种方法使得所有的机器繁琐的微操作为准，这种方法使得所有的机器周期长度相等，并且每一机器周期内含有相同周期长度相等，并且每一机器周期内含有相同数目的节拍，因此称为定长机器周期。数目的节拍，因此称为定长机器周期。31Computer System Organization and Architecture返回目录（2 2）分分散散节节拍拍法法。按按照照机机器器周周期期实实际际的的需需要要安安排排节节拍拍数数，需需要要多多少少个个节节拍拍就就提提供供多多少少个个节节拍拍，由由于于各各个个机机器器周周期期长长度度不不同同，故故称称为为不不定定长长机机器周期，这种方式的时间利用率比上一种要高。器周期，这种方式的时间利用率比上一种要高。（3）延长节拍法。在照顾多数机器周期要求的）延长节拍法。在照顾多数机器周期要求的前提下，选取适当的节拍数作为基本节拍。若前提下，选取适当的节拍数作为基本节拍。若某个机器周期内按规定的基本节拍数无法完成某个机器周期内按规定的基本节拍数无法完成该周期的全部微操作，则可延长节拍。该周期的全部微操作，则可延长节拍。32Computer System Organization and Architecture返回目录 （4）时钟周期插入。某些微型机的时序信）时钟周期插入。某些微型机的时序信号中不设置节拍，直接使用时钟周期信号。一号中不设置节拍，直接使用时钟周期信号。一个机器周期中含有若干个时钟周期，时钟周期个机器周期中含有若干个时钟周期，时钟周期的数目取决于机器周期内完成微操作数目的多的数目取决于机器周期内完成微操作数目的多少以及相应功能部件的速度。一个机器周期的少以及相应功能部件的速度。一个机器周期的基本时钟周期数确定之后，还可以不断插入等基本时钟周期数确定之后，还可以不断插入等待时钟周期。待时钟周期。33Computer System Organization and Architecture返回目录5.2.25.2.2时序信号产生器时序信号产生器 各种计算机的时序信号产生电路是不尽相各种计算机的时序信号产生电路是不尽相同的。一般来说，大、中型计算机的时序电路同的。一般来说，大、中型计算机的时序电路比较复杂，而小、微型计算机的时序电路比较比较复杂，而小、微型计算机的时序电路比较简单，这是因为前者涉及的操作动作比较多，简单，这是因为前者涉及的操作动作比较多，后者涉及的操作动作较少。另一方面，从设计后者涉及的操作动作较少。另一方面，从设计操作控制器的方法来讲，硬布线控制器的时序操作控制器的方法来讲，硬布线控制器的时序电路比较复杂，而微程序控制器的时序电路比电路比较复杂，而微程序控制器的时序电路比较简单。然而不管是哪一类，时序信号产生器较简单。然而不管是哪一类，时序信号产生器的基本构成是一样的。下面以微程序控制器为的基本构成是一样的。下面以微程序控制器为例来说明的时序信号产生器的组成。例来说明的时序信号产生器的组成。34Computer System Organization and Architecture返回目录 微程序控制器中使用的时序信号产生器的微程序控制器中使用的时序信号产生器的结构图如图结构图如图5.55.5所示，它由时钟脉冲源、环行脉所示，它由时钟脉冲源、环行脉冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启停控制逻辑等部分组成。停控制逻辑等部分组成。35Computer System Organization and Architecture返回目录1.1.时钟脉冲源时钟脉冲源 时时钟钟脉脉冲冲源源用用来来为为环环行行脉脉冲冲发发生生器器提提供供频频率率稳稳定定且且电电平平匹匹配配的的方方波波时时钟钟脉脉冲冲信信号号。它它通通常常由由石石英英晶晶体体振振荡荡器器和和与与非非门门组组成成的的正正反反馈馈振振荡荡电电路路组组成，其输到送至环行脉冲发生成，其输到送至环行脉冲发生器。器。2.2.环行脉冲发生器环行脉冲发生器 环行脉冲发生器的作用是产生一组有序的间环行脉冲发生器的作用是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需要的节拍脉冲。环行脉冲发生器有产生最后所需要的节拍脉冲。环行脉冲发生器有两种形式，一种是采用普通计数器，一种是采用两种形式，一种是采用普通计数器，一种是采用循环移位寄存器。由于前者容易在节拍脉冲上带循环移位寄存器。由于前者容易在节拍脉冲上带来干扰毛刺，所以通常采用循环移位寄存器形式。来干扰毛刺，所以通常采用循环移位寄存器形式。36Computer System Organization and Architecture返回目录 图图5.65.6是一种典型的环行脉冲发生器及其译是一种典型的环行脉冲发生器及其译码逻辑，它采用循环移位寄存器形式。码逻辑，它采用循环移位寄存器形式。37Computer System Organization and Architecture返回目录3.3.节拍脉冲和读写时序的译码节拍脉冲和读写时序的译码 环行脉冲发生器及其译码逻辑的上半部示出了环行脉冲发生器及其译码逻辑的上半部示出了节拍脉冲和读写时序的译码逻辑。节拍脉冲和读写时序的译码逻辑。4.4.启停控制逻辑启停控制逻辑 机器一旦接通电源，就会自动产生原始的节拍机器一旦接通电源，就会自动产生原始的节拍脉冲信号脉冲信号T T1 1T T4 4。然而，只有在启动机器运行的。然而，只有在启动机器运行的情况下，才允许时序产生器发出情况下，才允许时序产生器发出CPUCPU工作所需要的工作所需要的节拍脉冲节拍脉冲T T1 1T T4 4。为此需要由启停控制逻辑来控制为此需要由启停控制逻辑来控制T T1 1T T4 4的发送。同样，对读写时序信号也需要的发送。同样，对读写时序信号也需要由启停逻辑加以控制。启停控制逻辑的核心是一个由启停逻辑加以控制。启停控制逻辑的核心是一个运行标志触发器（运行标志触发器（CrCr），），如图如图5.75.7所示。所示。38Computer System Organization and Architecture返回目录39Computer System Organization and Architecture返回目录5.2.3 5.2.3 控制器的控制方式控制器的控制方式 控制器的控制方式是指控制不同操作序列时控制器的控制方式是指控制不同操作序列时序信号的方法，主要有四种：序信号的方法，主要有四种：1.1.同步控制方式同步控制方式 在程序运行时任何指令的执行或指令中每在程序运行时任何指令的执行或指令中每个操作的执行都受事先确定的时序信号所控制，个操作的执行都受事先确定的时序信号所控制，每个时序信号的结束就意味着一个操作或一条每个时序信号的结束就意味着一个操作或一条指令已经完成，随即开始执行后续的操作或自指令已经完成，随即开始执行后续的操作或自动转向下一条指令的执行。各指令所需要的时动转向下一条指令的执行。各指令所需要的时序信号由控制器统一发出，所有微操作都与时序信号由控制器统一发出，所有微操作都与时钟同步。钟同步。40Computer System Organization and Architecture返回目录2.2.异步控制方式异步控制方式 各操作不用统一的时序信号控制，而是每各操作不用统一的时序信号控制，而是每条指令、每个操作需要多少时间就占用多少时条指令、每个操作需要多少时间就占用多少时间，其特点是：当控制器发出进行某一操作控间，其特点是：当控制器发出进行某一操作控制信号后，等待执行部件完成该操作后发回的制信号后，等待执行部件完成该操作后发回的“回答回答”信号或信号或“结束结束”信号，再开始新的操信号，再开始新的操作，称为异步控制方式。作，称为异步控制方式。3.3.联合控制方式联合控制方式 联合控制方式是同步控制和异步控制相结联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。合的方式。41Computer System Organization and Architecture返回目录4.4.人工控制人工控制 为了调试机器和软件开发的需要，在计算为了调试机器和软件开发的需要，在计算机面板或内部往往设置一些开关或按键以进行机面板或内部往往设置一些开关或按键以进行人工控制。最常见的有人工控制。最常见的有Reset按键、连续执行或按键、连续执行或单条指令执行的转换开关、符合停机开关等。单条指令执行的转换开关、符合停机开关等。42Computer System Organization and Architecture返回目录5.3 5.3 微程序控制微程序控制 5.3.1 5.3.1 微程序概述微程序概述 在计算机中，一条指令的功能是通过按一定在计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操作称为微操作。作称为微操作。在微程序控制的计算机中，将由同时发出在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，所以微指令就是把同时发出的控制信号的有关所以微指令就是把同时发出的控制信号的有关信息汇集起来而形成的。将一条指令分成若干信息汇集起来而形成的。将一条指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能。组成微指令的微操作，又称为现指令的功能。组成微指令的微操作，又称为微命令。微命令。43Computer System Organization and Architecture返回目录5.3.2 5.3.2 微程序控制器的基本原理微程序控制器的基本原理 微程序控制器的基本原理微程序控制器的基本原理 在微程序在微程序CPU的机器中，执行一条指令实的机器中，执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。而微程序的执行是在微程序控制器的控制序。而微程序的执行是在微程序控制器的控制下完成的。图下完成的。图5.85.8给出了一个给出了一个微程序控制器的简微程序控制器的简单框图。单框图。44Computer System Organization and Architecture返回目录 每每一一条条微微指指令令对对应应一一条条机机器器指指令令的的一一个个执执行行步骤，这条微指令需要具有两项功能：步骤，这条微指令需要具有两项功能：（1 1）提提供供一一条条机机器器指指令令的的一一个个执执行行步步骤骤所所需需要要的的控制信号，以实现该执行步骤的操作功能。控制信号，以实现该执行步骤的操作功能。（2 2）提供读出下一条待执行微指令的地址，以）提供读出下一条待执行微指令的地址，以便自动有序地读出每一条微指令，解决机器指便自动有序地读出每一条微指令，解决机器指令执行步骤之间的正确的接续关系。令执行步骤之间的正确的接续关系。45Computer System Organization and Architecture返回目录控制信号控制信号 以以加加法法指指令令的的执执行行过过程程，分分析析每每个个阶阶段段需需要要什什么么控控制制信信号号。一一条条加加法法指指令令的的执执行行过过程程分分成成了了四四个个阶阶段段，每每一一个个阶阶段段对对应应一一条条微微指指令令，即即该该加加法法指指令令由由四四条条微微指指令令解解释释执执行行，一一条条微微指指令令中中的的所有控制信号是同时发出的。所有控制信号是同时发出的。例如：加法指令如下：例如：加法指令如下：ADD RADD R0 0，R R1 1，dispdisp R0，R1为寄存器，为寄存器，disp为偏移量。指令的功为偏移量。指令的功能是能是R0寄存器寄存器中的数据和主存中的一个数相加之中的数据和主存中的一个数相加之后和放在后和放在R0寄存器寄存器中。主存中的数据的地址为中。主存中的数据的地址为（R1）+disp。46Computer System Organization and Architecture返回目录每条微指令所需的控制信号如下：每条微指令所需的控制信号如下：(1)(1)取指微指令取指微指令 指令地址送地址总线：指令地址送地址总线：PCPCABAB。发访存控制命令：发访存控制命令：M MIO1 1，W WR0 0。从从主存储器取指令送数据总线。主存储器取指令送数据总线。指令送指令寄存器：指令送指令寄存器：DBDBIRIR。程序计数器程序计数器+1：PC+1。47Computer System Organization and Architecture返回目录取指微指令的执行过程如图取指微指令的执行过程如图5.9所示。所示。48Computer System Organization and Architecture返回目录(2)(2)计算地址微指令计算地址微指令 取两个源操作数取两个源操作数(用作计算地址用作计算地址)：（R R1 1)DA1DA1，（，（DA1DA1）ALUALU，dispdispDA2DA2，（DA2DA2）ALUALU。加法运算：加法运算：“+”。有效地址送地址寄存器：有效地址送地址寄存器：ALUAR。49Computer System Organization and Architecture返回目录计算地址微指令的执行过程如图计算地址微指令的执行过程如图5.10所示。所示。50Computer System Organization and Architecture返回目录(3)(3)取数微指令取数微指令 数据地址送地址总线：数据地址送地址总线：ARARABAB。发发访访存存控控制制命命令令：M MIO=1，W/R=0W/R=0。由由主主存存储器将数据送数据总线储器将数据送数据总线DBDB。数据送数据寄存器：数据送数据寄存器：DBDA2。51Computer System Organization and Architecture返回目录取数微指令的执行过程如图取数微指令的执行过程如图5.11所示所示。52Computer System Organization and Architecture返回目录(4)(4)加法运算和送结果微指令加法运算和送结果微指令 两两 源源 操操 作作 数数 送送 ALUALU：（R R0 0）DA1DA1，(DA1)(DA1)ALUALU；（；