第5章控制器组成原理教案.ppt

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1、计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理第5章控制器组成原理 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理本章主要内容：本章主要内容：本本章章讲讲述述控控制制器器的的基基本本组组成成、基基本本功功能能、硬硬布布线线控控制制器器的的组组成成原原理理与与实实现现方方法法、微微程程序序控控制制器器的的组组成成原原理理与与实实现现方方法法及及控控制制器器的的控

2、控制制方方式式等等内内容容。要要求求重重点点掌掌握握两两种控制器的实现方法。种控制器的实现方法。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.15.1 控制器的基本功能及结构控制器的基本功能及结构5.25.2指令的执行过程指令的执行过程5.35.3硬布线控制器的组成原理与实现方法硬布线控制器的组成原理与实现方法5.4 5.4 微程序控制器的组成原理与实现方法微程序控制器的组成原理与实现方法5.55.5控制器的控制方式控制器的控制方式计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.15.1控制器的基本功能及结构控制器的基本功能及结

3、构5.1.1控制器的功能控制器的功能1取指令取指令2分析指令分析指令3执行指令执行指令4控制程序和数据的输入与结果输出控制程序和数据的输入与结果输出5随机事件和某些特殊请求的处理随机事件和某些特殊请求的处理计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.1.2控制器的基本组成控制器的基本组成图5-1 控制器基本组成框图 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1指令部件 完成取指令并分析指令。包括以下部分：完成取指令并分析指令。包括以下部分：（1）程序计数器）程序计数器PC （2）指令寄存器）指令寄存器IR （3）指令译码器）

4、指令译码器ID2时序部件 能产生一定的时序信号，以保证计算机的各功能能产生一定的时序信号，以保证计算机的各功能部件有节奏的运行。部件有节奏的运行。包括以下部分：包括以下部分：（1）脉冲源）脉冲源 （2）启停线路）启停线路 （3）节拍信号发生器）节拍信号发生器 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3微操作信号发生器 用来产生微操作序列，根据微操作序列的形成用来产生微操作序列，根据微操作序列的形成方式不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控方式不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器。制器。4中断机构 即响应和处理中断的逻即响应和处理中断的逻辑线路，负责

5、处理异常辑线路，负责处理异常情况和特殊请求情况和特殊请求计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.25.2指令的执行过程指令的执行过程5.2.1时序系统时序系统 控制器的心脏，为指令的执行提供各种定时信控制器的心脏，为指令的执行提供各种定时信号。包括以下部分：号。包括以下部分：1指令周期和机器周期 机器周期机器周期 通常它是主存储器的一个访问周期。通常它是主存储器的一个访问周期。又称又称CPU周期，周期，计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2节拍 3工作脉冲 在一个节拍中，有的操作还需要严格的定时脉在一个节拍中，有的

6、操作还需要严格的定时脉冲，所以在一个节拍之内往往还需要设置几个工作冲，所以在一个节拍之内往往还需要设置几个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。脉冲，作为各种同步脉冲的来源。节拍的宽度取决与节拍的宽度取决与CPU执行一次微操作所需要的时间，不执行一次微操作所需要的时间，不同的机器周期内所包括的节拍数可以是固定不变的，也可同的机器周期内所包括的节拍数可以是固定不变的，也可以是可变的。以是可变的。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.2.2指令的执行过程指令的执行过程一条指令的执行通常都可以分为以下三个阶段：一条指令的执行通常都可以分为以下三个阶段：1取指令

7、任何一条指令的执行，都必须经过取指令阶任何一条指令的执行，都必须经过取指令阶段，该阶段主要是将指令从主存中取出放入段，该阶段主要是将指令从主存中取出放入CPU内部的指令寄存器中。内部的指令寄存器中。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2分析指令 取出指令后指令译码器对保存在取出指令后指令译码器对保存在IR中的指令操中的指令操作码进行译码，产生译码信号并送微操作序列形成作码进行译码，产生译码信号并送微操作序列形成部件，进而产生微操作序列送运算器、存储器、外部件，进而产生微操作序列送运算器、存储器、外设及控制器本身。设及控制器本身。3执行指令 根据分析指令阶

8、段所产生的微操作序列，控制运根据分析指令阶段所产生的微操作序列，控制运算器、存储器、外设及控制器本身完成指令规定的算器、存储器、外设及控制器本身完成指令规定的各种操作。各种操作。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.2.3指令的执行过程举例指令的执行过程举例 控制器在实现一条指令的功能时，总是控制器在实现一条指令的功能时，总是把每条指令分解成一系列时间上先后有序的把每条指令分解成一系列时间上先后有序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。最基本、最简单的微操作，即微操作序列。下面通过一个简单的模型机来看具体指令的下面通过一个简单的模型机来看具体指令的执

9、行过程，即指令的微操作序列。执行过程，即指令的微操作序列。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1数据通路图图5-4 模型机的数据通路模型机的数据通路PCMARMDRR0RN-1 控制信号形成部件控制信号形成部件 ID IR微操作控制信号微操作控制信号ALU Z YADDSUB至地址总线至地址总线至数据总线至数据总线1C0计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2加法指令ADD R1，NUM 即实现：（即实现：（NUM）+（R1）R1 相应的微操作如下：相应的微操作如下：（1）PCout、MARin、READ、在数据没取

10、出的间隙进、在数据没取出的间隙进行行PC+1（0Y，1C0，ADD，Zin）；）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存储功能完成）；（等待存储功能完成）；（3）MDRout、IRin；（4）IR（D）out、MARin、READ；（5）R1out、Yin、WMFC；（6）MDRout、ADD、Zin；（7）Zout、R1in；（8）END。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3转移指令JZ A 若上次运算结果为若上次运算结果为0（ZF=1），就转移，转移地址为），就转移，转移地址为A；若上次运算结果不为若上次运算结果不为0（ZF=0），就顺序执行下

11、一条指令。），就顺序执行下一条指令。相应的微操作序列如下：相应的微操作序列如下：（1）PCout、MARin、READ、在数据没取出的间隙进行、在数据没取出的间隙进行PC+1（0Y，1C0，ADD，Zin）；）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存储功能完成）；（等待存储功能完成）；（3）MDRout、IRin（4）IF ZF=1 THEN IR（D）out、PCin ELSE END；（5）END。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.35.3硬布线控制器的组成原硬布线控制器的组成原理与实现方法理与实现方法5.3.1硬布线控制器的组成原理硬布线

12、控制器的组成原理 硬布线控制器硬布线控制器（组合逻辑控制器），其中的控制（组合逻辑控制器），其中的控制信号直接由各种类型的逻辑门和触发器等构成。信号直接由各种类型的逻辑门和触发器等构成。一般来说，硬布线控制器的设计步骤如下：一般来说，硬布线控制器的设计步骤如下：1绘制指令流程图 以指令为线索，按指令类型分类，将每条指令归以指令为线索，按指令类型分类，将每条指令归纳成若干微操作，然后根据操作的先后次序画出流纳成若干微操作，然后根据操作的先后次序画出流程图。程图。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2安排指令操作时间表 指令流程图的进一步具体化，把每一条指令

13、的微指令流程图的进一步具体化，把每一条指令的微操作序列分配到各个机器周期的各个时序节拍信号操作序列分配到各个机器周期的各个时序节拍信号上。要求尽量多地安排公共操作，避免出现互斥。上。要求尽量多地安排公共操作，避免出现互斥。3安排微命令表 以微命令为依据，表示在哪个机器周期的哪个节以微命令为依据，表示在哪个机器周期的哪个节拍有哪些指令要求这些微命令。拍有哪些指令要求这些微命令。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理4进行微操作逻辑综合 根据微操作时间表，将执行某一微操作的所有条根据微操作时间表，将执行某一微操作的所有条件（哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉

14、冲件（哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉冲等）都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产等）都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的逻辑表达式，并加以简化。生的逻辑表达式，并加以简化。5实现电路 根据上面所得逻辑表达式，用逻辑门电路的组合根据上面所得逻辑表达式，用逻辑门电路的组合或或PLA电路来实现。电路来实现。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.3.2硬布线控制器的设计实例硬布线控制器的设计实例1模型机的数据通路模型机的数据通路2模型机的指令系统模型机的指令系统3绘制指令流程图绘制指令流程图4安排指令的操作时间表安排指令的操作时间表5安排指令的

15、微命令表安排指令的微命令表 6进行微操作信号综合进行微操作信号综合7实现电路实现电路计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理图图5-8 微操作控制信号微操作控制信号CE的逻辑实现图的逻辑实现图 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.4 5.4 微程序控制器的组成原理微程序控制器的组成原理与实现方法与实现方法5.4.1 微程序控制器的基本原理微程序控制器的基本原理1有关的术语和概念（1）微命令：）微命令：构成控制信号序列的最小单构成控制信号序列的最小单位。位。（2）微操作：）微操作：由微命令控制实现的最基本的由微命令控

16、制实现的最基本的操作。操作。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理（3）微指令：）微指令：一组实现一定操作功能的用二一组实现一定操作功能的用二进制编码表示的微命令的组合。进制编码表示的微命令的组合。（4）微周期：）微周期：从控制存储器读取一条微指令从控制存储器读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间。并执行相应的微操作所需的时间。（5）微程序：）微程序：一系列微指令的有序集合。一系列微指令的有序集合。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2微程序控制器的组成原理框图图图5-9 微程序控制器的组成原理框图微程序控制器的

17、组成原理框图 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理（1）控制存储器）控制存储器 实现整个指令系统的所有微程序。实现整个指令系统的所有微程序。（2）微指令寄存器）微指令寄存器 存放从控制存储器读出的当前微指令。存放从控制存储器读出的当前微指令。（3）微地址寄存器）微地址寄存器 存放将要访问的下一条微指令的地址。存放将要访问的下一条微指令的地址。（4）地址转移逻辑）地址转移逻辑 形成即将要执行的微指令的地址。形成即将要执行的微指令的地址。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3微程序控制器执行过程描述（1）从控制存储器中

18、逐条取出）从控制存储器中逐条取出“取机器指令取机器指令”用的微指令，执行取指令公共操作，执行完用的微指令，执行取指令公共操作，执行完后，从主存中取出的机器指令就已存入指令后，从主存中取出的机器指令就已存入指令寄存器中了。一般取指令微程序的入口地址寄存器中了。一般取指令微程序的入口地址为控制存储器的为控制存储器的0号单元。号单元。（2）根据指令寄存器中的操作码，经过微）根据指令寄存器中的操作码，经过微地址形成部件，得到这条指令对应的微程序地址形成部件，得到这条指令对应的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。入口地址，并送入微地址寄存器。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与

19、计算机组成原理（3）从控制存储器中逐条取出对应的微指令）从控制存储器中逐条取出对应的微指令并执行之。并执行之。（4）执行完对应于一条机器指令的一段微）执行完对应于一条机器指令的一段微程序后又回到取指微程序的入口地址，继续程序后又回到取指微程序的入口地址，继续第（第（1）步，以完成取下一条机器指令的公共）步，以完成取下一条机器指令的公共操作。操作。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.4.2微程序设计的技术问题微程序设计的技术问题1微指令编码法 （1）直接控制法：）直接控制法：就是在微指令的操作控制字段就是在微指令的操作控制字段中，每一个微命令都用一位信

20、息表示。中，每一个微命令都用一位信息表示。（2）最短字长编码：）最短字长编码：将所有的微命令进行统一的将所有的微命令进行统一的二进制编码，用不同的码点去表示不同的微命令，二进制编码，用不同的码点去表示不同的微命令，通过译码器产生微操作控制信号。通过译码器产生微操作控制信号。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理（3）分段直接编码：）分段直接编码：将微操作控制字段划分为若干将微操作控制字段划分为若干个小字段，每个小字段独立译码，每个码点表示一个小字段，每个小字段独立译码，每个码点表示一个微命令。个微命令。（4）分段间接编码：）分段间接编码：一个控制字段的微操

21、作需要一个控制字段的微操作需要另外一个控制字段来解释才能确定。另外一个控制字段来解释才能确定。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2微指令格式 （1）水平型微指令）水平型微指令 （2）垂直型微指令）垂直型微指令 （3）混合型微指令）混合型微指令计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3微地址的形成方式 （1）微程序入口地址的确定）微程序入口地址的确定 （2）后继微地址的产生）后继微地址的产生。主要有两种产生方式：计数器方式、主要有两种产生方式：计数器方式、多路转移方式多路转移方式计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计

22、算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理4微指令的执行方式 （1）串行方式）串行方式 取微指令和执行微指令顺序进行。取微指令和执行微指令顺序进行。图图5-14 微指令的串行执行过程微指令的串行执行过程 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理（2）并行方式）并行方式 将取微指令和执行微指令的操作重叠起来。将取微指令和执行微指令的操作重叠起来。图图5-15 微指令的并行执行过程微指令的并行执行过程 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5微指令格式设计举例 见例见例5-1计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字

23、逻辑与计算机组成原理5.4.3 微程序控制器的设计实例微程序控制器的设计实例1.1.模型机的数据通路（见模型机的数据通路（见5.3.2节）节）2.2.模型机的指令系统（见模型机的指令系统（见5.3.2节）节）3.3.绘制微程序流程图绘制微程序流程图 根据模型机的指令系统和数据通路，绘制出微程根据模型机的指令系统和数据通路，绘制出微程序流程图序流程图。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理4.4.设计微指令格式设计微指令格式 根据模型机的数据通路和控制存储器的要求，设根据模型机的数据通路和控制存储器的要求，设计出微指令格式计出微指令格式。5.5.将微程序代码

24、化将微程序代码化 根据数据通路、微程序流程图和微指令格式，就根据数据通路、微程序流程图和微指令格式，就可以编制指令系统中每一条指令的微程序。可以编制指令系统中每一条指令的微程序。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理5.55.5控制器的控制方式控制器的控制方式1同步控制方式图图5-18 同步控制方式同步控制方式 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2异步控制方式图图5-19 异步控制方式异步控制方式 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3联合控制方式 集中以上两种控制方式的集中以上两种控制方式的优优点构成。点构成。