8 计算机组成原理第五章 中央处理器 控制器 硬布线控制器 微程序控制器

1 控制器的功能和工作原理

1.1 控制器的结构和功能

以上过程控制器无非就是取指令、分析指令、以及产生响应的控制信号执行指令的过程

控制器是计算机系统的指挥中心，控制器的主要功能有：

1. 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
2. 对指令进行译码域测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
3. 指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流动方向。

1.2 控制单元的输入和输出

1.2.1 控制单元输入

1. 指令寄存器
   OP（IR）→CU
   控制信号的产生与操作码有关
2. 时钟
   一个时钟脉冲发一个操作命令或一组需要同时执行的操作命令
3. 标志
   如条件转移指令，根据相应的标志位决定下一步操作
4. 外来信号
   如：中断请求信号INTR
   总线请求信号HRQ

1.2.2 控制单元输出

1. CPU内部的控制信号
   寄存器之间的数据传输、PC的修改、控制ALU进行相应的运算
2. 到控制总线的控制信号

到存储器：访存控制信号MREQ、读命令RD、写命令WR
到I/O设备：访问I/O设备的控制信号IO
中断响应信号INTA、总线响应信号HLDA

2 硬布线控制器

时钟通过节拍发生器产生的多个有先后顺序的节拍信号：

• 关于机器周期：机器周期可看做所有指令执行过程中的一个基准时间。
• 通常以存取周期作为基准时间，即机器周期。
• 在存储字长等于指令字长的前提下，取指周期也可看做机器周期。

硬布线控制器设计步骤：

1. 分析每个阶段的微操作序列
2. 选择CPU的控制方式
3. 安排微操作时序
4. 电路设计

2.1 CPU的控制方式

CPU的控制方式：产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式。

1. 同步控制方式

• 整个系统所有的控制信号均来自一个统一的时钟信号。
• 通常以最长的微操作序列和最烦琐的微操作作为标准，采取完全统一的、具有相同时间间隔和相同数目的节拍作为机器周期来运行不同的指令。
• 同步控制方式的优点是控制电路简单，缺点是运行速度慢。
  

2. 异步控制方式

• 异步控制方式不存在基准时标信号。
• 各部件按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络。
• 异步控制方式的优点是运行速度快，缺点是控制电路比较复杂。

3. 联合控制方式

• 对各种不同的指令的微操作实行大部分采用同步控制、小部分采用异步控制的办法。

现在我们假设采用同步控制方式，一个机器周期内安排3个节拍（时钟周期）来实现设计

2.2 安排微操作时序的原则（最短时间完成，参考）

1. 原则一 微操作的先后顺序不得险意更改
2. 原则二 被控对象不同的微操作尽量安排在一个节拍内完成
3. 原则三 占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍内完成并允许有先后顺序

2.2.1 安排微操作时序-取指周期

（1）PC→MAR

（2）1→R 存储器空闲即可

（3）M（MAR）→MDR 在（1）之后

（4）MDR→IR 在（3）之后

（5）OP（IR）→ID 在（4）之后

（6）（PC）+1>→PC 在（1）之后

根据三个原则，可以以下安排：

（4）（5）两个微操作占用时间较短，根据原则三安排在一个节拍

没有相关性的微操作，可以安排在同一个时钟周期内完成

2.2.2 安排微操作时序-间址周期

（1）Ad(IR)→MAR

（2） 1→R

（3）M(MAR)→MDR