计算机组成原理控制器,计算机组成原理控制器.ppt

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1、控 制 器,(1)程序控制 保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。 (2)操作控制 一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。 (3)时间控制 对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制； 一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。 (4)数据加工,CPU的基本功能,控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令。,控制器的基本功能,1、编程 2、送存储器(通过输入设备) 3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。 4、程序控制由控。

2、制器承担，程序存储由存储器完成。,程序控制原理,(1) 常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)； 方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化为原则，用逻辑门电路实现； (2) 可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，用大规模集成电路(LSI)来实现。 (3)微程序控制逻辑法。 将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑； 将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制存储器中(CM)；一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。,控制器实现方法,33,CPU组成 一、控制器组成：PC、IR、指令译码器、程序状态寄存器PSW、时序产生器、微命令发生器(操作控制器),微命令发。

3、生器,功能：,产生全机所需的各种微命令,控制最基本的操作(微操作)的命令,电位型 脉冲型,构成微命令发生器,二、运算器 对数据进行加工处理，它的操作由控制器发来 的控制信号控制执行算逻运算。,IR PC AR DR AC PSW,CPU中的主要寄存器,1、指令寄存器IR,存放现行指令 指令从存储器中取出数据缓冲寄存器DRIR,CPU中的主要寄存器,功能：,存放现行指令。,决定操作性质,操作码字段,操作数地址 转移地址,控制台信息,送M,IR,地址码字段,译码器,微命令发生器,地址形成部件,寻址方式,D,2、程序计数器PC,存放指令在存储器中的地址 程序开始执行前，将起始地址(第一条指令地址) 。

4、PC PC应具有寄存信息和计数两种功能,CPU中的主要寄存器,指令计数器PC,功能：,指示指令在M中的位置。,PC本身+1,顺序执行,PC先+1，再用转移地址修改PC,转移执行:,ALU+1,IR,3、地址寄存器AR,保存当前CPU所访问内存单元的地址 AR结构同DR、IR，使用单纯的寄存器结构 信息的存入一般采用电位(电平)-脉冲方式 (电平输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时将信息打入寄存器),CPU中的主要寄存器,4、数据缓冲寄存器DR,暂时存放： 由存储器读出的一条指令或一个数据字 向存储器存入的一个数据字 CPU与M、I/O之间信息传送的中转站，补偿速。

5、度差别 在单累加器结构的运算器中，可兼作操作数寄存器,CPU中的主要寄存器,5、累加寄存器AC,即累加器，是一个通用寄存器 为ALU的算逻运算提供一个工作区 ALU两个输入端加入多路开关或三态门或选择器，以便选择输入,CPU中的主要寄存器,6、 程序状态寄存器PSW,指示程序工作方式、反映程序运行结果 PSW与控制/状态寄存器有何区别？ PSW在CPU中，反映程序运行状态；控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态。,CPU中的主要寄存器,程序状态寄存器PSW,功能：,指示程序运行方式，反映程序运行结果。,例. 某机的PSW,控制台信息,送M,15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 。

6、1 0,C=1 进位 V=1 溢出 Z=1 结果为0 N=1 结果为负,T=1, 执行跟踪程序,(1)条件码,反映程序运行结果,15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0,(2)跟踪标志,为程序查错设置的断点标志T。,程序,初始化置T为1,.,测试T,跟踪程序,.,.,程序优先级高于外部优先级，不响应 程序优先级低于外部优先级，可响应,用户方式：禁止程序执行某些指令 核心方式：允许程序执行所有指令,(3)优先级,为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。,15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0,(4)工作方式,规定程序的特权级。,控制台信息,时序线路,功能：,。

7、控制操作时间和操作时刻。,时钟脉冲,工作脉冲,时钟周期(节拍),产生电位型微命令，控制操作时间段,产生脉冲型微命令，控制定时操作,时序产生器,指令执行过程,1.取指令,PC,控制台信息,送M,地址,M,指令,IR,、译码(OP、寻址方式),PC+1,PC,2.取操作数(按寻址方式),立:,指令,操作数,有效地址,M,取数,R,取数,直:,寄存器号,间:,间接地址,M,取有效地址,寄存器号,R,取有效地址,变:,形式地址,变址量,运算器,计算有效地址,送M,3.执行操作(按操作码),结果,存储器/寄存器,操作数,加法器,操作数,送M,单总线结构,5.2.2 指令周期,一、何谓指令周期 一条指令从。

8、取指到执行完的时间,5.2 CPU工作机制,5.2.1 基本概念： 指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。,取一条指令,执行该指令,开始,5.2.2 指令周期,一、何谓指令周期,5.2 CPU工作机制,5.2.1 基本概念： 指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。不同的指令其指令周期长短可以不同。,取一条指令,执行该指令,开始,机器周期(工作周期)：是从内存中读取一个指令字的 最短时间，即CPU周期。 由周期状态触发器完成。,二.组合逻辑控制器的时序划分,即时序信号与操作的关系, 采用三级时序系统：,指令周期,CPU周期1,。

9、CPU周期2,CPU周期n,时钟周期1,时钟周期2,时钟周期m,.,.,工作脉冲1,工作脉冲2,工作脉冲k,.,.,(节拍1),(节拍2),(节拍m),5.2 CPU工作机制,机器周期/工作周期,节拍脉冲/T周期,时钟周期(节拍T)：时序系统中最基本的时间分段，每个时钟周期完成一步操作。 由节拍发生器产生。 时钟脉冲：时钟周期虽然提供了一项操作所需的时间分段，但有的操作还需要严格的定时脉冲。例如寄存器打入、时钟周期的切换等。,5.2 CPU工作机制,定长CPU周期的指令周期示意图, 时序关系：,晶振输出,工作周期1,工作周期2,工作周期3,时钟T1,工作脉冲P,时钟T2,指令周期,控制不同阶段。

10、操作时间,控制分步操作时间,对微操作定时,取指,执行,取数,取出指令,修改PC,打入IR,打入PC,5.2 CPU工作机制,三、典型指令周期 由5条指令构成一个简单程序,32,33,5.2.3 指令周期的拟定,用方框图语言表示： 一个方框： 一个CPU周期 菱形： 判别或测试 公操作,34,35,5.2 CPU工作机制,例 教材图5.15所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器， ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。 (1)“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。 (2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)R3的操作，画出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。