控制方式與控制器教學(xué)課件

第五章控制方式與控制《計(jì)算機(jī)組成原理》精品課程主要內(nèi)容5.1基本概念5.2組合控制邏輯5.4模型機(jī)微程序控制單元的設(shè)計(jì)笫五章控制方式與控制器5.1基本概念5.1.1控制器的功能控制器作為計(jì)算機(jī)的指揮中心,保證各個(gè)組成部件協(xié)調(diào)工作,必須完成以下功能1、指令控制功能計(jì)算機(jī)的工作過程是連續(xù)執(zhí)行指令的過程,指令在主存儲(chǔ)器中連續(xù)存放一般情況下,指令被順序執(zhí)行,只有遇到控制轉(zhuǎn)移類指令才會(huì)改變順序,所以指令在主存中的存放是靜態(tài)的,而指令的執(zhí)行順序是動(dòng)態(tài)的,形成計(jì)算機(jī)的指令流。2、時(shí)序控制功能機(jī)器指令的操作過程是由指令操作流程圖嚴(yán)格規(guī)定的,各條指令的指令周期中包含的機(jī)器周期數(shù)不盡相同,同時(shí)各個(gè)機(jī)器周期中包含的節(jié)拍數(shù)目也不定相同,所以指令周期、機(jī)器周期和節(jié)拍信息等時(shí)序信號(hào),必須由控制器產(chǎn)生以完成時(shí)序控制功能。3、操作控制功能在時(shí)序信號(hào)的控制下,各條機(jī)器指令在每個(gè)機(jī)器周期的每個(gè)節(jié)拍中應(yīng)產(chǎn)生哪些微操作控制信號(hào),由指令操作流程圖做了嚴(yán)格的規(guī)定,控制器應(yīng)能根據(jù)指令操作流程圖的安排,在各個(gè)節(jié)拍中產(chǎn)生相應(yīng)的微操作時(shí)序信號(hào),以有效地完成各條指令的操作過程笫五章控制方式與控制器512控制器的組成各種不同類型的計(jì)算機(jī)的控制器會(huì)有不少差別但基本組成是相同的如圖5.1所示控制器的基本組成部分如下微操作命令序列IO狀態(tài)信息控制臺(tái)信息微操作程序計(jì)數(shù)器信號(hào)發(fā)生器行狀態(tài)狀態(tài)寄存費(fèi)][節(jié)拍發(fā)生費(fèi)[碼器[址形成部件】>AR中斷控淛邏輯]時(shí)鐘[作碼地址鶴指中斷啟停‖脈沖指令寄存器IR結(jié)束請(qǐng)求邏輯‖源圖5.1控制器基本組成笫五章控制方式與控制器1、程序計(jì)數(shù)器PG程序計(jì)數(shù)器又稱為指令計(jì)數(shù)器或指令指針P,用來存放下一次要執(zhí)行的指令的地址。PC不斷的加以保證按順序逐條執(zhí)行指令,這種加“1”功能。當(dāng)遇到改變程序執(zhí)行順序的指令(轉(zhuǎn)移控制類指令)時(shí),由轉(zhuǎn)移控制類指令將轉(zhuǎn)移地址送往程序計(jì)數(shù)器作為準(zhǔn)備取出下一條指令的地址2、指令寄存器R指令寄存器用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。當(dāng)指令從主存取出之后,將其暫存在指令寄存器中,完成一條指令的全部功能控制。3、指令譯碼器|D指令譯碼器又稱為操作譯碼器,它是解析指令的部件,對(duì)指令寄存器中的指令操作碼進(jìn)行解析,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),提供給微操作信號(hào)發(fā)生器。4、地址形成部件。根據(jù)機(jī)器的不同尋址方式,用來形成操作數(shù)的有效地址,以便CPU取得操作數(shù)。笫五章控制方式與控制器5、脈沖源脈沖源用來產(chǎn)生具有一定頻率和寬度的脈沖信號(hào),稱為主脈沖。為使主脈沖的頻率穩(wěn)定,一般都是用石英晶體振蕩器作為脈沖源。6、啟停邏輯■啟?？刂七壿嫷淖饔檬歉鶕?jù)計(jì)算機(jī)的需要,可靠地開放或封鎖脈沖,控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生或停止,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器的正確啟動(dòng)或停止。7、節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器又稱為脈沖分配器。脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào),經(jīng)過節(jié)拍發(fā)生器后,產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)(節(jié)拍電位),提供給微操作信號(hào)發(fā)生器以產(chǎn)生微操作信號(hào)。8、微操作信號(hào)發(fā)生器微操作信號(hào)發(fā)生器接收由指令譯碼器提供的操作信號(hào)、節(jié)拍發(fā)生器提供的時(shí)序信號(hào)、被控制功能部件所反饋的狀態(tài)及條件信號(hào)等綜合形成各種指令的微操作控制信號(hào)序列。9、中斷控制邏輯中斷控制邏輯是用來控制中斷處理的硬件邏韉五章控制方式與控制器5.1.3指令執(zhí)行流程計(jì)算機(jī)的運(yùn)行需要不斷地執(zhí)行完成某個(gè)特定任務(wù)的指令序列,因此計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì)上就是不斷的取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程。下面以圖5.2的CP的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路為例分析幾條典型指令的具體執(zhí)行過程。中1拍譯石骨制號(hào)A工1圖5.2cPU的數(shù)據(jù)通路笫五章控制方式與控制器1.加法指令A(yù)DDR0,R1這條指令完成的功能是把R0的內(nèi)容作為地址送到主存以取得一個(gè)操作數(shù),再與R1中的內(nèi)容相加,最后將結(jié)果送回主存中。即實(shí)現(xiàn):((R0))+(R1)→(R0)(1)取指周期①POut和MARin有效,完成PC經(jīng)CPU內(nèi)部總線送至MAR的操作,記作(PC)→MAR;②通過控制總線(圖中未畫出)向主存發(fā)讀命令③存儲(chǔ)器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容(指令)送至MDR,記作(MAR→MDR;④MDRout和|Rin有效,將MDR的內(nèi)容送至指令寄存器|R記作(MDR)→R。至此,指令被從主存中取出,其操作碼字段開始控制CU⑤使Pc內(nèi)容加1,記作(PC)+1→Pc第五章控制方式與控制器取數(shù)問期取數(shù)周期要完成取操作數(shù)的任務(wù),被加數(shù)在主存中,加數(shù)已放在寄存器R1中①R0out和MARin有效,完成將被加數(shù)地址送至MAR的操作,記作(RO)→MAR;②向主存發(fā)讀命令,記作Read;③存儲(chǔ)器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容(數(shù)據(jù))送至MDR,同時(shí)MDRout和Yin有效,記作M(MAR)→MDR→Y;(3執(zhí)行周期執(zhí)行周期完成加法運(yùn)算的任務(wù),并將結(jié)果寫回主存。DR1out和ALUin有效,同時(shí)叫U向ALU發(fā)“AD”控制信號(hào),使R1的內(nèi)容和Y的內(nèi)容相加,結(jié)果送寄存器Z,記作(R1)+Y→Z;有的,將運(yùn)算結(jié)9五幸找制方式與控制景2.轉(zhuǎn)移指令JCA這是一條條件轉(zhuǎn)移指令,若上次運(yùn)算結(jié)果有進(jìn)位(0=1),就轉(zhuǎn)移;若上次運(yùn)算結(jié)果無進(jìn)位(0=0),就順序執(zhí)行下一條指令。設(shè)A為位移量,轉(zhuǎn)移地址等于P的內(nèi)容加位移量。相應(yīng)的微操作序列如下:(1)取指周期與上條指令的微操作序列完全相同(2執(zhí)行周期如果有進(jìn)位(G=1),則完成(PC)+A→PC的操作,否則跳過以下幾步。①SCout和Yin有效,記作(P)→Y(c=1)②Ad|