计算机组成原理控制器教学课件.ppt

1、计算机组成原理控制器1（1 1）程序控制）程序控制 保证机器按一定顺序执行程序是保证机器按一定顺序执行程序是CPUCPU的首要任务。的首要任务。（2 2）操作控制）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。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 3）时间控制）时间控制 对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。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；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。一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。（4 4）数据加工）数据加工CPU的基本功能

2、的基本功能2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。执行指令。控制器的基本功能控制器的基本功能31 1、编程、编程2 2、送存储器（通过输入设备）、送存储器（通过输入设备）3 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、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。执行，直到程序规定的任务完成。4 4、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。、程序控制由控制器承担，程序存储

3、由存储器完成。程序控制原理程序控制原理4(1)(1)常规组合逻辑法常规组合逻辑法(或称随机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；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)(2)可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)(PLA)法；法；与前者本质相同，用大规模集成电路与前者本质相同，用大规模集成电路(LSI)(LSI)来实现。来实现。(3)(3)微程序控制逻辑法。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

4、储器中（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（CMCM）；）；一条机器指令对应一道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。微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。控制器实现方法控制器实现方法5移移位位器器ALUA选选择择器器B选选择择器器R0R3CDACAR(MAR)DR(MDR,MBR)IRPCSPPSW控控制制线线路路MI/OI/O接接口口内内总总线线(单单向向)R0-R3暂暂存存器器C、DPC,SPACR0-R3暂暂存存器器C、DPSWDR(MBR).DBUSABUSCBUSCPU数数据据通通路路结结构构336CPUCPU组成组成 微命

5、令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCOPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M7微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCOPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器微命令发生器微命令发生器功能：功能：产生全机所需的各种微命令产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作控制最基本的操作(微操作微操作)的命令

6、的命令电位型电位型脉冲型脉冲型构成微命令发生器构成微命令发生器89CPU中的主要寄存器中的主要寄存器10CPU中的主要寄存器中的主要寄存器11功能：功能：存放现行指令。存放现行指令。决定操作性决定操作性质质操作码字段操作码字段操作数地址操作数地址转移地址转移地址控制台信息控制台信息送送MPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成OPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1微命令微命令发生器发生器 IR IR地址码字段地址码字段译码器译码器微命令发生器微命令发生器地址形成部件地址形成部件寻

7、址方式寻址方式D12CPU中的主要寄存器中的主要寄存器13微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCOPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M指令计数器指令计数器PCPC功能：功能：指示指令在指示指令在M中的位置。中的位置。PCPC本身本身+1+1顺序执行顺序执行PCPC先先+1+1，再用转移地址修改，再用转移地址修改PCPC微命令微命令发生器发生器PCPC转移执行转移执行:ALU+1ALU+1 IR IR14 CPU中的主要寄存器中的主要寄存器15CPU中的

8、主要寄存器中的主要寄存器16CPU中的主要寄存器中的主要寄存器17CPU中的主要寄存器中的主要寄存器18程序状态寄存器程序状态寄存器PSWPSW功能：功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。指示程序运行方式，反映程序运行结果。例例.某机的某机的PSWPSW控制台信息控制台信息送送MPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成OPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z

9、V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 019T=1T=1,执行跟踪程序执行跟踪程序反映程序运行结果反映程序运行结果工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C（2 2）跟踪标志）跟踪标志为程序查错设置的断点标志为程序查错设置的断点标志T T。.20工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C21控制台信息控制台信息PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成OPOPD寻寻来

10、自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序时序线路时序线路22振荡器振荡器分频器分频器时序产生器时序产生器23指令执行过程指令执行过程241.1.取指令取指令PCPC控制台信息控制台信息送送MPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成OPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序地址地址M M指令指令IRIR、译码、译码(OPOP、寻址方式、寻址方式)PC+1

11、PC+1PCPC252.2.取操作数取操作数(按寻址方式按寻址方式)立立:指令指令操作数操作数有效地址有效地址M,M,取数取数R,R,取数取数直直:寄存器号寄存器号间间:间接地址间接地址M,M,取有效地址取有效地址寄存器号寄存器号R,R,取有效地址取有效地址变变:形式地址形式地址变址量变址量运算器运算器计算有效地址计算有效地址PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成OPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序送送M2

12、63.3.执行操作执行操作(按操作码按操作码)结果结果存储器存储器/寄存器寄存器操作数操作数加法器加法器操作数操作数PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成OPOPD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序送送M27单总线结构单总线结构ZALUYR7R0PCIR控制器控制器.MAR微操作信微操作信号号MBRMPSWBUS+128IRPCARMDRR0 R1 R2YA AL LU UA总总线线B总总线线I IR Ri iI

13、IR Ro oP PC Ci iP PC Co oA AR Ri iR R/W WD DR Ri iD DR Ro oR R0 0i iR R0 0o oy yi iX Xi i+-G GR3X双双总总线线结结构构数数据据通通路路29移移位位器器ALUA选选择择器器B选选择择器器R0R3CDACAR(MAR)DR(MDR,MBR)IRPCSPPSW控控制制线线路路MI/OI/O接接口口内内总总线线(单单向向)R0-R3暂暂存存器器C、DPC,SPACR0-R3暂暂存存器器C、DPSWDR(MBR).DBUSABUSCBUSCPU数数据据通通路路结结构构305.2CPU工作机制工作机制5.2.1

14、 基本概念：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。长短可以不同。取一条指令取一条指令执行该指令执行该指令开始开始315.2CPU工作机制工作机制5.2.1 基本概念：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。短可以不同。取一条指令取一条指令执行该指令执行该指令开始开始 机器周期（机器周期（工作周期）：工作周期）：是从内存中读

15、取一个指令字的是从内存中读取一个指令字的最短时间，即最短时间，即CPU周期。周期。32 .5.2CPU工作机制工作机制机器周期机器周期/工作周期工作周期节拍脉冲节拍脉冲/T周期周期335.2CPU工作机制工作机制3435 365.2CPU工作机制工作机制3237移移位位器器ALUA选选择择器器B选选择择器器R0R3CDACAR(MAR)DR(MDR,MBR)IRPCSPPSW控控制制线线路路MI/OI/O接接口口内内总总线线(单单向向)R0-R3暂暂存存器器C、DPC,SPACR0-R3暂暂存存器器C、DPSWDR(MBR).DBUSABUSCBUSCPU数数据据通通路路结结构构33385.2CPU工作机制工作机制34395.2CPU工作机制工作机制40355.2CPU工作机制工作机制例例41IRPCARMDRR0 R1 R2YA AL LU UA总总线线B总总线线I IR Ri iI IR Ro oP PC Ci iP PC Co oA AR Ri iR R/W WD DR Ri iD DR Ro oR R0 0i iR R0 0o oy yi iX Xi i+-G GR3X双双总总线线结结构构数数据据通通路路4243