1、第第5 5章章计算机的控制器部件计算机的控制器部件本章主要内容本章主要内容控制器的功能组成与指令执行步骤控制器的功能组成与指令执行步骤微程序控制器部件微程序控制器部件组合逻辑控制器部件组合逻辑控制器部件 1. 控制器的功能控制器的功能: 控制控制执行指令执行指令 , 控制控制各部件协调运行，即为各部件提供控各部件协调运行，即为各部件提供控制信号制信号。 2. 控制器的组成控制器的组成： 程序计数器程序计数器、指令寄存器、指令指令寄存器、指令步骤标记线路步骤标记线路 提供控制信号的部件提供控制信号的部件 分类分类 ： 微程序的控制器微程序的控制器 硬布线的控制器硬布线的控制器计算机的功能是执行程
2、序计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令代码程序是依次排列起来的指令代码 控制器的功能就在于控制器的功能就在于: 正确地分步完成每一条指令规定的功能正确地分步完成每一条指令规定的功能, 正确且自动地连续执行指令正确且自动地连续执行指令; 再进一步说，就是向计算机再进一步说，就是向计算机各功能部件各功能部件提供提供 协调运行协调运行每一个步骤所需要的每一个步骤所需要的控制信号控制信号。程序计数器程序计数器PC：存放指令地址，有存放指令地址，有+1或接收新值功能。或接收新值功能。指令寄存器指令寄存器IR：存放指令内容：操作码与操作数地址。存放指令内容：操作码与操作数地址。主脉冲源与启停控制
3、线路，主脉冲源与启停控制线路，按需要给出主脉冲信号。按需要给出主脉冲信号。指令执行步骤标记线路：指令执行步骤标记线路： 指明每条指令的执行步骤。指明每条指令的执行步骤。控制信号记忆或产生线路控制信号记忆或产生线路：给出计算机各功能部件部给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。件协同运行所需要的控制信号。运算器部件运算器部件主存储器部件主存储器部件总线及输入总线及输入/输出接口输出接口(输入输入/输出设备输出设备)控制器部件控制器部件各部件包括各部件包括也包括也包括设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制 冯冯. 诺依曼诺依曼 结构的计算
4、机结构的计算机 即存储程序的计算机，设置内存，存放程序即存储程序的计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前存入。和数据，在程序运行之前存入。执行程序：执行程序： 正确从程序首地址开始；正确从程序首地址开始； 正确分步执行每一条指令，正确分步执行每一条指令， 并形成下条待执行指令的地址；并形成下条待执行指令的地址； 正确并自动地连续执行指令，正确并自动地连续执行指令， 直到程序的最后一条指令。直到程序的最后一条指令。读取指令读取指令指令地址送入主存地址寄存器指令地址送入主存地址寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器分析指令分析指令按指令规定内容执行指令按指
5、令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数，不同指令的操作步骤数， 和具体操作内容差异很大和具体操作内容差异很大, 检查有无中断请求检查有无中断请求若有，则响应中断并转中断处理若有，则响应中断并转中断处理若无，则转入下一条指令的执行过程若无，则转入下一条指令的执行过程形成下一条指令地址形成下一条指令地址R_R类型指令类型指令读写内存类型指令读写内存类型指令输入输出类型指令输入输出类型指令其他类型指令其他类型指令 可能执行可能执行 一次或多次一次或多次 是一次读是一次读内存操作内存操作公共操作公共操作公共操作公共操作是每一条指令的特定操作是每一条指令的特定操作（1）微程序控制器的运行原理）微程序控
6、制器的运行原理（2）教学计算机的微程序控制器的实际组成）教学计算机的微程序控制器的实际组成（3）微程序解释的基本指令执行流程图）微程序解释的基本指令执行流程图（4）微指令的格式设计）微指令的格式设计（5）指令执行流程举例与说明）指令执行流程举例与说明clock每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令每条微指令可以包括一到多个微操作。每条微指令可以包括一到多个微操作。用多条微指令用多条微指令(一个微程序一个微程序)解释每条指令的执行过程。解释每条指令的执行过程。全部的微程序有机地组合在一起，被保在控制存储器中。全部的微程序有机地组合在一
7、起，被保在控制存储器中。执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期。执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期。微指令的格式和内容：微指令的格式和内容： 下地址字段下地址字段 控制命令字段控制命令字段执行第执行第 i条微指令条微指令读出第读出第 i+1条微指令条微指令读与执行微指令的读与执行微指令的并行流水技术并行流水技术形成第形成第 i+1条微指令地址条微指令地址一个微周期一个微周期接收微指令接收微指令采用ROM存储控制信号的方式，可扩展性好兼容性实现比较容易容易实现复杂的指令系统性能比较低并行性不好主要用在CISC中采用逻辑电路直接提供全部控制信号输入操作码指令状态字指令步骤编码（节拍）外部信
8、号（Reset等）输出全部控制信号主要解决的问题节拍转换控制信号生成组合逻辑（硬连线）控制器设计组合逻辑（硬连线）控制器设计u 组合逻辑控制器的组成和运行原理组合逻辑控制器的组成和运行原理u 组合逻辑控制器的设计过程与技术组合逻辑控制器的设计过程与技术 （1） 指令系统与指令编码设计指令系统与指令编码设计 （2） 控制器应提供的控制信号控制器应提供的控制信号 （3） 指令执行步骤划分和功能确定指令执行步骤划分和功能确定 （4） 节拍发生器节拍发生器（TIMING）设计与实现设计与实现 （5） 时序控制信号产生部件的设计与实现时序控制信号产生部件的设计与实现 （1）组合逻辑控制器用节拍发生器（）
9、组合逻辑控制器用节拍发生器（Timing，几个触发器构成，几个触发器构成的时序逻辑电路）不同的状态组合来区分一条指令不同的执行步骤，的时序逻辑电路）不同的状态组合来区分一条指令不同的执行步骤，指令执行步骤的接续是通过变换节拍发生器的状态组合完成的，不同指令执行步骤的接续是通过变换节拍发生器的状态组合完成的，不同于微程序控制器中通过下地址部件给出不同的微指令地址来实现。这于微程序控制器中通过下地址部件给出不同的微指令地址来实现。这里用节拍发生器取代了原来的下地址部件。里用节拍发生器取代了原来的下地址部件。 （2）组合逻辑控制器是通过由组合逻辑控制器是通过由 “与与或或” 两级逻辑关系构成两级逻辑
10、关系构成的时序控制信号产生部件来直接给出全部的时序控制信号。送到第一的时序控制信号产生部件来直接给出全部的时序控制信号。送到第一级各级各“与门与门”的输入信号是指令操作码和节拍发生器的节拍状态的输入信号是指令操作码和节拍发生器的节拍状态(可能可能还有控制条件还有控制条件)，每个与门产生一个与项输出，相关的与项输出信号送，每个与门产生一个与项输出，相关的与项输出信号送到第二级的到第二级的 “或门或门” ，每个或门输出的就是一个时序控制信号每个或门输出的就是一个时序控制信号。全。全部的时序控制信号由许多个部的时序控制信号由许多个 “与与或或”逻辑门给出。与用控制存储器逻辑门给出。与用控制存储器存放
11、全部控制信号的微程序控制方案不同，这里用时序控制信号产生存放全部控制信号的微程序控制方案不同，这里用时序控制信号产生部件取代了原来的控制存储器，还取消了那里的微指令寄存器线路，部件取代了原来的控制存储器，还取消了那里的微指令寄存器线路，把控制信号直接送到被控制的部件。把控制信号直接送到被控制的部件。直接用逻辑电路实现，用节拍标记指令步骤，性能良好可扩展性差，兼容性不好适合实现比较精简的指令系统较容易实现并行常用于实现RISC相同点相同点完成相同的功能完成相同的功能控制信号基本相同控制信号基本相同不同点不同点控制信号生成部件的组成和实现方式不同控制信号生成部件的组成和实现方式不同步骤标记实现方式不同步骤标记实现方式不同性能不同性能不同计算机中的流水线技术：把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行运行。并行技术：空间并行性、时间并行性
