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文檔簡介
第5章 控制器組成原理,本章主要內容:,本章講述控制器的基本組成、基本功能、 硬布線控制器的組成原理與實現(xiàn)方法、微程序控制器的組成原理與實現(xiàn)方法及控制器的控制方式等內容。要求重點掌握兩種控制器的實現(xiàn)方法。,5.1 控制器的基本功能及結構 5.2 指令的執(zhí)行過程 5.3 硬布線控制器的組成原理與實現(xiàn)方法 5.4 微程序控制器的組成原理與實現(xiàn)方法 5.5 控制器的控制方式,5.1 控制器的基本功能及結構,5.1.1 控制器的功能 1取指令 2分析指令 3執(zhí)行指令 4控制程序和數據的輸入與結果輸出 5隨機事件和某些特殊請求的處理,5.1.2 控制器的基本組成,圖5-1 控制器基本組成框圖,1指令部件 完成取指令并分析指令。包括以下部分: (1)程序計數器PC (2)指令寄存器IR (3)指令譯碼器ID 2時序部件 能產生一定的時序信號,以保證計算機的各功能 部件有節(jié)奏的運行。 包括以下部分: (1)脈沖源 (2)啟停線路 (3)節(jié)拍信號發(fā)生器,3微操作信號發(fā)生器 用來產生微操作序列,根據微操作序列的形成 方式不同,控制器可分為硬布線控制器和微程序控 制器。 4中斷機構,即響應和處理中斷的邏輯線路,負責處理異常 情況和特殊請求,5.2 指令的執(zhí)行過程,5.2.1 時序系統(tǒng) 控制器的心臟,為指令的執(zhí)行提供各種定時信 號。包括以下部分: 1指令周期和機器周期 機器周期 通常它是主存儲器的一個訪問周期。,又稱CPU周期,,2節(jié)拍 3工作脈沖 在一個節(jié)拍中,有的操作還需要嚴格的定時脈 沖,所以在一個節(jié)拍之內往往還需要設置幾個工作 脈沖,作為各種同步脈沖的來源。,節(jié)拍的寬度取決與CPU執(zhí)行一次微操作所需要的時間,不同的機器周期內所包括的節(jié)拍數可以是固定不變的,也可以是可變的。,5.2.2 指令的執(zhí)行過程,一條指令的執(zhí)行通常都可以分為以下三個階段: 1取指令 任何一條指令的執(zhí)行,都必須經過取指令階 段,該階段主要是將指令從主存中取出放入CPU 內部的指令寄存器中。,2分析指令 取出指令后指令譯碼器對保存在IR中的指令操 作碼進行譯碼,產生譯碼信號并送微操作序列形成 部件,進而產生微操作序列送運算器、存儲器、外 設及控制器本身。 3執(zhí)行指令 根據分析指令階段所產生的微操作序列,控制運 算器、存儲器、外設及控制器本身完成指令規(guī)定的 各種操作。,5.2.3 指令的執(zhí)行過程舉例,控制器在實現(xiàn)一條指令的功能時,總是 把每條指令分解成一系列時間上先后有序的 最基本、最簡單的微操作,即微操作序列。 下面通過一個簡單的模型機來看具體指令的 執(zhí)行過程,即指令的微操作序列。,1數據通路,圖5-4 模型機的數據通路,2加法指令ADD R1,NUM 即實現(xiàn):(NUM)+(R1)R1 相應的微操作如下: (1)PCout、MARin、READ、在數據沒取出的間隙進 行PC+1(0Y,1C0,ADD,Zin); (2)Zout、PCin、WMFC(等待存儲功能完成); (3)MDRout、IRin; (4)IR(D)out、MARin、READ; (5)R1out、Yin、WMFC; (6)MDRout、ADD、Zin; (7)Zout、R1in; (8)END。,3轉移指令JZ A 若上次運算結果為0(ZF=1),就轉移,轉移地址為A; 若上次運算結果不為0(ZF=0),就順序執(zhí)行下一條指令。 相應的微操作序列如下: (1)PCout、MARin、READ、在數據沒取出的間隙進行 PC+1(0Y,1C0,ADD,Zin); (2)Zout、PCin、WMFC(等待存儲功能完成); (3)MDRout、IRin (4)IF ZF=1 THEN IR(D)out、PCin ELSE END; (5)END。,5.3 硬布線控制器的組成原理與實現(xiàn)方法,5.3.1 硬布線控制器的組成原理 硬布線控制器(組合邏輯控制器),其中的控制 信號直接由各種類型的邏輯門和觸發(fā)器等構成。 一般來說,硬布線控制器的設計步驟如下: 1繪制指令流程圖 以指令為線索,按指令類型分類,將每條指令歸 納成若干微操作,然后根據操作的先后次序畫出流 程圖。,2安排指令操作時間表 指令流程圖的進一步具體化,把每一條指令的微 操作序列分配到各個機器周期的各個時序節(jié)拍信號 上。要求盡量多地安排公共操作,避免出現(xiàn)互斥。 3安排微命令表 以微命令為依據,表示在哪個機器周期的哪個節(jié) 拍有哪些指令要求這些微命令。,4進行微操作邏輯綜合 根據微操作時間表,將執(zhí)行某一微操作的所有條 件(哪條指令、哪個機器周期、哪個節(jié)拍和脈沖 等)都考慮在內,加以分類組合,列出各微操作產 生的邏輯表達式,并加以簡化。 5實現(xiàn)電路 根據上面所得邏輯表達式,用邏輯門電路的組合 或PLA電路來實現(xiàn)。,5.3.2 硬布線控制器的設計實例,1模型機的數據通路 2模型機的指令系統(tǒng) 3繪制指令流程圖 4安排指令的操作時間表 5安排指令的微命令表 6進行微操作信號綜合 7實現(xiàn)電路,圖5-8 微操作控制信號CE的邏輯實現(xiàn)圖,5.4 微程序控制器的組成原理與實現(xiàn)方法,5.4.1 微程序控制器的基本原理 1有關的術語和概念 (1)微命令:構成控制信號序列的最小單 位。 (2)微操作:由微命令控制實現(xiàn)的最基本的 操作。,(3)微指令:一組實現(xiàn)一定操作功能的用二 進制編碼表示的微命令的組合。 (4)微周期:從控制存儲器讀取一條微指令 并執(zhí)行相應的微操作所需的時間。 (5)微程序:一系列微指令的有序集合。,2微程序控制器的組成原理框圖,圖5-9 微程序控制器的組成原理框圖,(1)控制存儲器 實現(xiàn)整個指令系統(tǒng)的所有微程序。 (2)微指令寄存器 存放從控制存儲器讀出的當前微指令。 (3)微地址寄存器 存放將要訪問的下一條微指令的地址。 (4)地址轉移邏輯 形成即將要執(zhí)行的微指令的地址。,3微程序控制器執(zhí)行過程描述 (1)從控制存儲器中逐條取出“取機器指令” 用的微指令,執(zhí)行取指令公共操作,執(zhí)行完 后,從主存中取出的機器指令就已存入指令 寄存器中了。一般取指令微程序的入口地址 為控制存儲器的0號單元。 (2)根據指令寄存器中的操作碼,經過微 地址形成部件,得到這條指令對應的微程序 入口地址,并送入微地址寄存器。,(3)從控制存儲器中逐條取出對應的微指令 并執(zhí)行之。 (4)執(zhí)行完對應于一條機器指令的一段微 程序后又回到取指微程序的入口地址,繼續(xù) 第(1)步,以完成取下一條機器指令的公共 操作。,5.4.2 微程序設計的技術問題,1微指令編碼法 (1)直接控制法:就是在微指令的操作控制字段 中,每一個微命令都用一位信息表示。 (2)最短字長編碼:將所有的微命令進行統(tǒng)一的 二進制編碼,用不同的碼點去表示不同的微命令, 通過譯碼器產生微操作控制信號。,(3)分段直接編碼:將微操作控制字段劃分為若干 個小字段,每個小字段獨立譯碼,每個碼點表示一 個微命令。 (4)分段間接編碼:一個控制字段的微操作需要 另外一個控制字段來解釋才能確定。,2微指令格式 (1)水平型微指令 (2)垂直型微指令 (3)混合型微指令,3微地址的形成方式 (1)微程序入口地址的確定 (2)后繼微地址的產生 。,主要有兩種產生方式:計數器方式、多路轉移方式,4微指令的執(zhí)行方式 (1)串行方式 取微指令和執(zhí)行微指令順序進行。,圖5-14 微指令的串行執(zhí)行過程,(2)并行方式 將取微指令和執(zhí)行微指令的操作重疊起來。,圖5-15 微指令的并行執(zhí)行過程,5微指令格式設計舉例 見例5-1,5.4.3 微程序控制器的設計實例,1.模型機的數據通路(見5.3.2節(jié)) 2.模型機的指令系統(tǒng)(見5.3.2節(jié)) 3.繪制微程序流程圖 根據模型機的指令系統(tǒng)和數據通路,繪制出微程 序流程圖。,4.設計微指
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