控制器的功能与组成课件

第第5 5章章计算机的控制器部件计算机的控制器部件第5章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本章主要内容控制器的功能组成与指令执行步骤 1.控制器的功能控制器的功能:控制控制执行指令行指令,控制各部件控制各部件协调运行，即运行，即为各部件提供控各部件提供控制信号。制信号。2.控制器的控制器的组成：成：程序程序计数器数器、指令寄存器、指令步指令寄存器、指令步骤标记线路路提供控制信号的部件提供控制信号的部件分分类：微程序的控制器微程序的控制器硬布硬布线的控制器的控制器控制器的功能与组成 1.控制器的功能:计算机的功能是算机的功能是执行程序行程序程序是依次排列起来的指令代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正确地分步完成每一条指令规定的功能定的功能,正确且自正确且自动地地连续执行指令行指令;再再进一步一步说，就是向，就是向计算机算机各功能部件各功能部件提供提供协调运行运行每一个步每一个步骤所需要的所需要的控制信号控制信号。控制器的功能计算机的功能是执行程序程序程序计数器数器PC：存放指令地址，有存放指令地址，有+1或接收新或接收新值功能。功能。指令寄存器指令寄存器IR：存放指令内容：操作存放指令内容：操作码与操作数地址。与操作数地址。主脉冲源与启停控制主脉冲源与启停控制线路，路，按需要按需要给出主脉冲信号。出主脉冲信号。指令指令执行步行步骤标记线路：路：指明每条指令的指明每条指令的执行步行步骤。控制信号控制信号记忆或或产生生线路路：给出出计算机各功能部件部算机各功能部件部件件协同运行所需要的控制信号。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、控制器的控制控制器的组成程序计数器PC：存放指令地址，有+1或接收新值控制器的组成指令的执行过程指令的执行过程 冯.诺依曼依曼 结构的构的计算机算机即存即存储程序的程序的计算机，算机，设置内存，存置内存，存放程序和数据，在程序运行之前存入。放程序和数据，在程序运行之前存入。执行程序：行程序：正确从程序首地址开始；正确从程序首地址开始；正确分步正确分步执行每一条指令，行每一条指令，并形成下条待并形成下条待执行指令行指令的地址；的地址；正确并自正确并自动地地连续执行指令，行指令，直到程序的最后一条指直到程序的最后一条指令。令。指令的执行过程 冯.诺依曼 结构的计算机每条指令的执行步骤每条指令的执行步骤读取指令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，主存，读出内容送入指定的寄存器出内容送入指定的寄存器分析指令分析指令按指令按指令规定内容定内容执行指令行指令不同指令的操作步不同指令的操作步骤数，数，和具体操作内容差异很大和具体操作内容差异很大,检查有无中断有无中断请求求若有，若有，则响响应中断并中断并转中断中断处理理若无，若无，则转入下一条指令的入下一条指令的执行行过程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每条指令的执行步骤读取指令形成下一条指令地址R_R类型指令（1）微程序控制器的运行原理）微程序控制器的运行原理（2）教学）教学计算机的微程序控制器的算机的微程序控制器的实际组成成（3）微程序解）微程序解释的基本指令的基本指令执行流程行流程图（4）微指令的格式）微指令的格式设计（5）指令）指令执行流程行流程举例与例与说明明微程序控制器组成与设计（1）微程序控制器的运行原理clock微程序控制器组成clock微程序控制器的运行原理微程序控制器的运行原理每条指令一个每条指令一个执行步行步骤用到的全体控制信号用到的全体控制信号组成一微指令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)解解释每条指令的每条指令的执行行过程。程。全部的微程序有机地全部的微程序有机地组合在一起，被保在控制存合在一起，被保在控制存储器中。器中。执行一条微指令所用的行一条微指令所用的时间被称被称为一个微周期。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微程序控制器的运行原理每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号采用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中微程序控制器特点采用ROM存储控制信号的方式，可扩展性好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控制器采用逻辑电路直接提供全部控制信号组合逻辑（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组合逻辑（硬连线）控制器设计组合逻辑控制器的组成和运行原理 （1）组合逻辑控制器用节拍发生器（）组合逻辑控制器用节拍发生器（Timing，几个触发器构成的，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，指时序逻辑电路）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，不同于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。这里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。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。全部。全部的时序控制信号由许多个的时序控制信号由许多个“与与或或”逻辑门给出。与用控制存储器存逻辑门给出。与用控制存储器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，把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。控制信号直接送到被控制的部件。组合逻辑控制器的组成与运行原理 （1）组合逻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组合逻辑控制器特点直接用逻辑电路实现，用节拍标记指令步骤，性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控制信号生成部件的组成和成和实现方式不同方式不同步步骤标记实现方式不同方式不同性能不同性能不同组合逻辑与微程序控制器比较相同点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、时间并行性流水线技术计算机中的流水线技术：把一个重复的过程分解为若干个