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《計算機組成原理與系統(tǒng)結構 馬禮 第5章 控制器組成原理》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、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方法、微程序控制器的組成原理與實現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方法5.4微程序控制器的組成原理與實現方法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
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ID2．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
3、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又稱CPU周期，通常它是主存儲器的一個訪問周期。2．節(jié)拍節(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。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。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
4、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
5、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……PCMARMDRR0RN-1…控制信號形成部件IDIR微操作控制信號ALUZYADDSUB至地址總線至數據總線1→C02．加法指令ADDR1，[NUM]即實現：（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（0→Y，1→C0，ADD，Zin）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存儲功能完成）；（3）MDRout、IRin；（4）IR（D）out、MARin、R
6、EAD；（5）R1out、Yin、WMFC；（6）MDRout、ADD、Zin；（7）Zout、R1in；（8）END。3．轉移指令JZA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（0→Y，1→C0，ADD，Zin）；（2）Zout、PCin、WMFC（等待存儲功能完成）；（3）MDRout、IRin（4）IFZF=1THENIR（D）ou
7、t、PCinELSEEND；（5）END。5.3硬布線控制器的組成原理與實現方法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，避免出現互斥。3．安
8、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。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
