计算机原理

计算机原理 唐玉华国防科技大学计算机学院

第四章控制器 4.1 指令结构 4.2 控制器的基本设计技术 4.3 指令流控制和复杂指令设计 4.4 微程序控制器技术 4.5 微程序的技术问题 4.6 微指令时序控制

第四章控制器 • 学习内容 • 控制器的基本设计方法 • 组合逻辑控制器设计 • 微程序控制器设计 • 重点 • 了解控制器的工作过程也即了解计算机全部工作过程，从而建立整机的概念

计算机结构—回顾 是计算机工作的指挥和控制核心 • 存储程序计算机结构

输入输出设备 运算器 I/O I/O 移位器设备 ...... 设备寄存器组 R 设备控制器设备控制器 flag ALU 0 R ...... 1 ... I/O 控制部件 1 2 R 锁存器锁存器 n-1 系统总线 CPU 内部总线 MBR CP IR XR 存储体节拍信号指令译码 ...... TSG ID 地址计算地址译码器 +1 状态 AR PC 微操作控制部件 MAR ...... 微操作到内存选址系统存储时序控制线路控制信号控制器内存储器计算机总框图存储器 CPU

控制器概述 • 基本概念 • 控制器 • 又称计算机控制电路，是计算机中处理指令的部件 • 控制器的功能 • 按特定的顺序取出并解释程序的每一条指令，然后产生一系列使得运算器和其它部件进行操作的控制信号，计算机各部件在控制器的控制信号控制下协调工作，一步步地完成指令规定的工作

控制器概述 • 基本概念 • 指令流 • 计算机执行的指令序列 • 数据流 • 根据指令要求依次访问的数据序列 • 控制流 • 由控制器发出的控制信号序列

控制器概述 • 基本概念 • 控制器的功能（从程序执行角度看） • 对指令流和数据流实施正确控制 • 在空间上，由控制器形成受控部件的控制信号 • 在时间上，控制器控制各种动作的执行顺序

控制器概述 • 基本概念 • 控制器的功能（从系统设计和实现的角度看） • 取指令（控制指令流出） • 分析指令（控制指令分析） • 执行指令，发出各种操作命令（控制指令执行） • 确定下一条指令的地址（控制指令流向） • 执行环境的建立与保护（控制执行环境的维护）存储器运算器控制器

指令控制 • 操作控制 • 时间控制 • 数据加工 • 处理中断 CPU ALU 寄存器控制总线数据总线地址总线 CU 中断系统控制器概述 • 控制器的功能（从完成功能角度看） PC IR ID CU 时序电路 ALU 寄存器 XR 地址运算中断系统

控制器概述 • CPU 的寄存器 1) 用户可见寄存器存放操作数 (1) 通用寄存器可作某种寻址方式所需的专用寄存器 (2) 数据寄存器存放操作数（满足各种数据类型）两个寄存器拼接存放双倍字长数据存放地址，其位数应满足最大的地址范围 (3) 地址寄存器用于特殊的寻址方式段基值栈指针存放条件码，可作程序分支的依据 (4) 条件码寄存器如正、负、零、溢出、进位等

控制器概述 • CPU 的寄存器 2) 控制和状态寄存器 (1) 控制寄存器 PC MAR M MBR IR 控制 CPU 操作其中 MAR MBR IR用户不可见 PC 用户可见 (2) 状态寄存器存放条件码用户可见状态寄存器存放程序状态字用户可见 PSW 寄存器

控制器概述 • 控制器设计的主要任务 • 控制信号 • 控制器需要产生对存储器、运算器和输入/输出部件的正确控制信号序列 • 研究工作 • 这些控制信号产生的时间和方法

第 4.1 节 指令结构

4.1、指令结构 • 知识点 • 了解实例计算机中的指令系统 • 理解实例计算机指令的含义 • 重点 • 了解实例计算机中的指令系统

4.1、指令结构 • 指令流的产生和控制过程如何根据指令流产生控制流是控制器完成的主要工作，而控制信号则是由控制器对指令字进行分析处理后产生

指令字—回顾 • 指令字通常由操作码和地址字段组成 • 操作码字段用于定义指令的操作 • 地址字段用于指示指令所操作对象的位置 • 一条指令的地址字段可以包含若干个地址 • 指令格式可以分为固定长度与可变长度 • RISC计算机多采用固定长度指令格式 • 指令通常为4个字节（32位）或者8个字节（64位） • CISC计算机通常不是固定长度指令格式，其指令格式比RISC指令格式要复杂

4.1、指令结构 • 实例计算机的程序员界面 • 数据表示 • 指令格式 • 寻址方式 • 实例计算机指令的定义

4.1.1、实例计算机的指令系统 • 实例计算机 • 8位计算机 • 8位累加器AC • 8位单地址指令 • 实例机的指令格式 • 基本1地址指令 • 扩展1地址指令

4.1.1、实例计算机的指令系统 采用可变长度操作码 • 实例机的指令格式 (a) 基本1地址指令 (b) 扩展1地址指令

4.1.1、实例计算机的指令系统 • 实例机的寻址空间 • 存储地址5位，存储空间：25=32个存储单元 • 实例机的指令、数据以及堆栈共享该存储空间 • 堆栈指针SP的初始值： 00011111B • 实例机的寻址方式 • 直接寻址（基本1地址指令） • 立即数寻址（扩展1地址指令）

4.1.1、实例计算机的指令系统 • 实例机的数据表示 • 只有二进制8位无符号整数形式

指令符 功能操作码指令类型汇编记忆码 ADD 加法 000 1地址指令 ADD address SUBTRACT 减法 001 1地址指令 SUBTRACT address STORE 存储 010 1地址指令 STORE address LOAD 读出 011 1地址指令 LOAD address BRANCH 条件转移 100 1地址指令 BRANCH address CALL 转子 101 1地址指令 CALL address CLEAR 清累加器 111000 0地址指令 CLEAR RETURN 子程序返回 111001 0地址指令 RETURN SHIFTR 右移 111101 1地址指令 SHIFTR counter SHIFTL 左移 111110 1地址指令 SHIFTL counter 4.1.1、实例计算机的指令系统指令系统还可以扩展? 表4.1 实例计算机的指令 • 实例机的指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 加法指令（ADD）加法指令的格式：加法指令的功能： AC:=AC + Memory(address)；基本1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 减法指令（SUB）减法指令的格式：减法指令的功能： AC:=AC - Memory(address)；基本1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 存储指令（STORE）存储指令的格式：存储指令的功能： Memory(address):=AC；基本1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 读出指令（LOAD）读出指令的格式：读出指令的功能： AC := Memory（address）；基本1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 条件转移指令（BRANCH） • 转移指令的格式： • 转移指令的功能： • IF (AC(7)==’1’) • THEN PC:=address； • ELSE PC:=PC+1； • END IF；基本1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 转子指令（CALL）转子指令的格式： • 转子指令的功能： • SP := SP  1； • Memory（SP） := PC； • PC := address；基本1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 子程序返回指令（RETURN）子程序返回指令的格式： • 子程序返回指令的功能： • PC := Memory（SP）； • SP := SP + 1；扩展0地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 清累加器AC指令（CLEAR）清累加器AC指令的格式：清累加器AC指令的功能： AC:= 0；扩展0地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 右移指令（SHIFTR）右移指令的格式：右移指令的功能： again: while counter/='00' loop AC (0:6):=AC(1:7)； AC(7):=0； counter:=counter-1； end loop again；扩展1地址指令

4.1.2、实例计算机指令的含义 • 左移指令左移指令的格式：左移指令的功能： again: while counter/='00' loop AC(1:7):=AC(0:6)； AC(0):=0； counter:=counter-1； end loop again；扩展1地址指令

第 4.2 节 控制器的基本设计技术

4.2、控制器的基本设计技术 • 知识点 • 了解控制器的基本组织 • 指令周期 • 控制器的基本组织 • 理解基本控制器的设计方法 • 微操作 • 时标系统 • 组合逻辑控制器设计 • 重点 • 掌握基本控制器的组合逻辑设计方法

五条指令的实现 指令流控制的实现时间不确定指令的实现 4.2、控制器的基本设计技术 • 控制器的基本组织 • 基本控制器的设计分阶段设计

4.2.1、控制器的基本组织 • 存储程序计算机的程序执行过程 • 取指令、分析指令和控制指令执行的过程 • 控制器从存储器中取指令、访问数据和加工数据的操作序列 • 操作序列由指令序列（指令流）完成 • 指令流由控制流控制完成 • 控制流包含控制指令执行的控制信号序列

取指阶段 执行阶段取指周期执行周期（取指、分析）（执行指令）指令周期 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 定义：一条指令的执行时间，即从取指令开始到指令执行完成所需要的时间。取指、分析取指阶段完成一条指令执行执行阶段

4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 取指周期 • 控制器将程序计数器PC内容送存储器，启动存储器读，从存储器中取出指令，然后对指令进行译码，并将程序计数器PC加∆（为程序顺序执行提供下条指令的地址） • 执行周期 • 控制器将操作数地址送存储器，从存储器中取出操作数，并按指令要求对操作数完成相应操作，或将结果回写(包括送存储器)

4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期指令周期指令周期指令周期取指周期 IF 执行周期 EX 时间 1 1 PC 送存储器送操作数地址 2 2 、取指令、取操作数 3 3 、指令译码、完成操作 4 PC+∆ 4 结果回写

取指周期 指令周期取指周期执行周期指令周期取指周期执行周期指令周期 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 每条指令的指令周期不同 NOP ADD mem MUL mem

取指周期 执行周期间址周期指令周期中断周期取指周期执行周期间址周期指令周期 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 具有间接寻址的指令周期带有中断周期的指令周期

取指周期 执行周期取指周期执行周期取指周期间址周期执行周期取指周期执行周期 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 四类指令的指令周期非访存指令周期直接访存指令周期间接访存指令周期转移指令周期

取指周期 有间址吗？是间址周期否执行周期有中断吗？是中断周期否 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 指令周期流程

FE IND EX INT D D D D CLK 1 FE 1 IND 1 EX 1 INT 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • CPU 工作周期的标志 CPU有4 种性质的访存操作取指令取指周期 CPU 的 4个工作周期取地址间址周期执行周期取操作数存程序断点中断周期

地址总线 数据总线控制总线 CPU 存储器 +∆ IR MBR IR 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 指令周期的数据流 1) 取指周期数据流 PC MAR CU

地址总线 数据总线控制总线 CPU PC MAR 存储器 CU MBR MBR IR 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期 • 指令周期的数据流 2) 间址周期数据流

地址总线 数据总线控制总线 CPU PC MAR 存储器 CU MBR 4.2.1、控制器的基本组织 • 指令周期的数据流 3) 执行周期数据流不同指令的执行周期的数据流是不同的 4) 中断周期数据流

地址形成部件 MBR 指令控制部件 CP IR XR CP IR XR TSG 地址计算 ID TSG 地址计算 ID 状态微操作控制部件 PC AR PC AR 微操作 ...... 控制信号到内存选址系统到计算机各部件时序控制部件 4.2.1、控制器的基本组织 • 控制寄存器微操作控制部件

复位 PC PC PC 加 1 IR 送 MBR IR 送 IR MAR MAR PC MAR 送 ID 运算器 M 存储器复位 AC B AC 送 ALU AC R AC 送 MBR 加法 ALU 减法读写控制电路送 AC MBR 触发器 R W 触发器 ...... 微操作控制信号 CP TSG 清清 R W 置置 R W 产生电路触发器触发器 IF EX 其他状态 EX 清置清 IF IF EX 置 4.2.1、控制器的基本组织

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