1、第六章 中央控制器*,一、 中央控制器的功能和组成,1、中央控制器的功能 指令控制：即顺序控制，保证机器按照程序规定的顺序执行指 令。 控制操作：产生每条指令执行所需要的各种控制信号，并送相应部件产生相应动作。 时间控制： 同步不同操作 异常和中断处理,2、控制器的基本组成,(1)程序计数器PC,给出并指示下一条指令的地址,完成顺序控制的功能,内容在取指完成后即可改变,转移指令直接修改PC值,(2)指令寄存器IR,保存当前正执行的指令,指令的操作码字段和寻址方式送译码,(3)指令译码器ID,对指令的OP字段和寻址方式译码，指出指令的操作方式 译码的结果是找到与该指令相关的微程序的入口,(4)操
2、作控制器OC,产生指令执行过程中所需要的控制信号 实现指令的操作控制功能,(5)时序产生器,对操作控制信号进行同步 实现控制器的时间控制功能,6)控制器的基本设计方法,分析CPU硬件组成与结构 分析硬件控制信号的功能、有效形式(电平或脉冲),分析指令在CPU硬件环境下的执行流程 分析指令流程所需要的控制信号 对上述控制信号优化、同步(指令周期划分) 将优化和同步后的控制信号以微指令的形式存放在CM中 将CM的输出与被控对象连接,6)控制器的基本设计方法,分析CPU硬件组成与结构 分析硬件控制信号的功能、有效形式(电平或脉冲),CP,二、控制器的控制原理,为统一表示指令执行流程，采用寄存器描述语
3、言表示指令执行过程中的操作，使用RTL的规则如下： 1)用( )表示读取寄存器或主存地址的内容，如（PC）表示读取PC寄存器中的内容； 2)用 表示主存单元地址或寄存器堆中寄存器的编号，则：M6表示主存6号单元，(M6)表示读取主存6号单元的数据；R6表示寄存器堆中6号寄存器，(R6)表示读取寄存器堆中6号寄存器的数据；M(R6)表示寄存器堆中6寄存器内容所指主存单;(M(R6)表示读取寄存器堆中6寄存器内容所指主存单元的内容。为简化对主存单元的表示和访问，将它们分别简化成MR6和（MR6）。 3)用“AB”表示数据传送，其中B为数据源，A为目的端；,二、控制器的控制原理,1、控制器的组织,1
4、)数据通路的概念及组成,数据通路:数据在功能部件之间传送的路径； 数据在数据通路中的传送操作是在控制信号的控制下进行的； 数据通路的建立可用总线或专用通路两种方法来构建； 不同功能的指令及同一指令在执行的不同阶段的数据通路可不同； 数据通路的结构直接影响CPU内各种信息的传送路径、指令执行流程、所需要的微操作控制信号及其时序安排和控制器的设计；,2、指令周期,(1)CPU如何区分存放在内存中的数据和指令？通过指令周期的不同阶段来区分 (2)指令周期取出一条指令并执行一条指令所需要的时间 (3)指令周期由两部分时间构成,2)指令周期的基本概念,(4)指令周期时间,由于不同的指令功能不同、同一功能
5、指令的寻址方式不同， 所以取指和执行指令的时间也不相同，因此，不同指令的 指令周期时间不相同。,(5)几个与指令周期有关的时间概念 CPU周期: 又称机器周期,指CPU从内存中取出一个机器字所 需要的最短时间,通常由若干个时钟周期组成. 时钟周期: 又称T周期,是计算机的节拍周期,是计算机中处理操作最基本的时间单位.,(6) 指令周期、CPU周期、时钟周期三者之间的关系,3)指令周期不同阶段应该完成的任务,(1)取指阶段完成的任务: a.从内存中取出一条指令 b.对程序计算器PC的内容加”1”，形成后续地址 c.将指令的OP字段送指令译码器进行译码 (2)执行阶段的任务 (a)取操作数周期形成
6、操作数地址(与寻址方式有关)并取出操作数 (b)执行周期 按时间发出完成指令所需要的所有控制信号,控制控制信息和数据信息的正确流动 一个指令周期至少包括两个机器周期(CPU周期),4)指令的执行及控制,分析几条典型指令在上图所示CPU中的执行过程,(1)指令流程图：描述指令处理过程中使用的部件，需要的操作,LAD R0 ，(80)指令流程图,ADD R0 ，（81）指令流程图1,ADD R0 ，（81）指令流程图2,ADD R0 ，（81）指令流程图3,JO 75 指令流程图,可见,转移指令的目标地址不一定会送到PC中,关键是看是否转移成功!,STA （R1） ， R0 指令流程图,5）指令的
7、控制命令序列分析, LAD R0, (80),PCBUS , LDAR,RD ,LDDR,PC+1,DRBUS,LDIR,IRBUS,LDAR,RD,LDDR,DRBUSBUSbusLDR0,ADD R0, (81),R0L LDLA,IRBUS, LDAR,RD,LDDR,+,LDR0,JO 75,IRBUS , LDPC,STA (R1) , R0,R1L L bus bus BUS, LDAR,R0L L bus bus BUS BUS DR, LDDR,WR,6）应用举例,例1 如图所示的为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自动增加功能)，M为主存(受R
8、/W控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，ALU由加、减控制信号决定需要完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路，另外，线上标注有控制信号，例如yi表示y寄存器的输入控制信号，R10表示寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。,(1)ADD R2 ，R0 指令完成 (R0)+(R2) R0 的功能操作，画出 其指令周期流程图，假设该指令的地址已经放入PC，并列出相 应的微操作控制信号序列。 (2) SUB R1 ，R3 指令完成 (R3)+(R1) R3 的操作，画出其指 令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。,IR,PC,AR,M,DR,X,Y,ALU,
9、IRO,PCO,DRO,R0O,R3O,IRi,PCi,ARi,R/W,DRi,R0i,R3i,xi,yi,+,_,G,+1,PC AR,M DR,DR IR,R2 Y,R0 X,R0+R2 R0,(R0)+(R2) R0,PC0 , G, ARi,R/W = R,DR0,G,IRi,R20 , G , Yi,R00 , G , Xi,+ , G , R0i,+1,(R0)+(R2) R0,PC0 , G, ARi,R20 , G , Yi,R00 , G , Xi,+ , G , R0i,+1,7) 控制方式- 讨论指令时间分配问题,(1) 控制不同操作序列时序信号的方法称为控制器的控制方式
10、，其实质反映了时序信号的定时。 (2)常用的控制方式： 同步控制 异步控制 联合控制 同步控制方式 任何情况下, 指令执行时所需要的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的，即所有指令的机器周期和时钟周期数相同,由于指令周期是由数量不等的CPU周期数组成，CPU周期的数量反映了指令的复杂程度，即操作控制信号的多少。对于一个CPU周期，也有操作控制信号的多少与先后问题。,异步控制方式,每条指令、每个操作需要多少时间就占用多少时间。即不 同指令的机器周期长短不同，不同指令的机器周期数不同。,联合控制 同步控制与异步控制的结合。分两种情况： a)一种情况是，机器周期的时钟周期长度固定，但是每条指令 的机
11、器周期数不固定。 b)另一种情况是大部分指令安排在固定的机器周期中，对于难以 确定操作时间的以执行部件的“应答”作为操作结束的信号。,三、时序产生器,1、计算机 采用的多级时序体制 (1)微程序控制器设计的计算机的多级时序体制是电位脉冲制 电位对应CPU时间，脉冲对应时钟周期(数据在寄存器间的传送) (2)采用硬连布线逻辑(门电路+触发器组成)的计算机多级时序体制是 主状态周期- 节拍电位-节拍脉冲三级时序体制 主状态周期 反映了某个状态周期的持续时间，通常用触发器的状态持续时间表示。 一个主状态周期包含若干个节拍电位。(对应一条指令的执行时间) 节拍电位 表示一个CPU周期的时间，包含多个节
12、拍脉冲 节拍脉冲 指的是节拍电位内的控制脉冲,对应了最基本的定时信号.,2、时序信号产生器件,时钟源 为环行脉冲发生器提供频率稳定的方波时钟脉冲,环行脉冲发生器 产生一组有序的脉冲序列，以便通过译码产生最后需要的节拍脉冲,节拍脉冲和读写时序译码逻辑 产生计算机所需要的节拍脉冲和读写时序,启停控制逻辑(对时序控制器的启/停) 保证节拍的完整性,1）环行脉冲发生器与译码逻辑,CPU发总清零信号，Q4=1，门3开，当开始出现时其余Qi=0,C4的跳变点在 而当Q4=1 且 时可被清零,1）环行脉冲发生器与译码逻辑,CPU发总清零信号，Q4=1，门3开，当开始出现时其余Qi=0,C2的跳变点在 , Q
13、4=1 且Q1的改变 ,而当Q4=1 且 时可被清零 C3的跳变点在 , Q4=1且Q1的改变 ,而当Q4=1 且 时可被清零,2)启/停控制逻辑的工作原理,只要通电，就会产生T10 T40 ，但不能使用。 启/停 控制控制T1 T4 。,停止信号不会对当前的 T1 T4序列有效，对下一个序列的T1 T4有效,T40,四、微程序控制器,微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的技术 微程序控制的基本思想仿照程序设计的方法，把完成每条指令所需要的操作控制信号编 写成微指令，存放到一个只读存储器(控存)中。每条机器指令对 应一段微程序，当机器执行程序时依次读出每条指令所对应的微 指令,执行每条微指令
14、中规定的微操作,从而完成指令的功能,重复 这一过程,直到该程序的所有指令完成.微程序控制器的设计采用了存储技术和程序设计技术，使复杂的控制逻辑得到简化，从而推动了微程序控制器的广泛应用,程序,1、微命令和微操作,控制部件与执行部件之间的联系,控制部件,执行部件,控制线,反馈线,微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制信号(打开和关闭控制门) 微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作 反馈线的作用 向控制部件反馈执行的状态信息，以便控制部件进行状态测试,2、微操作的分类,微操作是计算机中最基本的操作，由于数据通路、逻辑功 能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥性的微操作： 相容性的微操
15、作 能同时并行执行的微操作 相斥性的微操作 不能同时并行执行的微操作,图中相斥性的微操作有： ( + 、 、 M ) ( 4、 6、 8 ) ( 5、 7、 9 ) 图中相容性的微操作有： 1、2、3 (4、6、8) 与 (5、7、9)两组中各取一个任意组合,互斥的时间范围？,分析下列CPU中的互斥性控制信号（从数据通路和逻辑上考虑）,分析下列CPU中的互斥性控制信号,3、微指令和微程序,1)微指令 在机器的一个CPU周期中，一组 实现一定功能的微命令的组合 2)微指令的格式 先回顾指令的格式,由上图可知：微指令格式由操作控制和顺序控制两部分组成 3)操作控制（对应图中的124位） 用来发出管
16、理和指挥全机工作的所有控制信号。当操作控制字 段的某一位为1时，表示该信号有效，将发出相应的微命令；该 位为0时，表示该信号无效，不发出相应的微命令 4)顺序控制（对应图中的25 30位） 用来进行判别测试和给出下一条微指令的地址,5)操作控制信号的同步控制,微指令的操作控制字段给出的有效信号全是节拍电位信号，持续时间都是一个CPU周期，而实际需要的控制信号有先有后，且有的是脉冲信号，因此，要对操作控制信号进行同步。 6)操作控制信号的同步控制举例 对LDR1 LDR3的控制,节拍电位 信号 +,LDR1,7)决定下一条微指令地址的方法,不分支时，后续微指令地址由直接地址字段给出，分支时，通过
17、P1或P2及测试条件修改直接地址的某些位，实现微程序转移 微程序分支实现举例： 设用P1的值修改第A27。A27A28A29A30的初始值为 0101,当不进行 P1测试时，下一条微指令的地址为 0101.当进行P1测试时，用P1测试的条件(如C)去修改A27位，如果C=1，则A27位变成1，这时，下一条微指令的地址为：1101,8)微指令周期,(微周期)从控存取一条微指令并执行微指令所需要的时间 在串行执行方式下，一般将微指令周期设计成同机器周期时间相等，这样便于系统的同步控制 微指令周期时间分配,这样的时序要求控存的存取速度很快,4、微程序控制器的组织,1)控制存储器： 存放用来实现全部指
18、令的所有微程序，是一种只读存储器，微程 序固化在其中，其容量取决于机器指令和每条指令微程序的长度， 字长取决于微指令的字长，也与容量有一定关系(!)。要求控制存 储器快速。,2)微指令寄存器(IR) 存放从控存中读出的微指令 是图中的哪部分?,3）微地址寄存器(AR) 存储访问CM的微地址,4)微地址产生逻辑 用于产生后续微指令地址。能作为后继微指令地址的有下列形式： 微程序的入口地址 顺序地址 转移地址 产生上述三类地址的方法主要有如下两种,微程序的入口地址由OP通过判别测试和地址转移逻辑产生 当微程序不出现分支时，由微指令的直接地址字段给出下一条微 指令的地址。 当出现转移时，由判别测试字
19、段和状态条件来修改直接地址的某 些位来实现多路分支。,a)多路转移方式,b)增量与断定相结合的方法,工作原理和过程类似于PC,设置微地址计数器AR(PC) 微程序的入口地址由OP通过判别测试装入作为微程序的首地址 顺序执行时后续微指令的地址由AR+1得到 转移时，用P字段的相关位测试外部条件，并根据被测试的 条件是否成立来修改AR中的相关位，实现转移,c)地址转移逻辑的实现,5)指令与对应微程序间的联系 由指令的OP来实现，根据指令的OP，通过某种映射方式，唯一得 到与该指令在某种寻址方式下对应的微程序的入口地址。,指令的OP与微程序入口的可能映射方式及比较,a)OP就是指令微程序的入口地址,
20、b)对OP映射得到相应微程序的入口地址,5、微程序设计举例,一条机器指令对应一段微程序，一段微程序包含该机器指令执行过程中的所有控制信号。 微指令的设计是微程序设计的具体体现 微指令的设计与计算机的硬件结构、指令的操作流程、微指令的格式等因素有关 本例中采用串行微程序设计，故将一个微指令周期的时间设计成同一个CPU周期的时间,1)LAD R0 , (80)微程序设计取微指,1,1,1,1,1,1,1,1,LAD 执行阶段微程序设计,1,1,1,1,1,1,1,时间分配与芯片选择,1： IRBUS , LDAR,2 T4：RD,3：LDDR,T4: DRBUS，BUSbus ,LDR0,3：LD
21、DR , DRBUS,T4: BUSbus ,LDR0,?,OK,2)ADD R0 , (81)执行微程序设计第一条微指令设计,1,1,ADD R0 , (81)执行微程序设计第二条微指令设计,1,1,1,1,1,1,1,1,ADD R0 , (81)执行微程序设计第三条微指令设计,1,1,3)JO 75 执行阶段第一条微指令设计,1,1,1,4)STA (R1) , R0指令执行阶段第一条微指令设计,1,1,1,1,STA (R1) , R0指令执行阶段第二条微指令设计,1,1,1,1,1,1,6、微指令编码与微地址的形成,本节主要内容是如何确定微指令的结构，包括下列内容：(1)微命令编码(
22、2) 微地址的形成(3)微指令的格式,微指令结构设计追求的目标： (1)有利于缩短微指令字长度 (2)有利于减小控制存储器的容量 (3)有利于提高微程序的执行速度 (4)有利于对微指令的修改,微命令编码就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法 (1)直接表示法 操作字段的每一位表示一个微命令,1)微命令编码,优点: 简单、直观，输出直接用于控制 缺点: 微指令字长、不利于减少控存容量,(2)编码表示法,把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器 译码，译码输出将作为操作控制信号。每次每个小组最多 只能有一个有效。,若某小组有4个微命令，则微指令中该字段需要多少位？ 需要3位，为什么？ 因
23、为每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。,编码表示法的优点:,大大缩短微指令字的长度，从而减少控存的容量。 编码表示法的缺点： 增加的移码电路降低了微指令的执行速度。 (3)混合表示法 综合前面的直接表示法和编码表示法. 关于微命令编码的结论: 目前一般使用字段直接表示法.,共有10个微操作，但微命令控制字段只有8位，如何表示？（e, f , h ) ( b,i, j), 其余微命令采用直接表示法,2)微指令格式,微指令的格式分为水平型微指令和垂直型微指令。 水平型微指令：一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。 前面所讲的微指令都是水平型微指令。根据水平型微指令的控制
24、字段的表示方法不同，可以将水平型微指令分为三种： a. 全水平型微指令 ( 对应微命令编码的直接表示 ) b. 字段译码法水平型微指令( 对应微命令编码的译码表示 ) c. 直接表示和译码相结合的水平型微指令( 微命令编码混合表示 法) 垂直型微指令： 微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码 规定微指令的功能（类似于指令的操作码思想）,水平型微指令和垂直型微指令的比较,水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直 型微指令则比较差。 b.水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行执 行一条指令的时间长。 c.由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字较长，微
25、程序短的特点；垂直型微指令则相反，微指令短而微程序长,某计算机采用微程序控制，微指令格式中操作控制字段16位。若采用完全水平型微指令，则可以定义（ A ）种微操作。此时，一条微指令最多可以同时启动（B ）个微操作；若采用完全垂直型微指令，则可以定义（ C ）种微操作，此时，一条微指令最多可以启动 （ D ）个微操作。,答案： A=16、B=16、C=216=64K、D=1,7、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程,LAD R0，（80)ADD R0, (81)JO 75STA (R1), R0,30,9、硬布线控制器,采用硬布线方式设计的控制器称为硬布线控制器 采用组合逻辑的方式设计控
26、制器，并由组合逻辑产生指令执 行过程中所需要的所有控制信号 以布尔代数为主要设计工具、以相应的逻辑与记忆电路构成控制器的逻辑网络,C = f (I,S,T) I:指令的功能 S:执行部件反馈的状态 T:时序信号,1、基本概念,2. 设计原理,根据实现指令功能所需要的微操作序列设计.具体过程为： 画出指令系统每条指令功能实现的流程图 对各指令周期流程图中的控制信号进行细化、优化，得到每条指令的微 操作系列，并进行时间同步 对各操作控制命令进行逻辑综合得到逻辑表达式 用组合逻辑或可编程逻辑阵列实现上述逻辑表达式的功能。,3、设计举例（以表6.2指令中DRBUS微命令设计为例）,DRBUS = M1
27、T4+LAD M2 T3 + ADDM3T3,4、产生DRBUS微命令信号的电路,表达式：DRBUS = M1T4+LAD M2 T3 + ADDM3T3,电路图,10、其它概念,串行微程序控制 在微程序执行过程中，执行当前微指令的操作与取下一条微指 令的操作在时间上是串行进行的，所以微指令的执行时间等于 取微指令的时间 + 执行微指令的时间。 如下图所示：,此时，微指令周期的总和等于微程序的执行时间 ！,并行微程序控制,将取微指令和执行微指令在不同的部件并行进行的微程序控制方式。为什么上述两部分可以并行进行？ 因为他们是在不同的部件上进行的 c. 图示如下：,采用串行方式，4条微指令需要8T时间 采用并行方式，4条微指令需要5T时间,本章小结,CPU的功能( 四项 ) 组成CPU的主要寄存器及其作用 指令周期的定义及其组成 分析特定CPU环境下典型指令的执行流程-用方框图语言表示指令周期 计算机时序工作原理 指令的控制方式(同步控制、异步控制、联合控制) 微程序控制的基本思想（程序、指令、微指令、微程序的关系） 微操作分类、微指令的格式、微命令编码方法 微程序控制器原理 水平型微指令和垂直型微指的定义及其联系与区别,
