1、第6章 控制器,6. 1 控制器概述 6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理 6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,CU的功能是，通过对指令的分析（译码），按照一定的时序，根据当前处理器的状态（标志），向计算机的各个部件（包括控制器本身）发出控制命令/信号（即微命令），部件接受微命令后进行的操作叫做微操作。为了对微操作进行时序控制，处理器用时钟信号CLK来控制每一个微命令的产生。,2019/7/27,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,2019/7/27,第6章 控制器,
2、6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,处理器每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。在一个指令周期内，处理器所要完成的操作有“取指”和“执行”。“取指”就是将一条指令从主存取入到处理器中，“执行”就是对指令进行译码并完成其指定的操作。这两个操作是有严格的时间顺序的，即先“取指”后“执行”。,2019/7/27,（二）三级时序系统,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,例如，“取指”阶段，需要发出的微命令有： MAR (PC) R1 PC (PC)+1 MDRM(MAR) IR(MDR) CUOP(IR),2019/7/27,（二）三级时序系统,
3、第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,以加法指令ADD M（注：一个源操作数隐含存放在累加器AC中，相加结果仍存回AC）为例，“执行”阶段，需要发出的微命令有： MARAD (IR) R1 MDRM(MAR) AC(MDR)+(AC),2019/7/27,（二）三级时序系统,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,不同指令的解释时间不尽相同。为了简化控制，它们一般都是被设计成节拍的某个整数倍基准周期，这个基准周期称为机器周期（也叫时钟周期或CPU周期），它的长短取决于指令的基本操作和器件的工作速度。整数倍数可以是1倍也可以是多倍。1倍时
4、，称为单机器周期（简称“单周期”）处理器。多倍时，称为多机器周期（简称“多周期”）处理器。,2019/7/27,（二）三级时序系统,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,“单周期”处理器中，所有指令的指令周期都是相同的，等于一个机器周期。指令周期的大小，取决于指令集中最复杂指令的执行时间。例如指令周期为9或10个节拍。由于单周期助理器的效率很低，大多数处理器采用“多周期”。最简单的多周期就是两周期，即把“取指”所花的时间称为“取指周期”，“执行”所花的时间称为“执行周期”。取指周期和执行周期是等长。,2019/7/27,（二）三级时序系统,第6章 控制器,6. 1
5、 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,在多周期处理器中，机器周期就变成了所有指令执行过程中的一个基准时间。那么，它的长度（即包含的节拍数）应取多少呢？,2019/7/27,（二）三级时序系统,为了保证在一个机器周期至少能够完成一个指令的基本操作，一般选取处理器访问一次主存的时间（也称总线周期）作为机器周期。一个标准的、同步总线的总线周期包含4个节拍。,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,不同指令的功能不同，其指令周期也是不尽相同的。例如，JUMP指令和NOP指令就没有执行周期。,2019/7/27,（二）三级时序系统,另外，采用间接寻址的指令，在取指周期之
6、后，还有一个访问主存，读取操作数地址的周期间址周期。如果在指令执行的末尾，处理器检测到中断请求信号，且当时处理器处于允许中断的状态，则处理器将在执行周期结束后进入中断周期。,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,多周期处理器的CU中应设置“指令执行阶段的标记” ，如 “FE”、“IND”、“EXE”和“INT”分别是“取指周期”、“间址周期”、“执行周期”和“中断周期”的状态标志。一个时刻，这些标志只能有一个为“1”。,2019/7/27,（二）三级时序系统,总之，一个机器周期包含了若干个节拍。在每一个节拍内，处理器可以同时执行一个或几个的微操作。指令周期、机器周
7、期和节拍构成了控制器的三级时序系统。,2011年硕士研究生入学统一考试计算机专业基础综合考试试题假定不采用Cache和指令预取技术，且机器处于“开中断”状态，则下列有关指令执行的叙述中，错误的是 。 A每个指令周期中CPU都至少访问一次内存 B每个指令周期一定大于或等于一个CPU时钟周期 C空操作指令的指令周期中任何寄存器的内容都不会被改变 D当前程序在每条指令执行结束前都可能被外部中断打断,2019/7/27,答：指令周期包含若干个CPU时钟周期，CPU在每条指令执行结束前检测是否有外部中断请求。空操作指令的指令周期中，程序计数器PC中的内容会改变，故选择C。,第6章 控制器,6. 1 控制
8、器概述,（一）控制器的功能和基本组成,（1）同步控制（2）异步控制,2019/7/27,（二）三级时序系统,（三）控制方式,最简单的控制方式，就是不加控制。以所有指令中最长的微操作序列为标准，确定指令周期，所以指令都采用相同的指令周期。,采用“握手/应答”方式来决定机器周期的长短。,第6章 控制器,6. 1 控制器概述,（一）控制器的功能和基本组成,（1）同步控制（2）异步控制,2019/7/27,（二）三级时序系统,（三）控制方式,（3）联合控制即同步控制与异步控制相结合的方式。例如，在功能部件（比如ALU）内部采用同步控制，在功能部件之间（比如CPU与主存）采用异步控制。,第6章 控制器,
9、数字电路分成：组合逻辑电路（简称组合电路）和时序逻辑电路（简称时序逻辑）。组合逻辑电路是指在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各输入状态的组合，而与电路以前状态无关，而与其他时间的状态无关。 时序逻辑电路的特征是，任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关。,2019/7/27,第6章 控制器,作为电子数字式计算机，控制器中“控制信号发生器”的实现有两种方式：基于组合逻辑的硬联控制/硬布线控制 ( Hardwired Control) 和基于存储逻辑的微程序控制( Microprogrammed Control )，分别对应“硬联控制器”和“微程
10、序控制器”。,2019/7/27,第6章 控制器,6. 1 控制器概述 6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理 6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,第6章 控制器,6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,设计产生控制信号的组合逻辑电路的步骤是： （1）写出指令周期中每个节拍内的应发出的微操作；（2）列出所有控制信号的操作时间表； （3）根据时间表，写出每个控制信号的逻辑表达式；（4）根据逻辑表达式，设计组合逻辑电路。,安排控制信号，首先要严格遵循解释一条指令所要发出的/控制信号的先后顺序；其次，对于控制部件不同的控制信号，应安排在一个节拍内发出，以
11、缩短时间；最后，对于一些占用时间短的微操作，其控制信号可以在一个节拍内，按照规定的先后顺序，依次发出。,第6章 控制器,6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,1）取指周期的控制信号节拍安排 C1：MAR (PC)，R1 C2：MDRM(MAR) C3：PC (PC)+1 C4：IR(MDR)，CUOP(IR),2）算术左移指令“SHL”执行周期的控制信号节拍安排 C1： C2： C3： C4：ACR(AC)，AC0AC0,第6章 控制器,6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,3）取数指令“LDA M”执行周期的控制信号节拍安排 C1：MARAD(IR
12、)，R1 C2：MDRM(MAR) C3： C4：AC (MDR),4）存数指令“STA M”执行周期的控制信号节拍安排 C1：MARAD(IR) C2：MDRAC，W1 C3： C4：M(MAR) MDR,第6章 控制器,6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,列出控制信号的操作时间表。表中，“1”表示发出控制信号，“0”（省略填写） 表示不发出控制信号。,根据时间表，写出每个控制信号的逻辑表达式 例如，“MDRM(MAR)”的逻辑表达式为： FE C2(SHL+LDA M+ STA M+ JMP X +JZ X +COM)+ EXEC2(LDA M) = FE C2+
13、EXEC2(LDA M)= C2FE + EXE(LDA M) 其中，SHL、LDA M、STA M、JMP X、JZ X和COM均为指令译码器的输出信号。,第6章 控制器,6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,根据逻辑表达式，画出所有控制信号的组合逻辑电路图。例如下图就是“MDRM(MAR)”的逻辑电路图。,第6章 控制器,6. 1 控制器概述 6. 2 硬联控制方式的控制器工作原理 6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,在硬联控制中，不同的控制信号用不同的组合逻辑电路
14、来实时地生成。这种方法设计复杂、实现成本高。既然每条指令需要发出的控制信号都是固定的，而且已经被分析出来、顺序安排在每个节拍中，那么把这些信息存储起来，在解释指令时调出来，直接发出控制信号不就可以了吗？,的确可以，这种被称为“微程序控制”的方法，在1951年就被英国剑桥大学的计算机教授Wilkes提出来了（所以“微程序控制”也称“Wilkes模型”） 。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,微程序控制器的设计原理是： 依据指令的执行步骤中，每一个节拍需要发出的控制信号，编制微指令。一个节拍对应一条微指令。 把这些微指令编制成微程序。 在所有指令的微程序
15、都编制完成后，将其存入控制器内部的专用只读存储器ROM控制存储器(Control Memory, CM)中。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,微程序控制器的工作原理是：运行时，控制器按顺序从控制存储器（简称控存）中读出某条指令对应微程序的微指令，逐拍、逐条送入微指令寄存器(IR)和译码器，译码后产生所需微命令/控制信号，使相应部件执行所规定的操作，完成对该指令的解释。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,微指令由“操作控制（控制命令）字段”和“顺序控制字段”组成。其中“顺序控制字段”用来在当前微指令执行结束
16、后，确定下一条微指令的地址（简称“下地址”）。微程序控制器的组成，除了IR、PC、FR和时序系统外，增加了控存、微指令寄存器、微指令地址转移逻辑电路以及微指令地址寄存器（AR）等部件，如下图所示。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,操作控制字段的编码方式有以下两大类：（1）直接表示法/直接控制法（2）编码表示法,根据控制信号的个数，决定操作控制字段的位数。字段中的一位对应一个控制信号。当某一位为“1”，表示要发出其对应的控制信号，否则不发出。,为了缩短微指令字长，将操作控制
17、字段分成若干子字段，把一组互斥的微命令，以编码的方式放在一个子字段内。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,如果各个子字段之间是无关的，则这种编码表示法称为“字段直接编码表示法”，否则称为“字段间接编码表示法”。所谓“字段间接编码”是指某个子字段表示了若干个微命令组，实际表示哪个微命令组，由另外一个专门的子字段的内容来决定。引出它的目的还是为了缩短微指令字长。但是由于它的译码电路复杂、译码时间长，缩短的字长有限，所以实际很少采用。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,相比直接表示法，编码表示法是通过时间来换取空
18、间。即通过在运行时进行译码（需要付出时间）来缩小短微指令字长，降低对控存容量的要求。由于直接表示法，无需译码即可产生控制信号，也被称为“不译法”。在实际工作中，考虑到字长、灵活性、译码时间，也可以将上述两种方法混合使用。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,由于解释指令有一些公共的操作，比如取指、间址，所以在编制微程序时，这些公共操作的微程序是单独编制、单独存放，供各个指令利用。这时，由硬件直接产生微程序入口地址，微指令中的“下地址”字段不发挥作用。在“下地址”字段发挥作用，形成“下地址”的方法主要有：（1）直接给出（2）增量计数器法（3）断定法,第6
19、章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,（1）直接给出（2）增量计数器法,例如，当前微指令的地址为A，则其下地址字段的内容为A+1。如果当前微指令执行结束后，要无条件地转移到B（另外一条微指令的存储地址），则其下地址字段的内容为B。,将AR设计成PC。每取一条微指令，PC加上1来给出下地址。“下地址”字段分为“转移控制字段BCF”和“转移地址字段BAF”。控制器通过测试BCF给出的转移条件，决定是否跳转，若跳转，则用BAF来改写PC中的若干位。,第6章 控制器,6. 3 微程序控制方式的控制器工作原理,2019/7/27,（3）断定法,要想让一个微指令具有多路
20、转移能力，可采用断定法。在断定法中，“下地址”字段改为“非测试字段”和“测试字段”。前者将直接构成“下地址”的高位部分，后者将送入“测试网络”。“测试网络”根据输入的“非测试字段”及测试信号（包括指令操作码、各种状态标志等），形成“下地址”的低位部分。“测试字段”的位数决定了转移的路数，n位最多可具有2n路转移能力。,第6章 控制器,2019/7/27,2009年研究生入学统一考试计算机专业基础综合考试试题 相对于微程序控制器，硬布线控制器的特点是 。A. 指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展容易.B. 指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展难C. 指令执行速度快，指令功能的修改和扩展容易.D.
21、 指令执行速度快，指令功能的修改和扩展难.,答：硬布线控制器采用组合逻辑电路，所以指令执行速度快。但是组合逻辑电路设计和实现较困难，所以指令功能难以修改，指令集难以扩展，所以A、B、C都不对。故选择D。,第6章 控制器,2019/7/27,2009年研究生入学统一考试计算机专业基础综合考试试题下列关于RISC的叙述中，错误的是 。 A. RISC普遍采用微程序控制器 B. RISC大多数指令在一个时钟周期内完成 C. RISC的内部通用寄存器数量相对CISC多 D. RISC的指令数、寻址方式和指令格式种类相对CISC少,答：由于指令功能简单，RISC要用比CISC更多的指令才能实现同样的功能
22、。为了不延长处理时间RISC采用了硬联控制、指令流水线等技术来加快解释指令，故A是错误的。,第6章 控制器,2019/7/27,2012年研究生入学统一考试计算机专业基础综合考试试题 某计算机的控制器采用微程序控制方式，微指令中的操作控制字段采用字段直接编码法，共有33个微指令，构成5个互斥类，分别包含7、3、12、5和6个微指令，则操作控制字段至少有 。 A5位 B6位 C15位 D33位,答：7个微指令需要3位编码，3个微指令需要2位编码，12个微指令需要4位编码，5个微指令需要3位编码，6个微指令需要3位编码。故需要3+2+4+3+3=15位编码，选C。,第6章 控制器,2019/7/27,2009年研究生入学统一考试计算机专业基础综合考试试题 冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区别它们的依据是 。 A指令操作码的译码结果 B指令和数据的寻址方式 C指令周期的不同阶段 D指令和数据所在的存储单元,答：取指周期访存，计算机取来的是指令；译码/执行/写回周期，计算机访存取来的/写入的是数据。故选C。,
