1、二、控制器的功能与组成,1. 控制器的功能: 控制执行指令 控制各部件协调运行，即为各部件提供控制信号。2. 控制器的组成： 程序计数器 指令寄存器指令步骤标记线路 提供控制信号的部件分类 ：微程序的控制器硬布线的控制器,1. 控制器的功能,计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令代码控制器的功能就在于:正确地分步完成每一条指令规定的功能,正确且自动地连续执行指令;再进一步说，就是向计算机各功能部件提供 协调运行每一个步骤所需要的控制信号。,指令的执行过程,冯. 诺依曼 结构的计算机即存储程序的计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前存入。执行程序： 正确从程序首地址开始；正确分
2、步执行每一条指令，并形成下条待执行指令的地址；正确并自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令。,每条指令的执行步骤,读取指令指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定内容执行指令不同指令的操作步骤数，和具体操作内容差异很大,检查有无中断请求 若有，则响应中断并转中断处理 若无，则转入下一条指令的执行过程,R_R类型指令 读写内存类型指令 输入输出类型指令 其他类型指令,可能执行 一次或多次,是一次读 内存操作,公共操作,公共操作,是每一条指令的特定操作,2. 控制器的组成,程序计数器PC：存放指令地址，有+1或接收新值功能 指令寄存器IR：存放指令内容
3、：操作码与操作数地址主脉冲源与启停控制线路，按需要给出主脉冲信号 指令执行步骤标记线路： 指明每条指令的执行步骤 控制信号保存或形成线路：给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。,运算器部件,主存储器部件,总线及输入/输出接口(输入/输出设备),控制器部件本身,各部件包括,也包括,设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制,时序控制 信号 形成部件,译码,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,节拍,启停,地址寄存器械,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,控制器信号,主振,硬布线 方案的 控制器,控制 存储器,映射,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主
4、存,运算器 部件,下地址,启停,地址寄存器械,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,微指令寄存器,主振,微程序 方案的 控制器,第 3 章的第 3 讲 1. 微程序控制器的组成、运行原理 2. 微指令的格式和下地址的处理技术 3. 主存储器、计算机总线、接口电路等预备性知识,控制器的组成, 程序计数器PC存放指令地址，有+1或接收新值功能 指令寄存器IR存放指令内容：操作码与操作数地址 指令执行步骤标记线路指明每条指令的执行步骤。 控制信号保存或形成线路给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号,控制 存储器,映射,IR,PC,接口 输出 设备,主 存 储 器,运算器 部件,下地址
5、,启停,地址寄存器,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,微指令寄存器,主振,微程序 方案的 控制器,接口 输入 设备,微程序控制器组成与设计,Am2910,MAPROM,SCC Gal,控制存储器（ ROM）,指令操作码,微指令转移的控制条件,/CC,微指令寄存器,0MRW SA I86 B口 0SST DC20 I20 SB I53 A口 SSHSCI DC1,CP,/G,读命令,1. 确定指令功能与格式 2. 划分指令执行步骤 3.确定微指令格式 4. 设计微指令内容 5. 把新微指令写入控存 6. 需要时修改 MAPROM 和 SCC Gal等 7. 调试并且运行,B 口二选一,
6、A 口二选一,IR.SR,IR.DR,/MAP,/PL,TEC-2000的3个型号,Am2910,MAPROM,SCC Gal,控制存储器（ ROM）,指令操作码,微指令转移的控制条件,/CC,微指令寄存器,0MRW SA I86 B口 0SST DC20 I20 SB I53 A口 SSHSCI DC1,CP,/G,读命令,TEC-2000: 微命令字段使用 5 片 GAL20V8 芯片实现，与硬连线控制器分时合用； TEC-2000A: 微命令字段使用 5 片 8D 寄存器实现，与硬连线控制器5 片 GAL20V8 芯片分开单独运行； TEC-2000B: 又增加了联机直接写控制存储器芯片
7、内容的能力。,B 口二选一,A 口二选一,IR.SR,IR.DR,/MAP,/PL,微程序控制器部件 56位的微指令字长，微下地址字段16位，控制命令字段40位， 7 片 28C64 组成控存。 1 片 28C65，从指令操作码产生微地址， 1 片 374 存 8 位下地址， 1 片 273 存 8 位条件码， 1 片377存8位现微地址。 1 片Am2910给出下一条微指令地址， 1 片GAL 按判断条件产生微指令转移信号/CC； 5 片GAL用作为 5 片 8位的 D 触发器的寄存器， 2 片GAL 实现两个4 位的2 选 1 芯片功能。 8 或 16位的指令寄存器。,三、微程序控制器的运
8、行原理,每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令 每条微指令可以包括一到多个微操作。 用多条微指令(一个微程序)解释每条指令的执行过程。 全部的微程序有机地组合在一起，被保在控制存储器中。 执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期。 微指令的格式和内容：下地址字段 控制命令字段,读与执行微指令的 并行流水技术,下地址字段的内容,得到下地址的方法：由指令操作码得到微指令顺序执行微指令必转或条件转移多路微地址转移微子程序调用和返回按次数循环一段微程序其他：如特定入口微地址,在微指令下地址字段中表示清楚： 使用哪种方法， 哪个(些)判断条件， 要用的有关地址等， 并用专门电路完成必要支持和
9、处理， 微指令的下地址是微程序设计中要重点解决的问题之一， 技术、技巧性强， 应学得好些。,在教学计算机中，解决下地址使用了 Am2910 器件,微堆桟指针 SP,5字 * 12位 微堆桟 F,微程序计数器 PC,寄存器/计数器 R / C,D R F PC 多路选择器,命令译码器,增 量 器,零检 测,D11D0,Y11Y0,CP,/FULL,CI,/CC,/CCEN,I3I0,/PL /MAP /VECT,/RLD,/OE,出栈/入栈 保持/清零,装数 减量 保持,清零 选择,R为零,Am2910器件,非零循环 零 /PL PC 弹出 PC 弹出,4 入栈与装数 注1 /PL PC 压入
10、PC 压入,6 读手拨开关 /VECT PC D,3 条件微转移 /PL PC D,2 功能分支 /MAP D D,1 条件转微子 /PL PC D 压入,完成 R/C R/C 使能 /CC=高 /CC=低 功能 内容 操作 信号 Y输出 堆栈 Y输出 堆栈,0 初始化 /PL 0 清除 0 清除,8 R/C 非零 减1 /PL F F,10 微子返回 /PL PC F 弹出,14 顺序执行 /PL PC PC,15 三路转移 非零 减1 /PL F PC 弹出,零 /PL D 弹出 PC 弹出,8 位微下地址字段用于直接给出下一条微指令的地址，常用 8 位, 使用微指令字中最高 8 位编码
11、。最高一位用于扩展功能, 单独接线。,TEC-2000 教学机微程序的下地址字段,微下地址 2910的命令码 微转移条件,8位,4位,4位,分成 3 个子字段，总共使用17位码 (微指令中用16位)。,4 位的命令码，用于选择Am2910的16个命令, 如前一页的表格内容所示。,4 位的微转移条件给出微指令转移所依据的条件，与教学机具体设计有关。,1位,给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号, 划分成若干字段，分别用于控制各部件控制运算器部件如：运算功能，数据来源，结果处理等控制内部总线 把什么数据送到内部总线 控制主存、入出接口(设备) 如: 指出是主存读、写还是入出设备读、写，,控制
12、命令字段,控制几个寄存器的接收 （下地址字段）如：指令寄存器、地址寄存器等,1. 对运算器部件的控制（脱机、联机）,Y15Y0 用16个指示灯显示结果,D15D0,RAM15,Q15,RAM0,Q0,Cin,Cy F=0 Over F15,运 算 器 部 件 (4 片 Am2901),A30,B30,I86,用16个数据开关提供输入数据,C Z V S,SSH,SST,SCI,I53,I20,SCI SSH A口 B口,I86 I53 I20 SST,通过24位微型开关提供控制信号,各用四个指示灯显示状态,Gal 20V8,Gal 20V8,Am2901 的9位控制码,编码0000010100
13、11100101110111,I8I6： 运算结果处理,I2I0：数据来源,I5I3: 运算功能,2. 对内部总线的控制,总线是用于连接计算机各个功能部件的线路和连接线，通常由具有三态输出功能的器件构成，以便用分时地方式，在不同时刻把不同的数据发送到总线上，任何时刻仅能有一个数据发送到总线上；总线上的数据可以被送到需要接收数据的部件或者线路，多个线路可以同时接收同一个数据数据。计算机中总要使用 3 种类型的总线：数据总线，地址总线，控制总线教学计算机需要对送达内部总线多路数据来源进行选择，分配3位编码。,3. 读写主存储器 或 I/O 接口,从学习指令执行步骤考虑，理解对主存储器读写的控制，分
14、成两步：1. 传送主存地址，以选择被读写的存储单元；2. 给出读写命令，读操作时，把读出数据保存起来，写操作时，还要给出写入的数据。从学习指令执行步骤考虑，理解对接口电路读写的控制，分成两步：1. 传送 IO 端口地址，以选择被读写的芯片；2. 给出读写命令，读操作时，把读出数据保存起来，写操作时，还要给出写入的数据。,4. 控制几个专用寄存器的接收操作,由 D 触发器构成的寄存器(SN74LS377)，可以在时钟脉冲的上升沿把送到它的输入端的数据接收到寄存器中，这类寄存器有一个输入控制引脚 /G，用于寄存器是否接受输入的控制使用，当 /G低电平才允许接受输入数据，否则寄存器已有的内容不变。例
15、如: 对教学计算机的指令寄存器IR，地址寄存器 AR 等寄存器就需要实现这种控制。思考，对程序计数器PC ，堆栈指针SP是如何若控制的？,微命令字段的编码译码方法,1.直接控制法直接用微指令字的一位作一个控制信号则简单且速度快，但会使微指令字变得很长。 2.字段直接编译法 把互斥的命令分在一组加以编码，经译码器给出命令， 速度会稍慢，但可大大减短微指令字长度，确保互斥。 3.字段间接编译法 是对直接译码的的一种改进，可进一步缩短微指令字长度，即一个字段的某些微命令还受另一字段的制约。 4.常数源字段 微指令中分配几位，用于给出特定用途的有关数值。,微指令控制信号字段编码,为每一条微指令各项微操作确定其所要求的控制信号如: 使 IR，AR 等寄存器接收的信号控制 PC 增量和接收的信号读写主存，读写外设的信号控制运算器操作的信号 等 这要看被控制的具体对象的具体要求,为每一条微指令分配微地址,需要为每一条微指令在控存中分配一个合适的地址 这是合理地组织微程序的重要工作 首先确定微指令中下地址字段的组成， 再按每一条微指令在控存中的位置来安排下地址字段的各部分的编码 这与控制器的 具体线路与方案 有关,
