06控制器原理

缺点：不能解决周期内节拍浪费问题。
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(3) 采用分散节拍的方法
分散节拍：运行不同指令时，需要多少节拍，时 序部件就发生多少节拍。 优点：可完全避免节拍轮空，是提高指令运行速 度的有效方法。
缺点：使时序部件复杂化，且不能解决节拍内那 些简单的微操作因等待所浪费的时间。
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二、CPU寄存器的设臵
指令寄存器 IR 程序计数器 PC 累加寄存器 AC 地址寄存器 MAR 数据缓冲寄存器 MDR(或MBR) 暂存器：程序不能直接访问，用于暂存操作数 据或中间结果的寄存器。 通用寄存器：一组程序可访问的、具有多种功 能的寄存器。
机器 M1 周期 M2
W0 节 W1 拍 W2 W3 脉冲 P
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微型机中常用的时序系统称为时钟周期时序系统。
T1
T2
T3
T4
T1
T2
T3
T1
T2
T3
取指周期 存储器读周期 存储器写周期 指令周期
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6.3 CPU的总体结构
一、CPU的功能与组成
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Y 转移地址→PC
转去处理
Y
异常情况或 特殊请求? N
6
二、 控制器的基本功能
1. 控制指令的正确执行——取指、分析、执行指令
另外还控制 指令流向： 顺序执行：PC增量→PC
转移指令：转移地址→PC
转子指令：子程序入口地址→PC
中断处理：中断服务程序的入口地址→PC 2. 控制程序和数据的输入及结果的输出。
3、形成地址
指令地址的形成
程序按地址增加顺序执行时：通过PC自动增量形成 下条指令的地址。 程序转移时：通过修改PC值，把转移地址送入PC实 现。
操作数地址的形成
按不同的寻址方式形成。
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4、时序控制
从指令控制的观点来看，计算机的解题过程又是 一个个简单基本的操作（称为微操作）的执行过程， 即微操作的执行过程。 这些微操作有些可以同时进行，有些则必须按严 格的时间顺序进行。因此必须对各个微操作在时间上 加以控制，为各个微操作进行定时，这就是时序控制 的问题。
3. 异常情况和特殊请求的处理。
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运行程序必须解决的问题
1、指令的流出控制（取指令）
从主存中取出所要执行的指令。基本步骤如下： (PC) → MAR, Read (PC)增量 → PC (MDR) → IR
2、分析指令
实质是对指令进行译码的过程。
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程序状态寄存器 PSR
例：8086 CPU中的PSW的格式
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4
AF
3
2
PF
1
0
CF
OF DF IF
TF SF ZF
CF(C)：进位
PF：奇偶
AF：半进位 TF：单步
30
ZF(Z)：结果为0 SF(N)：符号 OF(V)：溢出 IF：中断允许 DF：地址增/减量
1. 指令格式与指令类型(定长指令字，定长操作码)
⑴ 双操作数指令
15 0
OP 4位
寻址方式 3位
RS 3位
寻址方式 3位
RD 3位
源地址ES
目的地址ED
其中 MOV为传送指令,OP为0000; (ES) →ED ADD为加法指令,OP为0001; (ES) + (ED) →ED SUB为减法指令,OP为0010;
组成：由运算器和控制器两部分组成。 主要功能： 程序控制：保证程序按所要求的次序正确执行。 操作控制：产生指令所需的微操作控制信号序列， 送往有关部件，控制完成指令所规定的操作。 ⑶ 时序控制：对各微操作实施时间上的控制，使计算 机有条不紊地连续自动工作。 ⑷ 数据加工：对数据进行算术逻辑运算处理。 ⑴ ⑵
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一、 指令执行的基本步骤
1. 取指令： 根据PC提供的指令地址，从存储器中取出所要执行 的指令放入IR(指令寄存器)。 2. 分析指令：对取出的指令进行译码分析 对指令的操作码进行译码分析。确定指令应完成的 操作，产生相应操作的控制电位，去参与形成该指 令功能所需要的全部控制命令（微操作控制信号）。 根据寻址方式，形成操作数的有效地址，并按此地 址取出操作数据（运算型指令）或形成转移地址 (转移类指令)，以实现程序转移。
优点：时序关系简单，控制方便 缺点：浪费时间。
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(1) 采用中央控制与局部控制相结合的方法
中央控制：统一节拍的控制 根据大多数指令的微操作序列的情况，设臵一 个统一的节拍数，使之大多数指令均能在统一 的节拍内完成。
局部控制：对于少数在统一节拍内不能完成的 指令，采用延长节拍或增加节拍数，使之在延 长节拍内完成，执行完毕再返回中央控制。
…
I/O状态信息 微操作控制信号 …… 微操作控制信号形成部件 至MAR 程序计数器 增量 至MAR 或ALU 地址形成电路
程序状态 寄存器 通用寄存 器组 ALU
...
时序信号 发生器
启停电路 指令译码器ID
…
操作码 寻址方式 地址码 指令寄存器IR
中断机构
DB
AB
…
控制台
脉冲源
…
12
DB
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2. 寄存器 (16位)
程序可用寄存器
编号 寄存器名
内部寄存器
寄存器名
000
001
R0
R1
MAR
MDR
010
011
R2Biblioteka R3IRTEMP（暂存）
100
111
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SP
PC
Y（ALU的A端的暂存）
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3. 寻址方式
寻址方式 寄存器寻址 编码 000 表示方式 Rn 有效地址 无需访存
一、控制方式
如何在时间上对指令对应的各个微操作进行控制？ 同步控制 异步控制 联合控制
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1．同步控制方式
任何指令的运行或指令中各个微操作的执行，均由确 定的具有统一基准时标的时序信号所控制。
典型的同步控制方式：
以微操作序列最长的指令和执行时间最长的微操作为 标准，把一条指令执行过程划分为若干个相对独立的 阶段（称为周期）或若干个时间区间（称为节拍）， 采用完全统一的周期（或节拍）控制各条指令的执行。
寄存器间址
自增型寄存器间址 （先取，后增） 自减型寄存器间址 （先减，后取） 变址寻址
（增量地址X在PC中）
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001
010 011 100
W7 W 6* W 6* … W 6*
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(2) 采用不同的机器周期和延长节拍的方法
把一条指令执行过程划分为若干机器周期，如取 指、取数、执行等周期。根据不同的指令，选取 不同的机器周期数。在节拍安排上，每个周期划 分为固定的节拍，每个节拍都可根据需要延长一 个节拍。
优点：一定程度上解决了不同的指令所需时间不 统一问题。
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2．异步控制方式
没有统一的同步信号，采用问答方式进行时序 协调。前一操作完成后给出回答信号，此回答 信号作为下一操作的启动信号。 优点：不浪费时间。每条指令、每个微操作需 要多少时间就占用多少时间。 缺点：设计复杂且设备多。
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3．联合控制方式
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5、微操作控制
不同的指令完成不同的操作功能，控制器必 须对不同的指令在不同的时间，产生一组不同的 控制信号，以控制计算机各部件完成不同的操作。 所以，每一条指令都对应一组唯一的微操作控制 信号序列，控制其微操作序列的实现。
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三、控制器的组成
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例：设某机的指令通常在8个中央节拍 W0～W7内完 成，当某指令在8个节拍中不能完成时，就插入若 干局部节拍 W6*，经过若干局部节拍 W6*后，再 返回中央节拍 W7。
指令周期 中央节拍 W0 W1 W2 W3 W4 W5 W6 局部节拍
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一个节拍对应一个电位信号，控制一个或几个微操 作的执行。电位信号的宽度取决于CPU完成一个基 本操作的时间。
3. 脉冲（定时脉冲）
在一个节拍内，有时还需要设臵一个或几个工作脉 冲，用于寄存器的复位和接收数据等。
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周期、节拍、脉冲构成了三级时序系统。
指令周期
第六章 控制器与CPU
本章学习的主要内容
控制器的功能与组成
控制方式与时序系统
CPU的总体结构 组合逻辑控制器设计 微程序控制器设计 流水线处理技术
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6.1 控制器概述
控制器是计算机的指挥和控制中心，其主要功能 就是根据事先编好并存放在存储器中的解题程序, 按所执行指令的具体要求，适时地产生并发出各 种控制命令，控制计算机各部件自动、连续、协 调地进行工作，直到完成程序的全部功能为止。 所以控制器的基本功能就是运行程序。
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(ED)–(ES) →ED
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(2)转移类指令:
15 OP 4位 位移量 D 12位 0