第7章 控制器-1.pptVIP

第七章 控制器 7.1 控制器的组成及指令的执行 7.2 控制方式和时序的产生 7.3 微程序控制器 7.4 微程序控制器及其微程序设计举例 7.5 硬布线控制器 7.6 流水线的基本原理 7.7 Pentium Ⅱ CPU 本章小结 作业 7.1 控制器的组成及指令的执行 一、控制器的功能 二、控制器的组成 三、指令周期 四、指令的执行过程 一、控制器的功能 1、取指令：从内存取出指令（码）送CPU。 2、分析指令：对指令码进行分析译码，判断其功能、操作数寻址方式等。 3、执行指令：根据指令分析的结果，执行计算操作数地址、取操作数、运算等操作。 4、中断处理和响应特殊请求。 计算机工作的过程，就是循环往复的取指令、分析指令、执行指令的过程。 二、控制器的组成 1．程序计数器（PC）：存放指令的地址（当前指令或者下一条指令地址）； 当指令顺序执行时，由PC+1产生下一条指令的地址； 当遇到转移指令时，转移地址?PC作为下一条指令的地址。 2．指令寄存器（IR）：存放当前指令的指令码 3．指令译码器：对指令寄存器中的指令操作码字段进行译码。 译码器的输出信号送入操作控制信号形成部件，产生该指令所需要的有一定时序关系的操作控制信号序列 二、控制器的组成 4．时序信号产生器：负责提供时钟信号和机器周期信号，以规定每个操作的时间。 启停线路，负责控制时钟脉冲的送出与封锁，从而实现计算机的启动与停止。 5．操作控制信号形成部件：根据指令的操作码以及时序信号，产生取出指令和执行这条指令所需的各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，完成取出指令和执行指令的控制。 操作控制信号形成部件采用组合逻辑电路的控制器，称作硬布线控制器；采用存储逻辑的称作微程序控制器。 三、指令周期 指令周期：是指计算机从内存取出一条指令并完成该指令的执行所需要的时间。 不同指令的指令周期是不相同的。 一个指令周期可能由若干个机器周期组成。 机器周期：又称为CPU周期，用于完成1次内存的操作（读或写访问）或者1次ALU的运算，或者1次总线传送 一般规定为CPU与内存交换1次信息（读或写内存）所需要的时间。 一个机器周期的功能需要多个时钟周期完成。 时钟周期：又称为节拍周期，是指CPU执行一个微操作命令（即控制信号）的最小时间单位，也即T周期。 指令周期、机器周期、时钟周期的关系 节拍信号TS1~TS4和时钟信号源Φ的关系 下例中，每四个节拍信号构成一个机器周期。 四、指令的执行过程 （一）指令执行过程概述 （二）典型指令的执行过程 （三）计算机的工作过程 （一）指令执行过程概述 一条指令的执行过程包括取指令、执行指令两大阶段： 1、取指令 （1）送指令地址：当前指令的地址由程序计数器PC指出，PC的内容送到地址寄存器AR，同时PC的内容递增以指向下一条指令的地址；即PC?AR, PC+1 （2）读取指令：AR的输出通过地址总线送到存储器的地址端，指明指令所在的地址单元，控制器发出读控制信号，控制从存储器中读出这条指令；该指令通过数据总线送到指令寄存器IR；即RAM? IR （一）指令执行过程概述 （3）指令译码：由指令译码器对IR中的指令其进行分析译码；指令译码器首先判断该指令是什么指令，然后将判断结果信息传递给操作控制信号形成部件；即J1# 。 2、执行指令 操作控制信号形成部件根据指令译码信息和时序周期信号，发出该指令所需的所有部件的有一定时序关系的控制信号序列，完成指令的执行。 执行指令的具体操作与指令的功能有很大的关系，不同的指令，其执行指令阶段也是不同的。 （二）典型指令的执行过程 指令的执行过程举例：假设存放在存储器中的二条指令内容为： 模型计算机的系统结构 典型指令的指令周期 1、ADD Rd, Data; (Rd)+Data?Rd 加法指令：寄存器＋立即数存入寄存器 寻址方式：源操作数为立即数寻址，目的操作数为寄存器（直接）寻址 指令格式： 执行过程： ADD Rd, Data指令的执行过程 取指令： M1 (送存储器地址)： PC?AR, PC+1 M2 (读存储器)： RAM? IR M3(指令译码）：　 J1# 执行指令： M4（取源操作数－送地址）：PC?AR, PC+1 M5（取源操作数－读）：RAM? DA1 M6（取目的操作数）： Rd?DA2 M7（计算并置结果）：DA1+DA2?Rd 典型指令的指令周期 2、JMP ADDR; ADDR?PC 跳转指令：从当前指令跳转到目标处执行 寻址方式：单操作数指令，操作数为直接转移地址，直接寻址 指令格式： 执行过程： JMP ADDR指令的执行过程 取指令： M1 (送存储器地址)：PC?AR, PC+1 M2 (读存储器)： RAM?