控制器原理.pptx
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1、2024/8/8 周四 2003 顾一禾制作1第第 6 6 章章 控制系统与控制系统与CPU 2024/8/8 周四2本章学习内容控制器的功能与组成控制器的功能与组成控制方式与时序系统控制方式与时序系统CPUCPU的总体结构的总体结构组合逻辑控制器设计组合逻辑控制器设计微程序控制器设计微程序控制器设计2024/8/8 周四36.1 6.1 控制器概述控制器概述 控制器和运算器一起组成中央处理器,即控制器和运算器一起组成中央处理器,即CPUCPU(CPU-Central Process Unit)。控制器是计算机的指挥和控制中心,由它控制器是计算机的指挥和控制中心,由它把计算机的运算器、存储器、
2、把计算机的运算器、存储器、I/OI/O设备等设备等联系成一个有机的系统,并根据各部件具联系成一个有机的系统,并根据各部件具体要求,适时地发出各种控制命令,控制体要求,适时地发出各种控制命令,控制计算机各部件自动、协调地进行工作。计算机各部件自动、协调地进行工作。控制器的功能是根据事先编好并存放在存控制器的功能是根据事先编好并存放在存储器中的解题程序,控制各部件有条不紊储器中的解题程序,控制各部件有条不紊地、自动协调地进行工作。地、自动协调地进行工作。2024/8/8 周四4计算机运行程序的基本过程:计算机运行程序的基本过程:1.1.取指令取指令根据指令地址(由根据指令地址(由PCPC提供),从
3、存储器中取出所提供),从存储器中取出所要执行的指令。要执行的指令。2.2.分析指令分析指令 对取出的指令进行译码分析。确定指令应完成对取出的指令进行译码分析。确定指令应完成的操作,产生相应操作的控制电位,参与形成该的操作,产生相应操作的控制电位,参与形成该指令功能所需要的全部控制命令(微操作控制信指令功能所需要的全部控制命令(微操作控制信号)。号)。根据寻址方式的分析和指令功能要求,形成操根据寻址方式的分析和指令功能要求,形成操作数的有效地址,并按此地址取出操作数据(运作数的有效地址,并按此地址取出操作数据(运算型指令)或形成转移地址算型指令)或形成转移地址(转移类指令转移类指令),以实,以实
4、现程序转移。现程序转移。6.1.1 6.1.1 指令执行的基本步骤指令执行的基本步骤 2024/8/8 周四53.3.执行指令执行指令:根据指令分析所产生的操作控制信号和形成的根据指令分析所产生的操作控制信号和形成的有效地址,按一定的算法形成指令操作控制序有效地址,按一定的算法形成指令操作控制序列,控制有关部件完成指令规定的功能。列,控制有关部件完成指令规定的功能。一条指令执行结束,若没有异常情况和特殊请一条指令执行结束,若没有异常情况和特殊请求,则按程序顺序,再去取出并执行下一条指求,则按程序顺序,再去取出并执行下一条指令。令。控制器的主要功能就是按取指令、分析指令、控制器的主要功能就是按取
5、指令、分析指令、执行指令这样的步骤进行周而复始的控制过程,执行指令这样的步骤进行周而复始的控制过程,直到完成程序所规定的任务并停机为止。直到完成程序所规定的任务并停机为止。2024/8/8 周四6指令指令ADD AADD A,R R7 7的执行过程的执行过程 2024/8/8 周四76.1.2 6.1.2 控制器的基本功能控制器的基本功能1 1控制指令的正确执行控制指令的正确执行包括指令流出的控制,分析指令和执行指令的控包括指令流出的控制,分析指令和执行指令的控制,指令流向的控制。制,指令流向的控制。指令流出控制(对取指令的控制)指令流出控制(对取指令的控制)取指令时需进行的操作取指令时需进行
6、的操作(PC)MAR(PC)MAR,Read Read ;给出指令地址,并向;给出指令地址,并向MEMMEM发发 出读命令出读命令(MDR)IR (MDR)IR ;读出的指令经;读出的指令经MDRMDR存放到指存放到指 令寄存器令寄存器IRIR中中(PC)(PC)增量增量PC PC ;为取下一条指令作准备;为取下一条指令作准备2024/8/8 周四8 分析指令和执行指令的控制分析指令和执行指令的控制IRIR中的指令经指令译码器中的指令经指令译码器(ID)(ID)译码分析,确定译码分析,确定操作性质,判明寻址方式并形成操作数的有效操作性质,判明寻址方式并形成操作数的有效地址。地址。控制器根据分析
7、的结果和形成的有效地址产生控制器根据分析的结果和形成的有效地址产生相应的操作控制信号序列,控制有关的部件完相应的操作控制信号序列,控制有关的部件完成指令所规定的操作功能。成指令所规定的操作功能。例:设某指令的例:设某指令的IRIR1515IRIR121200000000时为时为MOVMOV指令,指令,则则 MOV MOV 的控制信号为:的控制信号为:2024/8/8 周四9 指令流向的控制指令流向的控制指令流向控制即下条指令地址的形成控制。指令流向控制即下条指令地址的形成控制。按指令序列顺序执行时,通过按指令序列顺序执行时,通过PCPC自动增量自动增量形成下条指令的地址。形成下条指令的地址。当
8、需要改变指令流向时,需改变程序计数当需要改变指令流向时,需改变程序计数器器PCPC中的内容。中的内容。转移指令的执行:把形成的转向地址送入转移指令的执行:把形成的转向地址送入PCPC;转子指令的执行:把子程序入口地址送入转子指令的执行:把子程序入口地址送入PCPC;中断处理:将中断服务程序入口地址送入中断处理:将中断服务程序入口地址送入PCPC。为了正确返回,转子和中断还需保留为了正确返回,转子和中断还需保留PCPC被改变被改变之前的内容之前的内容(即返回地址即返回地址)。2024/8/8 周四102.2.控制程序和数据的输入及结果的输出控制程序和数据的输入及结果的输出为完成某项任务而编制的程
9、序及所需数据,必须为完成某项任务而编制的程序及所需数据,必须通过某些输入设备预先存放在存储器中,运算结通过某些输入设备预先存放在存储器中,运算结果要用输出设备输出。所以必须由控制器统一指果要用输出设备输出。所以必须由控制器统一指挥,完成程序和数据的输入及结果的输出。挥,完成程序和数据的输入及结果的输出。3 3异常情况和特殊请求的处理异常情况和特殊请求的处理机器在运行程序过程中,往往可能会遇到一些异机器在运行程序过程中,往往可能会遇到一些异常情况(如电源掉电、运算溢出等)或某些特殊常情况(如电源掉电、运算溢出等)或某些特殊请求(如打印机请求传送打印字符等)。这些异请求(如打印机请求传送打印字符等
10、)。这些异常和请求往往是事先无法预测的,控制器必须具常和请求往往是事先无法预测的,控制器必须具有检测和处理这些异常情况和特殊请求的功能。有检测和处理这些异常情况和特殊请求的功能。2024/8/8 周四11宏观上每条指令的执行过程均是取指、译码、宏观上每条指令的执行过程均是取指、译码、执行,但每条指令有不同的操作序列,需要在执行,但每条指令有不同的操作序列,需要在不同时间产生不同的控制序列,并有严格的时不同时间产生不同的控制序列,并有严格的时序要求。控制器必须根据不同指令产生不同的序要求。控制器必须根据不同指令产生不同的控制序列。控制序列。控制器的主要任务控制器的主要任务根据不同的指令、不同的状
11、态条件,在不同的根据不同的指令、不同的状态条件,在不同的时间,产生不同的控制信号,控制计算机的各时间,产生不同的控制信号,控制计算机的各部件自动、协调地进行工作。部件自动、协调地进行工作。2024/8/8 周四12指指令令执执行行的的一一般般流流程程2024/8/8 周四13 6.1.3 6.1.3 控制器的组成控制器的组成2024/8/8 周四14指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。程序计数器程序计数器 PC PC(指令计数器、指令地址寄(指令计数器、指令地址寄存器)存器)程序计数器用于保证程序按规定的序列正确运行,程序计数器用于保证程序按规定
12、的序列正确运行,并提供将要执行指令的指令地址。并提供将要执行指令的指令地址。PCPC的位数应能表示主存的最大容量并与主存地址的位数应能表示主存的最大容量并与主存地址寄存器寄存器MARMAR的位数相同。的位数相同。程序顺序执行时的程序顺序执行时的PCPC增量可以通过增量可以通过PCPC本身的计数本身的计数逻辑实现,也可以由运算器的逻辑实现,也可以由运算器的ALUALU实现。实现。1 1指令部件指令部件2024/8/8 周四15(2)(2)指令寄存器指令寄存器 IRIR指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。(3)(3)指令译码器指令译码器 IDID对指令寄存器
13、中的指令操作码进行译码分析,产对指令寄存器中的指令操作码进行译码分析,产生相应操作的控制电位,提供给微操作控制信号生相应操作的控制电位,提供给微操作控制信号形成部件。对寻址方式字段进行译码分析,以控形成部件。对寻址方式字段进行译码分析,以控制操作数有效地址的形成。制操作数有效地址的形成。(4)(4)地址形成部件地址形成部件根据各种寻址方式,形成操作数有效地址。根据各种寻址方式,形成操作数有效地址。在一些微、小型机中,为简化硬件逻辑,通常不在一些微、小型机中,为简化硬件逻辑,通常不设置专门的地址形成部件,而是借用运算器实现设置专门的地址形成部件,而是借用运算器实现有效地址的计算。有效地址的计算。
14、2024/8/8 周四162 2时序控制部件时序控制部件时序控制部件时序控制部件:用于产生一系列时序信号,为各:用于产生一系列时序信号,为各个微操作定时,以保证各个微操作的执行顺序。个微操作定时,以保证各个微操作的执行顺序。从宏观从宏观(即程序控制即程序控制)上看,计算机的解题过程实上看,计算机的解题过程实质上是指令序列即一条条指令的执行过程。质上是指令序列即一条条指令的执行过程。从微观从微观(即指令控制即指令控制)上看,计算机的解题过程是上看,计算机的解题过程是微操作序列即一个个微操作序列即一个个(或一组组或一组组)微操作的执行过微操作的执行过程。程。微操作微操作:机器最简单的基本操作:机器
15、最简单的基本操作一条指令的执行过程可以分解为若干微操作。这一条指令的执行过程可以分解为若干微操作。这些微操作有着严格的时间顺序要求,不可随意颠些微操作有着严格的时间顺序要求,不可随意颠倒。倒。2024/8/8 周四17(1)(1)脉冲源脉冲源脉冲源用于产生一定频率的主时钟脉冲。一般采脉冲源用于产生一定频率的主时钟脉冲。一般采用石英晶体振荡器作为脉冲源。计算机电源一接用石英晶体振荡器作为脉冲源。计算机电源一接通,脉冲源立即按规定频率给出时钟脉冲。通,脉冲源立即按规定频率给出时钟脉冲。(2)(2)启停电路启停电路启停电路用于控制整个机器工作的启动与停止。启停电路用于控制整个机器工作的启动与停止。实
16、际上是保证可靠地送出或封锁主时钟脉冲,控实际上是保证可靠地送出或封锁主时钟脉冲,控制时序信号的发生与停止。制时序信号的发生与停止。2024/8/8 周四18(3)(3)时序信号发生器时序信号发生器时序信号发生器用于产生机器所需的各种时序时序信号发生器用于产生机器所需的各种时序信号,以便控制有关部件在不同的时间完成不信号,以便控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。同的微操作。不同的机器,有着不同的时序信号。在同步控不同的机器,有着不同的时序信号。在同步控制的机器中,一般包括周期、节拍、脉冲等三制的机器中,一般包括周期、节拍、脉冲等三级时序信号。级时序信号。2024/8/8 周四19微操作控制
17、信号形成部件微操作控制信号形成部件:根据指令部件提供:根据指令部件提供的操作控制电位、时序部件所提供的各种时序的操作控制电位、时序部件所提供的各种时序信号以及有关的状态条件,产生机器所需要的信号以及有关的状态条件,产生机器所需要的各种微操作控制信号。各种微操作控制信号。不同的指令,完成不同的功能,需要不同的微不同的指令,完成不同的功能,需要不同的微操作控制信号序列。每条指令都有自己对应的操作控制信号序列。每条指令都有自己对应的微操作序列。控制器必须根据不同的指令,在微操作序列。控制器必须根据不同的指令,在不同的时间,产生并发出不同的微操作控制信不同的时间,产生并发出不同的微操作控制信号,控制有
18、关部件协调工作,完成指令所规定号,控制有关部件协调工作,完成指令所规定的任务。的任务。3 3微操作控制信号形成部件微操作控制信号形成部件2024/8/8 周四204 4中断控制逻辑(中断机构)中断控制逻辑(中断机构)用于实现异常情况和特殊请求的处理。用于实现异常情况和特殊请求的处理。2024/8/8 周四21程序状态寄存器程序状态寄存器:用于存放程序的工作状态:用于存放程序的工作状态(如管态、如管态、目态等目态等)和指令执行的结果特征和指令执行的结果特征(如结果为零、结果溢如结果为零、结果溢出等出等),把它所存放的内容称为程序状态字,把它所存放的内容称为程序状态字(PSW)(PSW)。PSWP
19、SW表明了系统的基本状态,是控制程序执行的重要依据。表明了系统的基本状态,是控制程序执行的重要依据。不同的机器,不同的机器,PSWPSW的格式及内容不完全相同。的格式及内容不完全相同。例:例:8086 CPU8086 CPU中的中的PSWPSW的格式的格式CFCF:进位:进位 PFPF:奇偶:奇偶 AFAF:半进位:半进位ZFZF:结果为:结果为0 SF0 SF:符号:符号 TFTF:单步:单步(陷阱陷阱)IFIF:中断允许:中断允许 DFDF:地址增:地址增/减量减量 OFOF:溢出:溢出5 5程序状态寄存器程序状态寄存器 PSRPSR1515141413131212111110109 98
20、 87 76 65 54 43 32 21 10 0OFDFIFTFSFZFAFPFCF2024/8/8 周四22 控制台用于实现人与机器之间的通信联系,如控制台用于实现人与机器之间的通信联系,如启动或停止机器的运行、监视程序运行过程、启动或停止机器的运行、监视程序运行过程、对程序进行必要的修改或干预等。对程序进行必要的修改或干预等。早期有硬件控制台,用于设置地址和指令。现早期有硬件控制台,用于设置地址和指令。现在,在大型机中有软件控制台。通过控制台命在,在大型机中有软件控制台。通过控制台命令,控制机器的启停,干预机器的工作。令,控制机器的启停,干预机器的工作。6 6控制台控制台2024/8/
21、8 周四23控制器的组成方式主要是指微操作控制信控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成部件采用何种组成方式产生微操作号形成部件采用何种组成方式产生微操作控制信号。控制信号。根据产生微操作控制信号的方式不同,控根据产生微操作控制信号的方式不同,控制器可分为制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型合逻辑与存储逻辑结合型三种,它们的根三种,它们的根本区别在于微操作信号发生器的实现方法本区别在于微操作信号发生器的实现方法不同,而控制器中的其他部分基本上是大不同,而控制器中的其他部分基本上是大同小异的。同小异的。6.1.4 6.1.4 控制器的组成方式控制
22、器的组成方式2024/8/8 周四241 1组合逻辑型组合逻辑型组合逻辑组合逻辑控制器也称为控制器也称为硬联逻辑硬联逻辑或或硬布线逻辑硬布线逻辑。组合逻辑控制器组合逻辑控制器是根据控制要求和状态,采用组是根据控制要求和状态,采用组合逻辑技术来实现的。其微操作信号发生器是由合逻辑技术来实现的。其微操作信号发生器是由门电路组成的复杂树形网络构成的。门电路组成的复杂树形网络构成的。组合逻辑组合逻辑控制器的设计目标:使用最少器件数和控制器的设计目标:使用最少器件数和取得最高操作速度。取得最高操作速度。优点:速度快。优点:速度快。巨型机和巨型机和RISCRISC机为了追求高速度机为了追求高速度采用组合逻
23、辑控制器。采用组合逻辑控制器。缺点:微操作信号发生器结构不规整,设计、调缺点:微操作信号发生器结构不规整,设计、调试、维修较困难,难以实现设计自动化。一旦控试、维修较困难,难以实现设计自动化。一旦控制部件构成之后,要想增加新的控制功能是不可制部件构成之后,要想增加新的控制功能是不可能的。能的。2024/8/8 周四252 2存储逻辑型存储逻辑型存储逻辑型存储逻辑型控制器称为控制器称为微程序控制器微程序控制器。它是采用。它是采用存储逻辑来实现的。存储逻辑来实现的。存储逻辑型存储逻辑型控制器的实现方法:控制器的实现方法:把微操作信号代码化,使每条机器指令转化成为把微操作信号代码化,使每条机器指令转
24、化成为一段微程序存入控制存储器中。执行指令时,读一段微程序存入控制存储器中。执行指令时,读出控存中的微指令,由微指令产生微操作控制信出控存中的微指令,由微指令产生微操作控制信号。号。优点:设计规整,调试、维修便利,更改、扩充优点:设计规整,调试、维修便利,更改、扩充指令方便,易于实现自动化设计。指令方便,易于实现自动化设计。缺点:由于增加了一级控制存储器,所以指令的缺点:由于增加了一级控制存储器,所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。执行速度比组合逻辑控制器慢。2024/8/8 周四263 3组合逻辑和存储逻辑结合型组合逻辑和存储逻辑结合型组合逻辑和存储逻辑结合型控制器称为组合逻辑和存储逻辑结
25、合型控制器称为PLAPLA控控制器。制器。PLAPLA控制器是吸收前两种的设计思想来实现的。控制器是吸收前两种的设计思想来实现的。PLAPLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器,控制器实际上也是一种组合逻辑控制器,但它的输出程序可编的,某一微操作控制信号但它的输出程序可编的,某一微操作控制信号由由PLAPLA的某一输出函数产生。的某一输出函数产生。PLAPLA控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物,它克服了两者的缺点,是一种较有合的产物,它克服了两者的缺点,是一种较有前途的方法。前途的方法。2024/8/8 周四27以上几种控制器的设计方法是不同的,但
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