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1、College of computer science,SWPUComputer ScienceComputer Science计算机组成原理计算机组成原理主讲：颜俊华主讲：颜俊华CPU控制器部件控制器部件计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU控制器的功能控制器的功能控制程序的自动执行控制程序的自动执行控制每条指令的正确执行控制每条指令的正确执行计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU指令执行步骤指令执行步骤读取指令读取指令分析指令分析指令执行指令执行指令计算机组成原理计算机组成原理
2、College of Computer Science,SWPU总线与数据通路结构总线与数据通路结构为了为了使数据传送控制简单、集中，采用使数据传送控制简单、集中，采用以以ALU为中心的总线结构为中心的总线结构CPU组成包括四个部分：组成包括四个部分：ALU部件、寄部件、寄存器组、内总线、存器组、内总线、CPU与系统总线的连与系统总线的连接接计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR I
3、R PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑（1 1）内总线）内总线ALUALU为内部数据传送通路的中心；为内部数据传送通路的中心；寄存器寄存器采用采用内总线内总线采用单向数据总线采用单向数据总线(16(16位位)；分立结构；分立结构；计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑(2)(2)系统总线系统总线ABAB、DBDB、CBCB，CPU
4、CPU通过它与外部通过它与外部连接，与它的连接通过连接，与它的连接通过MARMAR、MDRMDR实现。实现。MDRMDR输出输出输出至输出至DBDB输出至输出至ALUALU的的B B门门输入输入从内总线输入从内总线输入从从DBDB输入输入(打入打入)(置入置入)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3.3.各类信息传送途径各类信息传送
5、途径M M（1 1）指令信息）指令信息置入置入DBDBIRIR MDB IR（2 2）地址信息）地址信息计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 1 1）指令地址）指令地址2 2）指令地址加）指令地址加1 1（顺序执行）（顺序执行）PC PC AALU移位器移位器内总线内总线MARPCPC打入打入A AALUALU移移内内MARMARPC
6、PCA AALUALU移移内内PCPCC0C0C C0 0打入打入计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3 3）转移地址）转移地址 M IR寄存器寻址：寄存器寻址：R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线 PCR0R0打入打入B BALUALU移移内内PCPC寄存器间址：寄存器间址：R0R0打入打入B BALUALU移移内内MAR
7、MARABABM MDBDB置入置入MDRMDRB BMARMDRMDR移、移、内内PCPCALUALU计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线4 4）操作数地址）操作数地址寄存器寻址：寄存器寻址：R0R0R1R1寄存器间址：寄存器间址：R0R0打入打入B BALUALU移移内内MARM
8、ARMAR R1计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 变址：变址：PC AALU移位器移位器内总线内总线MARR0R0PCPCA AALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB移移内内C C PC MM MMDRMDR B CMDRMDRB BALUALU R0 R0 CALUALUC CA AB B移移内内MARMAR计算
9、机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 数据信息的传送数据信息的传送 M IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线1 1）R RR R：R0R0打入打入B BALUALU移移内内R1R1DBDBM MDBDBMDRMDRB BMDRMDR移、移、内内R2R2ALUALU R12 2）R RM M：R0R0打入打入B BALUALU
10、内内MDRMDR3 3）M MR R：R2M M计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 M IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线6 6）M MM M：M(M(源源)R0R0MDRMDRMDRMDRDBDB内内I/OI/OALUALU4 4）R RI/OI/O：C打入打入DBDBMDRMDR内内C CALUALU(计算目的地
11、址计算目的地址)DBDBM MC CALUALU内内MDRMDR(目的目的)C AI/O计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 M IR R0 BALU移位器移位器内总线内总线DBDBMDRMDRDBDBDMADMA方式：方式：I/OI/O5 5）I/OI/OR R打入打入I/OI/OMDRMDR内内R0R0ALUALUI/O7 7）I
12、/OI/OM MM M计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU微命令设置微命令设置(1)(1)数据通路操作：数据通路操作：ALUALU功能选择：功能选择：ALUALU输入选择：输入选择：输出移位选择：输出移位选择：结果分配：结果分配：R0R0A A、R0R0B B、S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0、M M、C0C0不移、左移、不移、左移、CPR0CPR0、CPCCPC、CPMARCPMAR、R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C
13、R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU(2)(2)访访M M、I/OI/O 操作：操作：读读 R R地址使能地址使能 EMAREMAR写写 W W置入置入MDRMDR SMDRSMDR，1 1MARMAR向向ABAB送地址送地址0 00000 MDRMDR与与DBDB断开断开,MARMAR与与ABAB断开断开R=1R=1读读 W=1W=1写写置入置入IRIR SIRSIRM M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2
14、 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU组合逻辑控制器组合逻辑控制器拟定指令流程拟定指令流程：确定各工作周期中每拍完成的具体操作确定各工作周期中每拍完成的具体操作列操作时间表：列操作时间表：列出每一步操作所需的微命令及产生条件列出每一步操作所需的微命令及产生条件计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU（1 1）取指流程取指流程FTFT0 0：PC+1 PCPC+1 PCM I
15、RM IR（2 2）操作时间表操作时间表FTFT0 0电位型微命令电位型微命令脉冲型微命令脉冲型微命令EMAR,EMAR,R R,SIRSIRCPPCCPPC或或 或或 转换转换 S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0M CM C0 0DMDM计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU组合逻辑控制器组合逻辑控制器 1 1、根据操作时间表，列出计算机的所有、根据操作时间表，列出计算机的所有“微命令微命令”每个微命令的产生都是由三部分决定的每个微命令的产生都是由三部分决定的:时序信号（周期、节拍、脉冲）时序信号（周期、节拍、脉冲）指令的
16、操作码、寻址方式的译码信号指令的操作码、寻址方式的译码信号 机器的状态反馈信息机器的状态反馈信息 2 2、写出它们之间的逻辑关系表达式写出它们之间的逻辑关系表达式,用逻辑电路用逻辑电路 （组合逻辑电路）实现各微命令。（组合逻辑电路）实现各微命令。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU组合逻辑控制器组合逻辑控制器A A、特点：、特点：化简产生微命令的条件形成逻辑式，用组合逻辑电路实现；化简产生微命令的条件形成逻辑式，用组合逻辑电路实现；执行指令时，由执行指令时，由组合逻辑电路组合逻辑电路发出微命令，控制有关操作。发出微命令，控制有关操作。产
17、生微命令的速度较快；产生微命令的速度较快；B B、优缺点、优缺点 不易修改、扩展指令系统功能。不易修改、扩展指令系统功能。C C、应用场合、应用场合 用于高速计算机。用于高速计算机。控制器核心结构零乱，不便于检查和调试。控制器核心结构零乱，不便于检查和调试。设计不规整，设计效率较低；设计不规整，设计效率较低；计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU微程序控制基本原理微程序控制基本原理基本思想基本思想若干条微命令编制成若干条微命令编制成一条微指令一条微指令，控制实现，控制实现一步操作一步操作若干条微指令组成若干条微指令组成一段微程序一段微程序
18、，解释执行，解释执行一一条机器指令条机器指令微程序事先放在控制存储器中，执行机器指微程序事先放在控制存储器中，执行机器指令时再取出令时再取出CPUCPU的的构成构成引入了程序技术，使设计规整；引入了程序技术，使设计规整；引入了存储逻辑，使功能易于扩展。引入了存储逻辑，使功能易于扩展。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU逻辑组成逻辑组成微程序控制基本原理微程序控制基本原理 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段
19、微地址字段IR（1 1）控制存储器）控制存储器CMCM功能：功能：存放微程序。存放微程序。CMCM属于属于CPUCPU，不属于主存储器。，不属于主存储器。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR（2 2）微指令寄存器）微指令寄存器 IR功能：功能：存放现行微指令。存放现行微指令。微命令字段：微命令字段：提供一步操作所需的微命令。提供一步操作所需的微命令。微地址
20、字段：微地址字段：指明后续微地址的形成方式。指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。提供微地址的给定部分。(微操作控制字段微操作控制字段)(顺序控制字段顺序控制字段)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR（3 3）微地址形成电路）微地址形成电路功能：功能：提供两类微地址。提供两类微地址。微程序入口地址：微程序入口地址：由机器指令由机器指令操作码操作码
21、形成。形成。后续微地址：后续微地址：由微地址字段、现行微地由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。址、运行状态等形成。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR（4 4）微地址寄存器）微地址寄存器 AR功能：功能：存放现行微地址。存放现行微地址。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPUn工作过程工作过程 微
22、地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令（1 1）取机器指令）取机器指令CMCM取指取指微指令微指令IRIR控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 IR微命令字段微命令字段译码器译码器控制存储器控制存储器微命令微命令主存主存机器指令机器指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IRIR 译码器译码器微命令序列微命令序列计算机组成原理计算机组成原理 Co
23、llege of Computer Science,SWPU（2 2）转微程序入口）转微程序入口IRIR操作码操作码微地址形微地址形成电路成电路入口入口ARAR微命令字段微命令字段CMCM首条微指令首条微指令 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 IR控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段
24、 译码器译码器微命令序列微命令序列 微地址微地址形成电路形成电路 IR微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路控制存储器控制存储器微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段（3 3）执行首条微指令）执行首条微指令控制存储器控制存储器 译码器译码器IRIRIRIR译码器译码器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段微命令序列微命令序列微命令微命令操作部件操作部件计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM
25、 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR（4 4）取后续微指令）取后续微指令微地址字段微地址字段现行微地址现行微地址运行状态运行状态微地址形微地址形成电路成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器后续微地址后续微地址ARAR 微地址微地址形成电路形成电路控制存储器控制存储器CMCM后续微指令后续微指令IRIR微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段计算机组成原理计算
26、机组成原理 College of Computer Science,SWPU（5 5）执行后续微指令）执行后续微指令同（同（3 3）微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字
27、段微地址字段（6 6）返回）返回微程序执行完，返回微程序执行完，返回CMCM(存放存放取指微指令取指微指令的固定单的固定单元元)。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU微程序控制器工作过程微程序控制器工作过程取指微指令取指微指令M-IR PC+1-PCM-IR PC+1-PCIRIR中的操作码中的操作码微地址形成电路微地址形成电路该指令的微程该指令的微程序入口地址序入口地址取出微指令取出微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段译码译码微命令微命令微地址形微地址形成电路成电路后继微地址后继微地址uIR计算机组成原理计算机组成原理 C
28、ollege of Computer Science,SWPU微程序控制器优缺点微程序控制器优缺点1.1.优点优点 （1 1）设计规整，设计效率高；）设计规整，设计效率高；（2 2）易于修改、扩展指令系统功能；）易于修改、扩展指令系统功能；（3 3）结构规整、简洁，可靠性高；）结构规整、简洁，可靠性高；（4 4）性价比高。）性价比高。2.2.缺点缺点 （1 1）速度慢）速度慢访存频繁访存频繁转移较多转移较多（2 2）执行效率不高）执行效率不高3.3.应用范围应用范围 用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。特别适用于系列机特别适用于系列机未充分发挥数据未充分发挥数据通路本身具有的通路本身具有的并行能力并行能力