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1、二、控制器的功能与组成二、控制器的功能与组成 1.控制器的功能控制器的功能:控制执行指令控制执行指令 控制各部件协调运行，即为各部件提供控制信号。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：控制器的组成：程序计数器程序计数器 指令寄存器指令寄存器 指令步骤标记线路指令步骤标记线路 提供控制信号的部件提供控制信号的部件 分类分类：微程序的控制器微程序的控制器 硬布线的控制器硬布线的控制器1.控制器的功能控制器的功能计算机的功能是执行程序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程序是依次排列起来的指令代码 控制器的功能就在于控制器的功能就在于:正确地分步完成每一条指令规
2、定的功能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正确且自动地连续执行指令;再进一步说，就是向计算机再进一步说，就是向计算机各功能部件各功能部件提供提供 协调运行协调运行每一个步骤所需要的每一个步骤所需要的控制信号控制信号。指令的执行过程指令的执行过程 冯冯.诺依曼诺依曼 结构的计算机结构的计算机 即存储程序的计算机，设置内存，存放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。程序和数据，在程序运行之前存入。执行程序：执行程序：正确从程序首地址开始；正确从程序首地址开始；正确分步执行每一条指令，正确分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令的地址；并形成下条
3、待执行指令的地址；正确并自动地连续执行指令，正确并自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令。直到程序的最后一条指令。每条指令的执行步骤每条指令的执行步骤读取指令读取指令指令地址送入主存地址寄存器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读主存，读出内容送入指定的寄存器分析指令分析指令按指令规定内容执行指令按指令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数，不同指令的操作步骤数，和具体操作内容差异很大和具体操作内容差异很大,检查有无中断请求检查有无中断请求若有，则响应中断并转中断处理若有，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若无，则转入下一条指令的执行过程形形成成下
4、下一一条条指指令令地地址址R_R类型指令类型指令读写内存类型指令读写内存类型指令输入输出类型指令输入输出类型指令其他类型指令其他类型指令 可能执行可能执行 一次或多次一次或多次 是一次读是一次读内存操作内存操作公共操作公共操作公共操作公共操作是每一条指令的特定操作是每一条指令的特定操作2.控制器的组成控制器的组成程序计数器程序计数器PC：存放指令地址，有存放指令地址，有+1或接收新值功能或接收新值功能指令寄存器指令寄存器IR：存放指令内容：操作码与操作数地址存放指令内容：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：指令执行步骤标记线路：指明每条指令的执
5、行步骤指明每条指令的执行步骤控制信号保存或形成线路控制信号保存或形成线路：给出计算机各功能部件部给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。件协同运行所需要的控制信号。运算器部件运算器部件主存储器部件主存储器部件总线及输入总线及输入/输出接口输出接口(输入输入/输出设备输出设备)控制器部件本身控制器部件本身各部件包括各部件包括也包括也包括设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制时序控制时序控制信号信号形成部件形成部件译码译码IRPC输出输出设备设备输入输入设备设备主主存存运算器运算器部件部件节节拍拍启停启停地地址址寄寄存存器器械械数据总线数
6、据总线地址总线地址总线控制总线控制总线.控制条件控制条件控制器信号控制器信号主振主振硬布线硬布线方案的方案的控制器控制器控制控制存储器存储器映射映射IRPC输出输出设备设备输入输入设备设备主主存存运算器运算器部件部件下下地地址址启停启停地地址址寄寄存存器器械械数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线.控制条件控制条件微指令寄存器微指令寄存器主振主振微程序微程序方案的方案的控制器控制器第第 3 章的第章的第 3 讲讲1.微程序控制器的组成、运行原理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、接口电路等主存储器、计算
7、机总线、接口电路等预备性知识预备性知识控制器的组成控制器的组成 程序计数器程序计数器PC 存放指令地址，有存放指令地址，有+1或接收新值功能或接收新值功能 指令寄存器指令寄存器IR 存放指令内容：操作码与操作数地址存放指令内容：操作码与操作数地址 指令执行步骤标记线路指令执行步骤标记线路 指明每条指令的执行步骤。指明每条指令的执行步骤。控制信号保存或形成线路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控制存储器存储器映射映射IRPC接口接口输出输出设备设备 主主 存存储储 器器运算器运算器部件部件下下地地址址启停启
8、停地地址址寄寄存存器器数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线.控制条件控制条件微指令寄存器微指令寄存器主振主振微程序微程序方案的方案的控制器控制器接口接口输入输入设备设备微程序控制器组成与设计微程序控制器组成与设计 Am2910MAPROM微下微下地址地址CI SCC30 30SCC Gal控制存储器（控制存储器（ROM）指令操作码指令操作码微指令转移微指令转移的控制条件的控制条件/CC微指令寄存器微指令寄存器0MRW SA I86 B口口 0SST DC2 0 I20 SB I53 A口口 SSHSCI DC1CP/G读命令读命令1.确定指令功能与格式确定指令功能与格式 2.划分指
9、令执行步骤划分指令执行步骤 3.确定微指令格式确定微指令格式 4.设计微指令内容设计微指令内容5.把新微指令写入控存把新微指令写入控存 6.需要时修改需要时修改 MAPROM 和和 SCC Gal等等 7.调试并且运行调试并且运行B 口二选一口二选一A 口二选一口二选一IR.SRIR.DR/MAP/PLTEC-2000的的3个型号个型号 Am2910MAPROM微下微下地址地址CI SCC30 30SCC Gal控制存储器（控制存储器（ROM）指令操作码指令操作码微指令转移微指令转移的控制条件的控制条件/CC微指令寄存器微指令寄存器0MRW SA I86 B口口 0SST DC2 0 I20
10、SB I53 A口口 SSHSCI DC1CP/G读命令读命令TEC-2000:微命令字段使用微命令字段使用 5 片片 GAL20V8 芯片实现，与硬连线控制器分时合用；芯片实现，与硬连线控制器分时合用；TEC-2000A:微命令字段使用微命令字段使用 5 片片 8D 寄存器实现，与硬连线控制器寄存器实现，与硬连线控制器5 片片 GAL20V8 芯片分开单独运行；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内容的能力。又增加了联机直接写控制存储器芯片内容的能力。B 口二选一口二选一A 口二选一口二选一IR.SRIR.DR/MAP/PL 微程序控制器部件微程序控制器部件
11、56位的微指令字长，位的微指令字长，微下地址字段微下地址字段16位，位，控制命令字段控制命令字段40位，位，7 片片 28C64 组成控存。组成控存。1 片片 28C65，从指令操从指令操 作码产生微地址，作码产生微地址，1 片片 374 存存 8 位下地址，位下地址，1 片片 273 存存 8 位条件码，位条件码，1 片片377存存8位现微地址。位现微地址。1 片片Am2910给出下一条给出下一条 微指令地址，微指令地址，1 片片GAL 按判断条件产按判断条件产 生微指令转移信号生微指令转移信号/CC；5 片片GAL用作为用作为 5 片片 8位位 的的 D 触发器的寄存器，触发器的寄存器，2
12、 片片GAL 实现两个实现两个4 位的位的 2 选选 1 芯片功能。芯片功能。8 或或 16位的指令寄存器。位的指令寄存器。三、微程序控制器的运行原理三、微程序控制器的运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。每条微指令可以包括一到多个微操作。用多条微指令用多条微指令(一个微程序一个微程序)解释每条指令的执行过程。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。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。执行一条微指令所用
13、的时间被称为一个微周期。微指令的格式和内容：微指令的格式和内容：下地址字段下地址字段 控制命令字段控制命令字段执行第执行第 i条微指令条微指令读出第读出第 i+1条微指令条微指令读与执行微指令的读与执行微指令的并行流水技术并行流水技术形成第形成第 i+1条微指令地址条微指令地址一个微周期一个微周期接接收收微微指指令令下地址字段的内容下地址字段的内容得到下地址的方法：得到下地址的方法：由指令操作码得到由指令操作码得到 微指令顺序执行微指令顺序执行 微指令必转或条件转移微指令必转或条件转移 多路微地址转移多路微地址转移 微子程序调用和返回微子程序调用和返回 按次数循环一段微程序按次数循环一段微程序
14、 其他：如特定入口微地址其他：如特定入口微地址 在微指令下地址在微指令下地址字段中表示清楚：字段中表示清楚：使用哪种方法，使用哪种方法，哪个哪个(些些)判断条件，判断条件，要用的有关地址等，要用的有关地址等，并用专门电路完成必并用专门电路完成必要支持和处理，要支持和处理，微指令的下地址是微微指令的下地址是微程序设计中要重点解程序设计中要重点解决的问题之一，决的问题之一，技术、技巧性强，技术、技巧性强，应学得好些。应学得好些。在教学计算机中，解决下地址使用了在教学计算机中，解决下地址使用了 Am2910 器件器件微堆桟指针微堆桟指针 SP 5字字*12位位 微堆桟微堆桟 F微程序计数微程序计数器
15、器 PC 寄存器寄存器/计数器计数器R/CD R F PC多路选择器多路选择器命命令令译译码码器器 增增 量量 器器 零检零检测测D11D0Y11Y0CP/FULLCI/CC/CCENI3I0/PL /MAP /VECT/RLD/OE出栈出栈/入栈入栈保持保持/清零清零装数装数减量减量保持保持清零清零选择选择R为零为零Am2910器件器件 非零循环非零循环 零零 /PL PC 弹出弹出 PC 弹出弹出4 入栈与装数入栈与装数 注注1 /PL PC 压入压入 PC 压入压入6 读手拨开关读手拨开关 /VECT PC D 3 条件微转移条件微转移 /PL PC D 2 功能分支功能分支 /MAP
16、D D 1 条件转微子条件转微子 /PL PC D 压入压入 完成完成 R/C R/C 使能使能 /CC=高高 /CC=低低 功能功能 内容内容 操作操作 信号信号 Y输出输出 堆栈堆栈 Y输出输出 堆栈堆栈 0 初始化初始化 /PL 0 清除清除 0 清除清除 8 R/C 非零非零 减减1 /PL F F 10 微子返回微子返回 /PL PC F 弹出弹出14 顺序执行顺序执行 /PL PC PC 15 三路转移三路转移 非零非零 减减1 /PL F PC 弹出弹出 零零 /PL D 弹出弹出 PC 弹出弹出 8 位微下地址字段用于直接给出下一条微指令的地址，位微下地址字段用于直接给出下一条
17、微指令的地址，常用常用 8 位位,使用微指令字中最高使用微指令字中最高 8 位编码位编码。最高一位用于扩展功能最高一位用于扩展功能,单独接线。单独接线。TEC-2000 教学机微程序的下地址字段教学机微程序的下地址字段 微下地址微下地址 2910的命令码的命令码 微转移条件微转移条件8位4位4位分成分成 3 个子字段，总共使用个子字段，总共使用17位码位码(微指令中用微指令中用16位位)。4 位的命令码，用于选择位的命令码，用于选择Am2910的的16个命令个命令,如前一页如前一页的表格内容所示。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，与教位的微转移条件给出微指令转移所依
18、据的条件，与教学机具体设计有关。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给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号号,划分成若干字段，分别用于控制各部件划分成若干字段，分别用于控制各部件 控制运算器部件控制运算器部件 如：运算功能，数据来源，结果处理等如：运算功能，数据来源，结果处理等 控制内部总线控制内部总线 把什么数据送到内部总线把什么数据送到内部总线 控制主存、入出接口控制主存、入出接口(设备设备)如如:指出是主存读、写还是入出设备读、写，指出是主存读、写还是入出设备读、写，控制命令字控制命令字段控制几个寄存器的接收控制几个寄存器的接收 （下地址字段）（下地址
19、字段）如：指令寄存器、地址寄存器等如：指令寄存器、地址寄存器等1.对运算器部件的控制（对运算器部件的控制（脱机脱机、联机）、联机）Y15Y0 用用16个指示灯显示结果个指示灯显示结果D15D0RAM15Q15RAM0Q0CinCyF=0OverF15运运 算算 器器 部部 件件(4 片片 Am2901)A30B30I86 用用16个数据开关提供输入数据个数据开关提供输入数据CZVSSSHSSTSCII53 I20SCI SSH A口口 B口口I86 I53 I20 SST通过通过24位微型开关位微型开关 提供控制信号提供控制信号各各用用四四个个指指示示灯灯显显示示状状态态Gal20V8Gal2
20、0V8Am2901 的的9位控制码位控制码累加器累加器Q寄存器寄存器Y的输出的输出RS无无FFR+SAQ无无无无FS-RAB F B无无AR-S0Q F B无无FRS0BF/2BQ/2QF/RS0AF/2B无无FRSDAF*2BQ*2QFR SDQF*2B无无F/(R S)D0编码编码 000 001 010 011 100 101 110 111I8I6：运算结果处理运算结果处理I2I0：数据来源：数据来源I5I3:运算功能运算功能2.对内部总线的控制对内部总线的控制 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
21、便连接线，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；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。者线路，多个线路可以同时接收同一个数据数据。计算机中总要使用计算机中总要使用 3 种类型的总线：种类型的总线：数据总线数据总线，地址总线地址总线，控制总线，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教学计算机需要对送达内部总线多路数据来源进行
22、选择，分配行选择，分配3位编码。位编码。3.读写主存储器读写主存储器 或或 I/O 接口接口 从学习指令执行步骤考虑，理解对从学习指令执行步骤考虑，理解对主存储器主存储器读写的控制，读写的控制，分成两步：分成两步：1.传送传送主存地址主存地址，以选择被读写的存储单元；，以选择被读写的存储单元；2.给出读写命令，给出读写命令，读操作时，把读出数据保存起来，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。写操作时，还要给出写入的数据。从学习指令执行步骤考虑，理解对从学习指令执行步骤考虑，理解对接口电路接口电路读写的控制，读写的控制，分成两步：分成两步：1.传送传送 IO 端口地址端口地
23、址，以选择被读写的芯片；，以选择被读写的芯片；2.给出读写命令，给出读写命令，读操作时，把读出数据保存起来，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。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控制几个专用寄存器的接收操作 由由 D 触发器构成的寄存器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数据接收到寄存器中，这类寄存器有一个输入控制引脚控制引脚/G，用于寄存器是否接受输入的控制，用于寄存器是否接受输入的控制使用，当使用，当/G低电平才允
24、许接受输入数据，否则低电平才允许接受输入数据，否则寄存器已有的内容不变。寄存器已有的内容不变。例如例如:对教学计算机的指令寄存器对教学计算机的指令寄存器IR，地，地址寄存器址寄存器 AR 等寄存器就需要实现这种控制。等寄存器就需要实现这种控制。思考，对程序计数器思考，对程序计数器PC，堆栈指针，堆栈指针SP是是如何若控制的？如何若控制的？微命令字段的编码译码方法微命令字段的编码译码方法 1.直接控制法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，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。但会使微指令字变得很长。2.字段直接编译法字段直接编译法 把互
25、斥的命令分在一组加以编码，经译码器给出命令，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。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。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为
26、每一条微指令各项微操作确定 其所要求的控制信号其所要求的控制信号 如如:使使 IR，AR 等寄存器接收的信号等寄存器接收的信号 控制控制 PC 增量和接收的信号增量和接收的信号 读写主存，读写外设的信号读写主存，读写外设的信号 控制运算器操作的信号控制运算器操作的信号 等等这要看被控制的具体对象的具体要求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需要为每一条微指令在控存中 分配一个合适的地址分配一个合适的地址这是合理地组织微程序的重要工作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，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来安排下地址字段的各部分的编码这与控制器的这与控制器的 具体线路与方案具体线路与方案 有关有关