简单控制器控制器

执行周期
指 令 周 期 乘法指令
间接寻址的指令周期包括取指周期、间址周期和执行周 期。
取指周期 间址周期
指 令 周 期
执行周期
当CPU采用中断方式实现主机与I/O交换信息时，CPU要 每条指令执行结束前，发中断查询信号，若检查到I/O提 出中断请求，CPU要进入中断响应阶段——中断周期。 一个完整的指令周期包括取指、间址、执行和中断四个 子周期。
指令周期流程
取指周期FE 有间址吗？ N Y 间址周期IND
执行周期EX
Y
有中断吗？ N 中断周期INT
CPU工作周期的标志
FE、IND、EX和INT分别表示取指、间址、执行和中 断四个周期，用高电平“1”表示有效，则四个周期分别 由 1→ FE、1→IND、1→EX和1→INT四个信号控制。当各个 周期的控制信号为低电平时则表示相应的周期结束。
二、微程序控制原理 IR OP （一）组成 1、控制存储器（C M） 微地址 存放实现计算机指令系统的 形成部件 微操作信号 所有微程序，由ROM实现。控 顺序控制 制存储器的字长是微指令字的 操作控制 微地址 状态条件 CMAR 长度。控制存储器的容量取决 μIR 于指令的数量和每条指令的微 译码驱动 程序长度，也取决于微指令代 控制存储器 码的利用率。 2、微指令寄存器（CMDR） 存放由控制存储器读出的一条微指令信息。 3、微地址寄存器（CMAR）： 存放将要访问的下一条微指令的微地址。 能测试执行中的状态信息，修改微地址寄存器 4、微地址形成部件： 的内容，以便按修改后的内容去读下一条指令。
微程序控制器的结构
（二）工作原理 1、取指阶段 （1）将取指微程序首地址M置于CMAR中。 （2）读微指令。CM（MAR） → CMDR
（3）产生微操作命令。由操作控制字段为“1”的各位发控制信号
如PC →MAR，1 →R。 （4）形成下一条微指令地址。M＋1 →M
（5）取下一条微指令。…………重复（1）~（4）过程，直到该机
T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 机器周期 EX T3 T0 T1 T2 T3 机器周期 INT
机器周期 FE
机器周期 IND 指令周期
（2）不定长指令周期、定长机器周期 指令周期不固定，但所包含的每个机器周期（存储周期）都相 等。
T0 T1 T2 T FE 指令周期 T3 T0 T1 T2 T FE T3 T0 T1 T2 T EX T3
六、控制器的控制方式
控制器控制一条指令的运行的过程是依次运行一组的微操作序 列的过程，由于每条指令对应的微操作数不同，每个微操作所需的 时间是不同的。 形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法称控制器的控 制方式。
1、同步控制方式
同步控制方式中，任何一个微操作的执行均由统一的基准时标 系统的时序信号控制。 （1）定长指令周期 所有指令都含有相同的机器周期数，每个机器周期含有相同的 节拍电位，每条指令的执行时间相等。（简单、浪费）
四、指令周期
CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间。
取 指 阶 段
取 指 周 期 （取指、分析）
执行阶段
执 行 周 期 （执行指令） 指 令 周 期
由于各种指令操作功能不同，所以各种指令的指令周期 是不相同的。
取指周期
指 令 周 期 无条件转移指令
取指周期 取指周期
执行周期
指 令 周 期
加法指令
简单控制器的设计及原理
§控制器的概述
一、控制器的基本功能 1、取指令 2、分析指令
3、执行指令
4、发出各种微操作命令
5、改变指令执行顺序的功能
6、具有控制主机与I/O设备交换信息的功能 7、异常情况和特殊情况的处理功能
二、控制器的组成
控制器由如下基本部分组成：
（1）程序计数器（PC）：用来存放下条将要执行的指令在主存
④
3、执行周期的数据流 指令在执行周期的操作各不相同，在执行周期的数据 是多种多样的，可能是CPU内部寄存器间的数据传送、或 对存储器（I/O）进行读写操作、或对ALU进行的操作。
4、中断周期的数据流
②
AB DB CB
PC ⑥
MAR ① 控制单元CU ④ ③
存 储 器
MIR
⑤
控制单元CU把用于保存程序断点的存储器特殊地址（堆栈指针） 送往MAR，并送到地址总线上，同时将CAR的内容送到MIR，并 命令存储地址送CAR。
三、CPU 结构
MAR PC
控制器 +1 A ID 微操作信号 发生器 时序元件
运算器
存储体 M
MDR 中断 机构
OP
IR
通用寄 存器组 Ri
LA
LB LB ALU ALU
移位器
PSW
数据流：除指令流外，在数据通路中流动的信息是数据流。 指令流：在取指令周期， PC→BUS →MAR ；READ ； MDR → （1）A →MAR，READ， MDR →BUS →ALU →内存； BUS →IR 整个操作过程中涉及到的信息流动。 （2） Ri →ALU →BUS →Ri （内存） （3）A → MAR，READ，MDR →BUS →MAR
二、控制器的组成
DB AB OP AD IR(指令寄存器)
指令译码器 ID
PC(程序计数器) +1 至运算器 至存储器 中断系统 异常特殊请求 状态控制条件 微操作命令 序列形成部件
地址形成 部件
至输入设备 至输出设备
时序信号发生器 控制台
微操作命令序列的形成部件 中断机构 现行指令地址寄存器 PC 时序信号发生器 现行指令寄存器 控制台 是产生各种微操作命令的部件，微操作控制信号是由指令译码 IR 地址形成部件 用于处理机器运行中所出现的异常情况和特殊情况的部件，它 用于存放当前正在执行的指令地址或即将执行执行的下一条指 对指令寄存器的操作码进行分析、译码并产生相应的控制信号。 用来产生计算机运行所需的时序信号，以保证各个微操作的 器产的译码信号、时序信号发生器提供的时序信号、被控制部件所 用来存放当前正在执行的指令。其位数与存储字长相等， 用来实现用户对机器作某些干预的部件。 主要包括开中断触发器、中断排队判优、中断隐指令的产生和执行 根据指令的地址码AD部分，形成操作数的地址 令的地址。其位数取决于内存单元的个数。 执行顺序。 反馈的状态及条件信号综合形成。它由触发器和逻辑门电路等组成。 部件。
指令周期 加法指令
无条件转移指令
（3）变长机器周期、定长节拍电位 指令周期、机器周期均不固定，每个机器周期中含有节拍电位 根据需要而定，但每个节拍电位的是定长的。
T0 T1 T2 T FE 乘法指令 T3 T0 T1 T2 T EX 指令周期 T3 T* T* T* T*
2、异步控制方式
当控制器发出进行某一微操作控制信号后，等待执行部件完成 该操作后发 回的“回答”信号或“结束”信号，再开始新的微操作。 用此方式形成的微操作序列没有固定的周期节拍和严格的时钟 同步。每条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间。 特点：CPU利用率低，控制器结构复杂。
器指令送入IR为止。 2、执行阶段 （1）加法执行阶段对应的微程序首地址的形成。 （2）读出微指令。 （3）产生微操作命令。 （4）形成下一条微指令地址。…………重复（1）~（4）过程，直
D CLK
FE
D
IND
D
EX
D
INT
1→ FE
1→ IND
1→ EX
1→ INT
五、指令周期的数据流
1、取指令周期的数据流
① PC +1 MAR ③ ②
AB DB CB
⑥
控制单元CU ⑤
存 存 储 储 器 器
④
IR
MIR
2、间址周期的数据流
AB DB CB ② ③ 存 储 器
MAR 控制单元CU ① MIR
3、联合控制方式
同步控制和异步控制相结合的方式称为联合控制方式。对不同 指令的各个微操作实行大部分统一、小部分区别对待的方式。大部 分微操作安排在一个固定机器周期中，并在同步时序信号控制下进 行，而对那些时间难以确定的操作微操作则以执行部件送回“回答” 信号作为本次微操作的结束。
CPU内部以CPU与内存之间的数据传送加工的指令采用同 步控制。 乘除法、浮点运算指令等采用中央与局部结全的控制方式。 I/O操作的指令采用异步控制方式。
中的地址。
（2）指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的指令。
（3）指令译码器（ID）：对指令寄存器中的指令的操作码进行 译码，向微操作控制信号形成部件提供特定的操作控制信号。
（4）时序发生器：用于产生机器所需的各种时序信号，以控 制有关部件在不同的时间完成的不同操作。
（5）微操作控制信号形成部件：根据不同的时序关系、操作 码和有关的状态标志给出所需要的微操作控制信号序列。 （6）中断机构：对异常情况及某些中断请求进行处理。 （7）总线控制逻辑：对总线上各部件使用总线进行仲裁。