2002.10计算机组成原理§1控制器的基本概念⑵指令寄存器IR指令.ppt

第七章 在一个计算机系统中，中央处理器(CPU)是由两个主要部分──运算器和控制器组成的。有关运算器部分我们已在前面进行了详细的讨论。因此本章着重讨论控制器的组成原理和实现方法、CPU的总体结构及典型CPU介绍。 §1 控制器的基本概念 1.1 控制器的功能 计算机的工作过程就是程序的运行过程，也就是在控制器的控制下逐条执行程序中各指令的过程。在程序运行过程中，计算机的各部件在控制器的控制下有条不紊地工作，在各部件之间流动的指令和数据形成了指令流和数据流。 需要注意的是，这里的指令流和数据流都是程序运行的动态概念，它不同于程序中静态的指令序列，也不同于存储器中数据的静态分配序列。指令流指的是处理器执行的指令序列，数据流指的是根据指令操作要求依次存取数据的序列。 §1 控制器的基本概念 从程序运行的角度来看，控制器的基本功能是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。 1.对指令流的控制 ⑴指令流出的控制 实质上是对取指令的控制。CPU首先要给出指令的地址，并要向存储器发出读命令。 §1 控制器的基本概念 ⑵指令分析与执行的控制 控制器要对指令流中的每条指令进行分析解释，首先指出指令的操作性质、寻址方式并形成操作数地址，然后根据该指令的操作性质和操作数地址形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入/输出设备的动作，实现这条指令的功能。 ⑶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。一般情况下，指令是顺序执行的，用程序计数器不断加1实现。但是，当执行的指令是转移指令时，就会改变指令的流向。 §1 控制器的基本概念 2.对数据流的控制 对数据流的控制主要应包括对数据的流入与流出的控制；对数据变换、加工等操作的控制。 对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。 §1 控制器的基本概念 1.2 控制器的组成 §1 控制器的基本概念 1.指令部件 ⑴程序计数器PC 程序计数器又称指令计数器，用来存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址。 对于顺序执行的情况，PC应不断地增量(加1)，以控制指令的顺序执行。在遇到需要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将转移目标地址送往程序计数器，即可实现程序的转移。 §1 控制器的基本概念 ⑵指令寄存器IR 指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。当指令从主存取出暂存在指令寄存器之后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能。 ⑶指令译码器ID 指令译码器又称操作码译码器或指令功能分析解释器。暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经译码后才能识别出是一条什么样的指令。指令进行分析解释，产生相应的控制信号提供给微操作信号发生器。 §1 控制器的基本概念 ⑷地址形成部件 根据指令的不同寻址方式，用来形成操作数的有效地址，在微、小型机中，一般不设专门的地址形成部件，而是利用运算器来进行有效地址的计算。 2.时序部件 ⑴脉冲源 脉冲源用来产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号。 §1 控制器的基本概念 ⑵启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止，实现对整个机器的正确启动或停止。启停控制逻辑保证启动时输出的第一个脉冲和停止时输出的最后一个脉冲都是完整的脉冲。 ⑶节拍信号发生器 节拍信号发生器又称脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作。 时序信号还不是微操作信号，而只是协调各部件工作的同步信号。 §1 控制器的基本概念 3.微操作序列形成部件 一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本的不可再分割的操作称为微操作。微操作序列形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。不同的机器指令具有不同的微操作序列。 4.中断控制逻辑 中断控制逻辑是用来控制中断处理的硬件逻辑。 §1 控制器的基本概念 1.3 控制器的硬件实现方法 控制器的输入是机器指令代码，输出是微操作控制信号，因此微操作序列形成部件是控制器的核心。根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器可分为三种，它