计算机组成原理计算机组成原理第第6章章 计算机的控制器部件计算机的控制器部件计算机组成原理计算机组成原理主要学习内容主要学习内容控制器的功能、组成部件以及指令执行步骤控制器的功能、组成部件以及指令执行步骤控制方式和时序产生控制方式和时序产生硬连线控制器部件设计方法（了解）硬连线控制器部件设计方法（了解）微程序控制器部件设计方法（重点）微程序控制器部件设计方法（重点）控制器优化技术：指令流水线和向量处理机技术控制器优化技术：指令流水线和向量处理机技术2计算机组成原理计算机组成原理一一 控制器的功能概述控制器的功能概述冯冯.诺依曼结构的计算机诺依曼结构的计算机 “存储程序存储程序”计算机，设置内存，存放程序和数据计算机，设置内存，存放程序和数据 在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序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序列程序是依次排列起来的指令序列计算机执行程序的基本过程计算机执行程序的基本过程 从程序首地址开始执行第一条指令从程序首地址开始执行第一条指令 分步执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址分步执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址 自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令3计算机组成原理计算机组成原理控制器的功能概述控制器的功能概述控制器的功能就是控制指令的执行过程控制器的功能就是控制指令的执行过程 能够正确并且自动地连续执行指令能够正确并且自动地连续执行指令 按程序中设定的指令次序执行按程序中设定的指令次序执行 能够正确并分步完成每一条指令规定的功能能够正确并分步完成每一条指令规定的功能 读取指令读取指令 分析指令分析指令 执行指令执行指令 能够在执行程序的过程中响应并处理中断能够在执行程序的过程中响应并处理中断 使计算机得以更有效的地兼顾几项工作使计算机得以更有效的地兼顾几项工作 进一步讲，就是向计算机进一步讲，就是向计算机各功能部件各功能部件(运算器运算器、存储器存储器、总线总线、输入输出设备的接口输入输出设备的接口，也包括，也包括控制控制器部件器部件本身本身)提供它们提供它们每一个步骤每一个步骤协调运行所需要的协调运行所需要的控制信号。控制信号。4计算机组成原理计算机组成原理控制器的组成概述控制器的组成概述 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 增量增量 或或 接收新值的功能接收新值的功能 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和相对次序关系指明每条指令的执行步骤和相对次序关系 控制信号产生线路控制信号产生线路 给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号主脉冲源与启停控制线路主脉冲源与启停控制线路5计算机组成原理计算机组成原理控制器组成和在整机中的地位控制器组成和在整机中的地位 在计算机硬件系统中，控制器处于指挥控制地位在计算机硬件系统中，控制器处于指挥控制地位6计算机组成原理计算机组成原理二二 两种不同类型的控制器两种不同类型的控制器 根据根据指令步骤标记线路指令步骤标记线路和和控制信号产生线控制信号产生线路路不同的组成和不同的运行原理，有两种不同不同的组成和不同的运行原理，有两种不同类型的控制器：类型的控制器：硬连线控制器硬连线控制器(组合逻辑控制器组合逻辑控制器)：采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步骤直接产生控制信号。骤直接产生控制信号。微程序控制器微程序控制器：采用存储器电路把控制信号存储起来，依采用存储器电路把控制信号存储起来，依据指令执行的步骤读出要用到的信号组合。据指令执行的步骤读出要用到的信号组合。7计算机组成原理计算机组成原理硬连线硬连线vs微程序微程序微程序其实质是组合逻辑的另一种实现方式。将组合逻辑的输出结果存放在RAM或ROM 内，将输入信号作为ROM或RAM 的地址通过查表得到逻辑输出结果。例子（4输入与门）：多输出的情况:n个输入，m个输出，RAM或ROM 大小为 2n x m bits8计算机组成原理计算机组成原理 比较比较对于控制器设计，对于控制器设计，控制器有两种设计方法控制器有两种设计方法：硬布线控制器：它是将指令执行时的各个机器周期的微操作信号用时硬布线控制器：它是将指令执行时的各个机器周期的微操作信号用时序逻辑电路来实现，硬布线控制器速度快，但设计复杂繁琐，适合于序逻辑电路来实现，硬布线控制器速度快，但设计复杂繁琐，适合于RISC结构。结构。微程序控制器：它是将机器指令根据其执行步骤所需的控制信号当前微程序控制器：它是将机器指令根据其执行步骤所需的控制信号当前状态形成若干条微指令存储起来，指令执行时从控制存储器中依次取状态形成若干条微指令存储起来，指令执行时从控制存储器中依次取出这些微指令，发出指令所需要的全部微操作控制信号，从而完成指出这些微指令，发出指令所需要的全部微操作控制信号，从而完成指令的执行。微程序控制器相对硬布线控制器速度慢，但设计比较规整，令的执行。微程序控制器相对硬布线控制器速度慢，但设计比较规整，易于实现指令系统修改，适合于易于实现指令系统修改，适合于CISC结构。结构。微程序控制器微程序控制器相比较硬连线逻辑实现的优点、缺点：相比较硬连线逻辑实现的优点、缺点：1、改变逻辑功能只需要改变、改变逻辑功能只需要改变ROM或或RAM的内容，升级或更改电路非的内容，升级或更改电路非常方便。常方便。2、采用、采用RAM或或ROM实现，查找需要时间，逻辑实现速度没有硬连线实现，查找需要时间，逻辑实现速度没有硬连线逻辑快。逻辑快。9计算机组成原理计算机组成原理三、指令周期指令周期：指令周期：是指计算机从内存取出一条指令并完成该指令的执行所需是指计算机从内存取出一条指令并完成该指令的执行所需要的时间。要的时间。不同指令的指令周期可以是不相同的。不同指令的指令周期可以是不相同的。一个指令周期可能由若干个机器周期组成。一个指令周期可能由若干个机器周期组成。机器周期：机器周期：又称为又称为CPU周期周期，用于完成，用于完成1次内存的操作（读或写访问）次内存的操作（读或写访问）或者或者1次次ALU的运算，或者的运算，或者1次总线传送（指令执行过程中的一个完整次总线传送（指令执行过程中的一个完整功能步骤）功能步骤）一般规定为一般规定为CPU与内存交换与内存交换1次信息（读或写内存）所需要的时间。次信息（读或写内存）所需要的时间。一个机器周期的功能需要多个时钟周期完成一个机器周期的功能需要多个时钟周期完成。通常情况下：一条指令的执行过程包括读指令（取指步骤通常情况下：一条指令的执行过程包括读指令（取指步骤1）、指）、指令译码（取指步骤令译码（取指步骤2）、）、ALU执行（执行步骤执行（执行步骤1）、内存读写（执行）、内存读写（执行步骤步骤2）、数据写回（执行步骤）、数据写回（执行步骤3）等）等5个步骤组成（不同计算机系个步骤组成（不同计算机系统或不同指令执行步骤可能不同）。一般每个步骤对应一个机器周统或不同指令执行步骤可能不同）。一般每个步骤对应一个机器周期。期。时钟周期：时钟周期：又称为又称为节拍周期节拍周期，是指，是指CPU执行一个微操作命令（即控制执行一个微操作命令（即控制信号）的最小时间单位，也即信号）的最小时间单位，也即T周期。周期。每个执行步骤分解为若干个微操作命令实现，每个微操作的执行周期为一个时钟周期（节拍周期）。10计算机组成原理计算机组成原理指令周期、机器周期、时钟周期的关系11计算机组成原理计算机组成原理节拍信号TS1TS4和时钟信号源的关系下例中，每四个节拍信号构成一个机器周期。（下例中，每四个节拍信号构成一个机器周期。（TS1,TS2.TS3,TS4信号控信号控制一个机器周期中微操作的执行顺序）制一个机器周期中微操作的执行顺序）机器周期机器周期机器周期机器周期1 112计算机组成原理计算机组成原理 全部指令都选用全部指令都选用相同执行时间相同执行时间完成的系统被称为完成的系统被称为单周期单周期CPUCPU，指令周期取决于用时最长的指令，指令周期取决于用时最长的指令，例如每，例如每条指令都用条指令都用 5 5个步骤的时间完成，控制各部件运行的信号在整个步骤的时间完成，控制各部件运行的信号在整个指令周期不变化，因此每个部件在一个指令周期中只能执行个指令周期不变化，因此每个部件在一个指令周期中只能执行一项操作，系统性能和资源利用率很低，原理正确但一项操作，系统性能和资源利用率很低，原理正确但不实用不实用。IFIDEXE MEMWB单周期单周期CPUCPU指令周期指令周期IFIDEXE MEMWB指令周期指令周期13计算机组成原理计算机组成原理 依据不同指令各自的功能需求为其依据不同指令各自的功能需求为其选择不等的执选择不等的执行步骤行步骤的系统被称为的系统被称为多周期多周期CPUCPU 控制各部件运行的控制信号随着指令执行步骤改变，同一控制各部件运行的控制信号随着指令执行步骤改变，同一个部件可以在不同的执行步骤完成不同的操作，系统性能和资个部件可以在不同的执行步骤完成不同的操作，系统性能和资源利用率更高。相邻指令可以完全串行执行，也可能部分时间源利用率更高。相邻指令可以完全串行执行，也可能部分时间重叠，重叠，更实用更实用。IFIDEXEWB指令周期指令周期IFID指令周期指令周期IFIDEXE MEMWB指令周期指令周期CPU时钟时钟CPI 4多周期多周期CPUCPU14计算机组成原理计算机组成原理四、指令的执行过程（一）指令执行过程概述（一）指令执行过程概述（二）典型指令的执行过程（二）典型指令的执行过程（三）计算机的工作过程（三）计算机的工作过程15计算机组成原理计算机组成原理（一）指令执行过程概述 一条指令的执行过程包括一条指令的执行过程包括取指令取指令、执行指令执行指令两大两大阶段阶段,执行指令根据实际情况可分成多个阶段：执行指令根据实际情况可分成多个阶段：1、取指令、取指令 （1）送指令地址：）送指令地址：当前指令的地址由程序计数器当前指令的地址由程序计数器PC指出，指出，PC的内容送到地址寄存器的内容送到地址寄存器AR，同时，同时PC的内容的内容递增以指向下一条指令的地址；即递增以指向下一条指令的地址；即PCAR,PC+1（2）读取指令：）读取指令：AR的输出通过地址总线送到存储器的的输出通过地址总线送到存储器的地址端，指明指令所在的地址单元，控制器发出地址端，指明指令所在的地址单元，控制器发出读控读控制信号制信号，控制从存储器中读出这条指令；该指令通过，控制从存储器中读出这条指令；该指令通过数据总线送到指令寄存器数据总线送到指令寄存器IR；即；即RAM IR16计算机组成原理计算机组成原理（一）指令执行过程概述（3）指令译码：）指令译码：由指令译码器对由指令译码器对IR中的指令其进行中的指令其进行分析译码；指令译码器首先判断该指令是什么指分析译码；指令译码器首先判断该指令是什么指令，然后将判断结果信息传递给操作控制信号形令，然后将判断结果信息传递给操作控制信号形成部件；即成部件；即J1#。2、执行指令、执行指令操作控制信号形成部件根据指令译码信息和时序操作控制信号形成部件根据指令译码信息和时序周期信号，发出该指令所需的所有部件的有一定周期信号，发出该指令所需的所有部件的有一定时序关系的控制信号序列，完成指令的执行。时序关系的控制信号序列，完成指令的执行。执行指令的具体操作与指令的功能有很大的关系，执行指令的具体操作与指令的功能有很大的关系，不同的指令，其执行指令阶段也是不同的。不同的指令，其执行指令阶段也是不同的。17计算机组成原理计算机组成原理（二）典型指令的执行过程指令的执行过程举例：假设存放在存储器中的二条指指令的执行过程举例：假设存放在存储器中的二条指令内容为令内容为