计组期末复习第十五讲 控制器

# 寄存器

# 分类

• 用户可见寄存器

  • 通用寄存器

  • 数据寄存器

  • 地址寄存器

  • 条件码寄存器

• 控制和状态寄存器

  • 程序计数器 PC

  • 指令寄存器 IR

  • 存储器地址寄存器 MAR

  • 存储器缓冲寄存器 MBR（或者说是 MDR）

  • 程序状态字 PSW

  • 设计出发点：对操作系统的支持 / 控制信息在寄存器和存储器之间的分配

两者的区分并不严格

# 微操作

# 微操作分组的原则

• 事件的流动顺序必须是恰当的

• 必须避免冲突

• 满足上述条件下，所用的时间单位尽可能少

# 子周期

• 取指周期

• 间址周期

  • 如果指令采用间接寻址，则在指令执行前有一个间址周期

  • 完成间址周期后，IR 的状态与不使用间接寻址方式的状态是相同的，已经为执行周期准备就绪

  即将 IR 存储指令内的地址部分存入 MAR，读出数据后存入 MBR，MBR 将更新后的地址再存入 IR 指令内的地址部分

• 执行周期

• 中断周期

  • 在完成执行周期时，要确定是否有允许的中断产生

  • 如果有，则出现一个中断周期

  • 下图是微操作示意。注意微操作的分组

# 指令周期代码 ICC

00：取指

01：间址

10：执行

11：中断

# 控制器

# 输入

• 指令寄存器：当前指令的寻址方式和操作码

• 标志：确定 CPU 的状态和前一个 ALU 操作的结果

• 时钟：控制器要在每个时钟脉冲完成一个或一组同时的微操作

• 来自控制总线的控制信号：向控制器提供控制信号（请求）比如中断请求

# 输出

控制信号

• CPU 内

• 控制总线

  • 存储器、IO 模块

控制门的开关，从而控制数据传递

所有的控制信号最终作为二进制输入量直接输入到各个逻辑门上

# 控制器的最小特性

它只需要知道将被执行的指令和算术、逻辑运算结果的性质（如正负、溢出 等），而不需要知道正被处理的数据或得到的实际结果具体是什么

它只是以少量的送到 CPU 内的和送到系统总线上的控制信号来实现控制

# 功能需求

# CPU 的基本元素

ALU，寄存器组，内部数据通路，控制器，外部数据通路

# CPU 需要完成的微操作

• 在寄存器之间传送数据

• 将数据由寄存器传送到外部接口（如系统总线）

• 将数据由外部接口传送到寄存器

• 将寄存器作为输入和输出，完成算术和逻辑运算

# 实现

• 硬布线实现（hardwired implementation）

• 微程序实现（microprogrammed implementation）

# 硬布线实现

控制器是一个组合电路，把输入逻辑信号转换为一组输出逻辑信号，即控制信号

# 微程序实现

控制逻辑是微程序指定的，控制器是一个相对简单的逻辑电路，通过执行每条微指令来产生控制信号

微程序（固件）介于硬件与软件之间

优点与缺点：

• 优点

  • 简化了控制器的设计任务

  • 实现起来既成本较低，也能减少出错机会

  • 便于更新

• 缺点

  • 要比采用相同或相近半导体工艺的硬布线控制器慢一些