控制器的功能及组成概述控制器的功能及组成概述 指令的执行流程指令的执行流程 时序产生电路时序产生电路 组合逻辑组合逻辑控制器的工作原理控制器的工作原理 微程序微程序控制器的工作原理控制器的工作原理 中断处理的基本概念中断处理的基本概念

4.2 4.2 控制控制器器

4.2.14.2.1 控制器的功能和组成概述控制器的功能和组成概述

一、控制器的功能一、控制器的功能 控制器是计算机系统的核心，它把运算控制器是计算机系统的核心，它把运算器、存储器、输入输出设备等部件组成一个器、存储器、输入输出设备等部件组成一个有机制整体，然后根据指令的要求指挥全机有机制整体，然后根据指令的要求指挥全机工作。工作。

现代计算机工作的本质是什么？现代计算机工作的本质是什么？ 执行程序执行程序 ,, 完成程序功能。完成程序功能。

什么是程序？什么是程序？ 依次排列起来的指令代码。依次排列起来的指令代码。

1.1. 对指令的控制对指令的控制：计算机的工作过程是连续执：计算机的工作过程是连续执行指令的过程，行指令的过程，控制器应能保证动态指令流控制器应能保证动态指令流的形成。的形成。

2.2. 对时序的控制对时序的控制：：产生固定的时序信号产生固定的时序信号，以保，以保证全机各部件有节奏的工作。证全机各部件有节奏的工作。

3.3. 对操作的控制对操作的控制：依据指令内容、指令的执行：依据指令内容、指令的执行步骤，步骤，形成并提供当前各部件本时刻要用到形成并提供当前各部件本时刻要用到的全部控制信号。的全部控制信号。

所以控制器的功能在于：所以控制器的功能在于：

计算机各主要部件连接框图

PC

…

…

…

IR

ALU

PSW

R0

：︰

控制信号产生部件

时序控制电路

ID

暂存器A 暂存器 B

MAR

发往全机各部分

…

主存

中断逻辑R15

总线

MDR

二、控制器的组成二、控制器的组成 1. 1. PCPC ：程序计数器（：程序计数器（ Programming Counter)Programming Counter) 用来存放将要执行的指令的地址。其内容分用来存放将要执行的指令的地址。其内容分两种情况：两种情况： (1)(1) 顺序执行的情况顺序执行的情况 :: PCPC 的值应自动修正，加一个增量。的值应自动修正，加一个增量。 PC+△→PCPC+△→PC (2)(2) 转移执行的情况转移执行的情况 :: 将转移的目标地址送 将转移的目标地址送 PC.PC.

2. 2. MARMAR:: 主存地址寄存器主存地址寄存器 从主存取指令或者取操作时都必须将相应的从主存取指令或者取操作时都必须将相应的访存地址送到访存地址送到 MARMAR 中。中。

3. 3. MDRMDR:: 数据寄存器数据寄存器 暂存对主存读写的信息。暂存对主存读写的信息。

4. 4. IRIR ：指令寄存器（：指令寄存器（ Instruction Register)Instruction Register)用来存放从存储器中取出的指令。 用来存放从存储器中取出的指令。

5. 5. IDID ：指令译码器（：指令译码器（ Instruction Decoder)Instruction Decoder) 对指令的操作码部分进行识别，区分不同的对指令的操作码部分进行识别，区分不同的指令，为指令的执行作好准备。指令，为指令的执行作好准备。 6. 6. CUCU: : 控制信号产生部件控制信号产生部件 其功能是依据指令的内容、时序信号，以及其功能是依据指令的内容、时序信号，以及状态信息，来形成并提供出当前各部件本时该要用状态信息，来形成并提供出当前各部件本时该要用到的全部控制信号。到的全部控制信号。该部件是控制器的核心。该部件是控制器的核心。 7. 7. 时序部件时序部件 包括脉冲源、启停控制、节拍信号发生器。包括脉冲源、启停控制、节拍信号发生器。 主要是保证各部件按严格的时间顺序工作而主要是保证各部件按严格的时间顺序工作而提供各种定时信号。提供各种定时信号。

8.8. 中断系统中断系统 由软硬件构成的一个综合部件、主要用来由软硬件构成的一个综合部件、主要用来处理系统中出现的一些不可预知的事件和一些特处理系统中出现的一些不可预知的事件和一些特殊的请求。殊的请求。 如算术运算的溢出、数据传输的奇偶校验如算术运算的溢出、数据传输的奇偶校验错、电压下降以及外设的输入输出请求。通常都错、电压下降以及外设的输入输出请求。通常都是在执行一条指令进行一次判断。是在执行一条指令进行一次判断。

CPUCPU 的组成呢？的组成呢？

CPU 组成

三、三、 CPUCPU 的主要性能指标的主要性能指标 1.1. 字长：字长：单位时间内同时处理的二进制数据的位单位时间内同时处理的二进制数据的位数。数。 88 位、位、 1616 位、位、 3232 位以及位以及 6464 位。位。 2. 2. 内部工作频率：内部工作频率：表示表示 CPUCPU 内数字脉冲信号震内数字脉冲信号震荡的速度，与荡的速度，与 CPUCPU 实际的运算能力并没有直接的实际的运算能力并没有直接的关系。关系。 时钟周期是时钟周期是 CPUCPU 中最小的时间单位，每个中最小的时间单位，每个动作至少需要一个时钟周期。动作至少需要一个时钟周期。 80868086 和和 80888088 ：： 1212 个时钟周期； 个时钟周期； 8028680286 和和 8038680386 ：： 4.54.5 个时钟个时钟周期； 周期； 8048680486 ：： 22 个时钟周期； 个时钟周期； PentiumPentium ：具有双指令：具有双指令流水线，每个时钟周期可执行流水线，每个时钟周期可执行 1-21-2 条指令； 条指令； Pentium proPentium pro 、、 PentiPentium / ⅡⅢum / ⅡⅢ ：每个时钟周期可执行：每个时钟周期可执行 33 条或更多指令；条或更多指令；

3.3. 外部工作频率：外部工作频率：它是主板为它是主板为 CPUCPU 提供的基准时提供的基准时钟频率。钟频率。 内频内频 == 外频外频 ××倍频倍频 4. 4. 前端总线频率：前端总线频率：它是它是 CPUCPU 和外界交换数据的和外界交换数据的最主要通道，主要连接主存、显卡等数据吞吐率高最主要通道，主要连接主存、显卡等数据吞吐率高的部件，因此前端数据总线的数据传输能力对计算的部件，因此前端数据总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大。内数字脉冲信号震荡的速度，机整体性能作用很大。内数字脉冲信号震荡的速度，与与 CPUCPU 实际的运算能力并没有直接的关系。实际的运算能力并没有直接的关系。 5.5. 片内片内 CacheCache 的容量：的容量：它的容量和工作速度对提它的容量和工作速度对提高计算机的速度起着关键的作用。高计算机的速度起着关键的作用。 L2 CacheL2 Cache 是影是影响响 CPUCPU 性能的关键因素之一。性能的关键因素之一。

6.6. 工作电压：工作电压：主要是解决散热问题，目前主要是解决散热问题，目前 CPU CPU 的工作电压以低于的工作电压以低于 1.2V1.2V 。 。 7. 7. 地址总线宽度：地址总线宽度：决定了决定了 CPUCPU 访问主存的最大访问主存的最大物理空间。物理空间。 8. 8. 数据总线宽度：数据总线宽度： 决定了决定了 CPUCPU 和外部和外部 CacheCache 、、主存以及输入输出设备之间一次数据传输的信息量。主存以及输入输出设备之间一次数据传输的信息量。 9. 9. 制造工艺：制造工艺：线宽是指芯片内电路与电路之间的线宽是指芯片内电路与电路之间的距离，可以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意距离，可以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意味着芯片上包括的晶体管数目越多。味着芯片上包括的晶体管数目越多。 45nm45nm 和和 32n32nmm 的制造工艺是下一代的制造工艺是下一代 CPUCPU 的发展目标。的发展目标。

一、基本概念一、基本概念4.24.2.2 .2 指令执行过程

计算机取指令、执行指令的周期序列。计算机取指令、执行指令的周期序列。

开始开始 取出一条指令取出一条指令执行该指令执行该指令

取出下一条指令取出下一条指令

—— 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，读出内容送入指令寄存器读主存，读出内容送入指令寄存器

—— 分析指令分析指令 操作码译码操作码译码

—— 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，则转中断处理若有，则转中断处理若无，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

形成下条指令地

址

二、指令的执行过程二、指令的执行过程

以教学计算机举例说明程序执行 :典型指令的执行过程举例：

2000 0001 ADD R0, R12001 0790 MVRR R9, R0 2002 8800 MVRD R0, 2007 20072004 8309 STRR [R0], R9 （写内存）2005 8280 IN 80 （读串行口）2006 8F00 RET

程序 计数器

运算器 控制器

控制 存储器

用于运算器

输入 / 出设备主存储器

控制总线

0001

xxxx

0790

CZVS

接口

.

PC

ARIR

数据总线地址总线

ALU

乘商寄存器

66881234

R9

操作数地址

操作码

寄存器组

映射

地址寄存器

指令寄存器

微程序定序器

主振 脉冲

微指令寄存器

下地址字段内容

2000

88002007830982808F00

30412000

2007

4275

4275

AR PC

读内存， IR 读出内容R0 R0 + R1

PC PC+1

+

ADD R0, R1

2001

0001

2000

0001

程序 计数器

运算器 控制器

控制 存储器

用于运算器

输入 / 出设备主存储器

控制总线

00010790

CZVS

接口

.

PCAR

IR

数据总线地址总线

ALU

乘商寄存器

66881234

R9

操作数地址

操作码

寄存器组

映射

地址寄存器

指令寄存器

微程序定序器

主振 脉冲

微指令寄存器

下地址字段内容

2000

8800200783098280

42752001

2007

2001

0790

4275

4275

AR PC

读内存， IR 读出内容R9 R0 + 0

PC PC+1

0+

MVRR R9, R0

2002

0790

xxxx8F00

程序计数器

运算器 控制器

控制 存储器

用于运算器

输入设备

主存储器

控制总线

00010790

CZVS

接口

.

PC

ARIR

数据总线地址总线

ALU

乘商寄存器

66881234

R9 4275

操作数地址

操作码

寄存器组

映射

地址寄存器

指令寄存器

微程序定序器

主振 脉冲

微指令寄存器

下地址字段内容

2000

8800200783098280

4725802

2007

2002

8800

2003

0

ARPC ， PC PC+1读内存， IR 读出内容

读内存， R0 D+0

ARPC ， PC PC+1

2007

+

MVRD R0, 2007

2004

2003

xxxx8F00

2007

程序计数器

运算器 控制器

控制 存储器

用于运算器

输入设备

主存储器

控制总线

0 0010790

CZVS

接口

.

PC

ARIR

数据总线地址总线

ALU

乘商寄存器

66881234

R9 4275

操作数地址

操作码

寄存器组

映射

地址寄存器

指令寄存器

微程序定序器

主振 脉冲

微指令寄存器

下地址字段内容

2000

8800200783098280

2007802

2007

2004

8309

2005

0

ARPC ， PC PC+1读内存， IR 读出内容

写内存，总线 R9+0

ARR0+0

2007

+

STRR [R0], R9

2007

xxxx8F00

4275

4275

程序 计数器

运算器 控制器

控制 存储器

用于运算器

输入 / 出设备主存储器

控制总线

CZVS

接口

.

PC

ARIR

数据总线地址总线

ALU

乘商寄存器

66881234

R9

操作数地址

操作码

寄存器组

映射

地址寄存器

指令寄存器

微程序定序器

主振 脉冲

微指令寄存器

下地址字段内容

2000

20072006

2007

2005

8280

A

ARPC

读内存， IR 读出内容

读设备， R0 读出内容

PC PC+1

ARI/O port

IN 800001079088002007830982808F00

80

4275

这种有条不紊地工作，对各种操作信号的这种有条不紊地工作，对各种操作信号的产生时间、稳定时间、撤销时间及相互之间的关系产生时间、稳定时间、撤销时间及相互之间的关系都应有严格的要求。对操作信号施加时间上的控制，都应有严格的要求。对操作信号施加时间上的控制，称为时序控制。只有严格的时序控制，才能保证各称为时序控制。只有严格的时序控制，才能保证各功能部件组合构成有机的计算机系统。功能部件组合构成有机的计算机系统。

　 CPUCPU 之所以能够自动地识别指令和数据，又之所以能够自动地识别指令和数据，又能自动地执行指令，是因为它能按程序中的指令序能自动地执行指令，是因为它能按程序中的指令序列取指，并对指令进行译码、执行。列取指，并对指令进行译码、执行。 CPUCPU 取指令、取指令、执行指令的序列依此重复，直至遇到停机指令。执行指令的序列依此重复，直至遇到停机指令。

4.2.3 4.2.3 时序系统时序系统

一、 指令周期的基本概念1 . 指令周期

取出并执行一条指令所需的全部时间

完成一条指令执行

取指、分析

取指阶段取指周期

执行阶段执行周期

（取指、分析） （执行指令）指令周期

取指周期

执行周期

2. 每条指令的指令周期不同

取指周期指令周期

取指周期 执行周期指令周期

NOP

ADD X

取指周期 间址周期指令周期

执行周期

取指周期 间址周期指令周期

执行周期 中断周期

ADD @X

3. 指令周期流程

取指周期

执行周期

有间址吗？

有中断吗？

间址周期

中断周期

是

是

否

否

4. CPU 工作周期的标志

取 指令

取 地址

取 操作数

存 程序断点

取指周期

间址周期

执行周期

中断周期

FED

INDD

INTD

CLK

1 FE 1 IND 1 EX 1 INT

EXD

CPU 的

4 个工作周期

通常，每个机器周期都有一个与之对应的周期状态触发器。机器运行在不同的机器周期，其对应的周期状态触发器被置“ 1” ，显然，在机器运行的任何时刻只能建立一个周期状态，因此，有一个且仅有一个触发器被置“ 1” 。

5. 机器周期的基本概念 1) 机器周期的概念

2) 确定机器周期需考虑的因素

3) 基准时间的确定

所有指令执行过程中的一个基准时间

每条指令的执行 步骤每一步骤 所需的 时间

• 以完成 最复杂 指令功能的时间 为准• 以 访问一次存储器 的时间 为基准

若指令字长 = 存储字长 取指周期 = 机器周期

6. 时钟周期（节拍、状态） 一个机器周期内可完成若干个微操作

每个微操作需一定的时间

时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间

将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段 （节拍、状态、时钟周期）

用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令

指令周期指令周期：是指一条机器指令从取指到执行：是指一条机器指令从取指到执行完毕所需要的全部时间。完毕所需要的全部时间。

机器周期机器周期：通常把一个指令又划分成若干个：通常把一个指令又划分成若干个机器周期，习惯上按 机器周期，习惯上按 CPU CPU 的一次访存操作的时的一次访存操作的时间来定。 间来定。 指令周期指令周期 =i=i×× 机器周期机器周期。。

时钟周期时钟周期：每个机器周期要执行若干个微操：每个机器周期要执行若干个微操作，所以把一个机器周期分成更小的时间段，这作，所以把一个机器周期分成更小的时间段，这就是时钟周期。它是计算机操作的最小时间单位。就是时钟周期。它是计算机操作的最小时间单位。一个机器周期需要若干时钟周期。一个机器周期需要若干时钟周期。

二、脉冲源二、脉冲源 产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供时间基准信号。为整个机器提供时间基准信号。

CLK

三、启停控制逻辑三、启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要，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。止，实现对整个机器的正确启动或停止。

启停控制逻辑

脉冲源

节拍信号发生器

T1 T2 T3 T4

注意：启停控制逻辑保证启动时输出的第一个脉冲和停止时注意：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。输出的最后一个脉冲都是完整的脉冲。

四、节拍信号四、节拍信号 在一个机器周期内，要完成若干个微在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而应把一个机器周期分按先后次序串行执行。因而应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每个时间段对应一个电为若干个相等的时间段，每个时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。位信号，称为节拍电位信号。 节拍的宽度取决于节拍的宽度取决于 CPUCPU 完成一次微操作的时完成一次微操作的时间，如间，如 ALUALU 一次正确的运算，寄存器间的一次传一次正确的运算，寄存器间的一次传送等。送等。

CLK

T0

T1

T2

T3

时钟周期

机器周期 机器周期T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3

机器周期、节拍、时钟周期组成多级时序系统一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期

CLK

机器周期 机器周期 机器周期 （取指令） （取有效地址） （执行指令）

指令周期

T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3

机器周期 机器周期（取指令） （执行指令）

指令周期

T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2

(1) 统一节拍法 ( 定长 CPU周期 )

(2) 不定长 CPU周期

五、控制方式五、控制方式 1. 同步控制方式 同步控制方式即固定时序控制方式，各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。由于不同的指令，操作时间长短不一致，同步控制方式应以最复杂指令的操作时间作为统一的时间间隔标准。

无基准时钟信号 ,各设备之间的信息交换采取应答方式，如 CPU 要从设备中读数据，则 CPU 发读信号，然后等待；设备把数据准备好后，就向 CPU 发“准备好”信号， CPU 将数据读入。由于这种控制方式没有统一的时钟，而是由各功能部件本身产生各自的时序信号自我控制，故又称为分散控制方式或局部控制方式。

也可以用异步和同步相结合的方式进行控制，将大部分操作安排在固定的机器周期，对某些难以确定的操作则以问答方式进行。

2. 异步控制方式

六、指令的操作流程六、指令的操作流程　　将指令的执行过程进一步分解成一系　　将指令的执行过程进一步分解成一系列的微操作步骤，称为操作流程。列的微操作步骤，称为操作流程。 将微操作控制信号合理地分配在各将微操作控制信号合理地分配在各个机器周期的各个节拍中，便可构成各条个机器周期的各个节拍中，便可构成各条机器指令的操作流程图。机器指令的操作流程图。　　有了操作流程图，就能非常清晰的了　　有了操作流程图，就能非常清晰的了解一条指令在执行过程中，各操作步骤被解一条指令在执行过程中，各操作步骤被安排在不同的时间内完成。安排在不同的时间内完成。

关于微操作序列，需要说明以下几点：关于微操作序列，需要说明以下几点： 微操作是不能再分的操作，每一个微操微操作是不能再分的操作，每一个微操

作对应一个控制信号。作对应一个控制信号。

微操作序列的顺序必须是恰当的，有严微操作序列的顺序必须是恰当的，有严格的先后顺序。格的先后顺序。

不能引起数据通路上的信息发生冲突。不能引起数据通路上的信息发生冲突。

PC IR

AC

CU

时 钟

ALU

M D R

M A R

…

…

…

控制信号

标志

控制信号

C0C1

C2

C3

C4

取指周期

以 ADD @ X 为例

M D R

PC

M A R

IR

CU

1. 不采用 CPU 内部总线的方式

1. 不采用 CPU 内部总线的方式

PC IR

AC

CU

时 钟

ALU

M D R

M A R

…

…

…

控制信号

标志

控制信号C1

C2

C3C5

ADD @ X 间址周期 M D R

M A R

M D R

IR

PC IR

AC

CU

时 钟

ALU

M D R

M A R

…

…

…

控制信号

标志

控制信号

1. 不采用 CPU 内部总线的方式

C1

C2

C5

ADD @ X 执行周期

C7

C6 C8

M A R

AC

ALU

M D R

M D R

… 控制信号

MDRMDR

CU(1) ADD @ X 取指周期

• PC

• CU 发读命令 1 R

• MDR

• OP （ IR ）

• （ PC ） + 1 PC

IR

PC

MAR

AC

Y

ALU

Z

…控制信号

IRi

IRi

PCO

PCO

MARi

MARi

MDRO

MDRO

…• 数据线 数据线

控制信号

CPU 内 部 总 线

时钟2. 采用 CPU 内部总线方式

地址线

地址线MAR

MDR

IR

CU

IR

PCPC

MDR

MAR

CU

IR

(2) ADD @ X 间址周期

• MDR

• 1 R

• MDR

有效地址 Ad （ IR ）

MDRO

MDRO

时钟 CU

IR

PC

MAR

MDR

AC

Y

ALU

Z

…控制信号

…控制信号

CPU 内 部 总 线

IR

MARi

MARi

地址线

地址线MAR

IRi

IRi

MAR

MDR

IR

MDRMDR

MDRO

MDROMDROMDROMDRO

形式地址 MAR

时钟 CU

IR

PC

MAR

MDR

AC

Y

ALU

Z

…控制信号

CPU 内 部 总 线MDRO

MDRO

(3) ADD @ X 执行周期

• 1 R

• MDR

• Z

• AC

•（ AC ） +（ Y ）

• MDR

控制信号 …

MAR 地址线

地址线

数据线

MAR

MDR

YMDRMDRMDRO

MDROMDROMDROMDROMDROMDRO

Yi

Yi Y

ALUACACO ACO

ALUi

ALUiALUALUAC

Z

Z

Z

ZO

ZO

ACi

ACiACACACAC

MARi

MARi

ALU

AC

TT11 节节拍：拍： PC→MARPC→MAR TT22 节节拍：拍： READ MREAD M TT33 节节拍：拍： PC+1→PCPC+1→PC TT44 节节拍：拍： MDR→IRMDR→IR 、指令译码、指令译码

这对于所有的指令都是一样的，因此称这对于所有的指令都是一样的，因此称为为公操作公操作。。

设每个机器周期内包含设每个机器周期内包含 44 个节拍个节拍 (T(T11～～ TT44)) ，，读取指令读取指令的过程可描述为：的过程可描述为：

取数指令的操作流程如下：取数指令的操作流程如下：

TT11 节拍节拍：： IRIR （（ ADRADR ）→）→ MARMARTT22 节拍节拍：： READ MREAD MTT33 节拍节拍：： MDR→BUSMDR→BUSTT44 节拍节拍：： BUS→ACBUS→AC

同样是取数指令，如果采用间接寻同样是取数指令，如果采用间接寻址方式，则至少需要两个执行周期，址方式，则至少需要两个执行周期，取操作取操作数地址数地址周期和周期和取操作数取操作数周期。周期。

TT11 拍：拍： IR →MARIR →MAR

TT22 拍：拍： READ MREAD M

TT33 拍：拍： DBUS →MDRDBUS →MDR

TT44 拍：拍： MDR →MARMDR →MAR

TT11 拍：拍： READ MREAD M

TT22 拍：拍： DBUS →MDRDBUS →MDR

TT33 拍：拍： MDR →ACMDR →AC

TT44 拍：拍： WAITWAIT

CPUCPU 周期 周期 11

CPUCPU 周期 周期 22

不同指令的不同指令的流程流程

指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据？

请分别写出汇编指令请分别写出汇编指令

INC R0 INC R0

INC [R0]INC [R0]

的指令流程，并比较它们的区别。的指令流程，并比较它们的区别。

练习：练习：