计算机组成原理第六章

《计算机组成原理第六章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、计算机组成原理第6章计算机的控制器部件2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方式和时序产生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）控制器优化技术：指令流水线和向量处理机技术3一控制器的功能概述冯.诺依曼结构的计算机“存储程序”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

2、的最后一条指令4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能够正确并分步完成每一条指令规定的功能读取指令→分析指令→执行指令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进一步讲，就是向计算机各功能部件(运算器、存储器、总线、输入输出设备的接口，也包括控制器部件本身)提供它们每一个步骤协调运行所需要的控制信号。5控制器的组成概述①程序计数器PC存放指令地址，有增量或接收新值的功能②指令寄存器IR存放指令内容：操作码与操作数地址③

3、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④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主脉冲源与启停控制线路6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①②③④7二两种不同类型的控制器根据指令步骤标记线路和控制信号产生线路不同的组成和不同的运行原理，有两种不同类型的控制器：硬连线控制器(组合逻辑控制器)：采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步骤直接产生控制信号。微程序控制器：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。8硬连线vs

4、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2nxmbits9比较对于控制器设计，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。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

5、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CISC结构。微程序控制器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ROM或RAM的内容，升级或更改电路非常方便。2、采用RAM或ROM实现，查找需要时间，逻辑实现速度没有硬连线逻辑快。10三、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要的时间。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

6、周期组成。机器周期：又称为CPU周期，用于完成1次内存的操作（读或写访问）或者1次ALU的运算，或者1次总线传送（指令执行过程中的一个完整功能步骤）一般规定为CPU与内存交换1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。通常情况下：一条指令的执行过程包括读指令（取指步骤1）、指令译码（取指步骤2）、ALU执行（执行步骤1）、内存读写（执行步骤2）、数据写回（执行步骤3）等5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期。时钟周期：又称为节拍周期，是

7、指CPU执行一个微操作命令（即控制信号）的最小时间单位，也即T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）。11指令周期、机器周期、时钟周期的关系12节拍信号TS1~TS4和时钟信号源Φ的关系下例中，每四个节拍信号构成一个机器周期。（TS1,TS2.TS3,TS4信号控制一个机器周期中微操作的执行顺序）机器周期113全部指令都选用相同执行时间完成的系统被称为单周期CPU，指令周期取决于用时最长的指令，例如每条指令都用5个步骤的时间完成，控制各部件运行的信号在整个指令周

8、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，原理正确但不实用。IFIDEXEMEMWB单周期CPU指令周期IFIDEXEMEMWB指令周期14依据不同指令各自的功能需求为其选择不等的执行步骤的系统被称为多周期CPU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，系统性能和资源利