计算机组成原理教学课件 马辉 第7章.ppt

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1、第7章控制单元CU本章导读控制器控制计算机系统中所有组成部件的工作情况，是CPU中结构最复杂，功能最重要的组成部分。本章导读本章介绍CPU中控制器部分的组成与工作原理，内容包括控制器的功能与结构，计算机系统中有关时序的基本概念，指令执行的过程等，同时对于流水线技术、超标量和超流水等技术进行简单介绍。最后，通过一个RISCCPU的结构实例，帮助读者加深对相关知识的理解。本章要点控制器的功能与结构指令执行过程指令流水线的基本概念超标量的基本概念动态流水线的基本概念7.1控制器的功能与组成7.1.1控制器的功能7.1.2控制器的组成7.1

2、.1控制器的功能计算机对信息进行处理（或计算）是通过程序的执行而实现的，程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：（1）取指令当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。在程序执行中再不断取出第2、3…条指令。（2）分析指令或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分析，指出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。（3）执行指令根据分析指令时产生的“操作命令”和“

3、操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU、存储器及输入输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中还包括对运算结果的处理及下条指令地址的形成。（4）控制程序和数据的输入与结果输出根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来实现I/O功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。（5）对异常情况和某些请求的处理当机器出现某些异常情况，如算术运算的溢出和数据传送的校验错；或机器有某些外来请求，如磁盘上的成批数据需送存储器或程序员从键盘送入命令等，此时由这些部件发出中断请求信号或DMA请求信号。控制器要能保证这些

4、情况的处理。7.1.2控制器的组成根据对控制器功能的描述，可见控制器的主要任务就是根据指令操作码和时序信号，产生各种微操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。由此得出控制器的基本组成如下：（1）程序计数器（PC）即指令地址寄存器。在某些计算机中用来存放即将要执行的下一条指令的地址；而在另一些计算机中则用来存放当前正在执行的指令的地址；而在有指令预取功能的计算机中，一般还需要增加一个程序计数器用来存放下一条要取出的指令地址。有两种途径来形成指令地址，其一是顺序执行的情况，通过程序计数器加“1”形成下一条指令

5、地址（如存储器按字节编址，要按指令的实际字节数修改）。其二是遇到需要改变顺序执行程序的情况，一般由转移类指令形成转移地址送往程序计数器，作为下一条指令的地址。（2）指令寄存器（IR）用以存放当前正在执行的指令代码，以便在指令执行过程中，控制完成一条指令的全部功能。（3）指令译码器或操作码译码器对指令寄存器中的指令操作码OP部分进行分析解释，判断指令的功能，并作为产生相应的控制信号的依据。在执行指令过程中，需要形成有一定时序关系的操作控制信号序列，为此还需要下列组成部分。（4）脉冲源和启停线路脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时

6、钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号。在机器刚加电时，还应产生一个总清信号（reset）。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机。（5）时序控制信号形成部件当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。图7-1是控制器基本组成的框图，假设操作数地址以及转移地址的计算在运算器中进行（事实上有不少计算机专设有地址加法器）。并假设运算器与控制器之间有内部数据通路，而运算器、控制器与存储器、输入输出设备

7、之间均通过总线相连。一般数据总线能双向传送数据，地址总线的信息传送方向视情况而定，一般CPU输出地址，存储器或I/O设备接收地址。图7-1控制器基本组成框图在某些计算机的控制器中，将反映机器运行的状态（程序计数器PC及运算结果的状态等信息）集中在一起称为程序状态字（PSW），而将保存程序状态的寄存器称为程序状态寄存器（PSR）。各个机器的程序状态字所包含的内容不完全相同。图7-1给出的框图是最基本的控制器组成，事实上现代计算机体系结构有很大的发展，如有些CPU中有一个指令预取队列，可以预取出若干条指令，存放在由寄存器组成的队列中，这样

8、当执行程序需取指令时，可从寄存器中得到。有些CPU为了提高速度，采用了流水线技术。另外在CPU中还应包括有关“中断处理”的部分、存储管理的部分、高速缓存部分等。7.2指令周期与多级时序系统7.2.1指令周期的概念7.2.