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1、2023/11/13,1,第3章 运算器与控制器,3.1 控制器概述,3.3 微程序控制器概述,3.0 运算器概述,2023/11/13,2,掌握：加减运算的实现控制器的功能和基本组成微程序控制器的概念、原理,2023/11/13,3,第3章 运算器与控制器,运算器部件：,是计算机加工处理数据的功能部件。,对数据的加工处理包括：,与、或、非、异或等。,ALU是运算器中的核心部件。也是运算器内部传送数据的重要通路。,运算器的核心功能：,实现算术运算和逻辑运算,算术逻辑单元ALU（Arithmetic-Logical Unit）：,加、减、乘、除等；,数值数据的算术运算：,逻辑数据的逻辑操作：,2
2、023/11/13,4,第3章 运算器与控制器,运算器还暂存参加运算的数据和中间结果，选择参加运算的数据，所以运算器内包含一定数目的通用寄存器和多路选择器、译码电路等。,运算器,定点运算器,浮点运算器,定点运算器用硬件直接实现，是必备的运算器。,浮点运算器又称为数学协处理器，主要用硬件完成，是可选件。,现在的高档微机已经把定点运算器和浮点运算器集成在一个芯片中。,2023/11/13,5,第3章 运算器与控制器,控制器,是整个计算机系统的指挥中心，协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。,微处理器,微处理器将运算器与控制器集成在一个芯片上，通常称为中央处理单元（CPUCentral Pr
3、ocessing Unit）。,控制器,组合逻辑控制器（又称硬布线逻辑控制器）,微程序控制器,2023/11/13,6,第3章 运算器与控制器,3.1 运算器概述,运算器主要由算术逻辑运算单元ALU、锁存器、寄存器、内部总线和控制电路等构成。其核心部件是ALU。下面介绍运算器的基本结构和组成。,3.1.1 运算器的基本结构,运算器三种结构形式,单总线结构,双总线结构,三总线结构,2023/11/13,7,第3章 运算器与控制器,1单总线结构,单总线结构的运算器如所示,2023/11/13,8,第3章 运算器与控制器,在单总线结构的运算器中，所有部件都挂在同一总线上，各部件之间的数据传送都是通过
4、同一总线进行。,由于同一时刻只能有一个操作数放在总线上，各部件对总线是分时使用的。,进行一次运算需三步完成,第一步通过总线把第一个操作数送锁存器A；,第二步将第二个操作数送入锁存器B；,第三步将运算结果通过总线送入目的寄存器中。,单总线结构的运算器结构简单，但速度较慢。,2023/11/13,9,第3章 运算器与控制器,2双总线结构,双总线结构的运算器如图所示,2023/11/13,10,第3章 运算器与控制器,在双总线结构的运算器中，用两组内部数据总线连接运算器的所有部件。,这种结构中，两个操作数可同时加到ALU的输入端，且可立刻得到运算结果。,ALU的输出不能直接连到总线上，因为当形成操作
5、结果时，两条总线都被输入数据占据着，所以必须在ALU输出端设置锁存器。,进行一次运算需两步完成,第一步把两个操作数分别通过总线1、总线2送ALU的输入端，并形成运算结果送锁存器。,第二步把锁存器的运算结果通过任一总线送入目的寄存器中。,双总线结构的运算器提高了运算速度。,2023/11/13,11,第3章 运算器与控制器,3三总线结构,三总线结构的运算器如图所示,2023/11/13,12,第3章 运算器与控制器,在三单总线结构的运算器中，用三条总线连接运算器的所有部件。,这种结构中，ALU的两个输入端，分别由总线1、总线2供给数据，而ALU的输出与总线3相连。,进行一次运算只需一步就可完成,
6、把两个操作数分别通过总线1、总线2送ALU的输入端，并形成运算结果直接通过总线3送入目的寄存器中。,图中设置了总线旁路器，如果有的数据要在总线间直接传送，可通过总线旁路器将总线2的数据直接传给总线3。,三总线结构的运算器运算速度很快，但内部线路复杂。,2023/11/13,13,第3章 运算器与控制器,3.1.2 运算器的组成,以一个模型机的运算器为例，说明运算器的组成。,该运算器由如下几部分构成：,1算术/逻辑运算单元ALU,由4片SN74181和SN74182构成。,SN74181是4位并行加法器，SN74182是并行进位部件。,可构成16位的ALU。,2023/11/13,14,第3章
7、运算器与控制器,2锁存器,锁存器A、B用来暂存来自通用寄存器、存储器或外部设备的数据。给ALU提供参加运算的数据。,一旦数据进入锁存器，不管外部数据怎样变化，都不能改变锁存器的内容。,ALU将依据锁存器A、B的数据进行处理。,3通用寄存器组,该运算器设置了8个通用寄存器R0R7。,通用寄存器可供程序员访问，用来作为累加器、变址寄存器、操作数寄存器等来使用。,2023/11/13,15,第3章 运算器与控制器,源寄存器用来存放源操作数。,暂存寄存器用来暂存中间结果。,4移位器,移位器用来将ALU的数据进行左移、右移、直传、半字交换等操作。供不同运算要求使用。,状态寄存器用来存放在运算过程中得到的
8、状态标志（如零标志、进位标志、符号标志等），以便供程序判断使用。,5状态寄存器,2023/11/13,16,第3章 运算器与控制器,模型机运算器组成框图,2023/11/13,17,第3章 运算器与控制器,3.2 控制器的功能和基本组成 3.2.1 控制器的功能,控制器的作用是控制程序的执行，它应具有下列功能。,1取指令,根据程序入口地址，从存储器中取出一条指令，并指出下条指令的地址。,取出的指令送到指令寄存器，以便分析运行该指令。,2分析指令,分析指令又叫解释指令或指令译码。,2023/11/13,18,第3章 运算器与控制器,3执行指令,根据分析指令产生的控制命令和操作数地址，形成相应的操
9、作控制信号序列，通过运算器、存储器、输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能。,计算机不断重复上述三种操作：取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行，如此循环，直到遇到停机指令或外来干预为止。,是对当前取得的指令进行分析，指出它要求完成什么操作，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，还要形成操作数地址。,2023/11/13,19,第3章 运算器与控制器,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时，如溢出、校验错等，或某些外来请求，如中断、DMA等，要进行相应的处理。,4控制程序和数据的输入与结果的输出,根据程序的安排并通过人的干预，在适当的时候向输入/输出设备发
10、出一些相应的命令来完成输入/输出功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。,2023/11/13,20,第3章 运算器与控制器,3.2.2 控制器的组成,2023/11/13,21,第3章 运算器与控制器,1程序计数器PC(Program Counter),程序计数器又称为指令计数器IP（Instruction Pointer），是用来存放下条指令地址的。,当取出指令后，应确定下条指令的地址，这样才能保证程序的连续执行。,在程序开始执行时，必须将程序的入口地址（第一条指令地址）送入PC。,程序运行中，CPU自动修改PC的值。PC一直指向下次要取的指令。,2023/11/13,22,第3章 运算器
11、与控制器,一般有两种途径来形成指令地址：,一是顺序执行时，通过程序计数器自动增量形成下条指令地址，即每取一条指令，PC自动加1；,二是遇到要改变程序执行顺序时，一般由转移指令形成转移地址送程序计数器，形成下条指令地址。,PC在某些计算机中用来存放当前正在执行的指令地址；而在另一些计算机中用来存放下条指令地址；在有预取指令功能的计算机中用来存放下条要取出的指令地址。,2023/11/13,23,第3章 运算器与控制器,2指令寄存器IR(Instruction Register),指令寄存器用来存放当前执行的指令。,要执行一条指令时，先将其从存储器中取出，取出的指令首先存放在指令寄存器当中，以便下
12、一步送指令译码器译码执行。,3指令译码器ID(Instruction Decoder),一条指令一般包括操作码部分和操作数地址部分。,操作码指示指令要完成的什么操作。,指令译码器的作用就是对指令寄存器的操作码部分进行译码，产生相应的控制信号。,2023/11/13,24,第3章 运算器与控制器,4时序控制信号形成部件,时序控制信号形成部件，对译码器送来的控制信号，按一定的时序关系产生控制信号序列，控制CPU内部各部件完成指令功能。同时也发出各种外部控制信号。,时序信号的形成，是在时钟脉冲的作用下进行的。,时序控制信号要根据被控制部件的反馈信号进行调整。,5脉冲源，启停线路,脉冲源主要是时钟发生
13、器，它产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，该脉冲信号是机器的工作脉冲的基准信号。,在加电时，产生一总清信号(RESET)。启停电路送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动或停止机器。,2023/11/13,25,第3章 运算器与控制器,3.2.3 指令的执行过程,下面以上图控制器为例，说明指令MOV 2000H，AL的执行过程。,指令的功能是将寄存器AL中的内容送入地址为 2000H的内存单元中。,该指令是一个三字节指令，假设存放在1200H开始的内存单元中。,指令的执行需要三步,取指令操作码并译码,取操作数地址,存储操作数,2023/11/13,26,第3章 运算器
14、与控制器,指令的内存存放示意图,1取指令操作码,（1）将指令计数器（PC）的内容（1200H）送存储器的地址寄存器（AR）；,（2）指令计数器（PC）内容加1，变成1201H，为取下面内容作准备；,（3）AR内容送地址总线，发读信号给存储器，读出指令操作码送指令寄存器IR；,（4）译码器对取出指令的操作码进行译码，识别出是直接寻址的传送指令，发出完成下一步操作的控制信号。,2023/11/13,27,第3章 运算器与控制器,2取操作数地址,因1201H和1202H单元存放的是操作数的地址（低位在前，高位在后），首先将其取出，再将寄存器的内容存入该地址所指的内存单元。如下操作过程：,（1）将PC
15、的地址送AR；,（2）PC内容增量，指向下条指令；,（3）将AR的地址送上地址线，发读一个字的读命令，读出数据（2000H）送数据寄存器DR；,（4）将DR的内容送AR。,2023/11/13,28,第3章 运算器与控制器,3存储操作数,将寄存器AL的内容存入上一步取出的地址（2000H）单元。如下操作过程。,（1）将寄存器AL的内容送DR；,（2）将AR的地址（2000H）送到地址线上，指向要写入的单元；,（3）将DR的内容送到数据线上；,（4）发出存储器写信号，将数据总线上的数据写入到所选存储单元。,到此整个指令执行完毕，继续执行下条指令。,2023/11/13,29,第3章 运算器与控制
16、器,3.3 微程序控制器,3.3.1 微程序控制器的基本概念,1微程序的基本概念和术语,微命令：,是构成控制信号序列的最小单位，即能直接作用于某部件控制门的命令。如：控制门的选通信号、触发器的打入脉冲、置位脉冲等。,微操作：,由微命令控制实现的最基本的操作。如取指操作中的基本操作就是微操作，即：（PC）AR，（PC）+1PC，DBIR等。,2023/11/13,30,第3章 运算器与控制器,微指令：,由同时发出的控制信号所执行的一组微操作命令构成微指令。,微指令就是把同时发出的控制信号的有关信息汇集起来而形成的。,将一条指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令就可以实现指令的功能。,微程序：
17、,微指令序列的集合叫做微程序。,计算机中每条指令的功能均由微程序完成的。,控制存储器：,存放微程序的存储器。,由于该存储器主要存放控制命令与下条执行的微指令地址，所以被叫做控制存储器。,2023/11/13,31,第3章 运算器与控制器,2微程序设计的基本思想,将每一条机器指令的功能，用一段微程序来实现。,每段微程序由若干微指令组成，每个微指令含有若干微命令，每个微命令完成一个微操作。,所以执行相应的微程序就完成了对应机器指令的功能。,一般计算机的指令系统是固定的，所以实现指令的微程序也是固定的，于是控制存储器可以用只读存储器实现。,又由于机器内控制信号数量比较多，再加上决定下条微指令的地址码
18、有一定的宽度，所以控制存储器的字长比机器字要长的多，一般100多位。,2023/11/13,32,第3章 运算器与控制器,3机器指令与微指令，程序与微程序，主存储器与控制存储器的关系,机器指令,用于完成机器的一项基本功能，是提供给用户编程序的基本单位。,微指令,是用于实现机器指令某步操作的一系列微命令的组合，它作为机器的内部信息，对用户是“透明”的。,程序,是程序员为完成某项任务而编制的，由若干语句组成。,微程序,由若干微指令构成，用于实现机器指令。是在设计计算机时，事先设计好的。,主存储器,是存放机器指令程序和数据的，是构成计算机的一大部件。,控制存储器,是存放微程序的，是构成控制器的主要组
19、成部分。,2023/11/13,33,第3章 运算器与控制器,3.3.2 微程序控制器的组成及工作原理,1微程序控制器的组成,微程序控制器的组成框图如图所示,2023/11/13,34,第3章 运算器与控制器,微程序控制器,微指令地址形成电路,微地址寄存器,控制存储器,微指令寄存器,状态条件部件,微指令地址形成电路,用于形成微程序入口地址和下条微指令地址。,机器指令操作码部分送入微指令地址形成电路，形成该条指令的微程序入口地址，从此地址开始执行相应的微程序段。,微地址寄存器,用来存放微指令地址。,2023/11/13,35,第3章 运算器与控制器,控制存储器,存放所有机器指令所对应的微程序。,
20、控制存储器包括微指令地址译码及驱动电路。,来自微地址寄存器的微地址经译码驱动，选中相应的微指令单元，读出所选微指令，送微指令寄存器。,微指令寄存器,存放从控制存储器中读出来的微指令。,微指令包括两大部分：,微操作控制字段,顺序控制字段（下址字段）,提供微命令。,指示下条微指令地址的形成方式，或直接提供下条指令地址。,2023/11/13,36,第3章 运算器与控制器,2微程序控制器的工作原理,微程序控制是将每一条机器指令的执行，分割成若干微操作序列，对应编制一小段微程序，执行指令的过程就是执行对应微程序的过程。,运行过程有如下几个步骤：,（1）首先，从控制存储器中取出一条“取机器指令”用的微指
21、令，送微指令寄存器。,这是一条公用的微指令，因所有机器指令的取指操作都是一样的，对应的微指令也是一样的。,该微指令一般存放在控制存储器的0号或1号单元。执行该微指令，从主存储器中读出一条机器指令，送指令寄存器IR。,2023/11/13,37,第3章 运算器与控制器,（2）机器指令操作码经微地址形成电路形成该指令对应的微程序入口地址，送微地址寄存器。,（3）从控制存储器中逐条取出微指令，送微指令寄存器。,每条微指令提供一个微命令序列，控制有关操作。每执行完一条微指令，再由下址字段指出下条微指令的地址，再继续取出下条微指令执行。,（4）执行完对应一条机器指令的一段微程序后，返回0号（1号）微地址单元，读取“取机器指令”的微指令，以便取下条机器指令继续执行。,
