十九、控制器

（一）分析各种指令过程，寻找控制单元作用

A、指令执行周期

• 非访存指令（指令执行过程中，不需要访问内存即可操作），如下：

• 访存指令（指令执行过程中需哟啊访问内存），如下：

加法指令被取入IR中后，将自身的地址码从新送入MAR中，CU（控制器）发出读指令，内存将MAR中地址对应内容写入MDR中，返回给寄存器。

存术指令STA X，意味将寄存器内容存入指定X得地址对应存储单元。IR提供自身指令的操作数地址送入MAR，CU发出写命令，ACC写入MDR总，MDR再根据MAR中地址写入。

BAN指令，在执行周期中，要先查看ACC中上一条指令的运行结果的第一位（符号位）若为1（负）则将自己地址码送入PC作为下一条指令执行，如果为0，则保持原PC值迭代，自动执行下一条指令。

B、中断周期

程序断点存入0地址，0要送入MAR中，随后CU向存储器发出写命令W，然后PC（程序断点）送入MDR，MDR根据CU送入MAR中的0地址存入程序断点，而后向量生成中断程序入口地址送入PC或者中断识别程序送PC开始生成中断程序入口地址并执行。最后关中断。（断点存入存储器）

（断点入栈方式只有第一步不一样）SP（栈顶）-1，然后送入MAR，即一会送入MDR中的数据（断点）要保存的位置（栈顶）

（二）控制器结构

A、控制器外部线路概览

• 时钟信号用来控制CU做周期性的运转。
• 标志用来获得某些结构的状态。
• 指令寄存器将指令的操作码部分送入CU。
• CPU内部控制信号，控制CPU内部其他各部件进行相关操作。
• 到系统总线的控制信号，用来控制计算机其他部件进行工作。
• 来自系统总线的控制信号，一般如中断请求信号等。
• 

B、控制信号举例（不采用CPU内部总线，直接互联、以ADD指令为例）

• 取指周期

CU打开控制门C0，将PC中指令所在地址送入MAR,CU打开MAR到主存的控制门C1，同时向主存发出读命令，主存收到读命令后，通过C2控制门将指令送入MDR，MDR将ADD命令送入IR，同时将ADD命令中的一个操作数送入ACC寄存器中，然后IR将自己ADD的操作码送入CU进行解析。

• 执行周期

上一周期取出的指令还在MDR中，MDR将指令的地址码送入MAR（C5由CU控制打开），CU打开C1，将ADD需要的另一个操作数地址送入主存，同时发出读命令，主存收到读命令后，将操作数返回到MDR中，MDR将操作数送入ALU中，CU打开C6、C7，ALU将两个数相加得到结果送入ACC寄存器中。

• 间址周期（如果ADD的地址码是形式地址）

MDR将其中的ADD指令的地址码（形式地址）送入MAR中，然后CU发出读信号，主存将形式地址对应的真实地址送入MDR，MDR将真实地址同步到IR中ADD指令的地址码部分。

C、控制信号举例（使用CPU内部总线方式）

• 取指周期

CU将IR对应通路（IRi）打开PC将要获取指令的地址送入CPU总线，送入MAR中，CU通过控制总线向主存发出读命令，主存将指令内容通过数据总线返回到MDR，CU打开MDR0通路，MDR将指令通过总线送入IR（指令寄存器），IR通过IR和CU间的通路将指令的操作码部分送入CU供其解析。

• 间址周期

如果操作数是通过间址寻址方式获得的话，当指令被送入MDR之后，MDR中的指令的地址码部分是形式地址，MDR会通过MDR0打开后的通路接入总线，将形式地址传入MAR，MAR再通过地址总线将地址传入主存， CU发出读命令，然后主存将真实操作码地址返回MDR中，MDR将新的地址码同步到指令中，用于执行阶段对操作数的获取。

• 执行周期

MDR将真实操作数地址通过CPU的内部总线（每次进入总线都需要CU打开相关门，以后都忽略）传入总线到达MAR中，MAR通过地址总线将地址传入主存，CU向主存发出读命令，主存收到读命令后，将数据通过数据总线返回到MDR中，MDR将数据通过总线传入Y中，随后CU（控制单元）发出ADD运算指令，AC、Y中操作数同时送入ALU中，运算结果保存在Z中，Z再通过总线传入ACC，ACC最终作为保存结果的位置。

（三）多级时序系统

A、机器周期

• 机器周期：就是所有指令在执行的过程当中的一个基准时间，通俗来讲，我们之前看到的指令的不同阶段（周期）就是机器周期的上一级时序，指令周期由机器周期构成。
• 确定机器周期需要考虑的因素：每条指令执行的步骤，每一步骤所需的时间。
• 基准时间的确定，一般要用完成最复杂指令所需要的时间作为基准时间。一般指令中涉及要访问主存的指令用时最长，故我们可以以访问一次储存器的时间为基准。
• 如果指令字=储存字长，则取值周期=机器周期。

B、时钟周期（节拍、状态）

• 这一概念比机器周期小，机器周期是由多个时钟周期（节拍、状态）构成。例如我们在指令执行周期（机器周期）中，会将MAR中的地址送入主存，会将IR中的指令送入CU进行指令解释。
• 每个节拍是一个微操作。
• 时钟周期是计算机操作中的最小单位时间。
• 一个机器周期被分成若干个相等的节拍（时钟周期、状态）。
• 我们用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令（多个命令可以同时在一个节拍下并行运行）。

C、机器周期和节拍构成的多级时序系统

如上图，一个指令周期包含多个机器周期，一个机器周期包含多个节拍。

每个机器周期包含的节拍数可以不同，也可以相同。

D、机器速度与机器主频的关系

机器的主频f越快，机器的速度越快，前提是机器周期中所含的节拍（主频的倒数）数以及指令周期中所含有的机器周期数有关。

在上面条件下，平均指令执行速度之比，就是两台机器的主频之比。

（四）控制方式

产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式

A、同步控制的方式

每个节拍（微操作）都是由统一基准时标的信号控制。

• 实现方式一：采用定长的机器周期，用最长的微操作序列（可以暂理解为机器周期）和最复杂的微操作作为标准，机器周期内的节拍数相同。这样就导致一些简单的微操作序列，不需要太长时间，从而导致节拍闲置（浪费）。
• 可以通过延长一些机器周期（增加节拍）的方式来增加节拍利用率
• 采用中央控制和局部控制相结合的方法：（延长部分用局部控制节拍来控制）

B、异步方式

无基准时标信号；无固定的周期节拍和严格的时钟同步；采用应答方式（“相互握手”）

C、联合控制方式

同步和异步相结合。

D、人工干预方式（用于程序调控等）

RESET、连续和单条指令执行转换开关、符合停机开关。

（五）控制器的结构设计

A、组合控制逻辑方式

• CU外特性

• 机器主频通过节拍发生器产生不同的节拍信号，不同节拍信号对应某条指令的某个微操作的起始。
• 标志用来判断上条指令的结果是否满足该条跳转指令的跳转条件等
• IR中的操作码经过操作码译码器后，只有一条线为高电平1，就对应操作码的各种操作。
• 经过三方面的输入，每个节拍下，都会有一个控制信号输出（或者多个可以并行的控制信号同时发出）

B、微操作的节拍安排（同步方式，一个机器周期有三个节拍）

上面C1到C12个控制指令、ALU右端的控制信号（控制ALU要作什么运算）、标志的修改（根据ALU的运算结果）、这些控制信号都在节拍的控制下由CU给出。

C、微操作安排的原则

1. 微操作之间的顺序不能随意更改，例如指令必须在从内存中取出后，才能够将操作码送入CU译码。
2. 互相关涉的部件不冲突，没有先后顺序（可以并行）的指令，尽量安排在一个时钟周期执行。
3. 占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍中执行，微操作间允许有先后顺序。

取指周期微操作的节拍安排

• 第一个节拍，PC中的指令地址送入MAR中；CU向主存发出读指令。（按照原则二，这两个指令关涉的部件不一样，可以并行）
• 第二个节拍，主存根据地址，将指令返回MDR；PC中的地址+1；（原则二）
• 第三个节拍，MDR中的指令送入IR寄存器；指令中的操作码被送入到ID（指令解析器）当中。

间址周期微操作的节拍安排

• 第一节拍，IR中的形式地址送入MAR中；同时，CU向存储单元发送读指令。
• 第二节拍，存储器中的真实地址被送入MDR中。
• 第三节拍，MDR中的真实地址同步到IR中指令的地址码部分，方便下步执行周期获取操作数。

执行周期微操作的节拍安排（不同指令，安排不同）

指令微操作安排CLA（刷新寄存器，acc寄存器置0）T0 无、 T1 无、T2 0 -> ACCOM（ACC中每位取反）T0 无、 T1 无、T2 AC取反 -> ACSHR（ACC右移一位）

T0 无、 T1 无、

T2 L（AC）-> R(AC) 右移操作

           AC0 -> AC0 (保持符号位操作）

CSL（循环位移）

T0 无、 T1 无、

T2 R（AC）-> L(AC)

         AC0 -> ACn

STP（停机指令）

T0 无、 T1 无、

T2 0 -> G（停机触发器）

ADD X （加数指令）

T0 Ad（IR） -> MAR     1 -> R

T1 M(MAR)存储器对应内容 -> MDR

T2 AC和MDR中两个操作数相加。各种打开控制门操作等

STA X （将数据写入存储器）

T0 Ad（IR）-> MAR   1 -> w(读指令）

T1 AC(要存入的数据） -> MDR

T2 MDR -> M(内存）

LDA X （将数据读出存储器）

T0 Ad（IR）-> MAR    1 -> R(读指令）

T1 M存储器对应单元-> MDR

T2 MDR -> ACC

JMP X (无条件跳转指令）

T0 无、 T1 无、

T2 Ad（IR）-> PC

  (将跳转的地址送入PC即可）

BAN X （条件分支指令）

T0 无、 T1 无、

T2

（ 根据条件判断将不同地址送入PC）

A0*Ad（IR） + 0 * PC -> PC

这里实际是根据标志生成器的结果送入不同地址到PC，标志生成器会根据ACC中结果不同给出不同标志送入CU。这里是简化了表达。

中断周期微指令的节拍安排

• 第一个节拍，将0地址送入MAR中；同时CU向主存发送写命令；
• 第二个节拍，将PC中要保存的断点送入MDR；
• 第三个节拍，MDR中断点存入存储器，同时向量地址生成中断程序首地址存入PC；

组合逻辑的设计步骤

• 列出时间表

状态标签是I，如果有多个状态标签，就可以进入多次间址周期。

• 每个指令可能有的阶段

硬件结构图及特点：

（六）微程序方式设计控制信号发送 

大概就是上面的设计方式，把每个节拍需要用到的控制信号都存入控制储存器，当第一个指令要取出时，就要先将PC的值送入微地址形成部件，经顺序逻辑选择后放入MAR，从控制存储器取出微指令，微指令包含两部分一部分是控制信号，取出后会直接跟相关控制信号发送给对应部件，另一部分对应下一个微指令的地址。

注：计算机组成原理的笔记均根据哈工大mooc资源整理。