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前言

学无止境，笔勤不辍。今天笔者简单介绍一下有关控制器的知识点…

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一、控制器概述

系统总线总共有三种:1.AB(地址总线) 2.DB(数据总线) 3.CB(控制总线)
AB是单向的，DB是双向的
存储器结构：

1.普林斯顿结构:再冯诺依曼计算机体系结构中，程序(指令)和数据存储在同一个存储器中，CPU和主存之间有一套AB和DB
采用这种结构在取指令、读写数据操作时需要分时共享唯一的一套总线。
2.哈佛结构:将程序指令和数据分别存储在独立的存储器中(程序存储器、数据存储器)，CPU通过独立的两套AB and DB 总线去访问它们
哈佛结构的指令和数据的宽度可以不同
3.改进的哈佛型结构:改良...

CPU的基本功能

1.指令控制:确保计算机指令顺序执行
2.操作控制:CPU负责产生、组合、传送、管理相关指令的微操作(操作信号)
3.时间控制:使微操作和指令严格按照时间序列执行
4.数据加工:通过ALU对数据进行算术运算/逻辑运算

CPU实际上是一个有限复杂的状态机
设计CPU需要确定CPU的所有状态、每个状态对应的微操作、状态之间的转移控制(定序)
CPU指令执行的阶段：

1.取指令阶段:从存储器取出一条指令送到CPU
2.指令译码阶段:对指令译码，分析操作、寻址方式等(可能不对应任何状态/可能包含多个状态)
3.执行阶段:执行指令，完成操作

二、控制器的功能和组成

1.功能

1.取指令:Mem[PC]->IR(指令寄存器)，PC自增
2.分析指令:OP译码、MOD译码、寻址方式确定等
3，执行指令
4.中断处理和相应特殊请求

2.组成

1.专用寄存器

1.PC(程序计数器):存放当前正在执行的指令地址/下一条指令的地址
2.IR(指令寄存器):存放当前机器指令的指令码
3.AR(地址寄存器):存放访问存储器的单元地址/      I/O设备端口地址
4.DR(数据寄存器):存放访问存储器/  I/O设备的数据

2.指令译码器
对IR中的指令进行译码，一般操作码时n位，需要一个n线-2ⁿ的译码器作为ID，ID输出的指令信号送到控制信号形成部件。
3.时序系统:提供时钟基准和各级时序信号，规定每个操作的时间
4.操作控制信号形成部件:产生控制信号
a.硬布线控制器:组合逻辑电路构成
b.微程序控制器:存储逻辑电路构成

3.时序系统及其控制

1.指令周期:计算机从存储器取出一条指令并完成该指令的执行所需要的时间(各种指令的指令周期不同)
2.机器周期:指令周期分成几个阶段，每个阶段就是一个机器周期(通常把CPU与主存交换一次信息(读/写主存)所需要的最短时间记作机器周期)
3.时钟周期(节拍):CPU执行一个微操作最小时间单位，一个机器周期有若干个节拍

时序控制方式:
1.同步控制方式(固定时序控制方式):每条指令采用相同的机器周期数和相同的节拍，执行时间相同。(取微操作中耗时最长的指令为标准)
2.异步控制方法(可变时序控制方法):操作的节拍不固定，完成操作，发出应答信号，时序部件收到应答信号才开始下一条指令的执行
3.联合控制方式:大部分指令统一机器周期，少部分异步控制

时序部件：
1.时钟源，产生clk（基准主频脉冲）
2.节拍脉冲发生器
3.机器周期信号发生器
4.启停控制逻辑电路:控制微操作命令的产生/停止->启动/停止计算机的运行，启动计算器要在T1前前沿开始工作，停止计算机要在T4节拍结束后关闭时序部件

4.单周期、多周期、流水线

1.单周期

定义:每条指令在一个时钟周期内完成
CPU执行时间 =指令数CPI时钟周期

2.多周期

定义:指令执行要多个时钟周期 CPI>1 butCPU主频大大提高，时钟周期可以不固定但是要以各阶段中操作时间最长为准

3.流水线

CPI>1 采用并行处理操作，流水线的时钟周期要以各阶段中操作时间最长为准

三、微程序控制器

1.基本概念

基本思想:每条机器指令功能均用一段相应的微程序实现
微程序:微指令的有序集合，用于实现机器指令的功能
一条指令对应一段微程序
微指令:一组微命令组成的集合
微命令:组成微指令的最小单位，控制实现微操作的控制信号
一个微命令对应一个微操作
微操作:执行微命令时的动作

控制存储器:存放所有指令的微程序，一个存储单元存放一条微指令。控存一般是ROM(只读存储器)
微指令在控存中的地址->微地址
存放微地址的寄存器->微地址寄存器
从控存中取出的微指令放在微指令寄存器中
从控存中取出并指令一条微指令所需要的时间称为微周期，一般和一个机器周期相等…
微程序控制器由 控制存储器、微地址寄存器、微指令寄存器、后继微地址形成电路构成

2.微指令格式

1.控制字段:包含一组微命令字段，控制本条微命令的操作
2.判别测试字段:微指令发生转移的类别，用来确定后继地址
3.下址字段:下条微命令地址，给出转移微地址或后继微地址的相关信息

后继微地址的来源

1.自增1，后继微地址 = 当前微地址+1
2.来自指令译码器，产生微程序入口地址
3.来自下址字段
4.微子程序返回地址

控制字段的编码方式

1.直接控制法:有几个控制信号，就有多少位
2.全译码方式:若由2^n^个控制信号，需要n位编码，一般用于垂直型微指令格式
3.字段直接编译法:将控制字段分成几个小段，每一个小段采用编码-译码方式，产生对应信号，分段原则:相斥性微命令分在同一字段，相容性微命令分在不同字段
每个小字段要保留一位编码用于空操作
4.字段间接编译法:用另一字段对当前字段做解释

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总结

以上就是今天要讲的内容…