15_控制器

1. 指令周期

处理单个指令的过程

• 取指周期：从内存中提取一条指令
• 执行周期：执行所提取的指令

1.1. 指令周期

1.1.1. 状态图

1.2. 带中断的指令周期

1.2.1. 状态图

1.3. 间址周期

• 间址周期：把间接地址的读取看成是一个额外的指令子周期
  • 指令的执行可能涉及一个或多个存储器中的操作数，它们每个都要求一次存储器访问
  • 使用间接寻址，还需要额外的存储器访问
  • 相当于取了两次操作数
    

1.3.1. 状态图

1.4. CPU

1.4.1. CPU任务

1. 取指令：CPU必须从存储器（寄存器、cache、主存）读取指令
2. 解释指令：必须对指令进行译码，以确定所要求的动作
3. 取数据：指令的执行可能要求从存储器或输入/输出（I/O）模块中读取数据
4. 处理数据：指令的执行可能要求对数据完成某些算术或逻辑运算
5. 写数据：执行的结果可能要求写数据到存储器或I/O模块

1.4.2. CPU需求

• 寄存器：小容量内部存储器
  • CPU需要在指令周期中临时保存指令和数据
  • CPU需要记录当前所执行指令的位置，以便知道从何处得到下一条指令

假定CPU有

• 1个存储地址寄存器（MAR）
• 1个存储缓冲寄存器（MBR）/ 存储数据寄存器（MDR）
• 1个程序计数器（PC）
• 1个指令寄存器（IR）

1.5. 数据流

2. 处理器结构

3. 寄存器

3.1. 用户可见寄存器

• user-visible register
  • 允许编程人员通过机器语言或汇编语言访问，通过优化寄存器的使用而减少对主存的访问

3.1.1. 类型

1. 通用寄存器（general-purpose register）
   • 可被程序员指派各种用途
2. 数据寄存器（data register）
   • 仅可用于保持数据而不能用于操作数地址的计算
3. 地址寄存器（address register）
   • 可以是自身有某些通用性，或是专用于某种具体的寻址方式
   • 例如：段指针、变址寄存器、栈指针
4. 条件码寄存器（condition codes register） / 标志（flag）寄存器
   • CPU硬件设置这些条件位作为操作的结果
   • 至少是部分用户可见的

3.1.2. 设计出发点

1. 使用完全通用的寄存器还是规定各寄存器的用途？
2. 寄存器数量
   • 太少的寄存器会导致更多的存储器访问
   • 太多的寄存器又不能显著地减少存储器访问
3. 寄存器长度
   • 应能保存大多数数据类型的值
   • 某些机器允许两个相邻的寄存器作为一个寄存器来保持两倍长度 的值

3.1.3. 保存和恢复

• 子程序调用
  • 会导致自动保存所有用户可见的寄存器，并在返回时自动取回
  • 这些保存和恢复是作为调用和返回指令执行功能的一部分，由CPU完成
  • 允许各个子程序独立地使用用户可见寄存器
• 子程序调用之外保存用户可见寄存器的相关内容是程序员的责任，需要在程序中为此编写专门的指令

3.2. 控制和状态寄存器

3.2.1. 类型

1. 程序计数器（Program counter，PC）
   • 存有待取指令的地址
   • 通常在每次取指令之后，PC的内容即被CPU更改，转移或跳步指令也会修改PC的内容，因此总指向将被执行的下一条指令
2. 指令寄存器（Instruction register，IR）
   • 存有最近取来的指令，在其中分析操作码和操作数
3. 存储器地址寄存器（Memory address register，MAR）
   • 直接与地址总线相连，存有存储器位置的地址
4. 存储器缓冲寄存器（Memory buffer register，MBR）
   • 直接与数据总线相连，存有将被写入存储器的数据字或从存储器读出的字，用户可见寄存器再与MBR交换数据
   • ALU可对MBR和用户可见寄存器直接存取
5. 程序状态字（Program status word，PSW）
   • 一个或一组包含状态信息的寄存器，包含条件码加上其他状态信息
   • 包含的字段或标志
     • 符号（Sign）：容纳算术运算结果的符号位
     • 零（Zero）：当结果是0时被置位
     • 进位（Carry）：若操作导致最高位有向上的进位（加法）或借位（减法）时被置位，用于多字算数运算
     • 等于（Equal）：若逻辑比较的结果相等，则置位
     • 溢出（Overflow）：用于表示算术溢出
     • 中断允许/禁止：用于允许或禁止中断
     • 监管（Supervisor）：指出CPU是执行在监管模式中还是在用户模式中
6. 一个指向含有附加状态信息的存储器块的指针寄存器
7. 在使用向量式中断的机器中，可能提供有一个中断向量寄存器
8. 若栈用于实现某些功能，需要有一个系统栈指针
9. 对于虚拟存储器系统，会有一个页表指针寄存器

3.2.2. 设计出发点

1. 设计出发点
   • 某些类型的控制信息是专门为操作系统使用的
   • 若CPU设计者对将要使用的操作系统有基本的了解，则寄存器 的组织可能在一定程度上为该操作系统定制
2. 控制信息在寄存器和存储器之间的分配
   • 一种普遍的做法是将存储器最前面（最低地址）的几百或几千个字用于控制目的
   • 在成本和速度之间进行权衡

4. 微操作

• 定义：执行程序时，计算机操作是由一系列指令周期组成，每个周期执 行一条机器指令。每个指令周期又可以看作是由几个更小的子周期组成。每个子周期由一系列涉及CPU寄存器操作的更小步骤组成，这些步骤称为微操作
  

4.1. 微操作分组的原则

• 事件的流动顺序必须是恰当的
  • 例：MAR <- (PC) 必须先于MBR <- 内存，因为内存读操作要使用 MAR中的地址
• 必须避免冲突
  • 例：MBR <- 内存 和IR <- MBR 这两个微操作不应出现在同一时间 单位里
• 满足上述条件下，所用的时间单位尽可能少

4.2. 取指周期

• 出现在每个指令周期的开始，将指令从存储器中取出
• 过程：
  

4.3. 间址周期

• 如果指令采用间接寻址，则在指令执行前有一个间址周期
• 完成间址周期后，IR的状态与不使用间接寻址方式的状态是 相同的，已经为执行周期准备就绪
• 过程：

4.4. 执行周期

• 对于不同的操作码，会出现不同的微操作序列
• 例子

  • 加法指令

  • “转移并保存地址”指令

4.5. 中断周期

• 在完成执行周期时，要确定是否有允许的中断产生
• 如果有，则出现一个中断周期
• 过程：

4.6. 指令周期代码

• Instruction Cycle Code，ICC

• 取指、间址、中断周期各有一个微操作序列，执行周期则对于每 个操作码有一个微操作序列

• 指令周期代码：假设一个2位的ICC寄存器，明确CPU处于指令 周期哪个阶段

  • 00：取指
  • 01：间值
  • 10：执行
  • 11：中断
    

4.7. CPU内部总线

• ALU和寄存器都连接到CPU内部总线上
• 为了数据在该内部总线和各寄存器之间传递， 内部总线和寄存器之间有门和控制信号
• 控制线控制着数据和系统总线（外部）的交 换以及ALU的操作

5. 控制器

5.1. 基本任务

• 定序（sequencing）：根据正被执行的程序，控制器使CPU以正确 的顺序通过一系列微操作
• 执行（execution）：控制器使每个微操作得以完成

5.2. 输入

• 指令寄存器：当前指令的寻址方式和操作码
• 标志：确定CPU的状态和前一个ALU操作的结果
• 时钟：控制器要在每个时钟脉冲完成一个或一组同时的微操作
• 来自控制总线的控制信号：向控制器提供控制信号
  

5.3. 输出

所有的控制信号最终作为二进制输入量 直接输入到各个逻辑门上

• CPU内的控制信号
  • 用于寄存器之间传送数据
  • 用于启动特定的ALU功能
• 到控制总线的控制信号
  • 到存储器的控制信号
  • 到I/O模块的控制信号

5.4. 例子

5.5. 控制器最小特性

• 它只需要知道将被执行的指令和算术、逻辑运算结果的性质（如 正负、溢出等），而不需要知道正被处理的数据或得到的实际结 果具体是什么
• 它只是以少量的送到CPU内的和送到系统总线上的控制信号来实 现控制

6. 控制器实现

• 硬布线实现（hardwired implementation）
  • 控制器是一个组合电路，把输入逻辑信号转换为一组输出逻辑信号， 即控制信号
• 微程序实现（microprogrammed implementation）
  • 控制逻辑是微程序指定的，控制器是一个相对简单的逻辑电路，通 过执行每条微指令来产生控制信号

6.1. 硬布线实现

6.1.1. 控制器输入

• 标志和控制总线信号

  • 每位都有特定的意义

• 指令寄存器

  • 通过译码，使每一操作码有一个唯一的逻辑输入
  • 译码器有 n 个输入和个输出
    • 控制器要考虑变长的操作码，译码器会更复杂些

• 时钟

  • 在一个指令周期内，控制器要在不同时间单位发送不同的控制信号
  • 使用一个定时器作为控制器的输入，并且控制器在指令周期结束时必须通知定时器以使其重新开始计数
    

6.1.2. 控制器逻辑

• 为每个输出的控制信号设计一个关于控制器输入的布尔表达式

6.2. 微程序实现

6.2.1. 基本概念和思路

• 微程序（固件）介于硬件与软件之间
  • 设计固件比设计硬件容易，但写固件程序比软件程序困难
  • 微指令序列
• 微指令：每行描述一个时间内出现的一组微操作
• 基本思路
  • 对于每个微操作，控制器的任务是产生一组控制信号，即控制器发出的每根控制线或开或关（每根控制线由一个二进制数字表示）
  • 构造一个控制字，每位代表一根控制线，这样每个微操作能用控制 字中的不同的0和1的样式来表示
  • 将这些控制字串在一起，可以表示控制器需要完成的微操作序列

6.3. 任务

6.4. 定序

6.5. 构成

6.6. 工作流程

6.7. 优点与缺点

• 优点
  • 简化了控制器的设计任务
  • 实现成本低，减少出错机会
• 缺点
  • 比采用相同半导体工艺的硬布线控制器慢一些