第四章 控制器
控制器与指令的执行
组合逻辑控制器
PLA控制器
微程序控制器第１节控制器与指令的执行
1．简单计算机主机及控制器的组成主机包括：运算器、控制器和主存三个部分控制器的组成：
a,指令寄存器（ IR）：用来存放由主存取出的指令，分为操作码和地址码
b,操作码译码器：对存放在指令寄存器的操作码进行译码
c,控制电路：根据译码结果，把指令应完成的操作变成时序脉冲，实现指令功能
d,时序信号产生电路：包括启停线路和脉冲
e,程序计数器（ PC）：提供下一条执行的指令的地址
2,指令执行过程：分为：取指和执行两个周期
（ 1） 取指周期 把指令地址给程序计数器，
从该单元读出指令，把指令送给寄存器
（ IR），就叫取指周期
（ 2） 执行周期：执行在取指周期存到指令寄存器里的指令的阶段，就是执行周期。
a.从主存读出数据且相加的过程
①把指令寄存器的地址码移到地址寄存器
②开始主存的读操作
③从主存读出数据，存入数据寄存器
④把数据寄存器的内容和累加器的内容送至
ALU
⑤ 进行加法运算
⑥把相加结果送回累加器
⑦命令终止，进入下一条指令的取指周期
b.把累加器里的内容写进主存的过程
①把指令寄存器的地址码移到地址寄存器
②开始主存的写操作
③把累加器的内容送到数据寄存器
④命令终止，进入下一条指令的取指周期
c.条件转移的过程
①若条件满足，则把指令寄存器的地址码送到程序计数器；否则，什么也不做
②命令终止，进入下一条指令的取指周期
3,控制器的控制方式：指控制器控制微操作序列执行的方式。
有三种控制方式：
（ 1） 同步控制方式（固定时序方式）：
①
②优点 电路简单
③缺点：运行速度慢
（ 2） 异步控制方式：
①特点：
a.每条指令需要多少节拍，就产生多少节拍
b.指令执行完毕，发出回答信号
c.控制器收到回答信号，便开始执行下条指令。
②优点：运行速度快
③缺点：控制电路比较复杂
（ 3） 联合控制方式：是把同步和异步控制方式结合使用的一种控制方式
①特点：
a.大部分指令按同步控制方式执行，称之为中央控制
b.小部分特殊指令，或微操作序列长或过短，
或微操作时间难以确定的，采用异步控制方式执行，
称之为局部控制
②优点：能保证一定的运行速度
③缺点：电路设计相对复杂第２节组合逻辑控制器
1．组合逻辑控制器的组成使用组合逻辑控制器的计算机，叫组合逻辑控制器计算机如下图,
由上图可以看出，组合逻辑控制器是由微操作控制电路，时序信号生成电路和指令部件组成。
指令部件包括：指令寄存器、指令译码器,
程序计数器（指令地址计数器）
2．时序信号生成电路控制器需要二种时序信号
<1>脉冲信号：包括：时钟信号 (CLK)驱动微操作执行的时序信号
<2>电位信号：包括：确定指令周期状态的周期状态电位确定指令执行阶段的节拍电位
（ 1） 脉冲源：产生时钟信号（ CLK）的逻辑电路 如下图,
（ 2）时标脉冲生成电路：由 2位循环左移位寄存器，译码器电路。驱动电路组成：如下图,
（ 3）周期状态电位生成电路：
（ 4） 节拍电位生成电路：如下图,
包括：
a：用作控制器内部控制的指令节拍电位；
b:用于总线操作控制的总线节拍电位两种节拍电位，用相同的电路产生，由：循环移位寄存器，译码电路，驱动电路组成
3微操作控制电路：
（ 1） 设计步骤：
a：确定指令系统；
b：确定指令流程图；
c：编排操作时序；
d:写出微操作的逻辑表达式；
e:设计微操作控制电路
（ 2） 设计举列：以取指过程为 例：
a:取指的流程图,如右图,
b:编排操作时序：如右图,
c:写出微操作逻辑表达式,如下图,
第３节
PLA控制器
1,PLA结构：
功能,〈 实现组合 >逻辑和时序逻辑；与 ROM
原理相似；
<1>PLA芯片：由二极管与阵列和三极管或阵列组成； 如下图,
<2>与或逻辑的实现：
用电编程，达到输出端与输入变量过程与或逻辑电编程结果：
交叉处的黑点表示二极管或三极管
PLA的真值表：表 12.1
2,PLA控制器的设计 说明：
a,PLA微操作控制电路的输入端：接时序电路的输出信号（如节拍电位,节拍脉冲信号）
b,PLA微操作控制电路的输出端，就是各种微操作的驱动信号；
（ 1） 用 PLA设计微操作控制电路的步骤：
①用 PLA设计微操作逻辑表达式，列出 PLA的与阵列和或阵列的真值表
②根据真值表，对 PLA进行电编程
③把 PLA的各输入端接到时序电路输出端的相应节拍电位和节拍脉冲上
（ 2） PLA的扩展方法,当用一片 PLA不能满足容量和输出端要求时，可用多片进行扩充：
a：单片扩展乘积项的方法：图（ a）
b:乘积项和输出端同时扩展的方法：图（ b）
第４节微程序控制器
1,微程序的概念，指采用微程序设计方法设计的控制器。
（ 1） 微程序设计思想：微程序是实现一条机器指令功能的程序；微程序是由微指令组成的；
一条微指令：含有若干条微命令一条微命令：完成一个微操作
（ 2） 微程序的术语
A：微操作：指指令执行时由由完成的最基本的操作，
如：（ PC）－ >RVA，（ PC）＋ 2－ >PC;BD－ >IR
(PC)－ >RBA:指程序计数器内容送总线地址寄存器
（ PC）＋ 2－ >PC：程序计数器内容自动加 2;
BD－ >IR：总线数据送指令寄存器；
B：微命令：是组成微指令的最小单位，是微操作的驱动信号；
C:微指令：是一组微命令信息，由微程序控制器中的控制存储器提供，其一个存储单元的内容就是一条微指令。
D:微周期：是执行一条微指令所要的时间；
E:微地址：是微指令的地址；
F:微程序：是微指令的有序集合；
2,微指令字格式及其编码：
（ 1） 微指令字格式的设计要求,
① 有利于缩短指令字长度
②有利于减少控制存储器容量
③有利于微程序的执行速度
④有利于对微指令的修改
⑤有利于微程序设计的灵活性
（ 2） 典型的微指令字格式：
a:二字段格式,
b:三字段格式：
特征控制：用来产生特征标志操作控制 顺序控制特征控制 操作控制 顺序控制
（ 3） 操作控制部分的编码方法
a:非编码法；
b:直接编码法
c:字段编码法
d:间接编码法
（ 4） 顺序控制部分的编码：
a:编码方式
b:直接给出转移微地址方式；
3.微程序控制器的组成及执行微程序的过程：
（ 1）微程序控制器的组成：如下图,
（ 2）微程序的执行过程：
①从 0号微地址单元，取出读机器指令用的微指令、并送到微指令寄丰器
②由机器指令操作码通过微地址形成线路产生对应的微程序入口地址
③逐条取出该段微程序的微指令执行
④执行完该段程序，再返回到 0号微地址，执行读机器指令的微指令，取出一下条机器指令
（ 3）微指令的执行方式：
a：串行执行方式,―――――图 a
b:重叠执行方式,――――――图 b
控制器与指令的执行
组合逻辑控制器
PLA控制器
微程序控制器第１节控制器与指令的执行
1．简单计算机主机及控制器的组成主机包括：运算器、控制器和主存三个部分控制器的组成：
a,指令寄存器（ IR）：用来存放由主存取出的指令，分为操作码和地址码
b,操作码译码器：对存放在指令寄存器的操作码进行译码
c,控制电路：根据译码结果，把指令应完成的操作变成时序脉冲，实现指令功能
d,时序信号产生电路：包括启停线路和脉冲
e,程序计数器（ PC）：提供下一条执行的指令的地址
2,指令执行过程：分为：取指和执行两个周期
（ 1） 取指周期 把指令地址给程序计数器，
从该单元读出指令，把指令送给寄存器
（ IR），就叫取指周期
（ 2） 执行周期：执行在取指周期存到指令寄存器里的指令的阶段，就是执行周期。
a.从主存读出数据且相加的过程
①把指令寄存器的地址码移到地址寄存器
②开始主存的读操作
③从主存读出数据，存入数据寄存器
④把数据寄存器的内容和累加器的内容送至
ALU
⑤ 进行加法运算
⑥把相加结果送回累加器
⑦命令终止，进入下一条指令的取指周期
b.把累加器里的内容写进主存的过程
①把指令寄存器的地址码移到地址寄存器
②开始主存的写操作
③把累加器的内容送到数据寄存器
④命令终止，进入下一条指令的取指周期
c.条件转移的过程
①若条件满足，则把指令寄存器的地址码送到程序计数器；否则，什么也不做
②命令终止，进入下一条指令的取指周期
3,控制器的控制方式：指控制器控制微操作序列执行的方式。
有三种控制方式：
（ 1） 同步控制方式（固定时序方式）：
①
②优点 电路简单
③缺点：运行速度慢
（ 2） 异步控制方式：
①特点：
a.每条指令需要多少节拍，就产生多少节拍
b.指令执行完毕，发出回答信号
c.控制器收到回答信号，便开始执行下条指令。
②优点：运行速度快
③缺点：控制电路比较复杂
（ 3） 联合控制方式：是把同步和异步控制方式结合使用的一种控制方式
①特点：
a.大部分指令按同步控制方式执行，称之为中央控制
b.小部分特殊指令，或微操作序列长或过短，
或微操作时间难以确定的，采用异步控制方式执行，
称之为局部控制
②优点：能保证一定的运行速度
③缺点：电路设计相对复杂第２节组合逻辑控制器
1．组合逻辑控制器的组成使用组合逻辑控制器的计算机，叫组合逻辑控制器计算机如下图,
由上图可以看出，组合逻辑控制器是由微操作控制电路，时序信号生成电路和指令部件组成。
指令部件包括：指令寄存器、指令译码器,
程序计数器（指令地址计数器）
2．时序信号生成电路控制器需要二种时序信号
<1>脉冲信号：包括：时钟信号 (CLK)驱动微操作执行的时序信号
<2>电位信号：包括：确定指令周期状态的周期状态电位确定指令执行阶段的节拍电位
（ 1） 脉冲源：产生时钟信号（ CLK）的逻辑电路 如下图,
（ 2）时标脉冲生成电路：由 2位循环左移位寄存器，译码器电路。驱动电路组成：如下图,
（ 3）周期状态电位生成电路：
（ 4） 节拍电位生成电路：如下图,
包括：
a：用作控制器内部控制的指令节拍电位；
b:用于总线操作控制的总线节拍电位两种节拍电位，用相同的电路产生，由：循环移位寄存器，译码电路，驱动电路组成
3微操作控制电路：
（ 1） 设计步骤：
a：确定指令系统；
b：确定指令流程图；
c：编排操作时序；
d:写出微操作的逻辑表达式；
e:设计微操作控制电路
（ 2） 设计举列：以取指过程为 例：
a:取指的流程图,如右图,
b:编排操作时序：如右图,
c:写出微操作逻辑表达式,如下图,
第３节
PLA控制器
1,PLA结构：
功能,〈 实现组合 >逻辑和时序逻辑；与 ROM
原理相似；
<1>PLA芯片：由二极管与阵列和三极管或阵列组成； 如下图,
<2>与或逻辑的实现：
用电编程，达到输出端与输入变量过程与或逻辑电编程结果：
交叉处的黑点表示二极管或三极管
PLA的真值表：表 12.1
2,PLA控制器的设计 说明：
a,PLA微操作控制电路的输入端：接时序电路的输出信号（如节拍电位,节拍脉冲信号）
b,PLA微操作控制电路的输出端，就是各种微操作的驱动信号；
（ 1） 用 PLA设计微操作控制电路的步骤：
①用 PLA设计微操作逻辑表达式，列出 PLA的与阵列和或阵列的真值表
②根据真值表，对 PLA进行电编程
③把 PLA的各输入端接到时序电路输出端的相应节拍电位和节拍脉冲上
（ 2） PLA的扩展方法,当用一片 PLA不能满足容量和输出端要求时，可用多片进行扩充：
a：单片扩展乘积项的方法：图（ a）
b:乘积项和输出端同时扩展的方法：图（ b）
第４节微程序控制器
1,微程序的概念，指采用微程序设计方法设计的控制器。
（ 1） 微程序设计思想：微程序是实现一条机器指令功能的程序；微程序是由微指令组成的；
一条微指令：含有若干条微命令一条微命令：完成一个微操作
（ 2） 微程序的术语
A：微操作：指指令执行时由由完成的最基本的操作，
如：（ PC）－ >RVA，（ PC）＋ 2－ >PC;BD－ >IR
(PC)－ >RBA:指程序计数器内容送总线地址寄存器
（ PC）＋ 2－ >PC：程序计数器内容自动加 2;
BD－ >IR：总线数据送指令寄存器；
B：微命令：是组成微指令的最小单位，是微操作的驱动信号；
C:微指令：是一组微命令信息，由微程序控制器中的控制存储器提供，其一个存储单元的内容就是一条微指令。
D:微周期：是执行一条微指令所要的时间；
E:微地址：是微指令的地址；
F:微程序：是微指令的有序集合；
2,微指令字格式及其编码：
（ 1） 微指令字格式的设计要求,
① 有利于缩短指令字长度
②有利于减少控制存储器容量
③有利于微程序的执行速度
④有利于对微指令的修改
⑤有利于微程序设计的灵活性
（ 2） 典型的微指令字格式：
a:二字段格式,
b:三字段格式：
特征控制：用来产生特征标志操作控制 顺序控制特征控制 操作控制 顺序控制
（ 3） 操作控制部分的编码方法
a:非编码法；
b:直接编码法
c:字段编码法
d:间接编码法
（ 4） 顺序控制部分的编码：
a:编码方式
b:直接给出转移微地址方式；
3.微程序控制器的组成及执行微程序的过程：
（ 1）微程序控制器的组成：如下图,
（ 2）微程序的执行过程：
①从 0号微地址单元，取出读机器指令用的微指令、并送到微指令寄丰器
②由机器指令操作码通过微地址形成线路产生对应的微程序入口地址
③逐条取出该段微程序的微指令执行
④执行完该段程序，再返回到 0号微地址，执行读机器指令的微指令，取出一下条机器指令
（ 3）微指令的执行方式：
a：串行执行方式,―――――图 a
b:重叠执行方式,――――――图 b
