第五章 控制器
第五章控制器
第一节基本概念
一、CPU的基本功能
CPU具有以下4个方面的基本功能：
（1）指令控制，即对程序运行的控制；
（2）操作控制，即对指令内操作步骤的控制；
（3）数据运算，即对数据进行算术运算和逻辑运算，这是CPU的最基本功能；
（4）异常处理和中断处理，如处理运算中的溢出等错误情况以及处理外部设备的服务请求等。
历年真题
1．CPU由哪两部分组成？CPU具有哪四个基本功能？（2009年）
【答案】CPU由运算器和控制器组成。
（CPU）具有以下4个方面的基本功能：
（1）指令控制，即对程序运行的控制；
（2）操作控制，即对指令内操作步骤的控制；
（3）数据运算，即对数据进行算术运算和逻辑运算，这是CPU的最基本功能；
（4）异常处理和中断处理，如处理运算中的溢出等错误情况以及处理外部设备的服务请求等。
二、CPU的基本组成
CPU主要由主要运算器、控制器两部分组成。在CPU中还有多种寄存器。
CPU主要的寄存器：
（1）指令寄存器（IR），存放当前正在执行的指令，为指令译码器提供指令信息。
（2）程序计数器（PC），存放下一条指令的地址。用来提供取指地址，从而控制程序执行顺序。
（3）数据寄存器（DR），存放操作数、运算结果和运算的中间结果，以减少访存的次数。
（4）地址寄存器（AR），存放操作数的地址。
（5）程序状态寄存器（PS），存放计算中的状态信息，这些信息是控制程序的条件。
历年真题
1．在CPU中，哪些寄存器属于控制用的指令部件？它们各起什么作用？（5分）（2000年）【答案】
①指令寄存器（IR），存放当前正在执行的指令，为指令译码器提供指令信息。
②程序计数器（PC），存放下一条指令的地址。用来提供取指地址，从而控制程序执行顺序。
③程序状态寄存器（PS），存放计算中的状态信息，这些信息是控制程序的条件。
2．当读取并执行一条指令时，控制器的主要功能是什么? （2003年）
【答案】
①从主存取指令，并计算下一条指令在主存中的地址；
②对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
③控制指令执行的步骤和数据流动的方向。
三、单总线CPU结构图（会画并理解）
注意：画的时候一定要注意箭头的方向。
历年真题
1．改错题：单总线结构系统是指：各大功能部件之间用一根信号线连接。（2000年）
【答案】单总线结构系统是指各寄存器及ALU之间的数据通路只用一条总线构成。
第二节指令周期
一、指令周期的基本概念
1．时钟周期：也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，是计算机中最基本的、最小的时间单位。
2．机器周期：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。
3．指令周期：是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。
历年真题
1.下列说法中，合理的是（）。（2003年）
A．执行各条指令的机器周期数相同，各机器周期的长度均匀
B．执行各条指令的机器周期数相同，各机器周期的长度可变
C．执行各条指令的机器周期数可变，各机器周期的长度均匀
D．执行各条指令的机器周期数可变，各机器周期的长度可变
【分析】机器周期是指令执行中每一步操作所需要的时间，一般以CPU中完成一个运算操作所需的时间作为机器周期的基本时间，其长度是均匀的，而各种指令的功能不同，因而各指令执行时所需的机器周期数是可变的。
【答案】C
2.为什么说各指令周期采用相同的机器周期数不是最合理的方法？(2006年)
【答案】
（1）各指令所需操作步数不尽相同，若选最长步数所需的机器周期数，则对某些指令来说是浪费。
（2）指令执行中不同的操作步骤可能需要不同的时间，机器周期只能定为最慢的操作步骤所需的时间。
二、算术指令周期
2000、2001、2004、2005、2008和2009年考的都是算术指令周期的内容。
算术指令周期：①取指令②指令译码及读取操作数③执行计算④写回
历年真题
1．单总线CPU结构图如下，其中有运算部件ALU、寄存器Y和Z、通用寄存器R0～R3、指令寄存器IR、程序计数器PC、主存地址寄存器MAR 和主存数据寄存器MDR 等部件，试拟出加法指令ADD R1，B(R2)的读取和执行流程。其中R1表示目的寻址为寄存器寻址；B(R2) 表示源寻址为变址寻址，B是偏移量，R2是变址寄存器。（2004年）
【分析】图见前面内容
PC→MAR 取指令
PC+1→PC 计算下一条指令
DBUS→MDR，MDR→IR 读入指令
B（IR地址段）→Y 送地址偏移量
R2+Y→Z 计算操作数地址
Z→MAR 送操作数地址
DBUS→MDR，MDR→Y 读取操作数
R1+Y→Z 求和计算
Z→R1写回结果
【答案】
PC→MAR
PC+1→PC
DBUS→MDR，MDR→IR
B（IR地址段）→Y
R2+Y→Z
Z→MAR
DBUS→MDR，MDR→Y
R1+Y→Z
Z→R1
三、访存指令周期
2003、和2006年考的都是访存指令周期的内容。
访存指令周期：①取指令②指令译码③计算地址④访存⑤写回
历年真题
1.单总线CPU结构下图所示，其中有运算部件ALU、寄存器Y和Z、通用寄存器R0～R3、指令寄存器IR、程序计数器PC、主存地址寄存器MAR和主存数据寄存器MDR。试拟出CPU读取并执行LOAD R1,（R2）取数指令的流程，指令中R1表示目的寻址为寄存器寻址，(R2)表示源寻址为寄存器间接寻址。(2006年)
【分析】拟出任意一条指令读取和执行流程，前三步都完全一样，即读取指令的步骤都一样。 PC →MAR 送指令地址
PC+1→PC 计算下一条指令的地址 DBUS →MDR →IR 读入指令
考试时，无论如何，也要写上这三步。执行流程根据指令的含义来写， LOAD R1,(R2)指令的含义是将R2中的地址指向的存储单元中的数据取出来送到R1寄存器中去，根据指令的含义和单总线结构的特点就可以写出指令执行流程。
R2→MAR 送操作数地址 DBUS →MDR 取操作数
MDR →R1 将操作数送到R1寄存器 【答案】 PC →MAR PC+1→PC
DBUS →MDR →IR R2→MAR DBUS →MDR MDR →R1
四、控制指令周期（以前没考过）
过程：①取指令 ②指令译码 ③更新指令地址
例题1：单总线CPU 结构如图所示，其中有运算部件ALU 、寄存器Y 和Z ，通用寄存器R0～R3、指令寄存器IR 、程序计数器PC 、主存地址寄存器MAR 和主存数据寄存器MDR 等部件。试拟出转移指令 JMP #A 的读取和执行流程。
【分析】拟出任意一条指令读取和执行流程，前三步都完全一样，即读取指令的步骤都一样。
PC →MAR 送指令地址
PC+1→PC 计算下一条指令的地址 DBUS →MDR ，MDR →IR 读入指令
考试时，无论如何，也要写上这三步。执行流程根据指令的
含义来写，JMP #A指令的含义是程序跳转至指令PC中存放的地址值加上指令中给出的偏移量所得的地址，即：IR（地址段）+PC→PC，根据指令的含义和单总线结构的特点就可以写出指令执行流程。
【答案】
PC→MAR
PC+1→PC
DBUS→MDR，MDR→IR
PC→Y
IR（地址段）+Y→Z
Z→PC
指令的流程每年必考，在串讲、阶段测试、综合测试、及最新真题讲解环节会将近十年的有关指令周期的考题做详细分析。
第三节硬连线控制器
一、硬连线控制器的组成
硬连线控制器主要由时钟源、环形脉冲发生器、控制信号编码器电路和指令译码器电路构成。
历年真题
1．硬连线控制器如何产生微命令？产生微命令的主要条件是哪些？（2001年）
【答案】硬连线控制器依靠组合逻辑电路产生微命令；（1分）
组合逻辑电路的输入是产生微命令的条件，主要有：①指令代码②时序信号③程序状态信息与标志位④外部请求信号。（4分）
2．硬连线控制器主要由哪几部分构成?它是如何产生控制信号的?（2005年）
【答案】硬连线控制器主要由时钟源、环形脉冲发生器、控制信号编码器电路和指令译码器电路构成。硬连线控制器采用组合逻辑与时钟信号结合的方式产生控制信号。
第四节微程序控制器（考试重点）
一、微命令和微操作的基本概念
1．微程序：存储在控制存储中的完成指令功能的程序，由微指令组成。
2．微指令：控制器存储的控制代码，分为操作控制部分和顺序控制部分。
3．微命令：控制部件通过控制总线向执行部件发出的控制命令称为微命令
4．微操作：在微程序控制器中，执行部件接受微指令后所进行的操作。
历年真题
1．在微程序控制中，一个节拍中所需要的一组微命令，被编成一条____________________。（2001年）【分析】控制部件通过控制总线向执行部件发出的控制命令称为微命令，它是计算机中最基本的、不可再分的命令单元。在一个节拍中，一组实现一定功能的微命令的组合构成一条微指令。
【答案】微指令
2.微指令：把指令执行过程的一步操作所需的控制信号编在一组二进制代码中，这组代码称为微指令。（2006年）
3.微程序：存储在控制存储中的完成指令功能的程序，由微指令组成。（2008年、2009年）
二、微程序控制器的构成及特点
1．微程序控制器：将执行指令所需要的微命令以代码形式编成微指令序列（微程序），存入一个控制存储器，需要时从该存储器中读取。按这种方式工作的控制器为微程序控制器。
2．微程序控制器的特点：优点：规整、易于修改和扩展。缺点：速度较慢。
3．微程序控制器的构成：控制存储器、微指令寄存器μIR、微地址寄存器μAR、地址转移逻辑等。
4．控制存储器（CPU内的）：CPU内用于存放实现指令系统全部指令的微程序的只读存储器称为控制存储器。
5．微地址：微命令在控制存储器中的存储地址。
历年真题
1．微程序控制器：将执行指令所需要的微命令以代码形式编成微指令序列（微程序），存入一个控制存储器，需要时从该存储器中读取。按这种方式工作的控制器为微程序控制器。（2001年、2005年）
2．控制存储器（CPU内的）：CPU内用于存放实现指令系统全部指令的微程序的只读存储器称为控制存储器。（2002年）
3．微程序存放在（）。（2002年）
A．主存中B．堆栈中C．只读存储器中D．磁盘中
【分析】微程序控制的基本思想是把指令执行所需的所有控制信号存放在存储器中，需要时从这个存储器中读取。由于每一条微指令执行时所发出的控制信号是事先设计好的，不需要改变，故此存放所有控制信号的存储器应为只读存储器，并将其集成到CPU内，称其为控制存储器。
【答案】C
4．微程序控制器怎么产生操作控制信号，这种控制器有何优缺点?（2002年）
【答案】操作控制信号的产生：事先把操作控制信号以代码形式构成微指令，然后存放到控制存储器中，取出微指令时，其代码直接或译码产生操作控制信号。
优点：规整、易于修改和扩展。
缺点：速度较慢。
三、微指令与指令的关系
一条机器指令是由一段（或一个）微程序来解释执行；
一个微程序由一组有序的微指令组成；
一条微指令由一组实现一定功能的微命令组成；
一条微指令的周期对应一个机器周期。
历年真题
1．在微程序控制方式中，机器指令和微指令的关系是（）。（2002年）
A．每一条机器指令由一条微指令来解释执行
B．每一条机器指令由一段（或一个）微程序来解释执行
C．一段机器指令组成的工作程序可由一条微指令来解释执行
D．一条微指令由若干条机器指令组成
【分析】在微程序控制方式中，控制部件通过控制总线向执行部件发出的各种控制命令称为微命令，在一个CPU周期中，一组实现一定功能的微命令的组合构成一条微指令，有序的微指令序列构成一段微程序。微程序的作用是实现一条对应的机器指令，即每一条机器指令是由一段（或一个）微程序来解释执行的。
【答案】B
四、微指令的编码方式（从未考过）
微指令控制字编码的方式：微指令编码的3种方式分别是：直接表示法、编码表示法、混合表示法。
1．直接表示法是将每个控制信号都作为微指令中的一个位。这种方法的特点是简单直观，其输出直接用于控制，但编码效率低。
2．编码表示法是将微指令进行分组编码，将不同时出现的相斥信号分在一个组中，然后将其编码成较短的代码。这种方法减少了控制存储器所需要的存储器的代码的数量，但是编码的指令代码需要译码器译码，增加了控制信号的延迟，影响CPU的工作频率。
3．混合表示法是把直接表示法与编码方法相结合使用，即采用部分直接表示部分编码的方法，将一些速度要求较高，或与其他控制信号都相容的控制信号以直接方式表示，而将剩余信号以编码方式。混合表示法便于综合考虑指令字长、灵活性和执行速度方面的要素。
五、微指令的地址形成方法（从未考过）
微地址的形成方法：（微指令中顺序控制字段的编码）微地址的形成方法有三种方式：计数器方式、断定方式和结合方式
1．计数器方式，又称增量方式。用微程序计数器μPC来产生指令的微地址，将微程序中的各条微指令按顺序安排在控制存储器中，后继地址由现行微地址加上一个增量形成。
2．断定方式，根据机器状态决定下一条微指令的地址，下一条微指令的地址包含在当前微指令的代码中。
3．结合方式，是将计数器方式和断定方式相结合。
出师表
两汉：诸葛亮
先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。
宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。
侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。
将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。
亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。
臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。
先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。
愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。臣不胜受恩感激。
今当远离，临表涕零，不知所言。