微程序控制器.ppt

1 控制器的功能 計(jì)算機(jī)的功能是執(zhí)行程序程序是依次排列起來(lái)的指令代碼控制器的功能就在于 正確地分步完成每一條指令規(guī)定的功能 正確且自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令 再進(jìn)一步說(shuō) 就是向計(jì)算機(jī)各功能部件提供協(xié)調(diào)運(yùn)行每一個(gè)步驟所需要的控制信號(hào) 2 控制器的組成 程序計(jì)數(shù)器PC 存放指令地址 有 1或接收新值功能 指令寄存器IR 存放指令內(nèi)容 操作碼與操作數(shù)地址 指令執(zhí)行步驟標(biāo)記線路 指明每條指令的執(zhí)行步驟 控制信號(hào)記憶或產(chǎn)生線路 給出計(jì)算機(jī)各功能部件部件協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào) 運(yùn)算器部件 主存儲(chǔ)器部件 總線及輸入 輸出接口 輸入 輸出設(shè)備 控制器部件 各部件包括 也包括 設(shè)計(jì)中的難點(diǎn) 在于解決對(duì)運(yùn)算器 控制器的控制 時(shí)序控制信號(hào)形成部件 譯碼 OPIR PC 輸出設(shè)備 輸入設(shè)備 主存儲(chǔ)器部件 運(yùn)算器部件 啟停 地址寄存器 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 控制條件 主振 組合邏輯控制器的組成和運(yùn)行原理 節(jié)拍發(fā)生器 程序計(jì)數(shù)器 指令寄存器 TEC 2000教學(xué)機(jī)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)終端 PC機(jī) 微程序控制器 運(yùn)算器 8 16位 主存儲(chǔ)器 8 16位 按鍵開關(guān)指示燈 串行接口 接口實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)內(nèi)存擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) 電源 5V 硬布線控制器 二 指令的執(zhí)行過(guò)程 馮 諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)即存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī) 設(shè)置內(nèi)存 存放程序和數(shù)據(jù) 在程序運(yùn)行之前存入 執(zhí)行程序 正確從程序首地址開始 正確分步執(zhí)行每一條指令 并形成下條待執(zhí)行指令的地址 正確并自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令 直到程序的最后一條指令 每條指令的執(zhí)行步驟 讀取指令指令地址送入主存地址寄存器讀主存 讀出內(nèi)容送入指定的寄存器 分析指令 按指令規(guī)定內(nèi)容執(zhí)行指令不同指令的操作步驟數(shù) 和具體操作內(nèi)容差異很大 檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求若有 則響應(yīng)中斷并轉(zhuǎn)中斷處理若無(wú) 則轉(zhuǎn)入下一條指令的執(zhí)行過(guò)程 R R類型指令讀寫內(nèi)存類型指令輸入輸出類型指令其他類型指令 可能執(zhí)行一次或多次 是一次讀內(nèi)存操作 公共操作 公共操作 是每一條指令的特定操作 1 指令執(zhí)行步驟與信息流動(dòng)圖示部分 典型指令的執(zhí)行過(guò)程舉例 2000 0001ADDr0 r1 加法指令2001 0790MVRRr9 r0 傳送指令2002 8280IN80 讀串行口數(shù)據(jù)到R0低8位2003 E709STRA 2007 r9 寫內(nèi)存指令 是一條雙字指令2007 第二個(gè)字中的2007是直接地址2005 44FAJRC2000 若C為1轉(zhuǎn)到2000 否則順序執(zhí)行2006 8F00RET 子程序返回指令其他一些指令與這里的幾條指令有相當(dāng)多的共同特性 屬于同一組的指令的執(zhí)行步驟非常類似 讀取指令 AR PC PC PC 1 讀主存 IR 讀出內(nèi)容執(zhí)行指令 ALU R0ALU R1執(zhí)行 R0 ALU 記憶結(jié)果特征結(jié)束 判中斷 指令執(zhí)行步驟簡(jiǎn)單的文字描述加法指令A(yù)DDR0 R1 形成下條指令的地址 寄存器內(nèi)容傳送指令MVRRR9 R0 讀取指令 AR PC PC PC 1 讀主存 IR 讀出內(nèi)容執(zhí)行指令 ALU 0ALU R0執(zhí)行 R9 ALU結(jié)束 判中斷 形成下條指令的地址 輸入指令I(lǐng)N80 讀取指令 AR PC PC PC 1 讀主存 IR 讀出內(nèi)容執(zhí)行指令 AR I OPort 讀外設(shè) ALU 讀出數(shù)據(jù)ALU 0執(zhí)行 R0 ALU結(jié)束 判中斷 形成下條指令的地址 寫寄存器內(nèi)容到主存STRA 2007 R9 讀取指令 AR PC PC PC 1 讀主存 IR 讀出內(nèi)容執(zhí)行指令 AR PC PC PC 1 讀主存 AR 讀出內(nèi)容 ALU 0 ALU R9 寫主存 總線 ALU 結(jié)束 判中斷 地址2007存在指令的第二個(gè)字中 形成下條指令的地址 相對(duì)轉(zhuǎn)移指令JRC2000 讀取指令 AR PC PC PC 1 讀主存 IR 讀出內(nèi)容執(zhí)行指令 若c 1則 ALU PCALU offset IR低字節(jié) 二者相加 結(jié)果送PC否則 PC不接收二者之和結(jié)束 判中斷 形成下條指令的地址 子程序返回指令RET 讀取指令 AR PC PC PC 1 讀主存 IR 讀出內(nèi)容執(zhí)行指令 AR SPSP SP 1 讀主存 PC 讀出內(nèi)容結(jié)束 判中斷 形成下條指令的地址 PC 0 AR PCPC PC 1 IR AR 寄存器之間運(yùn)算與傳送 讀 寫內(nèi)存AR 地址 AR 地址 讀 寫內(nèi)存或I O接口 讀 寫內(nèi)存PC 地址 教學(xué)計(jì)算機(jī)的基本指令 擴(kuò)展指令執(zhí)行流程圖 A組 B組 C組 D組 Reset B C D組 C組指令也是2次讀寫內(nèi)存 第1次的讀操作和第2次的送地址操作同時(shí)完成 只用3步執(zhí)行了兩次內(nèi)存讀寫過(guò)程 僅在教學(xué)機(jī)加電啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行1次 三 微程序控制器的運(yùn)行原理 每條指令一個(gè)執(zhí)行步驟用到的全體控制信號(hào)組成一微指令 每條微指令可以包括一到多個(gè)微操作 用多條微指令 一個(gè)微程序 解釋每條指令的執(zhí)行過(guò)程 全部的微程序有機(jī)地組合在一起 被保在控制存儲(chǔ)器中 執(zhí)行一條微指令所用的時(shí)間被稱為一個(gè)微周期 微指令的格式和內(nèi)容 下地址字段控制命令字段 讀與執(zhí)行微指令的并行流水技術(shù) 微程序控制器實(shí)驗(yàn) Am2910 MAPROM SCCGal 控制存儲(chǔ)器 ROM 指令操作碼 微指令轉(zhuǎn)移的控制條件 CC低有效 微指令寄存器 0MRWSAI8 6B口0SSTDC20I2 0SBI5 3A口SSHSCIDC1 CP G 讀命令 1 確定指令功能與格式2 劃分指令執(zhí)行步驟3 分配微指令地址4 設(shè)計(jì)微指令內(nèi)容5 把新微指令寫入控存6 需要時(shí)修改MAPROM和SCCGal等7 調(diào)試并且運(yùn)行 B口二選一 A口二選一 IR SR IR DR MAP 2 PL 3 SB SA CM1CM2CM3CM4CM5CM6CM7 0 14 0 2 3 14 CI 0 MAR為00h CI 2 MAR來(lái)自MAPROM CI 14 是順序執(zhí)行 CI 3 且 CC為低 MAR來(lái)自微下地址 CC為高 則是順序執(zhí)行 MAR RESET 377 CP MAPROM用于從操作碼映射出微指令地址 微程序控制器部件56位的微指令字長(zhǎng)微下地址字段16位控制命令字段40位7片28C64組成控存1片28C65 從指令操作碼產(chǎn)生微地址1片374存8位下地址1片273存8位條件碼1片377存8位現(xiàn)微地址1片Am2910給出下一條微指令地址1片GAL按判斷條件產(chǎn)生微指令轉(zhuǎn)移信號(hào) CC5片GAL用作為5片8位的D觸發(fā)器的寄存器2片GAL實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4位的2選1芯片功能16位的指令寄存器IR16位的程序計(jì)數(shù)器PC PC 下地址字段的內(nèi)容 得到下地址的方法 1 由指令操作碼得到2 微指令順序執(zhí)行3 微指令必轉(zhuǎn)或條件轉(zhuǎn)移多路微地址轉(zhuǎn)移4 微子程序調(diào)用和返回5 按次數(shù)循環(huán)一段微程序6 其他 如特定入口微地址 在微指令下地址字段中表示清楚 使用哪種方法 哪個(gè) 些 判斷條件 要用的有關(guān)地址等 并用專門電路完成必要支持和處理 微指令的下地址是微程序設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一 技術(shù) 技巧性強(qiáng) 應(yīng)學(xué)得好些 在教學(xué)計(jì)算機(jī)中 解決下地址使用了Am2910器件 微堆桟指針 SP 5字 12位微堆桟F 微程序計(jì)數(shù)器 PC 寄存器 計(jì)數(shù)器R C DRF PC多路選擇器 命令譯碼器 增量器 零檢測(cè) D11 D0 Y11 Y0 CP FULL CI CC CCEN I3 I0 PL MAP VECT RLD OE 出棧 入棧保持 清零 裝數(shù)減量保持 清零選擇 R為零 Am2910器件 非零循環(huán)零 PL PC彈出 PC彈出 4入棧與裝數(shù)注1 PL PC壓入 PC壓入 6讀手撥開關(guān) VECT PCD 3條件微轉(zhuǎn)移 PL PCD 2功能分支 MAPDD 1條件轉(zhuǎn)微子 PL PCD壓入 完成R CR C使能 CC 高 CC 低功能內(nèi)容操作信號(hào)Y輸出堆棧Y輸出堆棧 0初始化 PL0清除0清除 8R C非零減1 PLFF 10微子返回 PL PCF彈出 14順序執(zhí)行 PL PC PC 15三路轉(zhuǎn)移非零減1 PLF PC彈出 零 PLD彈出 PC彈出 8位微下地址字段用于直接給出下一條微指令的地址 下地址字段的內(nèi)容 微下地址2910的命令碼微轉(zhuǎn)移條件 8位 4位 4位 分成3個(gè)子字段 總共使用17位碼 微指令中用16位 4位的命令碼 用于選擇Am2910的16個(gè)命令 如前面的表格內(nèi)容所示 4位的微轉(zhuǎn)移條件編碼 用于給出微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的條件 與教學(xué)機(jī)具體設(shè)計(jì)有關(guān) 四 微指令控制信號(hào)組成和微指令格式設(shè)計(jì) 控制命令字段 給出計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào) 把它們劃分成若干字段 分別用于控制各部件 1 對(duì)運(yùn)算器部件的控制例如 運(yùn)算功能 數(shù)據(jù)來(lái)源 結(jié)果處理等 2 對(duì)主存和輸入輸出接口 設(shè)備 的控制例如 是主存讀 寫還是入出設(shè)備讀 寫 3 對(duì)總線的控制例如 把什么信息發(fā)送到有關(guān)總線 4 對(duì)幾個(gè)特定的寄存器的接收操作控制即在此時(shí)刻讓哪一個(gè)寄存器接收發(fā)送給它的輸入信息 5 對(duì)控制器部件本身的控制 下地址字段 主要是正確給出形成下條微指令的地址的信息 控制器應(yīng)提供的控制信號(hào) Y15 Y0用16個(gè)指示燈顯示結(jié)果 D15 D0 RAM15 Q15 RAM0 Q0 Cin CyF 0OverF15 運(yùn)算器部件 4片Am2901 A3 0 B3 0 I8 6 用16個(gè)數(shù)據(jù)開關(guān)提供輸入數(shù)據(jù) CZVS SSH SST SCI I5 3 I2 0 SCISSHA口B口 I8 6I5 3I2 0SST 通過(guò)24位微型開關(guān)提供控制信號(hào) 各用四個(gè)指示燈顯示狀態(tài) Gal20V8 Gal20V8 1 對(duì)運(yùn)算器的控制 26位控制信號(hào) 其中24位同微型開關(guān)內(nèi)容 加SA SB兩位A3 A0 B3 B0I8 I6 I5 I3 I2 I0SST2 0 SSH1 0 SCI1 0SA SB的用法 表明送ALU的A口 B口地址來(lái)源為1 來(lái)自IR的SR DR字段為0 來(lái)自微指令的A B字段寄存器分配 R4 SPR5 PC約定用法 R0 I O指令約定使用也是通用累加器 二選一芯片 微指令 BIR DR B口地址 送ALU 線路實(shí)現(xiàn) IN80SHRR3PC PC 1 SB 讀寫主存儲(chǔ)器或I O接口 從學(xué)習(xí)指令執(zhí)行步驟考慮 理解對(duì)主存儲(chǔ)器讀寫的控制 分成兩步 1 傳送主存地址 以選擇被讀寫的存儲(chǔ)單元 2 給出讀寫命令 讀操作時(shí) 把讀出數(shù)據(jù)保存起來(lái) 寫操作時(shí) 還要給出寫入的數(shù)據(jù) 從學(xué)習(xí)指令執(zhí)行步驟考慮 理解對(duì)接口電路讀寫的控制 分成兩步 1 傳送IO端口地址 以選擇被讀寫的芯片 2 給出讀寫命令 讀操作時(shí) 把讀出數(shù)據(jù)保存起來(lái) 寫操作時(shí) 還要給出寫入的數(shù)據(jù) 2 對(duì)內(nèi)存和I O接口的讀寫 MIO 0 有內(nèi)存或串口讀寫 1 無(wú) REQ 0 讀寫內(nèi)存 1 讀寫串行口 WE 0 寫操作 1 讀操作 000寫內(nèi)存 001讀內(nèi)存 010寫串口 011讀串口 1XX無(wú)內(nèi)存和串口的讀寫操作 對(duì)總線的控制 總線是用于連接計(jì)算機(jī)各個(gè)功能部件的線路和連接線 通常由具有三態(tài)輸出功能的器件構(gòu)成 以便用分時(shí)地方式 在不同時(shí)刻把不同的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上 任何時(shí)刻僅能有一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上 總線上的數(shù)據(jù)可以被送到需要接收數(shù)據(jù)的部件或者線路 多個(gè)線路可以同時(shí)接收同一個(gè)來(lái)源數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)中總要使用3種類型的總線 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 3 對(duì)內(nèi)部總線和 4 特定寄存器的控制 選擇送內(nèi)部總線的信息來(lái)源DC12 0信號(hào)名稱注釋000 SWTOIB來(lái)自開關(guān)001 RTOIBALU的輸出010 ETOIB符號(hào)擴(kuò)展16位011 FTOIB狀態(tài)位輸出100未用101 INTVH中斷向量的110 INTVL高 低8位110NC不用 控制指定寄存器接收信息DC22 0信號(hào)名稱注釋000NC不用001 GIR指令寄存器010未用011 GAR地址寄存器100 INTR取原中斷優(yōu)先級(jí)101 INTN置新中斷優(yōu)先級(jí)110 EI開中斷110 DI關(guān)中斷 8位微下地址字段用于直接給出下一條微指令的地址 5 對(duì)控制器本身的控制 下地址字段的內(nèi)容 微下地址2910的命令碼微轉(zhuǎn)移條件 8位 4位 4位 分成3個(gè)子字段 總共使用17位碼 微指令中用16位 4位的命令碼 用于選擇Am2910的16個(gè)命令 如前面的表格內(nèi)容所示 4位的微轉(zhuǎn)移條件編碼 用于給出微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的條件 與教學(xué)機(jī)具體設(shè)計(jì)有關(guān) 確定微指令格式 MRWI2 I0SAI8 I6SBI2 I0 微下地址微命令碼轉(zhuǎn)移條件 B地址A地址SST2 0SSHSCI DC2 2 0DC1 2 0 55 4847 4443 40 39 4335 3231 2827 24 23 2019 1615 1211 8 7 43 0 位序號(hào) 微指令字段劃分和微命令名 微指令字長(zhǎng)56位 微下地址字段8位 其它字段都是4位 微程序控制器實(shí)驗(yàn) Am2910 MAPROM SCCGal 控制存儲(chǔ)器 ROM 指令操作碼 微指令轉(zhuǎn)移的控制條件 SCC 微指令寄存器 0MRWSAI8 6B口0SSTDC20I2 0SBI5 3A口SSHSCIDC1 CP G 讀命令 1 確定指令功能與格式2 劃分指令執(zhí)行步驟3 分配微指令地址4 設(shè)計(jì)微指令內(nèi)容5 把新微指令寫入控存6 需要時(shí)修改MAPROM和SCCGal等7 調(diào)試并且運(yùn)行 B口二選一 A口二選一 IR SR IR DR MAP PL SB SA 微程序控制器部件56位的微指令字長(zhǎng)微下地址字段16位控制命令字段40位7片28C64組成控存1片28C65 從指令操作碼產(chǎn)生微地址1片374存8位下地址1片273存8位條件碼1片377存8位現(xiàn)微地址1片Am2910給出下一條微指令地址1片GAL按判斷條件產(chǎn)生微指令轉(zhuǎn)移信號(hào) CC5片GAL用作為5片8位的D觸發(fā)器的寄存器2片GAL實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4位的2選1芯片功能16位的指令寄存器IR16位的程序計(jì)數(shù)器PC PC 微命令字段的編碼譯碼方法 1 直接控制法直接用微指令字的一位作一個(gè)控制信號(hào)則簡(jiǎn)單且速度快 但會(huì)使微指令字變得很長(zhǎng) 2 字段直接編譯法把互斥的命令分在一組加以編碼 經(jīng)譯碼器給出命令 速度會(huì)稍慢 但可大大減短微指令字長(zhǎng)度 確保互斥 3 字段間接編譯法是對(duì)直接譯碼的的一種改進(jìn) 可進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)度 即一個(gè)字段的某些微命令還受另一字段的制約 4 常數(shù)源字段微指令中分配幾位 用于給出特定用途的有關(guān)數(shù)值 五 為每一條微指令分配微地址 需要為每一條微指令在控存中分配一個(gè)合適的地址 這是合理地組織微程序的重要工作 1 首先確定微指令中下地址字段的組成 2 再按每一條微指令在控存中的位置 來(lái)安排下地址字段各部分的編碼 這與控制器的具體線路與方案有關(guān) PC 0 AR PCPC PC 1 MAP 寄存器之間運(yùn)算與傳送 讀 寫內(nèi)存AR 地址 AR 地址 讀 寫內(nèi)存或I O接口 讀 寫內(nèi)存PC 地址 教學(xué)計(jì)算機(jī)的基本指令 擴(kuò)展指令執(zhí)行流程圖 A組 B組 C組 D組 Reset B C D組 C組指令也是2次讀寫內(nèi)存 第1次的讀操作和第2次的送地址操作同時(shí)完成 只用3步執(zhí)行了兩次內(nèi)存讀寫過(guò)程 僅在教學(xué)機(jī)加電啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行1次 IR AR 加電啟動(dòng)時(shí) 執(zhí)行0 PC 接下來(lái)的兩步 完成取指操作 按指令操作碼 讀出相應(yīng)微指令 按指令具體功能 再分別用1 2 3 4步完成不同指令組的中各條指令的執(zhí)行過(guò)程 最后檢查中斷請(qǐng)求信號(hào) 有請(qǐng)求時(shí)則響應(yīng)中斷 否則開始下一條指令的執(zhí)行過(guò)程 六 微指令控制信號(hào)字段編碼 為每一條微指令各項(xiàng)微操作確定其所要求的控制信號(hào)如 使IR AR等寄存器接收的信號(hào)控制PC增量和接收的信號(hào)讀寫主存 讀寫外設(shè)的信號(hào)控制運(yùn)算器操作的信號(hào)等這要看被控制的具體對(duì)象的具體要求通過(guò)已有結(jié)果看一下微碼設(shè)計(jì)過(guò)程 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 303041B80010003044B80000003647100000323030373000000000E0432055013000E0170000000000E0433140003030300220550001 指令執(zhí)行流程表舉例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 指令執(zhí)行流程表舉例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 第1條微指令和第2條微指令用于完成讀取指令 具體操作功能是 PC AR PC 1 PC PC是R5 A口和B口均選5 B口內(nèi)容 1送B口 輸出A口的內(nèi)容送AR寄存器 讀主存 讀出內(nèi)容 IR 微指令都是順序執(zhí)行 故2910選14 命令 第3條微指令按讀出的指令的操作碼 形成相應(yīng)微指令的地址 讀出該條微指令并將其寫入微指令寄存器 2910選2 命令 控制運(yùn)算器的I8 I6選001碼 保證運(yùn)算器的各寄存器內(nèi)容不變化 無(wú)存儲(chǔ)器和IO讀寫 故 MIOREQ WE選100碼 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 303041B80010003044B8000000 指令執(zhí)行流程表舉例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 第3條微指令和第4條微指令用于完成兩個(gè)累加器之間的相加和傳送操作 具體操作是 2累加器相加 DR SR DR A口和B口編碼來(lái)自指令寄存器 故SA和SB都給1值 下微指令轉(zhuǎn)判中斷請(qǐng)求 故2910選3 命令且SCC為0000 必轉(zhuǎn)30 第4條微指令 完成兩個(gè)累加器之間的數(shù)據(jù)傳送 累加器SR的內(nèi)容和0相加 存入DR寄存器中 不保存標(biāo)志位的值 故SST為000 上條微指令SST為001 保存標(biāo)志位的值 兩條微指令都無(wú)存儲(chǔ)器和IO讀寫 MRW為100 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 1436471000003230303730000000 指令執(zhí)行流程表舉例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 第5 6兩條微指令完成讀串行接口 具體操作是 先送IO端口地址 在IR的低8位 到地址寄存器AR DC1為2選IR的低8位送內(nèi)部總線 經(jīng)ALU 送出D 0 到AR DC2為3是AR接收 IN指令的第1條微指令中的下地址的3個(gè)子字段分別為1436 條件碼為6時(shí) 是IN指令 轉(zhuǎn)地址14 否則 是OUT指令 順序執(zhí)行 下一微指令完成讀串口輸入