計算機組成原理：6.3 控制器的設計

1、控制器的功能：在時間和空間上產(chǎn)生正確的控制流，主要任務包括： 控制指令流出 控制指令分析 控制指令執(zhí)行 控制指令流向 控制維護執(zhí)行狀態(tài),存儲器,運算器,控制器,6.3 控制器CU,指令流的產(chǎn)生和控制過程,6.3.2 控制單元的設計,重點掌握：微操作、微程序兩個概念,硬布線控制器，又稱組合邏輯控制器,6.3.2 控制單元的設計,1 組合邏輯設計,2 微程序設計,硬布線控制器是計算機中最復雜的邏輯部件之一。當執(zhí)行不同的機器指令時，通過激活一系列彼此很不相同的控制信號來實現(xiàn)對指令的解釋，其結果使得控制器往往很少有明確的結構而變得雜亂無章。結構上的這種缺陷使得硬布線控制器的設計和調(diào)試非常復雜且代價很大

2、。正因為如此，硬布線控制器被微程序控制器所取代。但是，在同樣的半導體工藝條件下，硬布線控制器速度要比微程序控制的快，隨著新一代機器及VLSI技術的發(fā)展與不斷進步，硬布線的隨機邏輯設計思想又得到了重視，現(xiàn)代新型計算機體系結構如RISC中多采用硬布線控制邏輯,6.3.2 控制單元的設計,1 組合邏輯設計,2 微程序設計,組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長處和短處: 組合邏輯控制器設計麻煩，結構復雜，一旦設計完成，就不能再修改或擴充，但它的速度快; 微程序控制器設計方便，結構簡單，修改或擴充都方便，修改一條機器指令的功能，只需重編所對應的微程序；要增加一條機器指令，只需在控制存儲器中增加

3、一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程,6.3.2 控制單元的設計,硬布線控制器，又稱組合邏輯控制器,硬布線控制器主要由組合邏輯網(wǎng)絡、指令寄存器和指令譯碼器、節(jié)拍電位/節(jié)拍脈沖發(fā)生器等部分組成。其中組合邏輯網(wǎng)絡產(chǎn)生計算機所需的全部操作命令，是控制器的核心,1 組合邏輯設計,程序由一組指令組成; 指令由一個微程序?qū)崿F(xiàn) ； 微程序由一組微指令實現(xiàn)； 微指令由一組微操作實現(xiàn),重點：弄清楚幾個概念,1 組合邏輯設計,一、組合邏輯控制單元框圖,1. CU 外特性,IR,操作碼譯碼,2.節(jié)拍信號,CLK,T0,T1,T2,T3,程序與指令,說明：機器字長32位， 指令字長32位,具有代表性的5條指令 說明

4、：機器字長32位，指令字長32位,x=2004,2004,微操作,重點：弄清楚幾個概念,一微操作的概念,一條指令的處理包括一系列控制過程。在這個控制過程中，由控制器發(fā)出的每個控制信號均通過硬連線的方式連接到某個特定部件，在空間上形成受控部件的操作； 一個部件能夠完成的基本操作稱為微操作，微操作可理解為是一個功能部件能夠完成的最基本的硬件動作，是控制器需要處理的最小具有獨立意義的操作。一條指令的執(zhí)行可分解成為若干步微操作的執(zhí)行,分析指令ADD x所涉及的微操作,PC送MAR” “設置讀條件,訪存結果送MBR,MBR送IR,IR地址字段送MAR” “設置讀條件,訪存結果送MBR,加法,PC4送PC

5、,如何來安排這些微操作的時序節(jié)拍,1. 微操作 ADD x指令,1）ADD x指令,1）ADD x指令,分析指令ADD x所涉及的微操作,PC送MAR” “設置讀條件,訪存結果送MBR,MBR送IR,IR地址字段送MAR” “設置讀條件,訪存結果送MBR,加法,PC4送PC,微操作與指令,按同樣思路分析其它4條指令，得所有微操作集合,微命令 微操作的控制信號 控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令 微操作 執(zhí)行部件接受微命令后所進行的最基本操作,控制部件與執(zhí)行部件通過控制線和反饋信息進行聯(lián)系,硬布線控制器的基本原理，歸納起來可敘述為： 某一微操作控制信號C是指令操作碼譯碼器輸出Im 、

6、時序信號(節(jié)拍電位Mi ，節(jié)拍脈沖Tk )和狀態(tài)條件信號Bj 的邏輯函數(shù)，其數(shù)學描述為： C=f(Im，Mi，Tk，Bj ) 控制信號C是用門電路、觸發(fā)器等許多器件采用布爾代數(shù)方法來設計實現(xiàn)的。當機器加電工作時，某一操作控制信號C在某條特定指令和狀態(tài)條件下，在某一操作的特定節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖時間間隔中起作用，從而激活這條控制信號線，對執(zhí)行部件實施控制,微操作與指令,重點：弄清楚幾個概念,二、微操作的節(jié)拍安排,采用 同步控制方式,CPU 內(nèi)部結構采用非總線方式,一般一個 機器周期 內(nèi)有 3 個節(jié)拍（時鐘周期,1. 安排微操作時序的原則,原則一 微操作的 先后順序不得 隨意 更改,原則二 被控對象

7、不同 的微操作 盡量安排在 一個節(jié)拍 內(nèi)完成,原則三 占用 時間較短 的微操作 盡量 安排在 一個節(jié)拍 內(nèi)完成 并允許有先后順序,2. 取指周期 微操作的 節(jié)拍安排,原則二,原則二,原則三,3. 間址周期 微操作的 節(jié)拍安排,T0,T1,T2,T0,T1,T2,4. 執(zhí)行周期 微操作的 節(jié)拍安排,CLA,COM,SHR,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,CSL,STP,ADD X,STA X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,LDA X,JMP X,BAN X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,5. 中斷周期 微操作

8、的 節(jié)拍安排,T0,T1,T2,硬件關中斷,中斷隱指令完成,三、組合邏輯設計步驟,1. 列出操作時間表,T2,T1,T0,FE 取指,JMP,LDA,STA,ADD,COM,CLA,微操作命令信號,狀態(tài)條件,節(jié)拍,工作周期標記,I,間址特征,T2,T1,T0,IND 間址,間址周期標志,T2,T1,T0,EX 執(zhí)行,三、組合邏輯設計步驟,1. 列出操作時間表,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,三、組合邏輯設計步驟,1. 列出操作時間表,1,1,1,1,三、組合邏輯設計步驟,1. 列出操作時間表,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2. 寫出微操作命令的最簡表達式,FE T

9、1 + IND T1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX T1 ( ADD +LDA,T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ),3. 畫出邏輯圖,特點,思路清晰，簡單明了,龐雜，調(diào)試困難，修改困難,速度快,FE,IND,EX,LDA,ADD,JMP,BAN,STA,T1,RISC,2 微程序設計,一、微程序設計思想的產(chǎn)生,1951 英國劍橋大學教授 Wilkes,完成 一條機器指令,微操作命令 1,微操作命令 2,微操作命令 n,10100000,微指令 n,00010010

10、,存儲邏輯,一條機器指令對應一個微程序,存入 ROM,基本思想 假設一條指令OnTv ：開電視機 兩個微操作：1 插上電源插頭 2 按下電源開關,組合邏輯 微程序,微程序基本原理,微程序概念,將指令系統(tǒng)功能實現(xiàn)所需的控制信號以微指令為單位存儲。微指令中的每一位對應一根控制信號線； 每條指令對應一段微程序； 微程序由若干條微指令構成； 機器執(zhí)行指令時逐條取出微指令執(zhí)行，使得相應部件執(zhí)行規(guī)定的操作，執(zhí)行完微程序，也就給出了該指令所需要的全部控制信號，從而完成一條指令的執(zhí)行,控制存儲器(CM,一條機器指令,一段微程序,M,二、微程序控制單元框圖及工作原理,1. 機器指令對應的微程序,M+1,M,M+

11、2,P+1,K,K+2,P,P+2,K+1,2. 微程序控制單元的基本框圖,順序邏輯,CMAR,地址譯碼,至 CPU 內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號,二、微程序控制單元框圖及工作原理,M+1,M+2,P+1,P+2,K+1,K+2,M,M,轉(zhuǎn)執(zhí)行周期微程序,轉(zhuǎn)取指周期微程序,3. 工作原理,3. 工作原理,1) 取指階段,由 CMDR 發(fā)命令,形成下條微指令地址,由 CMDR 發(fā)命令,由 CMDR 發(fā)命令,M + 1,M + 2,形成下條微指令地址,執(zhí)行取指微程序,2) 執(zhí)行階段,由 CMDR 發(fā)命令,由 CMDR 發(fā)命令,由 CMDR 發(fā)命令,執(zhí)行 LDA 微程序,形成下條微指令地址 P + 1,

12、形成下條微指令地址 P + 2,形成下條微指令地址 M,3) 取指階段,由 CMDR 發(fā)命令,全部微指令存在 CM 中，程序執(zhí)行過程中 只需讀出,關鍵,微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令,微指令的 后續(xù)地址如何形成,執(zhí)行取指微程序,微指令與微程序,重點：弄清楚幾個概念,微指令與微程序,微程序 一條指令對應一段微程序 微指令序列 微程序 實現(xiàn)一條指令功能的許多條微指令組成的序列 微指令 將機器指令執(zhí)行微操作序列中一個節(jié)拍內(nèi)同時完成的微操作用控制位構成的二進制代碼串來表示 指令的執(zhí)行 微指令的序列 控制存儲器 存放微程序的存儲器 將所有指令對應的微程序保存在該存儲器中,幾個概念的對比,重點：

13、弄清楚幾個概念,幾個概念的對比 微命令 VS. 微操作 構成控制信號序列的最小單位，由控制部件向執(zhí)行部件發(fā)送，是微操作的控制信號 執(zhí)行部件接受微命令后進行的最基本的操作，是微命令控制的操作過程 實質(zhì)是同一信號：對控制部件體現(xiàn)為微命令，對執(zhí)行部件體現(xiàn)為微操作 機器指令 VS. 微指令 用戶編程的基本單位，計算機能完成的最基本操作，機器指令由微指令解釋執(zhí)行 實現(xiàn)機器指令操作的一系列微命令的組合,幾個概念的對比 程序 VS. 微程序 由機器指令構成，用戶編制，可以修改 微程序是微指令的有序集合，用于描述機器指令，計算機設計者編制，不允許用戶修改 主存儲器 VS. 控制存儲器 存放系統(tǒng)程序和用戶程序，

14、容量大 存放機器指令系統(tǒng)的微程序，容量有限 微程序控制 VS. 組合邏輯控制 可調(diào)整，速度慢，實現(xiàn)復雜指令 不可調(diào)整，速度快，實現(xiàn)簡單指令,機器指令與微指令的關系,機器指令對應一個微程序，這個微程序由若干微指令組成，一個微指令又包含多個微操作 機器指令與內(nèi)存儲器有關，微指令與控制存儲器有關 每一個CPU周期對應一條微指令,微指令設計,有利于縮短微指令字長度 有利于減少控制存儲器容量 有利于提高微程序執(zhí)行速度 有利于對微指令進行修改 有利于提高微程序設計的靈活性,如果一臺計算機的指令共有n個微操作，每一個微操作可用一個二進制位控制 當其中某一位為1時，則執(zhí)行該位所控制的微操作 當其中某一位為0時

15、，就不執(zhí)行這個微操作 n個控制位就構成一條微指令,微指令基本思想,微指令格式,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,操作控制,順序控制,LDR1,LDR2,LDR3,R1X,R1Y,R2X,R2Y,DRX,R3Y,M,RD,LDDR,LDIR,LDAR,PC+1,P1,P2,直接地址,微指令格式,操作控制字段 操作控制字段直接給出多種微操作的控制信號 當操作控制字段的某一位為1時，表示該信號有效，將發(fā)出相應的微命令；該位為0時，表示該信號無效，不發(fā)出相應的微命令,微指令格式,順序控制字段 用于控制微程序的執(zhí)行順序 包括判斷邏輯字段和直接地址字段 直

16、接地址字段存放下一條微指令的地址 判斷邏輯非零，則按約定好的規(guī)則，根據(jù)狀態(tài)修正直接地址字段，從而得到下一條微指令的地址,把指令執(zhí)行過程中涉及的各個微操作用微指令的形式表示 微指令固化在控制存儲器中 指令執(zhí)行時，從中取出微指令、譯碼，然后執(zhí)行該微指令所指示的各個微操作，從而完成一條指令執(zhí)行的一步控制 一條指令的執(zhí)行過程是執(zhí)行若干微指令序列的過程,基本處理原則,微指令周期,指從控制存儲器讀取一條微指令并執(zhí)行完相應的微操作所需要的時間,微指令與微程序,重點：弄清楚幾個概念,計算機組成原理 Slide 64,微指令與微程序,微程序 一條指令對應一段微程序 微指令序列 微程序 實現(xiàn)一條指令功能的許多條微

17、指令組成的序列 微指令 將機器指令執(zhí)行微操作序列中一個節(jié)拍內(nèi)同時完成的微操作用控制位構成的二進制代碼串來表示 指令的執(zhí)行 微指令的序列 控制存儲器 存放微程序的存儲器 將所有指令對應的微程序保存在該存儲器中,三、微指令的編碼方式（控制方式,1. 直接編碼（直接控制）方式,在微指令的操作控制字段中， 每一位代表一個微操作命令,速度最快,某位為 “1” 表示該控制信號有效,2. 字段直接編碼方式,將微指令的控制字段分成若干 “段”， 每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號,每個字段中的命令是 互斥 的,縮短 了微指令 字長，增加 了譯碼 時間,微程序執(zhí)行速度較慢,顯式編碼,3. 字段間接編碼方式,4. 混合編碼

18、,直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用,5. 其他,隱式編碼,四、微指令序列地址的形成,1. 微指令的 下地址字段 指出,2. 根據(jù)機器指令的 操作碼 形成,3. 增量計數(shù)器,4. 分支轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移方式 指明判別條件,轉(zhuǎn)移地址 指明轉(zhuǎn)移成功后的去向,5. 通過測試網(wǎng)絡,6. 由硬件產(chǎn)生微程序入口地址,第一條微指令地址 由專門 硬件 產(chǎn)生,中斷周期 由 硬件 產(chǎn)生 中斷周期微程序首地址,7. 后續(xù)微指令地址形成方式原理圖,地址 選擇,1,微程序入口,五、微指令格式,1. 水平型微指令,如 直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、 直接和字段混合編碼,2. 垂直型微指令,類似機器指令操作碼 的方式

19、,一次能定義并執(zhí)行多個并行操作,由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能,3. 兩種微指令格式的比較,1) 水平型微指令比垂直型微指令 并行操作能力強 ， 靈活性強,2) 水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的 微指令 數(shù)目少，速度快,3) 水平型微指令 用較短的微程序結構換取較長的 微指令結構,4) 水平型微指令與機器指令 差別大,六、靜態(tài)微程序設計和動態(tài)微程序設計,靜態(tài) 微程序無須改變，采用 ROM,動態(tài) 通過 改變微指令 和 微程序 改變機器指令， 有利于仿真，采用 EPROM,七、毫微程序設計,1. 毫微程序設計的基本概念,微程序設計 用 微程序解釋機器指令,毫微程序設計 用 毫微程序解釋微程序,毫

20、微指令與微指令 的關系好比 微指令與機器指令 的關系,2.毫微程序控制存儲器的基本組成,八、串行微程序控制和并行微程序控制,串行 微程序控制,并行 微程序控制,還需考慮 如何讀出 這 3 條微指令 ,1. 寫出對應機器指令的微操作及節(jié)拍安排,假設 CPU 結構與組合邏輯相同,1) 取指階段微操作分析,T0,T1,T2,九、微程序設計舉例,3 條微指令,2) 取指階段的微操作及節(jié)拍安排,考慮到需要 形成后續(xù)微指令的地址,T0,T1,T2,T3,T4,T5,3) 執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排,考慮到需形成后續(xù)微指令的地址,取指微程序的入口地址 M 由微指令下地址字段指出,非訪存指令,CLA 指令,T0,T1,COM 指令,T0,T1,CSL 指令,T0,T1,S