chp5-3_硬布線和微程序控制器1

1、1第五章 中央處理器返回2第五章 中央處理器5.1CPU功能和組成5.2指令周期5.3時(shí)序產(chǎn)生器5.4微程序控制器及其設(shè)計(jì)5.5硬布線控制器及其設(shè)計(jì)5.6傳統(tǒng)CPU5.7流水CPU5.8RISC的CPU5.9多媒體CPU35.6 硬布線控制器硬布線控制器1、實(shí)現(xiàn)方法l通過邏輯電路直接連線而產(chǎn)生的，又稱為組合邏輯控制方式2、設(shè)計(jì)目標(biāo)l使用最少元件（復(fù)雜的樹形網(wǎng)絡(luò)）l速度最高45.6 硬布線控制器硬布線控制器3、邏輯原理 （1）邏輯原理圖lC為微操作控制信號(hào)Im為譯碼器輸出，Mi為節(jié)拍電位，Tk為節(jié)拍脈沖，Bj為狀態(tài)條件lC由組合電路實(shí)現(xiàn)，速度快，但難以修改。（2）指令的執(zhí)行流程l微程序控制器時(shí)序

2、信號(hào)簡(jiǎn)單。只需要若干節(jié)拍脈沖信號(hào)即可。l組合邏輯控制器除了節(jié)拍脈沖信號(hào)外，還需要節(jié)拍電位信號(hào)。),(jkimBTMIfC返回55.6 硬布線控制器硬布線控制器（3）微操作控制信號(hào)產(chǎn)生l在硬聯(lián)線控制器中，某一微操作控制信號(hào)由布爾代數(shù)表達(dá)式描述的輸出函數(shù)產(chǎn)生。l設(shè)計(jì)微操作控制信號(hào)的方法和過程是，根據(jù)所有機(jī)器指令流程圖，尋找出產(chǎn)生同一個(gè)微操作信號(hào)的所有條件，并與適當(dāng)?shù)墓?jié)拍電位和節(jié)拍脈沖組合，從而寫出其布爾代數(shù)表達(dá)式并進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后用門電路或可編程器件來實(shí)現(xiàn)。 65.6 硬布線控制器硬布線控制器4、設(shè)計(jì)步驟（1）畫出指令流程圖 （2）列出微操作時(shí)間表l將指令流程圖中的微操作合理地安排到各個(gè)機(jī)器周期的相

3、應(yīng)節(jié)拍和脈沖中去；l微操作時(shí)間表形象地表明：什么時(shí)間、根據(jù)什么條件發(fā)出哪些微操作信號(hào)。75.6 硬布線控制器硬布線控制器（3）進(jìn)行微操作信號(hào)的綜合l當(dāng)列出所有指令的微操作時(shí)間表之后，需要對(duì)它們進(jìn)行綜合分析，把凡是要執(zhí)行某一微操作的所有條件(哪條指令、哪個(gè)機(jī)器周期、哪個(gè)節(jié)拍和脈沖等)都考慮在內(nèi)，加以分類組合，列出各微操作產(chǎn)生的邏輯表達(dá)式，然后加以簡(jiǎn)化，使邏輯表達(dá)式更為合理。（4）實(shí)現(xiàn)電路 l根據(jù)整理并化簡(jiǎn)的邏輯表達(dá)式組，可以用一系列組合邏輯電路加以實(shí)現(xiàn)，加根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出邏輯電路圖，用邏輯門電路的組合來實(shí)現(xiàn)之，也可以直接根據(jù)邏輯表達(dá)式，用PLA或其他邏輯電路實(shí)現(xiàn)。8 例3根據(jù)圖5.29，寫出以

4、下操作控制信號(hào)RD（I）、RD（D）、WE（D）、LDPC、LDIR、LDAR、LDDR、PC+1、LDR2的邏輯表達(dá)式。其中每個(gè)操作控制信號(hào)的含義是：lRD（I）指存讀命令lRD（D）數(shù)存讀命令lWE（D）數(shù)存寫命令lLDPC打入程序計(jì)數(shù)器lLDIR打入指令寄存器lLDAR打入數(shù)存地址寄存器lLDDR打入數(shù)據(jù)緩沖寄存器lPC+1程序計(jì)數(shù)器加1lLDR2打入R2寄存器9數(shù)據(jù)通路圖數(shù)據(jù)通路圖RD/WRLDDRLDIRLDPCLDARPC+110 圖5.29 硬布線控制器的指令周期流程圖RD(I),LDIR,PC+1, LDPC LDDR,LDR0LDARRD(D)LDDR,LDR1LDDR,LD

5、R2LDARWE(D)LDPC(R1)DR(DR) R0IRARCache(D) DR(DR) R1(R1)+(R2) DR(DR) R2 (R2) Cache(D) Cache(I) IR(PC)+1 PC11進(jìn)行微操作信號(hào)的綜合進(jìn)行微操作信號(hào)的綜合圖5.29中五條指令的微操作控制信號(hào)舉例。RD(I) =M1 RD(D) =M3LADWE(D)=M3T3STO PC+1=M1LDPC =M1T4+M2T4JMPLDIR=M1T4 LDAR=M2T4(LAD+STO)LDDR=M2T3(MOV+ADD) +M3T3LADLDR2=M2T4ADDRD(I),LDIR,PC+1, LDPC LDD

6、R,LDR0LDARRD(D)LDDR,LDR1LDARWE(D)LDPCLDDR,LDR2125.4 微程序控制器微程序控制器l發(fā)展l微程序的概念和原理是由英國(guó)劍橋大學(xué)的MVWilkes教授于1951年在曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)會(huì)議上首先提出來的，當(dāng)時(shí)還沒有合適的存放微程序的控制存儲(chǔ)器的元件。l到1964年，IBM公司在IBM 360系列機(jī)上成功地采用了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。l20世紀(jì)70年代以來，由于VLSI技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。l目前，從大型機(jī)到小型機(jī)、微型機(jī)都普遍采用了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。135.4 微程序控制器微程序控制器l基本思想：仿照解題的方法，把操作控制信號(hào)編制成微指令

7、，存放到控制存儲(chǔ)器里，運(yùn)行時(shí)，從控存中取出微指令，產(chǎn)生指令運(yùn)行所需的操作控制信號(hào)。從上述可以看出，微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)。145.4 微程序控制器微程序控制器5.4.1微程序控制原理微程序控制原理 5.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)15l基本思想l將微操作序列代碼化，存放于控制存儲(chǔ)器中l(wèi)執(zhí)行指令時(shí)，依次讀取微指令，產(chǎn)生控制信號(hào)指令代碼運(yùn)行狀態(tài)控制存儲(chǔ)器CM微指令存儲(chǔ)器IR微命令序列5.4 微程序控制器微程序控制器核心！核心！16l基本概念和術(shù)語(yǔ)l微程序與微程序設(shè)計(jì)l微指令與微周期l微指令：若干微命令的組合，存放在一個(gè)控制存儲(chǔ)器單元中l(wèi)微周期：讀取一條微指令并執(zhí)行所需的時(shí)間l微命令與微

8、操作l微命令：構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位l微操作：由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本操作l工作程序與微程序、主存儲(chǔ)器與控制存儲(chǔ)器5.4 微程序控制器微程序控制器175.4.1微程序控制原理 1.微命令：控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令叫作微命令，它是構(gòu)成控制序列的最小單位。l例如：打開或關(guān)閉某個(gè)控制門的電位信號(hào)、某個(gè)寄存器的打入脈沖等。l微命令是控制計(jì)算機(jī)各部件完成某個(gè)基本微操作的命令。2.微操作：是微命令的操作過程。l微命令和微操作是一一對(duì)應(yīng)的。l微命令是微操作的控制信號(hào)，微操作是微命令的操作過程。l微操作是執(zhí)行部件中最基本的操作。185.4.1微程序控制原理 由于數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，微操作可分為

9、相容的和互斥的兩種：1.互斥的微操作，是指不能同時(shí)或不能在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)并行執(zhí)行的微操作。可以編碼2.相容的微操作，是指能夠同時(shí)或在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)并行執(zhí)行的微操作。必須各占一位l舉例：見下圖19205.4.1微程序控制原理3、微指令：把在同一CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作控制信息，存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器里，稱為一條微指令（Microinstruction）。l它是微命令的組合，微指令存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器的一個(gè)單元中l(wèi)一條微指令通常至少包含兩大部分信息：l操作控制字段，又稱微操作碼字段，用以產(chǎn)生某一步操作所需的各個(gè)微操作控制信號(hào)。某位為1，表明發(fā)微指令微指令發(fā)出的控制信號(hào)都是節(jié)拍電位信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為一個(gè)CPU周

10、期微命令信號(hào)還要引入時(shí)間控制l順序控制字段，又稱微地址碼字段，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址。215.4.1微程序控制原理l微指令基本格式測(cè)試“操作碼字段”測(cè)試“進(jìn)位標(biāo)志Cy”225.4.1微程序控制原理4、微程序l一系列微指令的有序集合就是微程序。l一段微程序?qū)?yīng)一條機(jī)器指令。l下面舉一個(gè)十進(jìn)制加法指令為實(shí)例235.4.1微程序控制原理l以十進(jìn)制加法指令流程l數(shù)據(jù)通路圖l操作流程圖R2-R3245.4.1微程序控制原理l四條微指令如下000 000 000 000 111111000000000取指令操作信號(hào)P1判別010 100 100 100 000000010011010存結(jié)果L

11、DR2R1-XR2 - Y+-R325十進(jìn)制加法指令的微程序十進(jìn)制加法指令的微程序010 001 001 100 000000100001001存結(jié)果LDR2R2 - XR3 - Y+P2判別Cy=0：0001Cy=1：0000010 001 001 001 000000000000001存結(jié)果LDR2R2 - XR3 - Y-轉(zhuǎn)到取指令的公操作-265.4.1微程序控制原理l控制存儲(chǔ)器(CM)。l這是微程序控制器的核心部件，用來存放微程序。其性能(包括容量、速度、可靠性等)與計(jì)算機(jī)的性能密切相關(guān)。5、微程序控制器原理275.4.1微程序控制原理l微指令寄存器(IR)l用來存放從CM取出的正在

12、執(zhí)行的微指令，它的位數(shù)同微指令字長(zhǎng)相等。l微地址形成部件l用來產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址，以保證微指令的連續(xù)執(zhí)行。l微地址寄存器(MAR) l它接受微地址形成部件送來的微地址，為下一步從CM中讀取微指令作準(zhǔn)備。28l微程序控制器的工作過程l取指令周期l轉(zhuǎn)微程序入口l執(zhí)行首條微指令CM取指微指令I(lǐng)R微命令字段譯碼器微命令機(jī)器指令I(lǐng)R主存IR操作碼微地址形成電路入口ARIRCMIR微命令字段譯碼器微命令操作部件5.4.1微程序控制原理29l微程序控制器的工作過程l取后續(xù)微指令l執(zhí)行后續(xù)微指令：同3l返回：微程序執(zhí)行完，返回CM微地址字段微地址形成電路后續(xù)微地址ARIRCM后續(xù)微指令現(xiàn)行微地址運(yùn)行狀

13、態(tài)5.4.1微程序控制原理305.4.1微程序控制原理6、CPU周期和微指令周期的關(guān)系31機(jī)器指令與機(jī)器指令與微指令的關(guān)系微指令的關(guān)系狀態(tài)信息32 例 設(shè)某計(jì)算機(jī)運(yùn)算器框圖如圖所示，其中ALU為16位的加法器(高電平工作)，SA,SB為16位暫存器。4個(gè)通用寄存器由D觸發(fā)器組成，Q端輸出，其讀、寫控制功能見下表。 寫控制讀控制選擇WA1WA0W選擇RA1RA0R不寫入*0不讀出*0R3111R3111R2011R2011R1101R1101R0001R00013334 機(jī)器采用串行微程序控制方式，其微指令周期見上頁(yè)圖（b)。其中讀ROM是從控存中讀出一條微指令時(shí)間，為1s；ALU工作是加法器做

14、加法運(yùn)算，為500ns；m1是讀寄存器時(shí)間，為500ns；m2是寫寄存器的工作脈沖寬度，為100ns。 微指令字長(zhǎng)12位，微指令格式如下：RA0RA1：讀R0-R3的選擇控制 WA0WA1：寫R0-R3的選擇控制R：寄存器讀命令 W：寄存器寫命令 LDSA：打入SA的控制信號(hào) LDSB：打入SB的控制信號(hào) SB-ALU：傳送SB的控制信號(hào) SB-ALU：傳送SB的控制信號(hào),并使加法器最低位加1. Reset：清暫存器SB為零的信號(hào) ：一段微程序結(jié)束，轉(zhuǎn)入取機(jī)器指令的控制信號(hào)RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset35要求：用二進(jìn)制代碼寫出如下指令的微程序：

15、(1)“ADD R0，R1”指令，即(R0)+(R1)R1(2)“SUB R2，R3”指令，即(R3)-(R2)R3(3)“MOV R2，R3”指令，即(R2)(R3)36先畫出三條指令的微指令的微程先畫出三條指令的微指令的微程序流程圖，如下圖所示。序流程圖，如下圖所示。 l其中未考慮“取指周期”和順序控制問題，也即微程序僅考慮“執(zhí)行周期”，微指令序列的順序用數(shù)字標(biāo)號(hào)標(biāo)在每條微指令的右上角。每一框表示一條微指令。l根據(jù)給定的微指令周期時(shí)間關(guān)系，完成ADD，SUB指令的執(zhí)行動(dòng)作需要3條微指令，MOV指令只需2條微指令。用二進(jìn)制代碼寫出的三條指令的微程序列于下表中，其中*表示代碼隨意設(shè)置(0或1均

16、可)。 R2SA 0SB37 指令 微程序代碼 ADD 00*10100000 01*10010000 *0101001001 SUB 11*10100000 10*10010000 *1101000101 MOV 10*10100010 *1101001001RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUResetR2SA 0SB385.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)一、設(shè)計(jì)微指令應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)l有利于縮短微指令的長(zhǎng)度l有利于縮小CM的容量l有利于提高微程序的執(zhí)行速度l有利于對(duì)微指令的修改l有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性395.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)1

17、、微命令的編碼方法編碼有三種方法：直接表示法編碼有三種方法：直接表示法/編碼表示法編碼表示法/混合表示法混合表示法l直接表示法：操作控制字段中的各位分別可以直接控制計(jì)算機(jī)，不需要進(jìn)行譯碼。40l直接表示法舉例，操作控制字段的每一個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制位代表一個(gè)微命令，該位為“1”表示這個(gè)微命令有效，為“0”表示這個(gè)微命令無效。5.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)后繼微地址判斷條件uA0uA1uA2uA3uA4uA5P0P1P2P3INTSINTCLDIRLDPCM4PC_ADDPC_INCLDIARLDAR1AR1_INCM3LDERIAR_BUS#SW_BUS#RS_BUS#ALU_BUSLRW

18、CEL#WRDLDDR1M1S0S1S2111213141516171819202122232425262728293031323334 微指令格式舉例（TEC_5實(shí)驗(yàn)平臺(tái)格式）35TJ41直接表示法特點(diǎn)：l這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并行性強(qiáng)，操作速度快，但是微指令字太長(zhǎng)，若微命令的總數(shù)為N個(gè)，則微指令字的操作控制字段就要有N位。l另外，在N個(gè)微命令中，有許多是互斥的，不允許并行操作，將它們安排在一條微指令中是毫無意義的，只會(huì)使信息的利用率下降。l最短編碼法：所有微命令統(tǒng)一編碼5.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)422、編碼表示法：將操作控制字段分為若干個(gè)小段，每段內(nèi)采用最短編碼法(互斥微命令)，

19、段與段之間采用直接控制法(兼容微命令)。5.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)編碼表示法特點(diǎn)：可以避免互斥，使指令字大大縮短，但增加了譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速度減慢435.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)3、混合編碼法：將前兩種結(jié)合在一起，兼顧兩者特點(diǎn)。一個(gè)字段的某些編碼不能獨(dú)立地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來聯(lián)合定義l設(shè)置解釋位或解釋字段l分類編譯l常數(shù)源字段E的設(shè)置C =解釋位1 A為某類命令0 A為常數(shù)CA微操作控制字段E順序控制字段445.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)l編碼注意幾點(diǎn)：字段編碼法中操作控制字段并非是任意的，必須要遵循如下的原則：把互斥性的微命令分

20、在同一段內(nèi)，兼容性的微命令分在不同段內(nèi)。應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。每個(gè)小段中包含的信息位不能太多，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何微命令。因此當(dāng)某字段的長(zhǎng)度為三位時(shí)，最多只能表示七個(gè)互斥的微命令，通常用000表示不操作。下面舉例說明45123456789順序控制4、5：00 無操作01 R1X10 R2 X11 DR X 6、7：00 無操作01 R3Y10 R2 Y11 R1Y 8、9：00 無操作01 10 11 M 混和表示法1、2、3位為直接表示法4、5 6、7 8、9位為編碼表示法465.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)二、微

21、指令地址的形成l入口地址：每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，當(dāng)公用的取指微程序從主存中取出機(jī)器指令之后，由機(jī)器指令的操作碼字段指出各段微程序的入口地址，這是一種多分支(或多路轉(zhuǎn)移)的情況。l后續(xù)微地址的形成方式主要有兩種:計(jì)數(shù)器的方式多路轉(zhuǎn)移的方式475.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)1、入口地址形成：如果機(jī)器指令操作碼字段的位數(shù)和位置固定，可以直接使操作碼與微程序入口地址的部分位相對(duì)應(yīng)。485.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2、后繼微地址形成方法（1）計(jì)數(shù)器的方式l方法：微程序順序執(zhí)行時(shí)，其后繼微地址就是現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量(通常為1)；當(dāng)微程序遇到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子程序時(shí)，由微指令的轉(zhuǎn)移地

22、址段來形成轉(zhuǎn)移微地址。在微程序控制器中也有一個(gè)微程序計(jì)數(shù)器PC，一般情況下都是將微地址寄存器MAR作為PCl特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易于掌握，編制微程序容易缺點(diǎn)是這種方式不能實(shí)現(xiàn)兩路以上的并行微程序轉(zhuǎn)移，因而不利于提高微程序的執(zhí)行速度。495.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)（2）多路轉(zhuǎn)移的方式l根據(jù)條件轉(zhuǎn)移如圖l條件：狀態(tài)條件/測(cè)試/微指令中微地址/操作碼50【例例2】微地址寄存器有6位(A5-A0)，當(dāng)需要修改其內(nèi)容時(shí)，可通過某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置“1”?，F(xiàn)有三種情況：(1)執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)進(jìn)行16路分支；(2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時(shí)，按

23、進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行2路分支；(3)執(zhí)行控制臺(tái)指令微程序時(shí)，按IR4，IR5的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。 請(qǐng)按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計(jì)微地址轉(zhuǎn)移邏輯。51 按所給設(shè)計(jì)條件，微程序有三種判別測(cè)試，分別為P1，P2，P3。 由于修改A5-A0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下：(1)用P1和IR3-IR0修改A3-A0；(2)用P2和C修改A0；(3)用P3和IR5，IR4修改A5，A4。 另外還要考慮時(shí)間因素T4(假設(shè)CPU周期最后一個(gè)節(jié)拍脈沖)，故轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下：A5=P3IR5T4A4=P3IR4T4A3=P1IR3T4A2=P1IR2T4A1=P1IR1T4A0=P1IR0T4+P2CT4 由于從觸發(fā)器強(qiáng)

24、置端修改，故前5個(gè)表達(dá)式可用“與非”門實(shí)現(xiàn)，最后一個(gè)用“與或非”門實(shí)現(xiàn)。 下圖僅畫出了A2、A1、A0觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。52535.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)3、微指令格式分為兩類：水平型微指令和垂直型微指令（1）水平型微指令 l水平型微指令是指一次能定義并能并行執(zhí)行多個(gè)微命令的微指令。l格式如下控制字段判別測(cè)試字段下地址字段545.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)l水平型微指令特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：微指令字較長(zhǎng)，速度越快。微指令中的微操作有高度的并行性。微指令譯碼簡(jiǎn)單?？刂拼鎯?chǔ)器的縱向容量小，靈活性強(qiáng)。缺點(diǎn)：微指令字比較長(zhǎng)，明顯地增加了控制存儲(chǔ)器的橫向容量。水平微指令與機(jī)器指令差別很大，一般要熟悉機(jī)器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時(shí)序