計算機組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 10控制器的功能與設計

控制器的功能與設計計算機組成與體系結(jié)構(gòu)指令周期分析簡單CPU模型模型機數(shù)據(jù)通路硬布線控制器硬布線控制器設計思想：把控制器看作產(chǎn)生專門固定時序控制信號的邏輯電路，而此邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設計目標。這種邏輯電路是一種由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復雜樹形網(wǎng)絡，故稱之為硬布線控制器。硬布線控制器的特點特征用與-或兩級構(gòu)成的邏輯電路生成控制信號線路延時小，指令執(zhí)行速度快適合實現(xiàn)比較精簡的指令系統(tǒng)（早期）常用于實現(xiàn)RISC機（當前）較容易實現(xiàn)并行優(yōu)點速度快缺點設計、調(diào)試困難，整個控制器繁雜、零亂，缺乏規(guī)整性，擴充指令困難，制作系列機時較難實現(xiàn)控制器的輸入來自指令操作碼譯碼器的輸出I來自執(zhí)行部件的反饋信息B來自時序產(chǎn)生器的時序信號硬布線控制器的基本原理某一微操作控制信號C是指令操作碼譯碼器輸出I、時序信號（節(jié)拍電位M，節(jié)拍脈沖T）和狀態(tài)條件信號B的邏輯函數(shù)硬布線控制器的設計步驟將各指令的CPU周期微流程用微操作表示將指令微流程中的各個微操作落實到具體的CPU周期、節(jié)拍周期或節(jié)拍脈沖對于指令流程圖中的出現(xiàn)的每一個微操作，用一個邏輯與表達式來表示硬布線控制器的設計步驟“與”項包括如下內(nèi)容：指令操作碼的譯碼信息尋址方式譯碼信息PSW中的狀態(tài)信息或命令信息來自內(nèi)存或I/O接口的信息CPU周期信息節(jié)拍周期或節(jié)拍脈沖信息硬布線控制器的設計步驟對微操作信號進行邏輯綜合，這一步是對第3步得到的所有同名微操作進行邏輯或?qū)τ谝陨系?步和第4步的每一個微操作的邏輯表達式用邏輯器件實現(xiàn)最終邏輯表達式形式為：

硬布線控制器的特點（解釋原因）設計過程繁瑣，結(jié)構(gòu)復雜，不便于調(diào)試控制器缺乏規(guī)整性，不便于擴充指令微操作控制信號產(chǎn)生速度快模型機的時序取指令周期FIC微流程控制信號舉例根據(jù)上圖對于微操作PC→IB和ARin，有如下邏輯與表達式：PC→IB＝FIC·T0（使用節(jié)拍周期信號T0）ARin＝FIC·P0（使用節(jié)拍脈沖信號P0）將所有指令微流程中的PC→IB和ARin進行綜合，可得到如下形式的邏輯表達式：PC→IB＝FIC·T0＋……＋XX…XARin＝FIC·P0＋……＋XX…X有多少個微操作信號，就應該有多少個這樣的邏輯表達式。模型機的硬布線控制器微程序控制器微程序控制器的基本思想微程序控制是將程序設計的思想引入硬件邏輯控制，把控制信號編碼并有序的存儲起來，將一條指令的執(zhí)行過程替換成多條微指令的讀出和控制的過程基本概念微命令微操作微指令微周期微程序微程序控制器組成微指令格式微指令格式追求的目標微指令的寬度盡量短，這意味著減少CM的容量微程序盡量短，這不但意味著指令的執(zhí)行速度高，而且也意味著CM的容量小微指令包括微命令部分和下地址部分下地址字段控制命令字段微指令格式微地址微地址形成順序執(zhí)行無條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移多分支轉(zhuǎn)移下地址字段組織方案

微下地址

下地址方式微轉(zhuǎn)移條件8位4位4位微命令微命令間關系相容互斥微命令編碼方式直接控制直接編碼間接編碼微程序控制器特點采用ROM存儲控制信號可擴展性好，系列機的兼容性易實現(xiàn)容易實現(xiàn)復雜的指令系統(tǒng)性能比較低并行性不太好主要用在CISC中微程序控制器的設計步驟微命令編碼設計首要問題是找出哪些微命令是互斥的，哪些微命令是相容的微指令下地址字段設計微程序地址空間分配下地址形成方式設計各條指令的微程序設計4位4位2位2位5位4位4位9位4位XX→IBXXinDR相關AR相關各類算術(shù)邏輯運算各類計數(shù)其他微操作次地址NA次地址控制NAC0：NOP1：AX→IB2：BX→IB3：CX→IB4：DX→IB5：SI→IB6：DI→IB7：BP→IB8：SP→IB9：S→IBA：T→IBB：PC→IBC：PSW→IBD：DR→IBE：Rx→IBF：Ry→IB0：NOP1：AXin2：BXin3：CXin4：DXin5：SIin6：DIin7：BPin8：SPin9：SinA：TinB：PCinC：PSWinD：DRinE：RxinF：Ryin0：NOP1：DR→DB2：DB→DR0：NOP1：AR→AB2：ARin3：IRin

00：NOP01：ADD02：ADC03：SUB04：SUBB05：AND06：OR07：XOR08：SAL09：SAR0A：SHR0B：ROL0C：ROR0D：RCL0E：RCR0F：0→T10：INC11：DEC12：NEG13：NOT15：＋2SI16：－2SI0：NOP1：

2DI2：

2DI3：

2SP4：

2SP5：

2PC6：0→PC7：

1CX8：

1CT9：0→CT0：NOP1：MMRD2：MMWR3：IORD4：IOWR5：INTA6：DMAA7：0→AX－18：1→AX－1

模型機的微指令格式微程序地址空間分配微程序功能地址分配取指令及取操作數(shù)000H～020H雙操作數(shù)算術(shù)邏輯指令執(zhí)行（9條）021H～06FHMOV指令執(zhí)行070H～077HIMUL指令執(zhí)行078H～07FHIDIV指令執(zhí)行080H～08FHIN/OUT指令執(zhí)行090H～097H單操作數(shù)算術(shù)邏輯指令執(zhí)行（5條）098H～0AFH移位類指令執(zhí)行（7條）0B0H～0DFHPUSH/POP指令執(zhí)行0E0H～0EFHCALL/RET指令執(zhí)行0F0H～0FFH轉(zhuǎn)移及循環(huán)類指令執(zhí)行100H～10FH中斷周期隱指令110H～11FHIRET指令執(zhí)行120H～128H…………模型機微程序占CM單元約512個次地址字段應為9位次地址控制字段（NAC）設計NAC編碼（H）次地址產(chǎn)生方式0順序1無條件轉(zhuǎn)移2當READY信號到后，無條件轉(zhuǎn)移3兩分支：若(CT)≠0，轉(zhuǎn)移；

若(CT)＝0，順序（用于乘除法運算控制步數(shù)）4兩分支：IR15～9為全0（無操作數(shù)指令或轉(zhuǎn)移類指令）轉(zhuǎn)移；IR15～9≠0（單、雙操作數(shù)指令）順序5多分支：NA→

AR，IR3、2→AR3、2（按尋址方式多路轉(zhuǎn)移）6多分支：NA→

AR，IR2、1、0→AR2、1、0（按尋址方式多路轉(zhuǎn)移）7多分支：按指令操作碼OP實現(xiàn)多路轉(zhuǎn)移8兩分支：IR7＝0（Ry為源寄存器），轉(zhuǎn)移；

IR7＝1（Ry為目的寄存器），順序9兩分支：IR3、2≠00（Rx為內(nèi)存尋址），轉(zhuǎn)移；

IR3、2＝00（Rx為寄存器尋址），順序A兩分支：若(CX)≠0，轉(zhuǎn)移；(CX)＝0，順序B多分支：補碼乘法（Booth算法）中，根據(jù)AX0、AX－1的值實現(xiàn)三路轉(zhuǎn)移C兩分支：補碼除法（加減交替）中，若余數(shù)與除數(shù)同號，轉(zhuǎn)移；若余數(shù)與除數(shù)異號，順序D兩分支：NA→

AR0，

AR0由指令操作碼，狀態(tài)標志PSW（S、Z、O、C）和CX共同決定是否轉(zhuǎn)移

E兩分支：檢測中斷請求INTR，若INTR＝0，轉(zhuǎn)移；兩分支：檢測中斷請求INTR，若INTR＝1，順序F未用模型機微程序總框圖取指令及取操作數(shù)微程序(1)取指令及取操作數(shù)微程序(2)取指令及取操作數(shù)微程序(3)雙操作數(shù)算術(shù)邏輯運算指令(1)雙操作數(shù)算術(shù)邏輯運算指令(2)單操作數(shù)指令轉(zhuǎn)移類指令微程序移位類指令中斷隱指令(1)中斷隱指令(2)計算機設計的基本步驟指令系統(tǒng)設計指令是軟件、硬件的交界面，是計算機設計過程中必須首先考慮的問題數(shù)據(jù)通路設計根據(jù)指令的功能，希望達到的運行速度以及價格等設計目標，確定硬件結(jié)構(gòu)包括：運算器的寬度、算術(shù)運算、邏輯運算功能設定、寄存器設置、CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的寬度和結(jié)構(gòu)等指令流程設計根據(jù)CPU的硬件設置和結(jié)構(gòu)，確定各類指令的流程控制器的設計確定控制器類型，硬布