第十二讲--控制器的设计实现

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• 机器指令执行的过程就是微程序执行的过程
– 微程序的总和便可实现整个指令系统的功能
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1.基本思想
• 微程序控制器的基本思想
– 将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑。
微程序控制器将原来的组合逻辑变成了存储逻
辑,并且可用类似程序设计的方法来设计控制 逻辑。
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• 此逻辑电路以使用最少门电路和取得最高操作速度为设计目标
– 这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂逻 辑网络 – 一旦控制部件构成后,除非重新设计和物理上对它重 新连线,否则要想增加新的控制功能是不可能的
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• 硬连线控制器组成
– 组合逻辑网络、指 令寄存器和指令译 码器、时序发生器 等 – 组合逻辑网络产生 计算机所需的全部 操作命令,是控制 器的核心
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• 组合逻辑控制方法包括硬连线方法与门阵列方法 两种 • 硬连线方法是分立元件时代的产物
– 采用这种方法的一项重要指标是尽量减少所用的逻辑 门数目,以降低成本 – 但这样造成控制器结构不规整,各种操作控制信号以 明显的随机形式散布在整个计算机中,不便于维修, 可靠性低,并且造价高
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– 将有关微操作控制信号写成微指令
– 若干微指令组成一个微程序 – 所有微程序都存放在控制存储器中 – 当机器运行时,逐条读出这些微指令,从而产 生全机所需要的各种操作控制信号,使相应部 件执行所规定的操作
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控制存储器的组织
公共子程序 中断处理子程序 ADD微程序 SUB微程序 …... JMP 微程序
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计算机组成原理
计算机组成原理
计算机组成原理

这个控制信号是用门电路、触发器等许多器件采用布尔代 数方法来设计实现的。当机器加电工作时,某一操作控制信 号C在某条特定指令和状态条件下,在某一序号的特定节拍 电位和节拍脉冲时间间隔中起作用,从而激活这条控制信号 线,对执行部件实施控制。显然,从指令流程图出发,就可 以一个不漏地确定在指令周期中各个时刻必须激活的所有操 作控制信号。例如,对引起一次主存读操作的控制信号C3 来说,当节拍电位M1=1,取指令时被激活;而节拍电位 M4=1,三条指令(LDA,ADD,AND)取操作数时也被激活, 此时指令译码器的LDA,ADD,AND输出均为1,因此C3的逻 辑表达式可由下式确定:
计算机组成原理
计算机组成原理
硬布线逻辑的实现途径
• 两级门电路的实现(参考chapter 2)
– PLA(可编程逻辑阵列) – PAL (可编程阵列逻辑Fra Baidu bibliotek – GAL(通用阵列逻辑)
• VLSI直接实现
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门阵列控制器
• 由大量的与门、或门阵列等电路构成的器件,称 为门阵列(Gate Array)器件
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• 用门阵列实现微操作信号发生器时,
– 把操作码、时序信号和状态条件作为门阵列的 输入 – 按一定的“与”、“或”关系编排后,其输出 便是微操作控制信号
• 显然,门阵列控制器也是一种组合逻辑控 制器
– 但是与常规的硬连线控制器不同,它是可编程 的,并且不需要把一系列门电路和触发器通过 硬连线组织起来
– 早期的CPU – RISC机器
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• 微程序控制器是用微程序(Microprogram)
实现计算机控制的控制器
– 具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点 – 在计算机设计中被广泛采用
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Wilkes模型
• 微程序设计思想,最初是由英国剑桥大学的M.V.Wilkes于 1951年提出。核心部分是连接有二极管的一个阵列。
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2.基本概念
1)微命令
2)微指令 3)微地址 4)微程序
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1)微命令
• 由微程序控制器通过控制线向执行部件发
出的微操作控制信号称为微命令
(Microorder)
• 执行部件接受微命令后所进行的操作就是
微操作
– 微操作是计算机中最基本的操作
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• 一条机器指令的功能用若干条微指令组成
的序列——微程序(Microprogram)来实现
– 微程序是由微指令组成、用以实现指令功能的 程序
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• 由此可见,
– 微命令按照一定的要求组合成微指令
– 微指令按照指令功能的要求组合成微程序
– 一条机器指令的功能是用一段微程序来实现的
– 微指令寄存器
• 用来存放从控制存储器中取得的微指令,包括微命令寄存器和微地址 寄存器
– 微地址转移逻辑
• 用于产生后继微指令的地址
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⑴控制存储器
• 控制存储器用来存放实现机器指令系统的微程序
– 一般是高速的只读存储器 – 通常情况下,在微程序的调试阶段往往采用可读写的
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• 门阵列控制器的设计步骤:
– 首先根据各条指令的功能要求,按照给出的数 据通路,编写每条指令的操作流程; – 然后根据全部指令的操作流程,并与适当的时 序信号相结合,写出每个微操作控制信号的逻 辑表达式,并进行化简; – 最后按此逻辑表达式,用门阵列器件来产生微 操作控制信号
• 门阵列方法用大规模集成电路来实现上述随机逻 辑,从而克服了前者的缺点
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硬布线控制器的特点
• 优点:当机器的 指令集 中指令条数较少且操作码 规整时,译码速度快,硬件逻辑的执行速度快。 • 缺点:当机器的 指令集 中指令数量较大时,控制 线路复杂;控制器的调试难度增大;自动化生产 程度将降低。 • 典型机器:
– 控制存储器是控制器的一部分,不属于主存储器 – 控制存储器存放的是微指令,而主存储器存放的则
是指令
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⑵微指令寄存器
• 微指令寄存器用来暂时存放由控制存储器
读出的一条微指令信息,包括微命令寄存 器和微地址寄存器
– 微命令寄存器保存微指令中的操作控制字段和 判别测试字段的信息 – 微地址寄存器则保存将要访问的下一条微指令 的地址
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执行部件反馈信息 B I 指令译码器
微操作控制信号 C
组合逻辑网络 N
IR 指令寄存器 启动 停止 时钟 复位 T
时序发生器
• 组合逻辑网络的输入信号有三个来源
⑴来自指令译码器的输出I; ⑵来自执行部件的反馈信息B; ⑶来自时序发生器的时序信号T
• 组合逻辑网络的输出信号就是微操作控制信号C
硬布线控制的计算机
• 在CPU中,由“时序控制信号形成部 件”产生控制计算机各部分操作所 需的控制信号。这个部件的组成有 两种方式:
微程序控制方式 硬布线控制方式
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1.硬连线控制器
• 硬连线(Hard-wired)控制器是早期设计计算机控 制器的一种方法
– 把控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑 电路
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⑶地址转移逻辑
• 微地址寄存器存放微地址信息
– 微指令从控制存储器读出后,可直接给出下一条微指令 的地址
• 如果微程序不出现分支,那么下一条微指令的地址 就直接由微地址寄存器给出
• 当微程序出现分支时,意味着微程序出现条件转移
– 在这种情况下,则通过判别测试字段和执行部件的状态 条件来反馈信息,对微地址寄存器的内容进行修改,并 按修改好的内容去读取下一条微指令
程序寄存器打入脉冲
与逻辑
ADS#’
访问存储器T1周期打入脉冲
6
CLK2
CLK2 CLK T1 T2
机器主频
T1节拍 T2节拍
打入脉冲
CP
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• 显然,硬布线控制器的基本原理,归纳起来可 叙述为:某一微操作控制信号C是指令操作码 译码器输出Im、时序信号(节拍电位Mi,节拍 脉冲Tk)和状态条件信号Bj的逻辑函数,即 • C= f (Im, Mi, Tk, Bj)
– 典型代表产品包括:
• 可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array,PLA)、可编程 阵列逻辑(Programmable Array Logic,PAL)、通用阵列逻辑 (Generic Array Logic,GAL)等
• 用门阵列器件设计的操作控制器,称为门阵列控 制器
– 其工作原理与硬连线控制器基本相同 – 但门阵列控制器用门阵列器件代替硬连线控制器中的 组合逻辑网络
计算机组成原理
• 硬连线控制器的设计步骤
– 首先根据各条指令的功能要求,按照给出的数 据通路,编写每条指令的操作流程;
– 然后根据全部指令的操作流程,并与适当的时 序信号相结合,写出每个微操作控制信号的逻 辑表达式,并进行化简;
– 最后按此逻辑表达式,用与门、或门和非门等 逻辑门电路及触发器来产生微操作控制信号
计算机组成原理
• 一般来说,还要考虑节拍脉冲和状态条件的约束,所以每一 控制信号Cn可以由以下形式的布尔代数表达式来确定: • C3=M1+M4(LDA+ADD+AND) • 在硬布线控制器中,某一微操作控制信号由布尔代数表达式 描述的输出函数产生。 设计微操作控制信号的方法和过程是, 根据所有机器指令流程图,寻找出产生同一个微操作信号的 所有条件,并与适当的节拍电位和节拍脉冲组合,从而写出 其布尔代数表达式并进行简化,然后用门电路或门阵列来实 现。 • 为了防止遗漏,设计时可按信号出现在指令流程图中的先后 次序来书写,然后进行归纳和简化。要特别注意控制信号是 电位有效还是脉冲有效,如果是脉冲有效,必须加入节拍脉 冲信号进行相“与”。 •
• 这给计算机设计者和用户提供了相当大的灵活性
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• 微程序控制技术是利用软件方法来设计硬 件的一项技术
– 能使机器逻辑设计规整,同时提高可靠性、可 利用性和可维护性
• 微程序开发在许多方面类似于软件开发
– 软件工程中行之有效的一系列开发手段都可应 用于微程序的开发上
存储器,而微程序一旦固化,就采用只读存储器存放,
并且在机器运行时只读不写
• 控制存储器的工作过程
– 读出一条微指令,执行这条微指令; – 接着又读出下一条微指令,执行这一条微指令,……
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• 控制存储器的字长就是微指令字的长度,其存
储容量视机器指令系统而定,即取决于微程序 的数量 • 对控制存储器的要求是速度快,读出周期短 • 注意:
– 用来对执行部件的操作进行控制
• 因此,组合逻辑网络输出的微操作控制信号C,就 是以上输入信号的逻辑函数
C f ( I , B, T )
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计算机组成原理
打入脉冲的形成
DB->IR CP
与逻辑
CP-IR
指令寄存器打入脉冲
PC+1
CP ADS# T1
与逻辑
CP-PC
计算机组成原理
• 在用硬布线实现的操作控制器中,通常,时序产生器除了产 生节拍脉冲信号外,还应当产生节拍电位信号。这是因为, 在一个指令周期中要顺序执行一系列微操作,需要设置若干 节拍电位来定时。 • 与微程序控制相比,硬布线控制的速度较快。其原因是微程 序控制中每条微指令都要从控存中读取一次,影响了速度, 而硬布线控制主要取决于电路延迟。因此,近年来在某些超 高速新型计算机结构中,又选用了硬布线控制器,或与微程 序控制器混合使用。
微指令1 微指令2 ………... 转移至取指或中断入口
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• 微程序控制技术,其实质是用程序设计的 思想方法来组织操作控制逻辑
– 存放微程序的存储器称为控制存储器(Control Memory,CM,简称控存) – 由于微程序是存储在控制存储器之中的,因此, 改变控制存储器的内容就可以方便地改变指令 特性、增删指令、甚至改变指令系统
2)微指令
• 在一个CPU周期中,实现一定操作功能的一
组微命令的集合构成一条微指令 (Microinstruction)
– 微指令存放在控制存储器中
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3)微地址
• 微地址(Microaddress)就是微指令在控制
存储器中的地址
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4)微程序
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1)微程序控制器的组成原理
• 微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转 移逻辑三大部分组成
指令寄存器IR OP 状态条件 … 地址译码 控制存储器 判别测试 微地址寄存器 地址转移逻辑 微命令信号 … 控制字段 微命令寄存器
– 控制存储器
• 由只读存储器构成,用于存放微程序
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