第7章控制器-2.ppt

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1、1,第七章 控制器,7.1 控制器的组成及指令的执行 7.2 控制方式和时序的产生 7.3 微程序控制器 7.4 微程序控制器及其微程序设计举例 7.5 硬布线控制器 7.6 流水线的基本原理 7.7 Pentium CPU 本章小结 作业,2,7.3 微程序控制器,一、基本概念 二、微程序控制器的基本工作原理 三、微程序控制器的组成 四、微程序控制原理举例 五、微程序设计技术,3,一、 基本概念,微操作：指令执行时必须完成的基本操作。例如，PCAR，PC+1 PC，RAMIR。 微命令：是组成微指令的最小单位，也就是控制微操作实现的控制信号。一般用于控制数据通路上门的打开/关闭，或者功能选择

2、。 微指令：是一组微命令的集合，用于完成一个功能相对完整的操作。 微程序：微指令的有序集合，用于实现机器指令的功能。,4,一、 基本概念,控制存储器：简称控存，用于存放所有指令的微程序，其中一个存储单元存放一条微指令。一般为ROM。 微地址：微指令在控存中的地址。 微周期：指从控存中取出并执行一条微指令所需要的时间，一般与一个机器周期相当。,5,二、微程序控制器的基本工作原理,一条机器指令由一段微程序来解释实现 。 微程序控制的计算机工作过程：,开机 上电,产生 Reset 信号,置PC为第一条指令的地址,置PC为取指令 微程序段的入口地址,取指令,分析指令,执行指令,执行取指令 微程序段,产

3、生该指令的微程序入口地址,执行该指令的微程序段,6,三、微程序控制器的组成,微程序控制器的组成框图,7,微程序控制器的构成部件,控制存储器:简称控存、CM，用于存放微程序，一般由ROM构成。 微地址寄存器:存放要访问的控存中的微指令的地址，又称AR 、CMAR。 微指令寄存器:存放从控存中读出的微指令本身，又称IR。其控制字段用于产生微操作控制信号，其下址则送至微地址形成电路，产生下一条微指令的地址。 微地址形成电路:用于产生下一条微指令的地址。包含了指令译码器， 微程序控制器中ID的作用是将指令寄存器中的操作码OP转换成该指令的微程序入口地址。,8,四、微程序控制原理举例,（一）模型计算机系

4、统结构 （二）模型计算机数据通路 （三）模型计算机控制信号 （四）微指令格式 （五）微程序设计举例,9,（一）模型计算机系统结构,10,（二）模型计算机数据通路,1、存储器读操作：分成两步： 送地址到总线，并打入地址寄存器AR； 发送存储器读信号M-R# =0，启动存储器读操作，并将读出的数据从总线上接收至目的部件（例如某通用寄存器或者暂存器DA1、DA2）。 例如：取指令操作 PCAR，PC+1； 发送M-R# =0 ，并RAMIR。,11,（二）模型计算机数据通路,2、存储器写操作：分成两步： 送地址到总线，并打入地址寄存器AR； 送数据到总线，并发送存储器写信号M-W# =0，启动存储器

5、写操作。 3、运算器的运算操作：分成三步： 送第一个数据到总线，并打入ALU暂存器DA1/DA2 送第二个数据到总线，且打入ALU暂存器DA2/DA1 发送运算器功能选择信号S3S0、M、Ci，控制ALU进行某种运算，并打开ALU输出三态门(ALU-B#=0)，将总线上运算结果送目的部件。,12,（三）模型计算机控制信号,13,（三）模型计算机控制信号,14,（四）微指令格式,微指令的控制字段28位，一位表示一个微命令。 微指令的下址字段指出下一条微指令的地址，该模型机的控制存储器地址是7位，表示最多有128个单元，每个单元（28+7=35位）。,15,（五）微程序设计举例,微程序设计步骤：

6、根据数据通路，写出每条指令的执行过程，画出微程序流程图。 写出每条微指令所发出的微操作控制信号。 按照微指令格式，编写每条微指令的代码。 对照指令的执行流程图，分配微指令的地址 将写好的微指令按分配好的微地址装入控制存储器。,16,（五）微程序设计举例,假设存放在存储器中的二条指令内容为：,17,1、指令执行过程,ADD R0, 06H 取指令： M1 (送存储器地址)：PCAR, PC+1 M2 (读存储器，指令译码)： MEM IR,J1# 执行指令： M3（取源操作数送地址）：PCAR, PC+1 M4（取源操作数读）：MEM DA1 M5（取目的操作数）： R0DA2 M6（计算并置结

7、果）：DA1+DA2Rd,18,1、指令执行过程,JMP ADDR 取指令： M1 (送存储器地址)：PCAR, PC+1 M2 (读存储器,指令译码)：RAMIR, J1# 执行指令： M4（取操作数送地址）：PCAR, PC+1 M5（取操作数读）：RAM PC,19,2、指令执行时产生的微操作序列,20,3、指令的微程序代码：ADD,21,3、指令的微程序代码：JMP,22,4、为微指令分配微地址,01H,02H,20H,21H,07H,04H,05H,06H,23,五、微程序设计技术,采用微程序设计的目的： 缩短微指令字长； 减少控制存储器的容量； 微程序的执行速度； 易于微指令的修改

8、； 增加微程序设计的灵活性。 微指令由两部分构成： 控制字段：指出微指令的功能，表示要发送的微命令 下址字段：用于指出下一条微指令的地址。,24,五、微程序设计技术,（一）控制字段的编码方法 （二）下址字段的设计方法 （三）微指令格式的类型 （四）控制存储器和动态微程序设计 （五）毫微程序设计,25,（一）控制字段的编码方法,1、直接控制法：微指令的控制字段中，每一位代表一个微命令（控制信号），在设计微指令时，如果要发出某个微命令则将控制字段中对应位置有效信号，即打开对应控制门。 优点：无需译码，执行速度快；微程序较短。 缺点：微指令字长很长，占用控存容量大。 2、全译码方式：将所有的控制信号

9、进行编码，作为控制字段。在执行微指令时，译码产生各个微命令。 优点：微指令字长很短。 缺点：并行操作能力弱，微程序很长，执行速度慢,26,（一）控制字段的编码方法,3、字段直接编译法 ：将控制字段分成若干段，每段通过编码/译码对应到各个控制信号。 优点：并行操作能力较强，字长较短 分段原则是：相斥性微命令分在同一字段内，相容性微命令分在不同字段内。前者可以提高信息位的利用率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加快指令的执行速度。,相斥性微命令：指在同一个微周期中不可能同时出现的微命令。 相容性微命令：指在同一个微周期中可以同时出现的微命令,27,（一）控制字段的编码方法,4、字段间接编译

10、法 ：某字段的编码含意，除了其本身的编码外，还需要由另一字段来加以解释。也就是说，某一字段所产生的微命令，是和另一字段的代码联合定义出来的。 优点：进一步缩短微指令字长 例如：模型机的微指令格式定义(24位),直接控制法,28,模型机微指令字段编码表,字段间接编译法,字段直接编译法,29,（二）下址字段的设计方法,微指令中下址字段的结构和后继微指令地址的形成方法有关，又称为微程序流的控制。 后继微指令地址获得方法有三种： 根据机器指令操作码产生该指令对应的微程序入口地址（通过指令译码散转）； 由下址字段指出下一微地址，或顺序1； 根据上一条微指令执行结果来判断微指令转移还是顺序执行微指令，即实

11、现微程序分支。,30,（二）下址字段的设计方法,1、微程序入口地址的产生 2、后继微地址的产生 3、模型机微地址的产生举例,31,1、微程序入口地址的产生,根据机器指令的操作码转移到其对应的微程序入口地址，通常称为操作码映射。 这是一种多分支情况，也就是指令译码，通常采用以下两种方法来实现这种转移。 映射ROM：简称MAPROM，该ROM中存放的是指令的微程序入口地址。以指令的操作码为地址，访问该MAPROM单元，读出的内容即是该指令的微程序入口地址。 逻辑电路：以指令的操作码作为输入变量，通过组合逻辑电路，产生的输出变量即为指令的微程序入口地址。,32,2、后继微地址的产生,每条微指令执行完

12、毕，都必须根据要求产生后继微指令地址。方法有两种： （1）计数器方式：在微程序控制器单元中设置一个微程序计数器PC，用于保存后继微指令地址。 在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微地址1（即PC 1）来产生。 遇到转移时，由微指令给出转移地址，使微程序按新的微地址顺序执行。 微指令格式：,33,（1）计数器方式,BAF：转移地址字段，用于给出微指令转移的部分微地址。BAF一般位数少，将它送到PC的若干低位或高位形成后继微地址。 BCF：转移控制字段，用来确定后继微地址是顺序执行还是条件转移。 当条件成立时，微程序转移，将BAF送PC；否则顺序执行下一条微指令（PC1）。 转移控制字段BCF

13、应当能够定义各种后继微地址来源。 假设，在微程序中有顺序执行、无条件转移、条件转移、测试循环、转微子程序和微子程序返回6种情况，再加上指令散转至相应的微程序入口地址，则转移控制字段BCF用3位编码上述7种情况。,优点是微指令字较短，便于编写微程序，后继微地址产生机构比较简单； 缺点是执行速度低，微程序在控制存储器中的物理分配不方便，需合理安派、调整,34,35,（2）判定方式（下址字段法）,微指令格式：,微指令格式中必须设置一个下址字段，用来指明下一条要执行的微指令地址，所以也称为下址字段法。 当微程序不产生分支时，后继微指令地址直接由微指令的下址字段给出； 当微程序出现分支时，按判别测试字段

14、和状态条件通过逻辑电路来形成后继微地址。 由于每一条微指令至少都是一条无条件转移微指令，因此不必设置专门的转移微指令。,优点是可以实现快速多路分支，以提高微程序的执行速度，微程序在控制存储器的物理分配方便，微程序设计灵活； 缺点是微指令字长，形成后继微地址的结构比较复杂,36,37,3、模型机微地址的产生举例,模型机微程序控制器结构 模型机微程序入口地址的产生方法：逻辑电路 模型机后继微地址的产生方法：下址字段法 模型机后继微地址转移控制部件,38,举例：模型机微程序控制器结构,39,模型机微程序控制器结构,后继微地址的产生方法：下址字段法。 控存中的24位微码读出后，在T2节拍，高17位送微

15、指令寄存器IR保存并译码，低7位（下址字段）则送控存地址寄存器。 在T4节拍，由后继微地址转移控制部件发出微地址修改信号SE6#SE0#，对控存地址寄存器中保存的下址进行修改(SEi#=0，则1 MAi)，作为后继微地址 后继微地址转移控制部件根据判别测试字段FUNC发出的转移控制信号J1J5，结合指令操作码OP及目前的运算结果状态FZ、FC，开关K2、K1状态和中断INT状态，来发送微地址修改信号SE6SE0，以决定如何修改下址字段所提供的微地址，产生后继微地址。,40,模型机后继微地址转移控制部件,41,模型机后继微地址转移控制逻辑(J1),J1#=0时，根据指令的操作码（OP）I7I4进

16、行散转，产生该条指令的微程序入口地址。散转规则： 当I7I6=11时(即指令格式三的指令)，则SE5#=0，即1MA5，并且： 若I5=1，则SE3#=0，即1MA3； 若I4=1，则SE2#=0，即1MA2； 若I3=1，则SE1#=0，即1MA1； 若I2=1，则SE0#=0，即1MA0； 当I7I611时(即指令格式一和格式二的指令) ，则： 若I7=1，则SE3#=0，即1MA3； 若I6=1，则SE2#=0，即1MA2； 若I5=1，则SE1#=0，即1MA1； 若I4=1，则SE0#=0，即1MA0；,42,模型机后继微地址转移控制逻辑(J2#),当J2#=0时，根据指令操作码I3

17、I2进行散转，转移至相应指令的微程序段。 主要应用于格式二的机器指令，即含寻址方式码（MOD）的格式。该指令格式中， I7I6为第一操作码，通常是指令格式二的特征码，I5I4为寻址方式码（MOD），I3I2为指令的第二操作码，用于区分格式二的四条指令。 在这些指令的微程序实现中，通常首先根据I7I4进行J1散转，转移至相应的寻址方式微程序段（主要功能是计算有效地址EA）；然后进行第二次的J2散转，转移至不同的机器指令的微程序段（实现指令的功能）。 散转规则： I3=1时，则SE1#=0，即1MA1； I2=1时，则SE0#=0，即1MA0；,43,模型机微地址转移控制逻辑(J3#、J4#、J5

18、#),J3#=0时，根据开关K2、K1状态进行转移；主要应用于控制台操作指令。散转规则： KB=0时，则SE1#=0，即1MA1； KA=0时，则SE0#=0，即1MA0； J4#=0时，根据条件FC或FZ进行转移；主要应用于条件转移指令JZC或JZ或JC。散转规则： FC=1时，则SE1#=0，即1MA1； FZ=1时，则SE0#=0，即1MA0； J5#=0时，根据中断请求信号INT是否有效，确定转移。散转规则： INT=1时，则SE5#=0，即1MA5；,44,模型机微地址转移控制逻辑举例,以第六章所介绍的模型机指令系统（P185）为例，写出所有机器指令的J1散转的微程序入口地址。假设取

19、指令微程序中进行J1散转的微指令的下址字段为10H0010000B。,45,模型机微地址转移控制逻辑举例,对于指令格式二的四条指令，通过J1散转到寻址方式的微程序入口地址后，各自计算有效地址EA；之后均进行二次的J2散转，假设进行J2散转的微指令的下址字段为40H1000000B，则格式二的四条指令的微程序入口地址为：,46,（三）微指令格式的类型,不同的计算机有不同的微指令格式，但一般分为水平型微指令和垂直型微指令两种类型。 （1）水平型微指令 微指令字采用长格式，也就是控制字段采用直接控制法和字段直接编码法，使一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作。 水平型微指令的优点是：一条微指

20、令可同时发送多个微命令，微指令执行效率高，速度快，较灵活，并行操作能力强；水平型微指令构成的微程序较短。它的主要缺点是：微指令字长较长，明显地增加了控制存储器的横向容量。,47,（三）微指令格式的类型,（2）垂直型微指令 控制字段采用完全编码的方法，将一套微命令代码化构成微指令。就像计算机机器指令一样，它由微操作码、源地址和目标地址以及其他附带信息构成 垂直型微指令和机器指令一样分成多种类型的微指令，所有微指令构成一个微指令系统。 主要特点：微指令字采用短格式，每条微指令只能控制一二个微操作，并行控制能力差。但由于微指令和机器指令格式相类似，对于用户来说，垂直型微指令比较直观，容易掌握和便于使

21、用。微指令字短，减少了横向控制存储器的容量；但微程序长，影响了执行的速度。,48,（四）控制存储器和动态微程序设计,控制存储器：一般由ROM构成，因为指令系统一般是固定的，微程序是解释执行指令的，因此微程序一般也是固定的，所以使用只读存储器来存放微程序。 动态微程序设计：在一台微程序控制的计算机中，假如能根据用户的要求改变微程序，那么这台机器就具有动态微程序设计功能。 具有动态微程序设计功能的控制器的CM必须是可改写的存储器，如RAM或者E2PROM。 动态微程序设计可以通过修改微程序来实现不同的指令系统，或者实现指令系统的扩充或调整。 动态微程序设计的目的是使计算机能更灵活、更有效地适应于各

22、种不同的应用场合。,49,（五）毫微程序设计,将垂直型微指令设计和水平型微指令设计结合起来，采用两级微程序来实现指令系统： 第一级为垂直微程序：用来解释机器指令，称为微程序并存放在称为微程序存储器的控存（一级控存）中。 第二级为水平微程序，用来解释垂直微指令，并产生相应微命令，实现数据通路的控制。由于它是解释微程序的微程序，所以称为毫微程序，存放在称为毫微程序存储器的控存（二级控存）中。 毫微程序设计使得微程序流的控制和微命令发出完全分离，微程序流控制由微程序级实现（垂直型微指令），而微命令则由毫微程序产生（水平型微指令）。,50,毫微程序控制器结构,返回,51,作业,P243: 1,2,3,4,6 9,10,11,12,13,15,16,17,18,52,The End !,