计算机组成原理 控制器,计算机组成原理13-控制器-微程序

计算机组成原理13-控制器-微程序

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14.9 积分

组合逻辑控制器：由大量的逻辑门和触发器组成。 微程序控制器：基于“存储程序，顺序执行”的思想 体制。,微程序控制器原理,微命令：构成控制信号序列的最小单位。 微操作：由微命令控制实现的最基本操作。 微指令：若干个微命令的组合。 微周期：指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间。 微程序：一系列微指令的有序集合。 控制存储器：存放微程序的只读存储器。,微程序控制器的基本概念,微程序控制的基本思想,微程序事先存放在控制存储器(CM)中，执行机器指令时再取出。,1. 若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；,2. 若干条微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；,CPU的构成,引入了程序技术，使设计规整；,,引入了存储逻辑，使功能易于扩展。,结论：执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。,微程序控制器原理,1.主要部件,(1)控制存储器CM,功能：,存放微程序。,CM属于CPU，不属于主存储器。,微程序控制器原理,(2)微指令寄存器 µIR,功能：,存放现行微指令。,微命令字段：,提供一步操作所需的微命令。,微地址字段：,,,指明后续微地址的形成方式。,提供微地址的给定部分。,(微操作控制字段),(顺序控制字段),微程序控制器原理,(3)微地址形成电路,功能：,提供两类微地址。,微程序入口地址：,由机器指令操作码形成。,后续微地址：,,由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。,微程序控制器原理,2.工作过程,取指微指令,(1)取机器指令,CM,取指微指令,,µIR,取指微指令,,,,译码器,,,,微命令序列,IR,,微命令字段,译码器,,,微命令,,主存,,,机器指令,,IR,译码器,,,,微命令序列,微程序控制器原理,(2)转微程序入口,IR,操作码,,微地址形成电路,,入口,µAR,微命令字段,,CM,,首条微指令,,IR,,,微地址寄存器,,,微地址寄存器,,,,(3)执行首条微指令,,,,译码器,µIR,µIR,,译码器,,,,,微命令序列,微命令,,操作部件,微程序控制器原理,(4)取后续微指令,微地址字段 现行微地址 运行状态,,微地址形成电路,,,,PSW,,微地址寄存器,,,,,,,,PSW,,微地址寄存器,,,,,微地址寄存器,,后续微地址,µAR,,,,CM,后续微指令,,µIR,微地址寄存器,,,,微程序控制器原理,(5)执行后续微指令,同(3),(6)返回,微程序执行完，返回CM,(存放取指微指令的固定单元)。,微程序控制器原理,微操作信号,PCi,PCo,MBRi,MBRo,MARi,IRo,IRi,Yi,S0S1,ACi,ACo,R W,+1,共15个微操作信号,PCo , MARi ,R;,MBRo , IRi ,+1 ;,,,OP 译码,,,,,,,,IRo, MARi, R;,MBRo, S0S1(直送), ACi,,MOV,STA,ADD,JPZ,JMP,IRo, MARi;,ACo , MBRi, W ;,IRo, MARi, R;,MBRo,Yi ;,ACo , S0S1(加法), ACi,IF Z=1 then IRo , PCi;,IRo , PCi;,,,,,,,,,,,,PCi,PCo,MBRi,MBRo,MARi,IRo,IRi,Yi,S0S1,ACi,ACo,R W,+1,(PC)?MAR , M(R); (MBR)?IR , (PC)+1?PC;,PCo , MARi ,R; MBRo , IRi , +1 ;,取指公共操作,PCi,PCo,MBRi,MBRo,MARi,IRo,IRi,Yi,S0S1,ACi,ACo,R W,+1,MOV AD ; ( AD ) ? AC,(IR(AD))?MAR , M(R); (MBR)?ALU , ALU?AC ;,IRo , MARi , R; MBRo , S0S1(直送), ACi,PCo , MARi ,R;,MBRo , IRi ,+1 ;,,,OP 译码,,,,,,,,IRo, MARi, R;,MBRo, S0S1(直送), ACi,,MOV,STA,ADD,JPZ,JMP,IRo, MARi;,ACo , MBRi, W ;,IRo, MARi, R;,MBRo,Yi ;,ACo , S0S1(加法), ACi,IF Z=1 then IRo ,PCi;,IRo PCi;,,,,,,,,,,,,T0,T1,T0,T1,T0,FT,AT,ET,PCi,PCo,MBRi,MBRo,MARi,IRo,IRi,Yi,S0S1,ACi,ACo,R W,+1,(PC)?MAR , M(R); (MBR)?IR , (PC)+1?PC;,PCo , MARi ,R; MBRo , IRi , +1 ;,取指公共操作,PCi,PCo,MBRi,MBRo,MARi,IRo,IRi,Yi,S0S1,ACi,ACo,R W,+1,MOV AD ; ( AD ) ? AC,(IR(AD))?MAR , M(R); (MBR)?ALU , ALU?AC ;,IRo , MARi , R; MBRo , S0S1(直送), ACi,微指令的基本结构举例,此格式中，后续微指令地址由顺序控制字段的6位信息决定。其中(20-23)4位用来直接给出下一条微指令的地址，(18，19)两位作为判别测试标志。=0，表示不进行测试，直接按第20-23位给出的地址取下一条微指令；,微指令的基本结构举例,当第18或19位为1，表示要进行P1或P2的判别测试，根据测试结果，需要对第20-23位的某一位或几位进行修改，然后按修改后的地址取下一条微指令。,微程序控制器的组成框图,?指令的OP与微程序入口的可能映射方式及比较,OP就是指令微程序的入口地址(或高几位),,CPU周期与微指令周期的关系,微指令周期：读出微指令到执行完该条微指令的时间 在串行方式的微程序控制器中: 微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间,为了保持整个机器控制信号的同步，可将一个微指 令周期设计成与CPU周期时间相等。,CPU周期与微指令周期的关系,机器指令与微指令的关系,一条机器指令对应一段微程序，由微指令解释执行 机器指令与内存M有关，微指令与控制存储器CM有关 每个CPU周期对应一条微指令,微指令格式,水平型微指令 垂直型微指令 混合型微指令,(1)垂直型微指令,优点：,一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。,微指令短、简单、规整，便于编写微程序。,缺点：,微程序长，执行速度慢；工作效率低。,(2)水平型微指令,一条微指令定义并执行一种基本操作。,优点：,缺点：,微指令长，编写微程序较麻烦。,微程序短，执行速度快。,(3)混合型微指令,微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快。,在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。,?水平型微指令和垂直型微指令的比较,水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则比较差。 b. 水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行执行一条指令的时间长。 c. 由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字较长，微程序短的特点；垂直型微指令则相反，微指令短而微程序长。,微命令编码方法(如何表示微操作),(1)直接控制法,微命令按位给出。 不需译码，产生微命令的速度快；信息的表示效率低。(微指令长，占CM容量大)。 微指令中通常只有个别位采用直接控制法。,如何确定微指令的结构，是微程序设计的关键。,?操作字段的每一位表示一个微命令,,?优点: 简单、直观，输出直接用于控制 ?缺点: 微指令字长、不利于减少控存容量,(2)分段直接编译法 (单重定义编码),微命令由字段编码直接给出(显式编码)。,微命令分组原则：,同类操作中互斥的微命令放同一字段。,,不能同时出现,,?把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器译码，译码输出将作为操作控制信号。每次每个小组最多只能有一个有效。,每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。,操作唯一；,加法器A输入端的控制命令放 AI字段，B输入端的控制命令 放BI字段。,一条微指令能同时 提供若干微命令，便于组织各种操作。,编码较简单；,微操作是计算机中最基本的操作，由于数据路、逻辑功能的关系，微操作可以分为： ?相容性的微操作: 能同时并行执行的微操作 ?相斥性的微操作: 不能同时并行执行的微操作,图中相斥性的微操作有： ( + 、 – 、 M ) ( 4、 6、 8 ) ( 5、 7、 9 ) 图中相容性的微操作有：1、2、3 (4、6、8) 与 (5、7、9)两组中各取一个任意组合,微操作信号,PCi,PCo,MBRi,MBRo,MARi,IRo,IRi,Yi,S0S1,ACi,ACo,R W,+1,(3)分段间接编译法 (多重定义编码，隐式编码),例.,微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。,C =,a) 设置解释位或解释字段,,解释位,,1 (A为某类命令) 0 (A为常数/另一类微命令),(3)分段间接编译法 (多重定义编码，隐式编码),b) 分类编译,按功能类型将微指令分类，分别安排各类微指令格式和字段编码，并设置区分标志。,例.DJS-220 微指令分两类。,微指令,,CPU方式(触发器C=0) I/O方式(触发器C=1),全加器运算方式控制,C = 0,,C = 1,通道专用操作方式控制,(4)其他编码方法,a) 微指令译码与机器指令译码复合控制,例.,机器指令,微指令,译码器,译码器,,,,,,,,,,,001,R1,A门,b) 微地址参与解释,004,微地址,微指令,011,23,例 DJS180系列 26个局部性微命令,(4)其他编码方法,微地址形成方式 微程序入口地址的形成 后续微地址的形成 增量方式 (计数器方式) 后继微地址由现行微地址加上一个增量来产生 2)断定方式(直接给定和测试断定相结合形成微地址),,,3) 多路转移方式： 一条微指令具有多个转移分支的能力。,? 取指微指令执行后，下一条微指令由指令操作OP指定 ? 当微程序不出现分支时，直接由微指令的顺序控制字段给出下一条微指令的地址。 ? 当出现转移时，由判别测试字段和状态条件来修改顺序控制的某些位来实现多路分支。 顺序控制字段该信息有n位，微程序就有2n路转移,例.,机器指令1,入口地址=000FH,机器指令2,入口地址=0010H,000F,,0010,,,微地址1,微程序1,微地址2,,微程序2,功能转移,功能转移,,0页,微程序控制器设计 时序安排 二级时序(微指令周期、脉冲),,同步控制，用统一微指令周期控制各条微指 令执行。,P,微程序时序安排,,微指令周期,微指令 打入 µIR (CM→ µIR),二级时序：,,,,,,,控制数 据通路 操作,,,结果打 入目的 地，,,,读取后续 微指令,,后续微 地址打 入 µAR,微程序控制器设计 2. 微指令格式 按操作类型(数据通路各段操作)划分字段， 同类操作中互斥的微命令放同一字段。,,微程序控制器设计 3. 微程序编制 编写程序 实现分支 微指令实例 例 微指令代真(“取指”微指令) PC→MAR PC+1→PC 按OP分支 00→01→02→……,,微程序控制方式优缺点及应用,,1. 优点： ①结构规整，设计效率高； ②易于修改，扩展指令系统功能； ③可靠性高； ④性价比高。 2. 缺点： 执行速度较慢，执行效率不高 3. 应用： 用于对速度要求不太高的、功能较复杂的机器中，特别适用于系列机。 4. 两种控制方式的比较：,组合逻辑控制(硬布线控制)与微程序控制比较, 关 键 词： 计算机 组成 原理 13 控制器 微程序

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