计算机组成原理第五章中央处理器（三）课件

5 4微程序控制器5 4 1微程序控制器的由来 一 组合逻辑控制器设计方法的两大缺点 1 逻辑实现复杂 2 不易扩充和修改二 微程序设计方法的好处采用程序设计技术可以解决设计的规整性问题 将不规则的微操作命令变成有规则的微程序 利用存储逻辑概念可以解决可修改性问题 由上引出微程序设计控制器的方法 简化了控制器设计的任务 实现容易 成本较低 微程序设计控制器的实质 将组合逻辑设计中的硬件软化为微程序 三 Wilkes模型 微程序设计方法的首次提出1951年剑桥的Wilkes教授提出 针对组合逻辑的缺点 采用程序设计及存储逻辑的概念 将机器指令分解成若干基本操作后 将有关控制信息以微码形式编成微指令输入到控制存储器中 于是一条机器指令对应一个微指令序列构成的一段微程序 取出微指令就产生微命令 进而实现机器指令要求的信息传送和加工 上述思想用一篇论文的形式提出 论文题为 TheBestWaytoDesignanAutomaticCalculatingMachine 论文主题 用一种有规则的 存储控制逻辑的方法 微程序设计方法来设计机器繁杂的控制逻辑 文中给出的设计方案叫做Wilkes模型 5 4 2微程序控制器的有关术语和概念一 微命令与微操作微命令 即微操作控制信号 是构成控制信号序列的最小单位 控制部件通过控制总线向执行部件发出的各种控制命令 微操作 执行部件接受微命令后进行的操作 关系 微命令是微操作的控制信号 而微操作是微命令所控制的操作过程 二 微指令和微周期微指令 若干微命令的组合 每个微周期的操作所需的控制命令 控制存储器中每个单元存放的编码字信息 实质 把一条机器指令中一个机器周期中的微操作所需命令信息放在一条微指令中 微周期 即微指令周期 从控存中取出一条微指令并执行相应的微操作所需要的时间 微指令格式 微操作控制字段顺序控制字段 微操作码字段 微地址码字段 三 微程序和微程序设计微程序 一系列微指令的有序集合 一段微程序常对应实现一条机器指令的功能 见下图 求解问题的算法 ADDR1 R2 STAM1 1ii 1 m 主存 ADD指令的微程序 STA指令的微程序 控存 微程序设计 控制器 将传统的程序设计方法运用到控制器的设计中 设计与各条机器指令相对应的微程序的过程 控制逻辑的本质是控制计算机内部的信息传送 因此也可以说微程序设计就是用类似程序设计的方法来组织的控制计算机内部的信息传送和相互联系 四 控制存储器 CM 存放微程序的存储器 又名微程序存储器 简称控存 一般用ROM存储器实现 CM每个单元存放一条微指令代码 码点 CM字长一般远大于机器字长 CM容量取决于微指令字长和微程序总长度 计算机指令系统固定后微程序就是固定的 即CM中内容是固定的 练习 P 210习题6 假设某机器有80条指令 平均每条指令由4条微指令组成 其中有一条取指微指令是所有指令公用的 已知微指令长度为32位 请估算控制存储器容量 解 共用微指令条数为4 79X3 或80X3 1 241条 CM的容量估算为241X32 微指令长度 位 五 看教材P 173图5 21及P 174图5 22目的 通过例子了解相容性微操作和相斥性微操作的概念以及微指令的基本格式 1 图5 21 简单运算器数据通路 图见下页 相容性微操作 在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作 相斥性微操作 不能在同时或同一个CPU周期内并行执行的微操作 Cy X Y R1 R2 R3 468 975 多路开关 图中哪些微操作是相斥的 哪些是相容的 图5 21 M 3 1 2 ALU DR 多路开关 2 图5 22 微指令基本格式该图实际对应上图的数据通路 但又表示了上图中看不到的几个微命令 从该图我们主要形象认识一下微指令格式中的具体内容都有哪些 1234567891011121314151617181920212223 操作控制 LDR1 LDR3 R1 YR2 YR3 YMRD LDIR PC 1 LDR2 R1 XR2 XDR X LDDR LDAR P1P2直接地址 顺序控制 5 4 3微程序控制器的原理框图 Wilkes模型 一 模型框图 微地址寄存器 AR 地址译码驱动 机器指令寄存器IR 主存储器RAM 后续微地址形成电路 顺序控制字段 译码 CM 微命令 状态条件 IR 微操作控制字段 二 工作原理1 从CM的0号单元开始执行CM中 取机器指令 微程序 将取出的机器指令送到机器指令寄存器IR 2 IR中机器指令的操作码部分通过 后续地址形成电路 产生与该机器指令功能对应的微程序的入口地址 3 逐条执行该微程序中的微指令 4 执行完一条机器指令的微程序后 回到公用的 取机器指令 微程序 即 回到CM的0号单元 三 机器指令与微指令 程序与微程序 主存与控存的比较 关系1 机器指令与微指令机器指令 提供给用户编程的基本单位 一条机器指令表明CPU能完成的一项功能 即机器硬件能理解并执行的语言 微指令 实现机器指令中的一个步骤所需的微命令的组合 关系 一条机器指令 一个微指令序列 一段微程序 其中每个微指令周期与CPU周期相等 2 程序与微程序程序 由机器指令构成 编好后放在主存中运行 可改写 微程序 由微指令构成 事先编好放在CM中 一般不可改写 关系 微程序解释执行程序 3 主存与控存主存 存放系统程序与用户程序 容量很大 控存 存放对应于机器指令系统的全部微程序 容量有限 取决于指令系统 5 5微程序设计技术 内容提要 涉及两方面内容 1 微指令结构的设计微命令编码 微操作控制字段的设计 微地址的形成 顺序控制字段的设计 微指令格式 水平型和垂直型微指令 2 微指令执行方式串行微指令执行并行微指令执行微程序设计的目标 有利于缩短微指令的长度 有利于减小微程序的长度 有利于提高微程序的执行速度 5 5 1微命令编码对微指令中的操作控制字段采用的表示方法 一 直接表示法 直接控制法 不译码法 在微指令的操作控制字段中 每个微命令用一位信息表示 对应一种微操作 例 见下页 P 174图5 22 优点 简单直观 执行速度快 微命令的并行控制能力强 编制的微程序短 缺点 微指令字太长 空间不能充分利用 微命令表示法之一 直接表示法 1234567891011121314151617181920212223 操作控制 顺序控制 LDR1 LDR3 R1 YR2 YR3 YMRD LDIR PC 1 LDR2 R1 XR2 XDR X LDDR LDAR P1P2直接地址 二 编码表示法 字段直接译码法将微指令的控制字段分为若干个小字段 各小字段分别编码 每种编码代表一种微命令 见下图 字段1 字段2 P字段 下一个微地址 操作控制 顺序控制 译码 译码 译码 微命令 微命令 P1P2Pn IR 微命令表示法之二 字段直接译码法 分段的一般原则 1 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 互斥微命令的常见例子 同一部件的同类操作 如ALU的各种操作 主存的R W等 将数据送到内部总线上的操作 由内部总线接收数据的操作 存储器与外设的读写 2 各小字段包含的信息位一般不超过6位特点 既缩短了指令字长 又有并行操作的高效率 执行速度也较快 译码器有时间延迟 三 混合表示法以上两种的结合使用 将速度要求高 或与其他控制信号都相容的微操作控制信号以直接方式表示 其他信号以编码方式表示 便于综合考虑微指令字长 灵活性和执行速度方面的要求 见下图 字段1 字段2 字段n 顺序控制字段 操作控制 译码 译码 微命令 微命令 微命令 IR 微命令表示法之三 混合表示法 四 微命令表示法 的例题 例1 某机采用微程序控制方式 微指令字长24位 微指令格式的控制部分为水平型编码 共有微命令30个 构成4个相斥类 各包含5个 8个 14个和3个微命令 请设计出微指令控制部分的具体格式 解答 按一般原则分段共4段 使用相应译码器 具体格式见下图 XXXXXXXXXXXXX 3 8译码器 4 16译码器 4 16译码器 2 4译码器 选5个微命令 选8个微命令 选14个微命令 选3个微命令 例2 教材P 210第8题 某机有8条微指令I1 I8 每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示 a j分别对应10种不同性质的微命令信号 假设一条微指令的控制字段仅限8位 请安排微指令的控制字段格式 微指令abcdefghIj I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 解答 e f h两两互斥 b I j也是两两互斥 由此而设计符合要求的微指令控制字段格式如下 XXXXXXXX 00 无操作01 e10 f11 h 00 无操作01 b10 i11 j 0 无操作1 a 0 无操作1 c 0 无操作1 d 0 无操作1 g 5 5 2微地址的形成方法也叫做 微程序流的控制 解决微程序连续执行的问题 即当前微指令执行完后 如何确定后续微指令的地址 对应微指令格式 是设计其中除了操作控制字段的顺序控制字段 操作控制字段顺序控制字段 一 微程序入口地址的确定1 执行 取机器指令 微程序 把机器指令取出送到IR 2 根据IR中操作码转到该机器指令对应的微程序入口 因机器指令格式不同 可能按一级功能转移或多级功能转移找到入口 也可用PROM或PLA芯片直接得到入口地址 回到微程序控制器原理框图 Wilkes模型 中了解微程序入口的确定 微程序控制器的原理框图 Wilkes模型 微地址寄存器 AR 地址译码驱动 机器指令寄存器IR 主存储器RAM 后续微地址形成电路 顺序控制字段 译码 CM 微命令 状态条件 IR 微操作控制字段 对于微程序入口地址的确定 该电路为一级或多级转移的 AR内容形成电路 或是 根据IR OP 生成该机器指令对应的微程序入口的PLA或PROM芯片 二 后续 后继 微地址的产生1 计数器方式借鉴了用PC计数产生机器指令地址的方法 在微程序控制器中设置一个硬件计数器叫微程序计数器 PC 或MPC 顺序执行微程序时 PC 1 PC 微程序出现转移时 由微指令地址字段中转移部分结合转移条件把新地址送入 PC 计数器方式形成后续地址图示 OP 转移部分 CM PC 入口地址及转移地址产生器 IR 条件码 状态标志 IR 计数器方式的特点 微指令字较短 微地址产生机构简单 多分支能力弱 CM物理地址分配不方便 2 断定方式 多路转移方式 下址字段方式 断定方式 后继微程序地址可由设计者指定或由设计者指定的测试判别字段控制产生 断定方式的微指令格式 OP 测试判别字段 下址字段 说明 1 微程序不产生分支时 直接由微指令中顺序控制字段给出后继地址 该字段即 下址 字段 该字段位数的要求 2 微程序出现分支时 按顺序控制字段给出的测试判别字段结合状态条件来形成后继微地址 该字段位数 断定方式的微程序控制器框图 操作控制字段 P字段 测试判别 下址字段 IR PLA和微地址修改逻辑 条件码 状态标志 AR CM 下址 OP 测试 PLA 产生对应机器指令的微程序的入口地址 微地址修改逻辑 由 IR中的测试字段和外部条件 状态等修改 AR中的若干位来产生后继地址 IR 或逻辑 3 断定方式与计数器方式结合的方法确定后续地址 略 4 断定方式确定后续微地址的例题EX1 P 181 例3 微地址寄存器有6位 A5 A0 当需要修改其内容时 可通过某一位触发器的强置端S将其置 1 现有三种情况 1 执行 取指 微指令后 微程序按IR的OP字段 IR3 IR0 进行16路分支 2 执行条件转移指令微程序时 按进位标志C的状态进行2路分支 3 执行控制台指令微程序时 按IR4 IR5的状态进行4路分支 请按多路转移方法 即断定方式 设计微地址转移逻辑 解 题中微程序有三处需要判别测试以决定下地址 转移到何处 的地方 分别用P1 P2 P3表示 具体修改 A5 A0的方法为 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 再把时间因素 时序信号 考虑进来 假设CPU周期由四个节拍T1 T4构成 且在最后一个节拍进行上述修改 则转移逻辑表达式如下 A5 P3 IR5 T4 A4 P3 IR4 T4 A3 P1 IR3 T4 A2 P1 IR2 T4 A1 P1 IR1 T4 A0 P1 IR0 T4 P2 C T4 可见断定方式的特点 可实现快速多路分支 微程序在CM中物理分配方便 微程序设计灵活 教材中也称之为 多路转移方式 EX2 P 210第9题 微地址转移逻辑表达式如下 A8 P1 IR6 T4 A7 P1 IR5 T4 A6 P2 C T4其中 A6 A8为微地址寄存器相应位 P1和P2为判别标志 C为进位标志 IR5和IR4为指令寄存器的相应位 T4为时钟周期信号 说明上述逻辑表达式的含义 画出微地址转移逻辑图 解答 逻辑式含义说明 地址转移逻辑图如下 将其放到前述 断定方式的微程序控制器框图 中或P 175图5 24中即是完整的原理图 与 与 与 P1IR6IR5P2C T4 A8 A7 A6 AR P 175图5 24为微程序控制器组成原理框图 见下 控制存储器 微地址寄存器 地址转移逻辑 OP 指令寄存器IR 地址译码 P字段 控制字段 微命令信号 状态条件 微命令寄存器 P 175图5 24微程序控制器组成原理框图 断定方式应用EX3 下面给出一个微程序的流程图 每一个方框为一条微指令 用字符A P分别表示微指令执行的微操作 其中第一处分支为机器指令取指后的四分支 由IR1IR0组合确定分支流向 第二处分支为按运算结果中状态位Z的值进行两路分支 问题 根据给定的微程序流程如何设计微指令的顺序控制字段 及如何为每条微指令分配一个微地址 A B C D H L P E F I M J N G K O 根据IR1 IR0做四路分支 按Z值做两路分支 解 先来确定微指令格式中顺序控制字段的安排 1 下址字段位数 A P共为16条微指令 需要16个微地址 故用4位 2 测试判别字段的位数 2位 再来考虑地址分配 回到流程图中分析 其中关键在于带有分支的微指令的下址分配 为了简化地址修改逻辑 通常使带分支的微指令的下址字段具有某种约束 一般选测试条件控制的那几位为全0 无转移时地址可由小到大分配 OP 测试P 下址 00 下址01 按IR1 IR0转移10 按Z值转移11 空 A B C D H L P E F I M J N G K O 0000 0 0001 1 0010 2 根据IR1 IR0做四路分支 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 0011 3 1000 8 1001 9 1010 10 1011 11 1100 12 1101 13 1110 14 1111 15 微地址微命令测试字段P下址 0000A000001 0001B000010 0010C010100 0011E101010 0100D000011 0101H001000 0110L001001 0111P001001 1000I001011 1001M001100 1010F001101 1011J001110 1100N001111 1101G000000 1110K000000 1111O000000 微地址修改逻辑 微地址转移逻辑 如图 5 5 3微指令格式一 水平型微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令 格式图见P 182 控制字段 测试判别字段 下址字段 特征 微指令字较长 一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作 微命令与控制门之间一般有直接对应关系 与 与 与 AR1 AR0 AR0 P 01 P 10 IR1IR0Z 二 垂直型微指令在微指令中设微操作码字段 一次只能执行数据通路中的一 二种信息传送的微指令 格式图见P 182 183三 两种格式微指令的比较P 183 1 4 5 5 4微指令的执行方式一 串行执行方式示意图 取i条执行i条取i 1条执行i 1条 微周期i微周期i 1 T Tcm Tcpu 二 并行执行方式示意图 5 5 5动态微程序设计及微程序技术的应用一 静态与动态微程序设计技术 P 183二 微程序技术的应用 1 计算机实现微程序设计技术为计算机控制器的实现提供了一种系统化技术 尤其适合于实现系列机的控制器设计 2 仿真 Emulation 在A计算机上用微程序去模仿B计算机的指令系统 目的 使两种不兼容的计算机的软件可以兼容 3 操作系统支持用微程序实现操作系统一些重要部分的原语 primitive 以简化操作系统任务的实现 改善其性能 4 专用设备 special purposedevice 的实现 专用设备 指嵌入主机系统的针对某项应用的设备 如数据通信板 这类设备都有自己的微处理器 将其某些功能用微程序做成固件来实现而不用软件 会增强性能 5 高级语言支持将多种函数和数据类型做成固件直接实现 易于将高级语言程序编译成有效的机器语言程序 6 微诊断将诊断程序写成微程序 动态地送入CM或令其常驻CM 用于监测 确定 隔离及修复系统错误 7 用户加工 usertailoring 书后有关习题 P 210第10 11题 10 某计算机有如下部件 ALU 移位器 主存M 主存数据寄存器MDR 主存地址寄存器MAR 指令寄存器IR 通用寄存器R0 R3 暂存器C和D 1 请将各逻辑部件组成一个数据通路 并标明数据流动方向 2 画出 ADD R1 R2 指令的流