微程序控制器.ppt

1 控制器的功能 计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令代码控制器的功能就在于 正确地分步完成每一条指令规定的功能 正确且自动地连续执行指令 再进一步说 就是向计算机各功能部件提供协调运行每一个步骤所需要的控制信号 2 控制器的组成 程序计数器PC 存放指令地址 有 1或接收新值功能 指令寄存器IR 存放指令内容 操作码与操作数地址 指令执行步骤标记线路 指明每条指令的执行步骤 控制信号记忆或产生线路 给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号 运算器部件 主存储器部件 总线及输入 输出接口 输入 输出设备 控制器部件 各部件包括 也包括 设计中的难点 在于解决对运算器 控制器的控制 时序控制信号形成部件 译码 OPIR PC 输出设备 输入设备 主存储器部件 运算器部件 启停 地址寄存器 数据总线 地址总线 控制总线 控制条件 主振 组合逻辑控制器的组成和运行原理 节拍发生器 程序计数器 指令寄存器 TEC 2000教学机系统的组成 计算机终端 PC机 微程序控制器 运算器 8 16位 主存储器 8 16位 按键开关指示灯 串行接口 接口实验中断实验内存扩展实验 电源 5V 硬布线控制器 二 指令的执行过程 冯 诺依曼结构的计算机即存储程序的计算机 设置内存 存放程序和数据 在程序运行之前存入 执行程序 正确从程序首地址开始 正确分步执行每一条指令 并形成下条待执行指令的地址 正确并自动地连续执行指令 直到程序的最后一条指令 每条指令的执行步骤 读取指令指令地址送入主存地址寄存器读主存 读出内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定内容执行指令不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 检查有无中断请求若有 则响应中断并转中断处理若无 则转入下一条指令的执行过程 R R类型指令读写内存类型指令输入输出类型指令其他类型指令 可能执行一次或多次 是一次读内存操作 公共操作 公共操作 是每一条指令的特定操作 1 指令执行步骤与信息流动图示部分 典型指令的执行过程举例 2000 0001ADDr0 r1 加法指令2001 0790MVRRr9 r0 传送指令2002 8280IN80 读串行口数据到R0低8位2003 E709STRA 2007 r9 写内存指令 是一条双字指令2007 第二个字中的2007是直接地址2005 44FAJRC2000 若C为1转到2000 否则顺序执行2006 8F00RET 子程序返回指令其他一些指令与这里的几条指令有相当多的共同特性 属于同一组的指令的执行步骤非常类似 读取指令 AR PC PC PC 1 读主存 IR 读出内容执行指令 ALU R0ALU R1执行 R0 ALU 记忆结果特征结束 判中断 指令执行步骤简单的文字描述加法指令ADDR0 R1 形成下条指令的地址 寄存器内容传送指令MVRRR9 R0 读取指令 AR PC PC PC 1 读主存 IR 读出内容执行指令 ALU 0ALU R0执行 R9 ALU结束 判中断 形成下条指令的地址 输入指令IN80 读取指令 AR PC PC PC 1 读主存 IR 读出内容执行指令 AR I OPort 读外设 ALU 读出数据ALU 0执行 R0 ALU结束 判中断 形成下条指令的地址 写寄存器内容到主存STRA 2007 R9 读取指令 AR PC PC PC 1 读主存 IR 读出内容执行指令 AR PC PC PC 1 读主存 AR 读出内容 ALU 0 ALU R9 写主存 总线 ALU 结束 判中断 地址2007存在指令的第二个字中 形成下条指令的地址 相对转移指令JRC2000 读取指令 AR PC PC PC 1 读主存 IR 读出内容执行指令 若c 1则 ALU PCALU offset IR低字节 二者相加 结果送PC否则 PC不接收二者之和结束 判中断 形成下条指令的地址 子程序返回指令RET 读取指令 AR PC PC PC 1 读主存 IR 读出内容执行指令 AR SPSP SP 1 读主存 PC 读出内容结束 判中断 形成下条指令的地址 PC 0 AR PCPC PC 1 IR AR 寄存器之间运算与传送 读 写内存AR 地址 AR 地址 读 写内存或I O接口 读 写内存PC 地址 教学计算机的基本指令 扩展指令执行流程图 A组 B组 C组 D组 Reset B C D组 C组指令也是2次读写内存 第1次的读操作和第2次的送地址操作同时完成 只用3步执行了两次内存读写过程 仅在教学机加电启动时执行1次 三 微程序控制器的运行原理 每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令 每条微指令可以包括一到多个微操作 用多条微指令 一个微程序 解释每条指令的执行过程 全部的微程序有机地组合在一起 被保在控制存储器中 执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期 微指令的格式和内容 下地址字段控制命令字段 读与执行微指令的并行流水技术 微程序控制器实验 Am2910 MAPROM SCCGal 控制存储器 ROM 指令操作码 微指令转移的控制条件 CC低有效 微指令寄存器 0MRWSAI8 6B口0SSTDC20I2 0SBI5 3A口SSHSCIDC1 CP G 读命令 1 确定指令功能与格式2 划分指令执行步骤3 分配微指令地址4 设计微指令内容5 把新微指令写入控存6 需要时修改MAPROM和SCCGal等7 调试并且运行 B口二选一 A口二选一 IR SR IR DR MAP 2 PL 3 SB SA CM1CM2CM3CM4CM5CM6CM7 0 14 0 2 3 14 CI 0 MAR为00h CI 2 MAR来自MAPROM CI 14 是顺序执行 CI 3 且 CC为低 MAR来自微下地址 CC为高 则是顺序执行 MAR RESET 377 CP MAPROM用于从操作码映射出微指令地址 微程序控制器部件56位的微指令字长微下地址字段16位控制命令字段40位7片28C64组成控存1片28C65 从指令操作码产生微地址1片374存8位下地址1片273存8位条件码1片377存8位现微地址1片Am2910给出下一条微指令地址1片GAL按判断条件产生微指令转移信号 CC5片GAL用作为5片8位的D触发器的寄存器2片GAL实现两个4位的2选1芯片功能16位的指令寄存器IR16位的程序计数器PC PC 下地址字段的内容 得到下地址的方法 1 由指令操作码得到2 微指令顺序执行3 微指令必转或条件转移多路微地址转移4 微子程序调用和返回5 按次数循环一段微程序6 其他 如特定入口微地址 在微指令下地址字段中表示清楚 使用哪种方法 哪个 些 判断条件 要用的有关地址等 并用专门电路完成必要支持和处理 微指令的下地址是微程序设计中要重点解决的问题之一 技术 技巧性强 应学得好些 在教学计算机中 解决下地址使用了Am2910器件 微堆桟指针 SP 5字 12位微堆桟F 微程序计数器 PC 寄存器 计数器R C DRF PC多路选择器 命令译码器 增量器 零检测 D11 D0 Y11 Y0 CP FULL CI CC CCEN I3 I0 PL MAP VECT RLD OE 出栈 入栈保持 清零 装数减量保持 清零选择 R为零 Am2910器件 非零循环零 PL PC弹出 PC弹出 4入栈与装数注1 PL PC压入 PC压入 6读手拨开关 VECT PCD 3条件微转移 PL PCD 2功能分支 MAPDD 1条件转微子 PL PCD压入 完成R CR C使能 CC 高 CC 低功能内容操作信号Y输出堆栈Y输出堆栈 0初始化 PL0清除0清除 8R C非零减1 PLFF 10微子返回 PL PCF弹出 14顺序执行 PL PC PC 15三路转移非零减1 PLF PC弹出 零 PLD弹出 PC弹出 8位微下地址字段用于直接给出下一条微指令的地址 下地址字段的内容 微下地址2910的命令码微转移条件 8位 4位 4位 分成3个子字段 总共使用17位码 微指令中用16位 4位的命令码 用于选择Am2910的16个命令 如前面的表格内容所示 4位的微转移条件编码 用于给出微指令转移所依据的条件 与教学机具体设计有关 四 微指令控制信号组成和微指令格式设计 控制命令字段 给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号 把它们划分成若干字段 分别用于控制各部件 1 对运算器部件的控制例如 运算功能 数据来源 结果处理等 2 对主存和输入输出接口 设备 的控制例如 是主存读 写还是入出设备读 写 3 对总线的控制例如 把什么信息发送到有关总线 4 对几个特定的寄存器的接收操作控制即在此时刻让哪一个寄存器接收发送给它的输入信息 5 对控制器部件本身的控制 下地址字段 主要是正确给出形成下条微指令的地址的信息 控制器应提供的控制信号 Y15 Y0用16个指示灯显示结果 D15 D0 RAM15 Q15 RAM0 Q0 Cin CyF 0OverF15 运算器部件 4片Am2901 A3 0 B3 0 I8 6 用16个数据开关提供输入数据 CZVS SSH SST SCI I5 3 I2 0 SCISSHA口B口 I8 6I5 3I2 0SST 通过24位微型开关提供控制信号 各用四个指示灯显示状态 Gal20V8 Gal20V8 1 对运算器的控制 26位控制信号 其中24位同微型开关内容 加SA SB两位A3 A0 B3 B0I8 I6 I5 I3 I2 I0SST2 0 SSH1 0 SCI1 0SA SB的用法 表明送ALU的A口 B口地址来源为1 来自IR的SR DR字段为0 来自微指令的A B字段寄存器分配 R4 SPR5 PC约定用法 R0 I O指令约定使用也是通用累加器 二选一芯片 微指令 BIR DR B口地址 送ALU 线路实现 IN80SHRR3PC PC 1 SB 读写主存储器或I O接口 从学习指令执行步骤考虑 理解对主存储器读写的控制 分成两步 1 传送主存地址 以选择被读写的存储单元 2 给出读写命令 读操作时 把读出数据保存起来 写操作时 还要给出写入的数据 从学习指令执行步骤考虑 理解对接口电路读写的控制 分成两步 1 传送IO端口地址 以选择被读写的芯片 2 给出读写命令 读操作时 把读出数据保存起来 写操作时 还要给出写入的数据 2 对内存和I O接口的读写 MIO 0 有内存或串口读写 1 无 REQ 0 读写内存 1 读写串行口 WE 0 写操作 1 读操作 000写内存 001读内存 010写串口 011读串口 1XX无内存和串口的读写操作 对总线的控制 总线是用于连接计算机各个功能部件的线路和连接线 通常由具有三态输出功能的器件构成 以便用分时地方式 在不同时刻把不同的数据发送到总线上 任何时刻仅能有一个数据发送到总线上 总线上的数据可以被送到需要接收数据的部件或者线路 多个线路可以同时接收同一个来源数据 计算机中总要使用3种类型的总线 数据总线 地址总线 控制总线 3 对内部总线和 4 特定寄存器的控制 选择送内部总线的信息来源DC12 0信号名称注释000 SWTOIB来自开关001 RTOIBALU的输出010 ETOIB符号扩展16位011 FTOIB状态位输出100未用101 INTVH中断向量的110 INTVL高 低8位110NC不用 控制指定寄存器接收信息DC22 0信号名称注释000NC不用001 GIR指令寄存器010未用011 GAR地址寄存器100 INTR取原中断优先级101 INTN置新中断优先级110 EI开中断110 DI关中断 8位微下地址字段用于直接给出下一条微指令的地址 5 对控制器本身的控制 下地址字段的内容 微下地址2910的命令码微转移条件 8位 4位 4位 分成3个子字段 总共使用17位码 微指令中用16位 4位的命令码 用于选择Am2910的16个命令 如前面的表格内容所示 4位的微转移条件编码 用于给出微指令转移所依据的条件 与教学机具体设计有关 确定微指令格式 MRWI2 I0SAI8 I6SBI2 I0 微下地址微命令码转移条件 B地址A地址SST2 0SSHSCI DC2 2 0DC1 2 0 55 4847 4443 40 39 4335 3231 2827 24 23 2019 1615 1211 8 7 43 0 位序号 微指令字段划分和微命令名 微指令字长56位 微下地址字段8位 其它字段都是4位 微程序控制器实验 Am2910 MAPROM SCCGal 控制存储器 ROM 指令操作码 微指令转移的控制条件 SCC 微指令寄存器 0MRWSAI8 6B口0SSTDC20I2 0SBI5 3A口SSHSCIDC1 CP G 读命令 1 确定指令功能与格式2 划分指令执行步骤3 分配微指令地址4 设计微指令内容5 把新微指令写入控存6 需要时修改MAPROM和SCCGal等7 调试并且运行 B口二选一 A口二选一 IR SR IR DR MAP PL SB SA 微程序控制器部件56位的微指令字长微下地址字段16位控制命令字段40位7片28C64组成控存1片28C65 从指令操作码产生微地址1片374存8位下地址1片273存8位条件码1片377存8位现微地址1片Am2910给出下一条微指令地址1片GAL按判断条件产生微指令转移信号 CC5片GAL用作为5片8位的D触发器的寄存器2片GAL实现两个4位的2选1芯片功能16位的指令寄存器IR16位的程序计数器PC PC 微命令字段的编码译码方法 1 直接控制法直接用微指令字的一位作一个控制信号则简单且速度快 但会使微指令字变得很长 2 字段直接编译法把互斥的命令分在一组加以编码 经译码器给出命令 速度会稍慢 但可大大减短微指令字长度 确保互斥 3 字段间接编译法是对直接译码的的一种改进 可进一步缩短微指令字长度 即一个字段的某些微命令还受另一字段的制约 4 常数源字段微指令中分配几位 用于给出特定用途的有关数值 五 为每一条微指令分配微地址 需要为每一条微指令在控存中分配一个合适的地址 这是合理地组织微程序的重要工作 1 首先确定微指令中下地址字段的组成 2 再按每一条微指令在控存中的位置 来安排下地址字段各部分的编码 这与控制器的具体线路与方案有关 PC 0 AR PCPC PC 1 MAP 寄存器之间运算与传送 读 写内存AR 地址 AR 地址 读 写内存或I O接口 读 写内存PC 地址 教学计算机的基本指令 扩展指令执行流程图 A组 B组 C组 D组 Reset B C D组 C组指令也是2次读写内存 第1次的读操作和第2次的送地址操作同时完成 只用3步执行了两次内存读写过程 仅在教学机加电启动时执行1次 IR AR 加电启动时 执行0 PC 接下来的两步 完成取指操作 按指令操作码 读出相应微指令 按指令具体功能 再分别用1 2 3 4步完成不同指令组的中各条指令的执行过程 最后检查中断请求信号 有请求时则响应中断 否则开始下一条指令的执行过程 六 微指令控制信号字段编码 为每一条微指令各项微操作确定其所要求的控制信号如 使IR AR等寄存器接收的信号控制PC增量和接收的信号读写主存 读写外设的信号控制运算器操作的信号等这要看被控制的具体对象的具体要求通过已有结果看一下微码设计过程 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 303041B80010003044B80000003647100000323030373000000000E0432055013000E0170000000000E0433140003030300220550001 指令执行流程表举例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 指令执行流程表举例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 第1条微指令和第2条微指令用于完成读取指令 具体操作功能是 PC AR PC 1 PC PC是R5 A口和B口均选5 B口内容 1送B口 输出A口的内容送AR寄存器 读主存 读出内容 IR 微指令都是顺序执行 故2910选14 命令 第3条微指令按读出的指令的操作码 形成相应微指令的地址 读出该条微指令并将其写入微指令寄存器 2910选2 命令 控制运算器的I8 I6选001码 保证运算器的各寄存器内容不变化 无存储器和IO读写 故 MIOREQ WE选100码 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 303041B80010003044B8000000 指令执行流程表举例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 第3条微指令和第4条微指令用于完成两个累加器之间的相加和传送操作 具体操作是 2累加器相加 DR SR DR A口和B口编码来自指令寄存器 故SA和SB都给1值 下微指令转判中断请求 故2910选3 命令且SCC为0000 必转30 第4条微指令 完成两个累加器之间的数据传送 累加器SR的内容和0相加 存入DR寄存器中 不保存标志位的值 故SST为000 上条微指令SST为001 保存标志位的值 两条微指令都无存储器和IO读写 MRW为100 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 1436471000003230303730000000 指令执行流程表举例 ADDDR SRMVRRDR SRINIO PORTCALAADR 第5 6两条微指令完成读串行接口 具体操作是 先送IO端口地址 在IR的低8位 到地址寄存器AR DC1为2选IR的低8位送内部总线 经ALU 送出D 0 到AR DC2为3是AR接收 IN指令的第1条微指令中的下地址的3个子字段分别为1436 条件码为6时 是IN指令 转地址14 否则 是OUT指令 顺序执行 下一微指令完成读串口输入