第六章 CPU_4

内容回顾 微程序的基本概念 微程序 微程序控制器的基本结构及工作过程 微命令 微指令 机器指令和微指令之间的关系 控制器的工作方式 异步控制方式 同步控制方式 联合控制方式 微程序控制中一条指令执行的具体过程 微程序设计中主要考虑的问题 1 如何缩短微指令字长 2 如何减少微程序长度 3 如何提高微程序的执行速度 关键在微指令的设计上和执行方式上 本讲主要内容 微程序设计技术 微指令的编译方法微程序流的控制微指令的格式微程序设计中的其它问题 微指令的编译法 编码译码方法 直接控制法字段直接编译法字段间接编译法常数源字段 微指令编码 即对微指令中的操作控制字段采用的表示方法 其实质是在微指令中如何组织微操作的问题 微指令的编译法 编码译码方法 直接控制法 操作控制字段中的每一位代表一个微命令 其输出直接连接到相应的控制门上 微指令的编译法 编码译码方法 直接控制法 优点 简单 直观 执行速度快缺点 当微命令很多时 微指令字长会很长 对控制存储器的容量 微指令寄存器的长度都有很高要求 微指令的编译法 编码译码方法 字段直接编译法 优点 能够大大缩短微指令的长度缺点 由于增加译码电路 使微程序的执行速度稍稍减慢 1 把互斥的微命令编为一组 2 对微命令进行编码 留出一个代码表示本段不发微命令 3 增设微命令译码器 微指令的编译法 编码译码方法 字段间接编译法 优点 能够进一步缩短微指令的长度缺点 使控制电路更为复杂 同时还会削弱微指令的并行控制能力 一个字段的某些微命令由另一个字段的某些微命令来解释如 字段A受字段B的控制 微指令的编译法 编码译码方法 常数源字段E 如同指令中的立即数一样 一般只有很少的几位 用来给某些部件发送常数 例如 可以用来作为计数器初值 用来控制微程序的循环次数 微指令的编译法 编码译码方法 直接控制法字段直接编译法字段间接编译法常数源字段 微指令编码 即对微指令中的操作控制字段采用的表示方法 其实质是在微指令中如何组织微操作的问题 微指令的编译法 编码译码方法 字段编码的原则 把互斥的微命令分在同一段内 兼容性的微命令分在不同段内 这样有利于提高信息的利用率 缩短微指令字长 而且有助于充分利用硬件的并行性 加快执行速度 微指令的编译法 编码译码方法 字段编码的原则 2 每个小段中包含的信息位不能太多 否则将增加译码线路的复杂性和译码的时间 3 一般每个小段还要留出一个状态位 表示本字段不发出任何微命令 因此当某字段的长度为三位时 最多只能表示七个互斥的微命令 本讲主要内容 微程序设计技术 微指令的编译方法微程序流的控制微指令的格式微程序设计中的其它问题 微程序流的控制 微程序的特征 因为 1 转移类指令要有分支 2 大多数指令都有几种寻址方式 3 每条指令都对应一个独立的微程序 如果为每条机器指令 每种寻址方式都单独设置一段微程序 导致整个必将微程序太长 需要大量的控存容量 因此 应把重复部分作为共享的微子程序库 由各微程序调用 因而会产生大量的寻址分支流程 存在大量的分支 微程序流的控制 几个基本概念 微程序流的控制 初始微地址的形成 每条机器指令对应一段微程序 当执行公用的取指微程序从主存中取出机器指令后 由机器指令的操作码指出微程序的首地址 微程序流的控制 后继微地址的产生方法 在前面 我们已经讲到产生后继微指令地址的方法 由微指令的下址字段指出后继微地址 微程序流的控制 后继微地址的产生方法 1 以增量方式产生顺序执行或转移一定量 2 增量与下址字段相结合产生由转移控制字段和转移地址字段共同决定 3 多路转移方式一条微指令有多个转移分支 4 微中断类似中断的处理 转到相应的微中断处理程序的入口地址 微程序流的控制 以增量方式产生后继微地址 微程序按地址递增顺序一条一条地执行微指令 遇到转移时 由uPC与形成转移微地址的逻辑电路组合成后继微地址 微程序流的控制 增量与下址字段结合产生后继微地址 微指令格式 转移地址字段BAF 用于给出后继转移微地址转移控制字段BCF 用于规定后继微地址是顺序执行还是按BAF字段的转移地址执行 优点 微指令中顺序控制字段较短 微程序便于顺序执行 缺点 不利于解决两路以上的并行微程序转移 因为微程序或者顺序执行 或者按BAF转移微地址来执行 若进行四路转移 顺序控制字段应有三个BAF字段 增加微指令的长度 微程序流的控制 综合上述 后继微地址的形成是设计微程序控制的关键问题之一 确定后继微指令地址有以下几种情况 A 顺序执行时 后继微地址可以由现行微指令字的下地址字段或微程序计数器 PC直接确定 B 无条件转向的后继微地址 可以由现行微指令字的下地址字段确定 C 有条件转向的后继微地址由现行机器指令操作码 现行微指令执行时产生状态特征或条件码的判别结果决定 本讲主要内容 微程序设计技术 微指令的编译方法微程序流的控制微指令的格式微程序设计中的其它问题 微指令格式 水平型微指令垂直型微指令 微指令格式与指令的编译方法密切相关 一般可以分为两大类 微指令格式 水平型微指令 如采用直接控制法 字段编译法的微指令 特点 1 微指令中的微操作有高度并行性 灵活性强 2 执行指令的时间较短 3 微指令字比较长 但微程序比较短 4 硬件密切相关 微程序设计比较困难 微指令编码简单 微指令格式 垂直型微指令 微指令中设置有微操作码字段 由微操作码规定微指令的功能 每条微指令只表示一个微操作 特点 1 每条微指令只表示一个微操作 并行微操作能力差 2 微指令字短 微程序长 几种垂直型微指令举例 几种垂直型微指令举例 几种垂直型微指令举例 两种微指令格式的比较 1 水平型微指令并行操作能力强 效率高 灵活性强 垂直型微指令则较差 2 完成同样的功能水平型微指令用的时间短 垂直型微指令用时间长 3 由水平型微指令解释指令的微程序 具有微指令字比较长 但微程序短的特点 垂直型微指令则相反 微指令字比较短而微程序长 4 水平型微指令用户难以掌握 而垂直型微指令与指令比较相似 相对来说 比较容易掌握 本讲主要内容 微程序设计技术 微指令的编译方法微程序流的控制微指令的格式微程序设计中的其它问题 微程序设计中的其它问题 动态微程序设计微指令执行方式的优化毫微程序设计思想微程序设计语言 静态微程序设计 对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序 而且这一组微程序设计好之后 一般无须改变 可将其固化于ROM中 这种微程序设计技术称为静态微程序设计 动态微程序设计 当采用RAM或EPROM作为控制存储器时 可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统 采用动态微程序设计时 微指令和微程序可以根据用户需要加以改变 因而可在一台机器上实现不同类型的指令系统 使计算机更为灵活 动态微程序设计需要可擦写控存的支持 实际上 动态微程序设计技术用户很难掌握 因此也很难推广 微指令执行方式的优化 由串行方式优化为并行方式 需要硬件支持 实际上是一种流水线技术 微指令执行方式的优化 1 串行方式 2 并行方式 毫微程序设计微程序设计语言 解释微程序的微程序 采用两级微程序设计方法 主要目的是减少控制存储器的容量 微程序设计基本上沿用程序设计的方法 像程序员写程序那样来设计微