5.3 操作控制器

计算机组成与系统结构 陈泽宇副教授 第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器 CPU 第6章总线系统第7章输入输出 I O 系统第8章并行计算机系统 5 3操作控制器 根据设计方法不同 操作控制器可分为组合逻辑控制器和微程序控制器两种二者的区别在于其中的控制信号形成部件不同进而反映出不同的设计原理和方法根据使用器件的不同 组合逻辑控制器又可进一步细分为硬连线控制器和门阵列控制器 5 3 1组合逻辑控制器 1 硬连线控制器2 门阵列控制器3 组合逻辑控制的特点 1 硬连线控制器 硬连线 Hard wired 控制器是早期设计计算机控制器的一种方法把控制部件看作产生专门固定时序控制信号的逻辑电路以使用最少门电路和取得最高操作速度为设计目标这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂逻辑网络一旦控制部件构成后 除非重新设计和物理上对它重新连线 否则要想增加新的控制功能是不可能的 硬连线控制器组成组合逻辑网络 指令寄存器和指令译码器 时序发生器等组合逻辑网络产生计算机所需的全部操作命令 是控制器的核心 组合逻辑网络的输入信号有三个来源 来自指令译码器的输出I 来自执行部件的反馈信息B 来自时序发生器的时序信号T组合逻辑网络的输出信号就是微操作控制信号C用来对执行部件的操作进行控制因此 组合逻辑网络输出的微操作控制信号C 就是以上输入信号的逻辑函数 硬连线控制器的设计步骤根据各条指令的功能要求 按照给出的数据通路 编写每条指令的操作流程 根据全部指令的操作流程 并与适当的时序信号相结合 写出每个微操作控制信号的逻辑表达式 并进行化简 按此逻辑表达式 用与门 或门和非门等逻辑门电路及触发器来产生微操作控制信号 2 门阵列控制器 由大量的与门 或门阵列等电路构成的器件 称为门阵列 GateArray 器件可编程逻辑阵列 ProgrammableLogicArray PLA 可编程阵列逻辑 ProgrammableArrayLogic PAL 通用阵列逻辑 GenericArrayLogic GAL 等用门阵列器件设计的操作控制器 称为门阵列控制器其工作原理与硬连线控制器基本相同但用门阵列器件代替硬连线控制器中的组合逻辑网络 用门阵列实现微操作信号发生器时 把操作码 时序信号和状态条件作为门阵列的输入按一定的 与 或 关系编排后 其输出便是微操作控制信号显然 门阵列控制器也是一种组合逻辑控制器但是与硬连线控制器不同 它是可编程的 并且不需要把一系列门电路和触发器通过硬连线组织起来 门阵列控制器的设计步骤 根据各条指令的功能要求 按照给出的数据通路 编写每条指令的操作流程 根据全部指令的操作流程 并与适当的时序信号相结合 写出每个微操作控制信号的逻辑表达式 并进行化简 按此逻辑表达式 用门阵列器件产生微操作控制信号 3 组合逻辑控制的特点 硬连线方法是分立元件时代的产物一项重要指标是尽量减少所用逻辑门数目 以降低成本但这样造成控制器结构不规整 各种操作控制信号以明显随机形式散布在整个计算机中 不便于维修 可靠性低 并且造价高门阵列方法用大规模集成电路来实现上述随机逻辑 从而克服了前者的缺点 组合逻辑控制的特点 设计和调试均非常复杂 且代价很大 与微程序控制相比 组合逻辑控制的速度较快 其速度主要取决于逻辑电路的延迟尽管微程序控制技术已经在现代计算机设计中被广泛采用 但是近年来在某些新型的超高速计算机结构中 又重新选用了组合逻辑控制器 或与微程序控制器混合使用 5 3 2微程序控制器 微程序控制器是用微程序 Microprogram 实现计算机控制的控制器具有规整性 灵活性 可维护性等一系列优点在计算机设计中被广泛采用 1 基本思想 微程序控制器的基本思想将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑将微操作控制信号按一定规则进行编码 形成微指令 存放到一个只读存储器里 当机器运行时 逐条读出这些微指令 从而产生全机所需要的各种操作控制信号 使相应部件执行所规定的操作 微程序控制技术 其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑存放微程序的存储器称为控制存储器 ControlMemory CM 简称控存 由于微程序是存储在控制存储器之中的 因此 改变控制存储器的内容就可以方便地改变指令特性 增删指令 甚至改变指令系统这给计算机设计者和用户提供了相当大的灵活性 微程序控制技术是利用软件方法来设计硬件的一项技术能使机器逻辑设计规整 同时提高可靠性 可利用性和可维护性微程序开发在许多方面类似于软件开发软件工程中行之有效的一系列开发手段都可应用于微程序的开发上 2 基本概念 1 微命令2 微指令3 微地址4 微程序 1 微命令 由微程序控制器通过控制线向执行部件发出的微操作控制信号称为微命令 Microorder 执行部件接受微命令后所进行的操作就是微操作微操作是计算机中最基本的操作 2 微指令 在一个CPU周期中 实现一定操作功能的一组微命令的集合构成一条微指令 Microinstruction 微指令存放在控制存储器中 3 微地址 微地址 Microaddress 就是微指令在控制存储器中的地址 4 微程序 一条机器指令的功能用若干条微指令组成的序列 微程序 Microprogram 来实现微程序是由微指令组成 用以实现指令功能的程序 由此可见 微命令按照一定的要求组合成微指令微指令按照指令功能的要求组合成微程序一条机器指令的功能是用一段微程序来实现的机器指令执行的过程就是微程序执行的过程微程序的总和便可实现整个指令系统的功能 微程序控制器将原来的组合逻辑变成了存储逻辑 并且可用类似程序设计的方法来设计控制逻辑将有关微操作控制信号写成微指令若干微指令组成一个微程序所有微程序都存放在控制存储器中读出一条微指令就产生一组微操作控制信号 5 3 3组合逻辑控制器与微程序控制器的比较 1 实现方式2 性能 1 实现方式 从实现方式上说 组合逻辑控制方法由逻辑门电路组合实现微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存储器和存放当前微指令的微指令寄存器的直接控制下实现的组合逻辑控制器控制信号首先用逻辑表达式列出 经过简化后用门电路或门阵列器件实现较为复杂 当修改或增加指令时非常麻烦 有时甚至没有可能 微程序控制器结构比较规整 大大减少了控制器的复杂性和非标准化程度 可以把硬件的用量限制在很小的范围内由于各条指令控制信号的差别都反映在微程序上 增加或修改指令只要增加或修改控制存储器中的内容即可提供了很大的灵活性因此 微程序控制得到了广泛的应用指令系统复杂的计算机一般都采用微程序控制方式来