电子教案计算机组成原理与系统结构包健27887007

第7章控制器、控制器配置和命令执行、7.1、硬盘布线控制器、7.2、微程序控制器、7.3、本章摘要、7.1控制器配置和命令执行、1、基本计算机配置和功能、7.1.1基本计算机配置和命令系统设计、CPU设计的第一步是确定其用途。目标是设计一个简单的CPU，其中：附加命令是ADDR，#data源操作数是即时寻址，目标操作数是寄存器寻址。JMP指令是JMPaddr的直接寻址，addr是以下指令的地址：系统的字符长度为8位，地址总线和数据总线为8位，存储设备宽度为8位。I，假定基本计算机配置和功能，命令的长度可以是单字节或双字节，将操作码设计为4位，命令第一个字节的高4位，命令第一个字节的低4位分别是源寄存器和目的寄存器，如果地址代码字段是操作数的内存地址或立即计数，则命令的第二个字节，(a)单字节命令格式解码不对应于任何状态。在指令结束后，只是个别指令执行周期之间的多重选取。获取命令周期：从内存中删除一个命令，并包含该命令的操作码解码；执行周期：执行命令。第一，基本计算机配置和功能，7.1.2控制器的配置，控制器的功能从存储中获取命令，解码命令，生成控制信号，并控制计算机系统的每个组件按顺序运行，从而实现此命令的功能。程序计数器(PC)命令序列运行时，如果PC 1发出生成以下命令的地址传输命令，则传输地址PC将用作以下命令的地址：命令寄存器(IR)命令解码器、ii、控制器配置、7.1.2控制器配置、操作控制信号配置部件通过硬布线设计的操作控制信号配置部件微编程，操作控制信号配置部件定时信号发生器定时信号发生器定时信号发生器提供时钟信号和机器周期信号，规定每次操作的时间。定时信号生成器包括控制时钟脉冲的发送和阻止的启动和停止电路，从而允许计算机启动和停止。地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、2、控制器配置、3、时序系统、三阶段时序系统、3、时序系统、机器周期的最佳比特数取决于在该周期时间内依次完成的基本操作步骤数，可以使用以下方法确定：以最复杂的机器周期为基准确定比特数的统一比特法，每个比特的所需时间也是以最繁琐的微操为基准，使所有机器周期的长度相等，每个机器周期包含相同数目的比特，表示一定的机器周期。指令周期，机器周期，时钟周期，3，计时系统，分布式位方法，根据机器周期的实际要求排列比特数，提供所需比特数的多个比特，称为不确定的长机器周期。延长位方法，大部分机器周期使用相同的基本位数，如果在特定机器周期中确定的基本位数无法完成该周期的全部精细操作，则可以延长位。插入时钟周期，对于某些小型计算机的计时信号，直接使用时钟周期信号，而不设置位。一个机器周期包含多个时钟周期，时钟周期的数量取决于机器周期中要完成的微动作的数量。一旦确定了一个机器周期的基本时钟周期数，也可以继续插入备用时钟周期。第三，时序系统、延长周期时序图、第四，控制方法和时序生成、控制方法同步控制方法也称为固定时序控制或无响应控制。所有命令的执行或命令的每个微操作的执行由事先预定的定时信号控制，每个定时信号的结束意味着微操作或一个命令完成，意味着执行后续微操作或自动指向下一个命令执行。在同步控制方法中，微操作序列基于最长的命令确定控制微操作执行的时钟周期数(比特数)。控制器产生恒定的顺序、重复的位电位(机器周期信号)和位脉冲(时钟周期信号)。优点：电路简单，缺点：运行速度慢。第四，控制和定时生成，异步控制异步控制方法称为可变定时控制或响应控制方法。每个命令所需的比特数，生成的比特数；命令运行时发送响应信号。仅当控制器接收到回答信号时，才开始执行以下命令：优点：每个命令都可以在实际需要的时间放置位，从而有效地执行命令。缺点：控制器的电路更复杂。异步控制方法在计算机上得到广泛应用。例如，内存的CPU读写、I/O设备和内存的数据交换等都使用异步控制方法，以确保高速执行。第四，控制方法和定时生成，集成控制是同步控制方法和异步控制方法结合使用的一种方法。大部分命令都安排在统一的机器周期，即同步控制内执行。但是，如果某些特殊命令或精细操作序列太长、太短或难以确定精细操作时间，请使用异步控制来执行。现代计算机系统大多采用集成控制方法，通常设计为在功能部件内使用同步控制方法，在功能部件之间使用异步控制方法。优点：保证一定的运行速度缺点：控制电路设计比较复杂。第四，控制和定时生成、定时脉冲发生器和启动停止控制定时脉冲发生器是根据时钟生成特定频率的位脉冲信号作为整个机器操作的定时信号；启动和停止控制电路准确可靠地打开或关闭计算机操作时钟，控制微操作命令序列的生成或停止，从而启动或停止计算机操作。主要访问通常使用访问数据的时间作为机器循环的默认时间。如果单个任务未完成，可以延长机器周期或使用响应方法解决。控制器的时钟输入实际上是比特的脉冲序列，其频率是机器的时钟速度。5，系统结构和数据路径设计通常可以有两种不同的数据路径设计方案。首先，在需要传递数据的所有部件之间创建直接路径。即使在非常小的计算机系统上，这种方法也是可行的，但是在设计数据路径时，随着要设计的CPU复杂性的增加，设计数据路径的不切实际。第二种情况是在CPU内部创建总线，并在各个部件之间使用总线传递数据。选择第二个方案，概述简单计算机系统的结构，获得以下数据路径：内存读取操作：将地址传输到CPU片内的总线和地址寄存器ar；控制器发送内存读取信号，启动存储读取操作，并将读取的数据从数据总线接收到数据寄存器DR。内存写入操作：将地址发送到CPU片内的总线，将数据发送到地址寄存器ar，将数据发送到数据总线，控制器发送存储写入信号，然后开始存储写入操作。优化图形的计算组件表明，需要额外两个或更多寄存器来临时保留数据。这些寄存器称为公用寄存器，通常CPU将其中一个命名为累加器(AC)。这与其他寄存器稍有不同，但对于此系统，不需要将第4章中学习的定点运算符内部单总线结构和路径结合起来绘制系统计算组件的内部结构。，计算部件内部结构图，5，系统结构和数据路径设计，简化简单计算机系统结构图：AR连接到外部地址总线，CPU内部总线连接到外部数据总线；因此，省略了DR。因此，将芯片外的数据总线和CPU片内总线合并为一条总线，通过设计数据总线DB、5、系统结构和数据通路，简化结构图中的请求的数据路径：内存读取操作：将地址发送到CPU片内总线和地址寄存器ar；控制器发送内存读取信号M-R#=0以开始内存读取操作，并接收从数据总线读取到目标寄存器的数据。例如，通过命令操作简化映射请求的数据路径：内存写入：在CPU片内的总线上发送地址和地址寄存器ar；将数据发送到数据总线，控制器发送存储写入信号M-W#=0以开始写入存储。ALU的数据路径：评估器计算：将第一个数据发送到总线，ALU寄存器DA1(或da2)；将第二个数据发送到总线，并检索ALU寄存器DA2(或da1)。发射机功能选择信号，控制ALU执行特定运算，并将结果通过数据总线DB发送到目标部件(例如，通用寄存器)。6，简单的计算机系统主机组件实现方案，1 .运算符8位算术逻辑运算符，两个寄存器为DA1和DA2，控制信号为B-DA1和B-DA2，输出部使用三状态网关将数据发送到总线，控制信号为ALU-B#，S0-S3，m，Ci是ALU的操作选择信号。R0-B#R3-B#是控制信号，分别读取R0至R3，B-R0至B-R3是控制信号，分别写入R0至R3。6，简单的计算机系统主机组件实现方案，2 .控制器程序计数器PC，PC-B#是将PC值发送到数据总线的控制信号，PC 1是PC的自增长1控制信号。B-PC#信号控制将数据总线的值发送到PC。将数据总线的值发送到PC时，接收脉冲可能来自PC 1，因此需要控制信号B-PC#=0和PC 1。地址寄存器AR的输入控制信号是B-AR，地址寄存器IR的输入控制信号是B-IR。3 .存储可以通过一个SRAM芯片满足存储需求。SRAM芯片存储单元是字节。用两个信号M-R#和M-W#控制此阵列的读写。6，简单计算机系统主机组件实现方案，7，命令执行进程，将命令具体化为其他命令(ADDR，#data)的ADDR0，06H无条件跳转命令(JMPaddr)的JMP04H必须是双字节指令，具体取决于设计的命令格式无条件跳转命令的操作码为1000时，无条件跳转命令JMP04H的对应机械代码为80H和04H是。(a)单字节命令格式(b)双字节命令格式机器命令格式，7，假定命令执行过程已经在存储器中，并且位于地址04H07H的单元中，下表显示了这两个命令的内容及其在存储器中的位置。存储在内存中的第二命令内容，1，命令，控制器首先将第一命令的地址放在PCPC上将当前命令的地址发送到地址寄存器AR的同时，程序计数器PC的内容增加到指向下一命令的地址；AR的输出通过地址总线传递到内存的地址端，指示指令所在的地址单元，控制器发送读取控制信号以控制从存储读取此指令。此命令通过数据总线发送到命令寄存器IR。当指令传送到指令寄存器IR时，指令解码器将对其进行解码。指令解码器将解密结果传递到操作控制信号以形成部件，此时指令的处理过程完成。执行命令、操作控制信号形成组件命令解码信息以及根据定时周期信号执行该命令所需的所有组件具有一定定时关系的控制信号序列、完成命令执行。执行命令与命令的内容有很大关系。，获取加法命令，将PC设置为04H，然后发送到AR，AR的地址通过AB指向存储的地址端，PC 1，指向05H，准备立即使用数字。读取控制器，读取该地址设备的内容50H，通过DB发送到IR，将IR的命令发送到控制器ID进行解码，并将结果信息发送到操作控制信号以形成部件；运行、ADDR0，06H、ADD命令，将PC的内容05H发送到AR，同时将PC 1；从内存05H单元读取操作数以寄存器DA1发送到。根据IR的低4位由寄存器地址解码后，寻址源操作数寄存器为R0，从R0中取出另一个操作数DA2发送。在ALU中执行加法运算并将结果发送到目标寄存器R0以执行准备、ADDR0，06H、将程序发送到04H地址的命令的JMP命令的过程。运行命令步骤，将PC的内容07H发送到AR，同时将PC 1；控制器执行发送操作，以发送读取信号，从存储器07H单元读取发送地址，并通过数据总线发送到PC。JMP04H，一个简单的CPU，每个框和菱形框表示CPU的状态简单CPU，实际上是只有8个状态的有限状态机。在一种状态下执行微操作时，CPU从一种状态切换到另一种状态。7.2硬接线控制器、硬接线控制器的基本原理是根据命令要求、当前定时以及外部和内部状态按时间顺序传输一系列微操作控制信号。由复杂的组合逻辑闸电路和某些触发器组成，因此也称为组合逻辑控制器或一般逻辑控制器。7.2硬导线控制器，控制器设计方法，1，硬导线控制器设计阶段：确定命令系统，包括命令系统中每个命令的格式、功能和寻址方法。以指令系统的实现为中心，确定CPU的内部结构，包括解释程序功能和配置、控制器配置、连接方法和数据路径，还确定计时系统的配置。分析每个指令的执行过程，并按照机器周期顺序编写所需的微动作控制信号序列。结合每个微操作控制信号的逻辑函数进行简化和优化。用逻辑电路实现。第一，确定控制器设计方法，第一，微程序控制器CPU设计阶段：确定命令系统中每个命令的格式、功能和寻址方式，以及操作码分配等命令系统。围绕指令系统的实现，需要了解CPU的内部结构，包括解释器的功能和配置、控制器的类型、结构配置、每个部件的连接方式、数据路径等，还需要了解计时系统的配置。在此基础上，分析了每个命令的执行过程，绘制了命令系统的微程序流程图。第一，控制器设计方法，第二，微程序控制器CPU设计阶段：根据CPU结构，编写每个微指令发送的微操作控制信号序列。结合微程序控制器的结构、微操作控制信号序列和控制内存容量，设计微指令格式。分配微程序流程图中每个微命令的微地址，并编写微命令代码。将所有微指令代码加载到控制内存中相应的设备上。第一，控制器设计方法，第三，需要注意两个方面：在一个CPU中既可以使用硬接线控制器，也可以使用微程序控制器；在最新的RISC技术中，多数简单的命令以硬电缆方式实现，一些复杂的命令以微程序控制方式实现。在上述设计阶段，可以交错，而不是单向线性过程。2、硬导线控制器的结构和原理、控制器解码生成的命令信息Im定时系统生成的机器周期信号Mn和位信号Tn指示当前处于哪个机器周期和哪个位。状态寄存器的状态信号Sx外部控制，状态信号Ej，硬导线控制器配置，第二，硬导线控制器结构和原理，将微操作控制信号Ci部分从CPU外部发送到配置系统总线的控制总线；其馀部分将发送到CPU内部。从逻辑函数的角度来看，输出微操作控制信号Ci是四个输入信号的函数Ci=fi(Im，Mn，T