计算机组成原理 控制器部件优秀课件.ppt
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1、计算机组成原理 控制器部件第1页,本讲稿共51页定义:直接由各种类型的逻辑门产生所有微操定义:直接由各种类型的逻辑门产生所有微操作信号的控制器。作信号的控制器。4.2.4 4.2.4 组合逻辑控制器组合逻辑控制器注意:注意:每个微操作命令都是一个逻辑电路的输每个微操作命令都是一个逻辑电路的输出。所以,微操作命令发生器就是一个庞大出。所以,微操作命令发生器就是一个庞大的组合逻辑电路。的组合逻辑电路。第2页,本讲稿共51页C0C1C2CnT0T1T2Tk时序产生部件时序产生部件时序产生部件时序产生部件微命令产生部件微命令产生部件微命令产生部件微命令产生部件指指指指令令令令译译译译码码码码I0I1I
2、m微操作控制信号微操作控制信号 C Ci i=F(I=F(Ij j,T,Tk k,S,Sl l)I I I Ij j j j 指令译码产生的表示不同功能的信号指令译码产生的表示不同功能的信号指令译码产生的表示不同功能的信号指令译码产生的表示不同功能的信号T T T Tk k k k 节拍时序信号节拍时序信号节拍时序信号节拍时序信号S S S Sl l l l 运算结果状态信息运算结果状态信息运算结果状态信息运算结果状态信息状状状状态态态态标标标标志志志志S0S1SL第3页,本讲稿共51页微操作微操作微操作微操作流程分析流程分析流程分析流程分析化简化简化简化简逻辑表达式逻辑表达式逻辑表达式逻辑表
3、达式用逻辑部件用逻辑部件用逻辑部件用逻辑部件实现实现实现实现1.1.设计过程设计过程综合形成综合形成综合形成综合形成逻辑表达式逻辑表达式逻辑表达式逻辑表达式确定微操确定微操确定微操确定微操作序列作序列作序列作序列第4页,本讲稿共51页(2)(2)将各条指令在不同将各条指令在不同cpucpu周期的不同节拍中产生的同周期的不同节拍中产生的同一微操作信号集中到一起形成一个逻辑表达式。一微操作信号集中到一起形成一个逻辑表达式。(3)(3)将同一微操作出现的全部地方和条件进行化简,将同一微操作出现的全部地方和条件进行化简,求出最简的逻辑表达式。求出最简的逻辑表达式。(4)(4)画出每一个微操作命令的逻辑
4、电路图,用逻画出每一个微操作命令的逻辑电路图,用逻辑门来实现。辑门来实现。(1)(1)根据硬件的结构图写出每条指令的操作流程并分根据硬件的结构图写出每条指令的操作流程并分解成微操作序列。解成微操作序列。第5页,本讲稿共51页模型机结构图模型机结构图微命令微命令发生器发生器第6页,本讲稿共51页控制信号 操作控制信号 操作 C1 LDR1 C1 LDR1 C11 “M”C11 “M”传送传送 C2 LDR2 C2 LDR2 C12 “-”C12 “-”减法运算减法运算 C3 LDR3 C3 LDR3 C13 RD M C13 RD M 读读 C4 R1X(ACX)C4 R1X(ACX)C14 L
5、DDR C14 LDDR C5 R1Y(ACY)C5 R1Y(ACY)C15 LDIR C15 LDIR C6 R2X C6 R2X C16 LDAR C16 LDAR C7 R2Y C7 R2Y C17 PC+1 C17 PC+1 C8 DRX C8 DRX C18 LDPC C18 LDPC C9 R3Y C9 R3Y C19 “C19 “”与运算与运算 C10 “+”(C10 “+”(加法运算加法运算)C20 WR M C20 WR M 写写第7页,本讲稿共51页第8页,本讲稿共51页PCMARRD MPC+1PCMDRIRIR(ADR)MARADDRD M读出操作AC+MDRAC指令译
6、码M1M2T1T1T2T2T3T3T4T4LDAR(C16)RD M(C13)PC+1(C17)LDDR(C14)LDIR(C15)LDAR(C16)RD M(C13)LDDR(C14)指令译码DRX(C8)R1 Y(C5)“+”(C10)LDR1(C1)uI1uI2uI300H82H34HADD指令操作流程图指令操作流程图ADD指令微程序流程图指令微程序流程图第9页,本讲稿共51页RD M=M1T2+M2T2(LDA+ADD+AND)LDPC=M2(T1JMP+T3JZZF=1)DRX=M2T4(LDA+ADD+AND)LDAR=M1T1+M2T1(LDA+STA+ADD+AND)第10页,
7、本讲稿共51页 2.2.组合逻辑控制器的特点组合逻辑控制器的特点 最大的优点是:最大的优点是:产生控制信号的速度快!只需产生控制信号的速度快!只需两级门或三级门的延时就可产生。两级门或三级门的延时就可产生。缺点是:缺点是:由于一台计算机中的微操作控制信号由于一台计算机中的微操作控制信号少则几十个,多则几百个甚至更多,要设计出能实少则几十个,多则几百个甚至更多,要设计出能实时产生这么多控制信号的逻辑线路,其设计工作量时产生这么多控制信号的逻辑线路,其设计工作量很大很大,设计过程复杂,并且电路形成后,很难实施设计过程复杂,并且电路形成后,很难实施修改,不利于指令系统的扩充修改,不利于指令系统的扩充
8、。第11页,本讲稿共51页 4.2.5 4.2.5 微程序控制器微程序控制器要点:要点:a.a.一条机器指令从取指令到执行都可以一条机器指令从取指令到执行都可以分解成分解成一系列确定的微操作步骤一系列确定的微操作步骤。而每个步。而每个步骤所需的骤所需的控制信号控制信号也就确定了。也就确定了。1.1.基本原理基本原理 用软件的方法来实现硬件的功能。用软件的方法来实现硬件的功能。第12页,本讲稿共51页 b.因此可以将控制信号按一定规则进行编排,因此可以将控制信号按一定规则进行编排,形成控制字(形成控制字(微指令微指令)并保存在)并保存在专用的存储器专用的存储器中中。不同的机器指令对应不同的微指令
9、序列不同的机器指令对应不同的微指令序列(微程序微程序)。)。c.执行一条机器指令时,只要逐条取出与其对执行一条机器指令时,只要逐条取出与其对应原微程序,就可以产生所需的微操作控制信应原微程序,就可以产生所需的微操作控制信号。号。第13页,本讲稿共51页INC INC INC INC 微程序微程序微程序微程序1 12 2KK.ADD R1ADD R1,R2R2 INC R1INC R1.主存储器主存储器控控制制存存储储器器 机器指令对应的微程序机器指令对应的微程序(微指令微指令)1 12 2N NADD ADD ADD ADD 微程序微程序微程序微程序.第14页,本讲稿共51页 2 2、基本术语
10、、基本术语微操作:微操作:对于指令的执行步骤中,不能再对于指令的执行步骤中,不能再分的操作分的操作.微命令:微命令:控制微操作的命令,即实现微操控制微操作的命令,即实现微操作的控制信号。作的控制信号。微指令:微指令:每一步操作所需的若干微命令,每一步操作所需的若干微命令,以代码的形式编排就构成一条微指令。以代码的形式编排就构成一条微指令。第15页,本讲稿共51页微程序:微程序:由一系列微指令的有序集合构由一系列微指令的有序集合构成。成。一条机器指令对应多条微指令构成一条机器指令对应多条微指令构成的微程序的微程序。控制存储器:控制存储器:集中存放所有机器指令微程集中存放所有机器指令微程序的专用存
11、储器。每一个单元为一条微序的专用存储器。每一个单元为一条微指令。通常为高速的指令。通常为高速的ROMROM部件。部件。第16页,本讲稿共51页3 3、微程序控制单元的基本框图、微程序控制单元的基本框图 微地址微地址 形成部件形成部件顺序逻辑顺序逻辑uMAR地址译码地址译码控制存储器控制存储器标志标志CLK至至 CPU 内部和系统总线的控制信号内部和系统总线的控制信号 OPIR控制信号控制信号下地址下地址微指令基本格式微指令基本格式 uIR下地址下地址第17页,本讲稿共51页4 4、微程序控制单元内容、微程序控制单元内容M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期取指周期 微程序微程序对应
12、对应 LDA 操作的微程序操作的微程序对应对应 STA 操作的微程序操作的微程序间址周期间址周期 微程序微程序中断周期中断周期 微程序微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM转执行周期微程序转执行周期微程序转取指周期微程序转取指周期微程序第18页,本讲稿共51页控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序对应对应 LDA 操操作的微程序作的微程序对应对应 ADD 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应 STA 操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+1LDA XADD YSTA Z主存主存STP用用户户程程序
13、序5 5、工作原理、工作原理第19页,本讲稿共51页(a)取指阶段取指阶段M uMARCM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令形成下条微指令地址形成下条微指令地址Ad(uMDR)uMARCM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令Ad(uMDR)uMARCM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令M+1M+2PC MAR1 RM(MAR)MDR(PC)+1 PCMDR IR0 0 1 0 0 0 0M+21 0 0 0 0 1M+1M0 1 0 0 1 0M+2M+1形成下条微指令地址形成下条微指令地址执行取指微程序执行取指微程序第20页,本讲稿共51页(b)执行阶
14、段执行阶段CM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令Ad(uMDR)uMARCM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令Ad(uMDR)uMARCM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令OP(IR)微地址形成部件微地址形成部件 uMAR(P uMAR)Ad(uMDR)uMARAd(IR)MAR1 RM(MAR)MDRMDR AC0 0 0 0 0 0 1 0P+2 M执行执行 LDA 微程序微程序 形成下条微指令地址形成下条微指令地址 P+1形成下条微指令地址形成下条微指令地址 P+2形成下条微指令地址形成下条微指令地址 M(M uMAR)0 1 0 0 0P+2P
15、+10 0 0 1 0 0 1P+1P第21页,本讲稿共51页(c)取指阶段取指阶段PC MAR1 R1 0 0 0 0 1M+1M全部微指令存在全部微指令存在 CM 中中,程序执行过程中,程序执行过程中 只需读出只需读出关键关键 微指令的微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令操作控制字段如何形成微操作命令 微指令的微指令的 后继地址如何形成后继地址如何形成执行取指微程序执行取指微程序M uMARCM(uMAR)uMDR由由 uMDR 发命令发命令形成下条微指令地址形成下条微指令地址M+1第22页,本讲稿共51页 6 6、微指令的格式、微指令的格式 由两部分组成:由两部分组成:由两部分组成:
16、由两部分组成:控制字段控制字段控制字段控制字段用于安排微命令。用于安排微命令。用于安排微命令。用于安排微命令。下址字段下址字段下址字段下址字段用于控制形成或直接用于控制形成或直接用于控制形成或直接用于控制形成或直接给出下条微指令在控存中的地址。给出下条微指令在控存中的地址。给出下条微指令在控存中的地址。给出下条微指令在控存中的地址。直接控制直接控制直接控制直接控制分段编码分段编码水平型微指令水平型微指令垂直型微指令垂直型微指令垂直型微指令垂直型微指令 (1)(1)控制字段的安排又分为二种形式:控制字段的安排又分为二种形式:第23页,本讲稿共51页1)1)水平型微指令水平型微指令 基本特点是在一
17、条微指令中定义并执行基本特点是在一条微指令中定义并执行 多个并行操作微命令。多个并行操作微命令。直接控制法:将微指令操作控制字段的每直接控制法:将微指令操作控制字段的每一个二进制位定义为一个微命令,直接送往相一个二进制位定义为一个微命令,直接送往相应的控制点。应的控制点。第24页,本讲稿共51页直接控制法举例直接控制法举例1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 n-2n-2n-2n-2 n-1n-1n-1n-1 n n n nC1 C2 C3 .CmC1 C2 C3 .Cm下地址下地址下地址下地址顺序控制字段顺序控制字段顺序控制字段顺序控制字段操作控制字段操作控制字段操作控制字段操作控
18、制字段mm.特点:控制简单,不需加微命令译码器但微特点:控制简单,不需加微命令译码器但微命令多,使得微指令太长,因而要求命令多,使得微指令太长,因而要求控制存控制存储器容量储器容量较大。较大。第25页,本讲稿共51页A AB BC C下地址下地址0000不操作不操作不操作不操作01 01“+”“+”1010“”1111“-”“-”0000不操作不操作不操作不操作01 01 A AX X10 10 B BX X11 11 C CX X0000不操作不操作不操作不操作01 01 A AY Y10 10 B BY Y11 11 C CY Y分段编码法分段编码法分段编码法分段编码法1 2 3 1 2
19、3 4 54 5 6 76 7 8 98 9 10 11 12 13 14 15 10 11 12 13 14 15地址部分地址部分地址部分地址部分控制部分控制部分第26页,本讲稿共51页相斥性的微命令:相斥性的微命令:指不能在同一指不能在同一CPUCPU周期内出现的微命令周期内出现的微命令相容性的微操作:相容性的微操作:指能在同一指能在同一CPUCPU周期内出现的微命令周期内出现的微命令为什么可以采用分段编码来表示微命令呢?为什么可以采用分段编码来表示微命令呢?第27页,本讲稿共51页相斥性的微命令:相斥性的微命令:+、-、A AX X、B BX X、C CX X A AY Y、B BY Y
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