计算机组成原理电子教案马辉 第8章.ppt

第8章控制单元的设计 本章导读 本章介绍控制单元的设计技术，包括硬布线和微程序两种基本设计方法。硬布线部分的内容包括硬布线控制的基本方法，硬布线控制器的基本组成，硬布线控制器的设计等。微程序部分的内容包括微程序控制的基本思想，微程序、微指令、控存等概念，微指令的编码方法、寻址方法及执行方式等。 本章要点 控制器的工作原理 硬布线控制器 微程序、微指令和微命令 微指令的编码方式 微地址的形成方式 8.1 硬布线控制器设计 8.1.1 硬布线控制的基本方法 8.1.2 硬布线控制器的组成 8.1.3 硬布线控制器的设计 前面已经讨论了控制单元的组成模型，并结合具体的机器模型讨论了指令的执行过程。指令执行需要一系列的微控制信号，这些微操作序列怎样产生，又如何控制执行指令，是本章要讨论的控制单元的实现问题。 产生控制信号一般有硬布线控制和微程序控制两种方法，在此基于非流水的简单机器模型来讨论这两种控制器设计的基本方法。 硬布线方法的控制单元本质上是一个组合逻辑电路，所以又称为组合逻辑控制方式，它能将输入逻辑信号转换成一组输出控制信号。 8.1.1 硬布线控制的基本方法 硬布线控制是早期推出的设计计算机的一种方法。这种方法把控制部件作为专门产生固定时序控制信号的逻辑电路，而此逻辑电路则以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。因为该逻辑电路是由门电路和触发器构成的复杂树形网络，所以又称为组合逻辑控制器。 当执行不同的机器指令时，硬布线控制器是通过激励一系列彼此很不相同的控制信号来实现对指令的解释，其结果使控制器的结构很复杂，因而硬布线控制器的设计和调试也非常复杂。为此，硬布线控制器曾被微程序控制器取代。 但在同样的半导体工艺条件下，硬布线控制速度要比微程序控制速度快，随着VLSI技术的发展及计算机技术的不断进步，组合逻辑设计思想又受到了人们的高度重视，特别在RISC体系结构的计算机中，多采用硬布线控制逻辑。 8.1.2 硬布线控制器的组成 图8-1是硬布线控制的控制器组成框图，主要有程序计数器、组合逻辑电路、指令寄存器和指令译码器、时序发生器等部件组成。其中，组合逻辑电路产生计算机所需的全部操作命令，是控制器的核心。 图8-1 硬布线控制器框图 （1）程序计数器和中断控制逻辑 图中的程序计数器的输入有四种来源：开机后的Reset信号，将PC置以初始地址；当顺序执行程序时，由PC+1形成下一条指令的地址；当程序转移时，由ALU送来转移地址（当用ALU部件计算有效地址时）；当有外来中断请求信号时，若CPU响应中断，则由中断控制逻辑部件产生中断服务程序入口地址。 （2）译码器 如操作码为7位，则允许计算机最多设置128条指令，译码器的最基本形式为：以7位操作码为输入，在输出的128条线中，任何时候只能有1根为高电平，其余均为低电平（或只有1根为低电平，其余均为高电平），每1根输出线代表一条指令。但实际的设计中，译码器与硬布线逻辑的分界线往往是模糊的，这是因为两者都是由最基本的门电路组成的。 （3）时序电路 在前面的指令执行分析中，可以把一个指令周期分成几个机器周期，如加法指令的执行分成4个机器周期，在硬布线控制中如何区分这4个机器周期呢？可以考虑用4位触发器来分别表示，当机器处于某一周期时，相应的触发器处于“1”状态，而其余3个触发器则处于“0”状态，4位移位寄存器即可实现此功能。 设以cy1，cy2，cy3，cy4分别表示四个机器周期，在初始化（reset）时，令cy1=1，其余均处于“0”状态，即机器处于取指周期，然后实现循环移位，可保证4个触发器中有一位且仅有一位处于“1”状态，分别表示指令执行的后继周期。 然而由于每条指令的功能不同，所以需要的机器周期数可能就不相同。如某些指令可能缺少某个周期而有些复杂指令的某个周期则需要延长。此时需根据指令功能列出所有指令的机器周期变化规律，将情况相同的指令归为一类，最后归纳出几种情况，然后列出表达式，设计相应的周期变化时序电路。 （4）组合逻辑电路 图中组合逻辑电路的输入信号有三个来源： ①、来自指令操作码译码器的输出，译码器每根输出线表示一条指令，译码器的输出反映出当前正在执行的是什么指令。 ②、来自执行部件的反馈信息。 ③、来自时序发生器的时序信号，包括机器周期信号和时钟周期信号等。 组合逻辑电路的输出信号就是微操作控制信号，用来控制执行部件。还有一些信号则根据条件变量来改变时序发生器的计数顺序，以便跳过某些机器周期。 组合逻辑电路可归纳为：某一微操作控制信号C是指令操作码译码器输出I、机器周期信号cy和状态条件信号B的函数。其数学描述为： C=f（I，cy，B） 该控制信号C是用许多门电路器件采用组合逻辑设计方法实现的。当机器加电工作时，某一操作控制信号C在某条特定指令和状