第10章控制单元设计2014.ppt

组合逻辑控制器设计与实现 1、 实例机的指令系统 微程序控制器的基本思想 仿照程序设计的方法，编制每个指令对应的微程序 每个微程序由若干条微指令构成，各微指令包含若干条微命令 (一条微指令相当于一个状态，一个微命令就是状态中的控制信号) 所有指令对应的微程序放在只读存储器中，执行某条指令时，取出对应微程序中的各条微指令，对微指令译码产生对应的微命令，这个微命令就是控制信号 只读存储器称为控制存储器(Control Storage)，简称控存 微程序控制基本概念 微命令 微操作的控制信号 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令 微操作 执行部件接受微命令后所进行的最基本操作 相容微操作 指在同时或同一个CPU时钟周期内并行执行的微操作 不相容（互斥）微操作 指不能在同时或同一个CPU时钟周期内并行执行的微操作 微程序控制器——基本概念 几个概念的对比 微命令 VS. 微操作 构成控制信号序列的最小单位，由控制部件向执行部件发送，是微操作的控制信号 执行部件接受微命令后进行的最基本的操作，是微命令控制的操作过程 实质是同一信号：对控制部件体现为微命令，对执行部件体现为微操作 机器指令 VS. 微指令 提供给用户编程的基本单位，机器能完成的最基本操作，机器指令由微指令解释执行 实现机器指令操作的一系列微命令的组合 几个概念的对比 程序 VS. 微程序 由机器指令构成。用户编制，存放在主存储器中，允许修改 微程序是微指令的有序集合，用于描述机器指令。计算机设计者编制，存放在控制存储器中，不允许用户修改 主存储器 VS. 控制存储器 存放系统程序和用户程序，容量大 存放对应于机器指令系统的微程序，容量有限 几个概念的对比 微程序控制 VS. 组合逻辑控制 可调整、速度慢、实现复杂指令 不可调整、速度快、实现简单指令 典型RISC处理器一般采用组合逻辑控制实现 CISC处理器采用两种控制逻辑 常用的简单指令采用组合逻辑控制实现 不常用的复杂指令采用微程序控制实现 CPU周期与微指令周期的关系 微指令周期：读出微指令的时间加上指令该条微指令的时间。如： ??? 设：一个CPU周期为0.8μs，它包含四个等间隔的节拍脉冲T1～T4，每个脉冲宽度为200ns。用T4作为读取微指令的时间，用T1+T2+T3时间作为执行微指令的时间。例如，在前600ns时间内运算器进行运算，在600ns时间的末尾运算器已经运算完毕，可用T4上升沿将运算结果打入某个寄存器。与此同时可用T4间隔读取下条微指令，经200ns时间延迟，下条微指令又从只读存储器读出，并用T1上升沿打入到微指令寄存器。如忽略触发器的翻转延迟，那么下条微指令的微命令信号就从T1上升沿起就开始有效，直到下一条微指令读出后打入微指令寄存器为止。因此一条微指令的保持时间恰好是0.8μs，也就是一个CPU周期的时间。 微程序控制器——设计技术 ⑴计数器方式： 设置一个微程序计数器μ PC，在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微地址加上一个增量来实现。遇到转移时，由微指令给出转移微地址。 微程序控制器——设计技术 微程序控制器——设计技术 计数器方式的优点是微指令字较短，便于编写微程序，后继微地址产生机构比较简单； 缺点是执行速度低，原因是计数器方式不易直接实现对应于各个测试条件的多路转移，而微程序的主要特点是存在大量的分支。 微程序控制器——设计技术 ⑵断定方式 （下址字段法） 所谓断定方式是指后继微指令地址可由设计者指定或由设计者指定的测试判断字段控制生产。在这种方式中，当微程序不产生分支时，后继微指令地址直接由微指令的顺序控制字段给出；当微程序出现分支时，按顺序控制字段给出的测试判别字段和状态条件来形成后继微地址。 这种方式因为要在微指令格式中设置一个字段用来指明下一条要执行的微指令地址，所以也称为下址字段法。 微程序控制器——设计技术 用断定方式实现的微程序控制单元结构 微程序控制器——设计技术 采用断定方式的微指令格式如下： 微程序控制器——设计技术 ⑴水平型微指令：一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。 基本特征： 微指令字较长 一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作。 微命令的编码简单，尽可能使微命令与控制门之间具有直接对应关系。 格式如下： 微程序控制器——设计技术 ⑵垂直型微指令：在微指令中设置微操作码字段，采用为操作码编译法，由操作码规定为微指令的功能，在一条微指令中只有一、两个微操作命令称为垂直型微指令。 基本特征： 微指令字短。 微指令的并行操作能力有限，一条微指令只能控制数据通路中的一、两个信息传送。 微指令编码比较复杂，全部微命令组成一个微