第十五讲 控制器设计.ppt

第十五讲 控制器设计 本讲主要内容 硬布线控制器设计 PLA控制器设计 微程序控制器设计 一、硬布线控制器设计 1、实现方法 : 通过逻辑电路直接连线而产生控制信号，又称为组合逻辑控制方式 。 2、设计目标 使用最少元件（复杂的树形网络） 速度最高 3、特点：控制部件构成后，控制功能便固定了，除非重新设计，重新布线，才能增加新的控制功能。 4、逻辑原理 5、设计步骤 1、设计指令的操作码，确定指令长度是固定的还是可变长的。 确定机器周期、节拍与主频，确定机器周期是固定的还是可变长的。 2、选择合适的控制方式和控制时序。 3、根据CPU的结构图，写出每条指令的操作流程图并分解成微操作序列.确定每一条指令所需的机器周期以及每一周期所完成的操作。 4、对微操作流程图安排时序,排出微操作时间表. 5、根据操作时间表写出微操作的表达式,即 微操作=周期*节拍*脉冲*指令码*其它条件 6、根据微操作的表达式,综合所有指令的每一个操作命令，写出逻辑表达式，并进行化简。 指令周期的确定 指令流程图 执行步骤所需的控制信号 微操作控制形成电路的逻辑表达形式 ADD指令每个时钟周期内的控制信号为: T1: PCout, MARin,PC+1,Read ;PC?MAR, PC+1, read T2: MDRout, IRin ;MDR?IR T3: R1out, Yin ;R1?Y T4: R2out, Zin, Add ;R2+Y?Z T5: Zout, R3in ;Z?R3 JMP指令中各时钟周期的控制信号为： T1: PCout, MARin,PC+1,Read ;PC?MAR, PC+1, read T2: MDRout, IRin ;MDR?IR T3: PCout, Yin ;PC?Y T4: IRout, Add, Zin ;IR+Y?Z T5: Zout, PCin ;Z?PC 控制器的逻辑表达式 PC+1 = T1 PCin = T5*JMP PCout = T1 + T3*JMP Yin = T3*(ADD + JMP) Add = T4*(ADD + JMP) Zin = T4*(ADD + JMP) Zout = T5*(ADD + JMP) END = T5*(ADD + JMP) ... （三）微程序控制器的基本结构和工作过程 1、基本组成 （1）、控制存储器CM 用来存放微程序。 （2）、微指令寄存器?IR 用来存放从控制存储器中取得的微指令。 （3）、微地址形成部件?AG 用来产生机器指令的首条微指令地址和后续地址。 （4）、微地址寄存器?AR 接收微地址形成部件送来的微地址。 微程序控制器基本结构图 2、工作过程 微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制之下，计算机执行机器指令的过程： 1、从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作； 2、根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序入口； 3、逐条取出微指令，完成相关微操作控制； 4、执行下一条机器指令。 （四）微程序举例 四、微程序设计技术 微程序设计考虑的问题： 1、如何缩短微指令字长 2、如何减少微程序长度 3、如何提高微程序的执行速度 （一）、微指令的编码 编码的实质是在微指令中如何组织微操作的问题 构成： 1、直接控制编码法 控制字段中的每一位表示一个微命令 缺点: 控制字段长, 如三, 四百位 -控制存储器容量要大 2、字段直接编码法 (1) 把互斥的微命令编为一组 (2) 对微命令进行编码, 留出一个代码表示本段不发微命令 (3) 增设微命令译码器 3、字段间接编码法 一个字段的某些微命令由另一个字段的某些微命令来解释 如: 字段A受字段B的控制 例题分析： 例1、某机的微指令格式中，共有3个控制字段，每个字段可分别激活5，15，24种控制信号。分别采用直接编码和字段直接编码法设计微指令的操作控制字段，并说明两种方式的操作控制字段各有几位？ 例2、下表给出了8条微指令I1~I8所发出的控制信号a~j。设计微指令的控制字段，要求使使用最少的控制位，并且保持微指令本身的并行性。 * 计算机组成原理 * * 固定时钟信号环形脉冲发生器： ——指令执行的时钟数固定。 可变长度时钟信号环形脉冲发生器： ——指令执行的时钟数不固定。 实现方法：用END信号，如 END = T5*ADD + T3*CLA + A D D S T O R E L