第06章硬布线控制器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.5 硬布线控制的计算机,在运算控制器逻辑图，“时序控制信号形成部件”产生控制计算机各部分操作所需的控制信号，这个部件组成有两种方式：,（1）微程序控制方式,（2）硬布线控制方式,硬布线控制方式：,通过逻辑电路直接连线而产生的，所以又称为组合逻辑控制方式。,至于控制器的其他组成部分，诸如时钟、启停电路、程序计数器、指令寄存器以及电路配合问题等等，则不因控制方式而异。,一、时序与节拍,一条指令的实现可分成:取指、计算地址、取数及执行等几个步骤。在微程序控制方式中，每一步由一条微指令实现，而硬布线控制方式则由指令的操作码直接控制并产生实现上述各步骤所需的,控制信号,。一条指令的每一步由一个机器周期实现，如何区分一条指令的四个机器周期呢?,方法有两种：,方法1.两位计数器的译码输出产生的四个状态来表示当前所处的机器周期，（24译码器）如图631所示；,方法2.用四位触发器来分别表示四个周期，当机器处于某一周期时，相应的触发器处于“1”状态，而其余三个触发器则处于“0”状态，四位移位寄存器即可实现此功能。,两位计数器,译码输出4位,计数器,A,指令:,cyA=cyA cyB+cyA cyB；,cyB=cyA cyB+cyA cyB=cyB。,B,指令:,cyA=cyA cyB+cyA cyB=cyB；cyB=cyA cyB。,根据逻辑表达式画出逻辑图如下：,二、操作控制信号的产生,1,操作码译码器,指令:操作码+地址码,在机器内设置一个指令译码器,输入:操作码 输出:反映出当前正在执行的指令。,由译码器的输出和机器周期状态,cy,l,cy,4,作为输入，使用逻辑电路产生操作控制信号。,7,位,OP,2,操作控制信号的产生,“组合逻辑电路”究竟是由什么组成的?,以加法指令为例，假设一条加法指令的功能是由四个机器周期,cy,l,cy,4,完成的，分别为取指、计算有效地址、取操作数、进行加法运算并送结果。,取指令周期:控制信号的逻辑式为：,PCAB=,加法指令,cy1,ADS=,加法指令,cy1 T1,MIO=,加法指令,cy1,WR=,加法指令,cy1,DB,IR=,加法指令,cy1,PC+1=,加法指令,cy1,在计算地址周期,cy,2,列出逻辑表达式,rslGR=,加法指令,cy,2,（rsl)ALU=,加法指令,cy,2,ALUAR=,加法指令,cy,2,对每一条指令都进行同样的分析，得出逻辑表达式。,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：,输入:7位操作码,输出:128条线中，在任何时候只有1根为高电位，其余均为低电位(或只有1根为低电位，其余均为高电位)，每1根输出线代表一条指令。,程序计数器的输入:有四种来源,。,(1)开机后的,reset,信号，将,PC,置以初始地址；,(2)顺序执行指令:由,PC+1,形成下一条指令地址；,(3)转移:由,ALU,送来转移地址(通过,ALU,部件计,算有效地址),(4)外来中断请求信号:若,CPU,响应中断，则由,中断控制逻辑部件产生中断入口地址。,1,程序计数器和中断控制逻辑,2译码器,3,硬布线逻辑的实现途径,用,PLA（,可编程逻辑阵列，地址与存储区或均可编程）、,PAL（,可编程阵列逻辑，与可编程、或不可编程、增加三态输出器件及记忆元件）、,GAL（,通用阵列逻辑，与或均可编程、输出逻辑宏单元）或半定制电路门阵列（,GA）,来实现。,四、硬布线控制逻辑设计中的若干问题设计步骤,1,指令操作码的代码分配,主要目标：简化控制部分的电路，减少延迟时间。,主要难点：,(1),CISC,不定长操作码的译码困难；,(2)为后续升级系统预留指令位置困难。,2.确定机器周期、节拍与主频,保证大部分指令在一个周期内完成，部分指令通过如“,ready”,信号等方式来增加机器周期来完成。,3、,根据指令功能，确定每一条指令所需的机器周期数以及每一周期所完成的操作。,如：“+”=加法指令（,cy2+cy4）+,减法指令,cy2+,转移指令,cy2+,“,读”=,cy1+,加法指令,cy3+,减法指令,cy3+,如：乘法采用加法与移位操作，每位执行一个周期等方法。,4.综合所有指令的每一个操作命令（写出逻辑表达式，并化简之）,五、硬布线控制与微程序控制的比较,.,实现,微程序控制通过控制存储器内的代码来实现，调试、修改方便；,硬布线控制通过组合电路实现，调试、修改复杂。,2.性能,微程序控制速度较慢；,硬布线控制速度很快，主要用于高速和,RISC,机器中。,各条指令在执行过程中，机器的各部分在某些周期内在进行操作，而在某些周期内是空闲的,。,。,如果控制器调度恰当，让各个部件紧张工作，可提高计算机运行速度-从而产生了流水线结构。,6.7,流水线工作原理,1,流水线基本工作原理,（1）,顺序串执行过程：,计算机执行程序是按顺序的方式进行的，即程序中各条机器指令是按顺序串行执行的。,如按指令部件和执行部件顺序操作来考虑可将程序的执行过程表示成：,优点：控制简单缺点：机器各部分利用率不高。,（4）,运算操作流水线,例如，执行浮点加法运算，可以分成,“对阶”,，,“尾数加”,及,“结果规格化”,三段，每一段设置有专门的逻辑电路完成指定操作，并将其输出保存在锁存器中，作为下一段的输入.,2,数据相关对流水线的影响,当第二条指令的操作数地址=第一条指令的保存结果地址时，出现流水线阻塞；,此时可通过设置相关专用通路来解决（第二条指令操作数直接从数据处理部件得到）；,相关分为存储器数据相关和寄存器数据相关。,3,程序转移对流水线的影响,(1）,遇到转移指令时，下条指令不再预取（流水）。,(2)用猜测法选定分支中的一个，继续流水。若猜测正确，流水线继续执行；若不正确，返回分支点。,(3）中断处理方法：不精确断点法，将中断发生时已入流水线的指令继续执行完后再进入中断处理子程序。精确断点法，即刻进入中断处理子程序。,6.8 CPU,举例,(自学),6.9,计算机的加电及控制过程(自学),