计算机组成原理第05章中央处理器(2硬布线控制器与PLA控制器)

第五章中央处理器CPU的功能和组成指令周期时序产生器微程序控制器微程序设计技术硬布线控制器5.4硬布线控制器(组合逻辑控制器)与PLA控制器5.4.1组合逻辑控制器的设计步骤1.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。2.选择合适的控制方式和控制时序。3.对微操作流程图安排时序,排出微操作时间表。4.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5.根据微操作的表达式,画出组合逻辑电路。组合逻辑控制器总框图见下页。5.4硬布线控制器(组合逻辑控制器)与PLA控制器5.4.2组合逻辑控制器的设计举例CPU结构框图如下图所示,设计以下几条指令的组合逻辑控制器:CLA;清ACADDID;I=0为直接寻址,即(AC)+(D)ACI=1为间接寻址,即(AC)+((D))ACSTAID;I=0为直接寻址,即(AC)D;I=1为间接寻址,即(AC)(D)LDAID;I=0为直接寻址,即(D)AC;I=1为间接寻址,即((D))ACJMPID;I=0为直接寻址,即(D)PC;I=1为间接寻址,即((D))PCALU状态寄存器PSWACPCAR指令译码器操作控制器存储器…数据总线OPIR(AR)+1PCARMREQR/WDBUSARDBUSPCCDRACACDRDRALUIRDRDRIRIR(AR)DBUS+_DBUSDRDRDBUS…CPU结构示意图ALUDR操作码地址码译码器硬布线逻辑(组合逻辑)……PC周期状态触发器节拍发生器时钟源……结果反馈信息…M1M2M3T1T4PIR中断控制逻辑转移地址+1RESET中断信号微操作控制命令组合逻辑控制器总框图(2)选同步控制方式(1)根据CPU结构框图写出指令的操作流程图:I=1?I=1?I=1?I=1?0ACMARMARMDBUSDBUSPCPCARMDRDRIRPC+1PCPCARR,DBUSDRDRIR+1CLAIR15IR14IR13=000ADD001STA010LDA011JMP100IR(AR)DBUSDBUSARIR(AR)DBUSDBUSARIR(AR)DBUSDBUSARIR(AR)DBUSNYMDR(AC)+(DR)ACNYMARACDRDRMMDRDRACNY(IR12)=1NY(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1(3)选二级时序由于以上指令均是单操作数指令,所以安排三个机器周期:取指周期FETCH、取数周期DOF、执行周期EXEC。每个机器周期安排四个节拍T1、T2、T3和T4，时序见下图所示。FETCHDOFEXECT1T3T4取指周期取数周期执行周期指令周期CLKT2（4）为微操作序列安排时序I=1?I=1?I=1?I=1?CPCARR,+1DBUSDRDRIRCLAADDSTALDAJMPIR(AR)DBUSDBUSARIR(AR)DBUSDBUSARIR(AR)DBUSDBUSARIR(AR)DBUSNYNYACDR

NYNY(IR12)=1(IR12)=1FETCHT1T2T3T4RDBUSARRDBUSARRDBUSARDBUSARRDBUSDRDRALU+WRDBUSDRDRACT1T2T3T4DOFT1T2T3T4EXECRDBUSPCDRDBUS(5)操作时间表见下表:微操作

FETCHT1T2T3T4DOFEXECPC→ARR/W=1R/W=0MREQDR→IR+1CIR(AR)→DBUSALLALLALLALLALLT1T2T3T4CLA*ICLA*IT1T2T3T4ADD+LDAADD+LDASTASTACLACLA(5)操作时间表见下表:微操作

FETCHT1T2T3T4DOFEXECT1T2T3T4T1T2T3T4DBUSARDBUSDRDBUSPCDRALUDRACACDR+ALLADD+LDAJMPADDLDASTAADDADD+STA+LDA+JMP*I(ADD+STA+LDA)*IDRDBUSSTA(6)综合微操作表达式如下:PC→AR=FETCH*T1R/W=FETCH*T2+DOF*T3*CLA*I+EXEC*T1*(ADD+LDA)R/W=STA*EXEC*T2

MREQ=FETCH*T2+DOF*T3*CLA*I+EXEC*T1*(ADD+LDA)+STA*EXEC*T2…(7)逻辑电路框图如下所示:OPARI指令译码器时序产生器组合逻辑控制器LDAADDSTALDAJMPIRIIR0IR11IR12IR13IR14IR15…FETCHDOFEXECT1T2T3T4PC→ARDBUS→DRDBUS→PC+微操作控制信号OPIARIR0IR11IR12IR13

IR14IR15译码器译码器…FETCHDOFEXEC时钟系统节拍发生器>=&≥1T1T2T4DBUSDRLDAADDI=0I=1微操作控制信号DBUSDR的逻辑表达式为:DBUSDR=FETCH*T3+EXEC*(ADD+LDA)*T2&微操作执行逻辑示意图T35.4.3组合逻辑控制器的特点

优点:速度快,可用于速度要求较高的机器中。

缺点:缺乏规整性:将几百个微操作的执行逻辑组合在一起,构成的微操作产生部件,是计算机中最复杂、最不规整的逻辑部件。不适合于指令复杂的机器。缺乏灵活性:各微命令的实现是用硬连的逻辑电路完成,改动不易,设计困难。5.4.4PLA控制器

PLA控制器的设计步骤(1)-(4)与组合逻辑控制器相同,只是实现方法不同,它采用PLA阵列(ProgrammedLogicArray)。从设计思想来看是组合逻辑控制器,从实现方法来看,是存储逻辑控制器。

特点:可使杂乱无章的组合逻辑规整化、微型化，而且可以利