硬布线控制器

第20讲硬布线控制器 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，硬布线控制的计算机中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。在大局部情况下，每一步由一个机器周期实现。硬布线控制器原理1控制器组成微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序信号IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序信号IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器1.微命令发生器功能：产生全机所需的各种微命令控制最根本的操作(微操作)的命令电位型脉冲型微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序信号IR地址形成PCOPD寻来自M送M或ALU+1送M2.程序计数器PC功能：指示指令在M中的位置。PC+1顺序执行：PC先+1，再用转移地址修改PC微命令发生器PC转移执行：3.指令存放器IR功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址转移地址PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序信号IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIR地址码字段译码器微命令发生器地址形成部件寻D4.状态存放器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。例.某机的PSWPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序信号IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW工作方式

优先级

T

NZVC151211876543210C=1进位

V=1溢出Z=1结果为0N=1结果为负T=1,执行跟踪程序〔1〕条件码反映程序运行结果工作方式

优先级TNZVC151211876543210〔2〕跟踪标志为程序查错设置的断点标志T。程序初始化置T为1...测试T跟踪程序….....程序优先级高于外部优先级，不响应程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：禁止程序执行某些指令核心方式：允许程序执行所有指令〔3〕优先级为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。工作方式优先级TNZVC151211876543210〔4〕工作方式规定程序的特权级。5.时序线路功能：控制操作时间和操作时刻。PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时钟周期(节拍)产生电位型微命令，控制操作时间段产生脉冲型微命令，控制定时操作1.取指令PCPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序2控制器工作过程地址M指令IR、译码(θ、寻址方式)PC+1PC2.取数PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序按寻址方式，或从存放器取数，或从存储器取数。3.执行按操作码对数据进行运算处理。1.硬布线控制器的时序划分3时序控制方式即时序信号与操作的关系●采用三级时序系统：指令周期工作周期1工作周期2工作周期n……时钟周期1时钟周期2时钟周期m….….工作脉冲1工作脉冲2工作脉冲k…..……….(节拍1)(节拍2)(节拍m)指令执行过程中一个操作阶段需要的时间是一个工作周期中每个步骤需要多长时间工作脉冲用来对微操作进行定时〔针对存放器的操作〕●时序关系：晶振输出工作周期1工作周期2工作周期3时钟T1工作脉冲P时钟T2指令周期控制不同阶段操作时间控制分步操作时间对微操作定时取指执行取数取出指令修改PC打入IR打入PC2.时序控制方式及其变化〔1〕同步控制各项操作受统一时序控制。①定义：②特点：有明显时序时间划分，③优缺点：时序关系简单，时序划分规整，控制不复杂；时间安排不合理。④应用场合：用于CPU内部、设备内部、系统总线操作

控制逻辑易于集中，便于管理。

(各挂接部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近)。时钟周期时间固定，

各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。各项操作受统一时序控制。由CPU或其他设备提供〔2〕异步控制①定义：各项操作按不同需要安排时间，不受统一时序控制。②特点:无统一时钟周期划分，各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式。例.异步传送操作●主设备：申请并掌握总线权的设备。总线主从●从设备：响应主设备请求的设备。发/接接/发③优缺点：时间安排紧凑、合理；控制复杂。④应用场合：用于异步总线操作(各挂接部件速度差异大，传送时间不确定，传送距离较远)。〔3〕联合控制方式指令周期长度可变，时钟周期长度不变。①不同指令安排不同时钟周期数②总线周期中插入延长周期经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写)总线周期长度可变，时钟周期长度不变。总线周期(4T)例.一个总线周期包含4个时钟周期时钟T1T3T2T4送地址读/写数据结束同步方式时钟T1T3T2T4T4T4Tw送地址读/写数据结束总线周期(5T)扩展同步方式③同步方式引入异步应答以固定时钟周期作为时序根底，引入应答思想。例.8088最大模式，用一根总线请求/应答线实现总线权的转移。设备请求总线权RQ/GTCPU使用总线CPU使用总线CPU使用总线设备使用总线设备设备CPUCPU响应，总线权交设备CPU设备释放总线权CPU设备假设干时钟假设干时钟1.组合逻辑控制方式4组合逻辑控制方式的优缺点及应用综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现；执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发生器)在相应时间发出所需微命令，控制有关操作。●产生微命令的速度较快。2.优缺点●设计不规整，设计效率较低；●不易修改、扩展指令系统功能。3.应用场合用于高速计算机，或小规模计算机。组合逻辑控制器的设计步骤第一步，拟定指令系统〔逻辑依据〕第二步，确定总体结构〔空间安排〕第三步，拟定时序系统。选定时标系统作为联系和协调各部件工作的手段。第四步，拟定指令流程图。在节拍电位的配合下，将一条指令的执行步骤按时间顺序用流程图形式表示出来。它是采用时序计数器法设计控制器的关键一步。〔第一步和第三步组合，就是第四步〕第五步，编制操作时间表。即将指令流程中所规定的具体操作落实到由哪个部件完成，在什么时间完成。〔第二部和第四步结合就是第五步〕第六步，进行微操作组合、化简。根据操作时间表，将产生同一微操作的条件用“或〞连接组合成原始表达式；并利用逻辑化简，获得最简的逻辑表达式。第七步，结合现有的使用元件，将逻辑表达式进行适当变换，产生逻辑电路图。硬布线控制与微程序控制的比较

1、实现微程序控制电路规整，速度慢；硬布线控制电路复杂，速度快。2、性能微程序控制的速度比硬布线控制慢，近代计算机一般选用硬布线控制。组合逻辑控制器与微程序控制器的比较〔1〕微程序控制器采用软件进行控制，组合逻辑控制器采用硬件进行控制；〔2〕微程序控制器可通过增加或修改控制存储器的内容来修改或扩充指令系统，组合逻辑控制器修改或扩充指令系统的难度很大；〔3〕微程序控制器因为每次要对控制存储器进行读取，因而速度较慢，组合逻辑控制器速度较快，仅取决于电路延迟；〔4〕一般计算机采用微程序控制器，只有RISC采用组合逻辑控制器。并行处理技术串行处理：同一时刻只能进行一个操作。计算机的并行处理技术可贯穿于信息加工的各个步骤和阶段，主要有三种形式：〔1〕时间并行；〔2〕空间并行；〔3〕时间并行加空间并行

并行处理同时性：两个以上事件在同一时刻发生。并发性：两个以上事件在同一时间间隔内发生。时间并行指时间重叠，在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个局部，以加快硬件周转而赢得速度。时间并行性概念的实现方式就是采用流水线处理部件。目前的高性能微型机几乎无一例外地使用了流水线技术。空间并行指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以“数量取胜〞为原那么来大幅度提高计算机的处理速度。空间并行技术主要表达在多处理器系统和多计算机系统。时间和空间并行指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行性又采用空间并行性。1、流水线的根本工作原理〔1〕两级流水线CPU可以分成指令部件I和执行部件E，指令部件完成取指和指令译码等操作，执行部件完成运算和保存结果等操作。考虑到指令部件工作时，执行部件根本空闲；而执行部件工作时，指令部件根本空闲。假设我们把两条指令或假设干条指令在时间上重叠起来进行，将大幅度提高程序的执行速度。这就形成了两级流水线。〔2〕四级流水线如将一条指令的执行分成四段：取指令、计算地址、取操作数、计算并保存结果，那么可形成四级流水线。〔3〕存在的问题①在开始的3t时间内，由于流水线未装满，有的功能部件没有工作，速度较低；②取指、计算地址、取数、运算的执行时间不可能完全相等，为保证完成指定的操作，t值应取4段中的最长时间，导致有些功能段长时间处于等待状态。〔3〕存在的问题②取指、计算地址、取数、运算的执行时间不可能完全相等，为保证完成指定的操作，t值应取4段中的最长时间，导致有些功能段长时间处于等待状态。解决方法：将几个时间较短的功能段合并成一个功能段，或将时间较长的功能段分成几段，使各功能段所需时间相差不大。③由于流水线相邻两段在执行不同的指令(或操作)，因此无论是指令流水线或运算操作流水线，在相邻两段之间必须设置锁存器或存放器，以保证在一个周期内流水线的输入信号不变。当流水线各段工作饱满时，能发挥最大作用。是否采用流水线组织，在计算机的哪一局部采用根据实际情况而定。2、流水线中的相关问题假设后一条指令的操作数地址为前一条指令保存结果的地址，那么后一条指令取操作数的动作需要等待t时间才能进行，否那么取得的数据是错误的，这种情况称为数据相关。数据可以是存放在存储器中或通用存放器中，分别称为存储器数据相关或存放器数据相关。流水线阻塞情况数据相关为了改善流水线工作情况，一般设置相关专用通路，即当发生数据相关时，后一条指令的操作数直接从数据处理部件得到，而不是存入后再读取，这样指令能按图(b)流动。由于数据不相关时，仍需到存储器或存放器中取数，因此增加了控制的复杂性。另外由于计算机内有较多指令存在，其繁简程度不一，执行时间及流水线级数不同，相关的情况各异，有时防止不了产生不能连续工作的情况，这种现象称为流水线阻塞或产生了“气泡〞。一般来说，流水线级数越多，情况越复杂，而两级流水线那么不存在数据相关现象。3、程序转移对流水线的影响〔1〕条件转移指令在大多数流水线机器中，当遇到条件转移指令时，确定转移与否的条件码往往由条件转移指令本身或由它前一条指令形成，只有当它流出流水线时，才能建立转移条件并决定下条指令地址。因此当条件转移指令进入流水线后直到确定下一地址之前，流水线不能继续处理后面的指令而处于等待状态，因而影响流水线效率。解决方法在某些计算机中采用了“猜测法〞技术，机器先选定转移分支中的一个，按它继续取指并处理。假设条件码生成后，说明猜测是正确的，那么流水线可继续进行下去；假设猜错了，那么要返回分支点。猜测法技术的前提①要保证在分支点后已进行的工作不能破坏原有现场，否那么将产生错误。②猜测正确的概率必须较高。这一点可由编译程序根据硬件上采取的措施来完成。〔2〕中断当I/O设备有中断请求或机器有故障时，要求中止当前程序的执行而转入中断处理。此时，在流水线机器中的流水线上存在几条指令，因此就有一个如何“断流〞的问题。流水线机器处理中断的方法①不精确断点法对未进入流水线的后续指令不允许其再进入，但已在流水线中的所有指令那么仍执行完毕，然后转入中断处理程序②精确断点法不等待已进入流水线的指令执行完毕，尽早转入中断处理。4、流水线的多发技术

1〕超标量技术

每个时钟周期内可

并发多条独立指令

不能调整

指令的执行顺序配置多个功能部件通过编译优化技术，把可并行执行的指令搭配起来IFIDEX

WR0123

45

678

910111213t2〕超流水技术在一个时钟周期内再分段〔3段〕

不能调整

指令的

执行顺序在一个时钟周期内一个功能部件使用屡次〔3次〕靠编译程序解决优化问题流水线速度是原来速度的3倍IFIDEXWR0

1

2

345

67

8

9

10111213t3〕超长指令字

采用

多个处理部件具有

多个操作码字段的

超长指令字（可达几百位）由编译程序

挖掘

出指令间

潜在

的

并行性，将

多条

能

并行操作

的指令组合成

一条IFIDEXWR012345678910111213t2004年高程试题现有四级指令流水线，分别完成取指、取数、运算和传送结果四步，所需时间分别是9ns，10ns，6ns，8ns，那么流水线的操作周期应设计为______ns。A.9B.10C.6D.8B计算机的硬件系统以intel80386微机系统为例 80386是在1985年10月推出的32位CPU，它是为多用户、多任务的操作系统设计的。它是一个片内具有集成的存储管理部件和保护机构的全32位微处理器