5.4控制器的功能和工作原理

2023-12-17 21:51:02

硬布线控制器

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设计步骤：
1.分析每个阶段的微操作序列（取值、间址、执行、中断四个阶段）
确定哪些指令在什么阶段、在什么条件下会使用到的微操作
2.选择CPU的控制方式
采用定长机器周期还是不定长机器周期？每个机器周期安排几个节拍？
3.安排微操作时序
如何用3个节拍完成整个机器周期内的所有微操作？
4.电路设计
确定每个微操作命令的逻辑表达式，并用电路实现

分析每个阶段的微操作序列

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安排微操作时序的原则

原则一：微操作的 先后顺序不得 随意 更改
原则二：被控对象不同 的微操作
尽量安排在 一个节拍 内完成
原则三：占用 时间较短 的微操作
尽量 安排在 一个节拍 内完成
并 允许有先后顺序

取指周期
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M(MAR)->MDR 从主存取数据，用时较长，因此必须一个时钟周期才能保证微操作的完成
MDR->IR 是CPU内部寄存器的数据传送，速度很快，因此在一个时钟周期内可以紧接着完成OP(IR)->ID。也就是可以一次同时发出两个微命令
间指周期
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执行周期
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组合逻辑设计

设计步骤：
1.列出操作时间表
列出在取指、间址、执行、中断周期，T0、T1、T2节拍内有可能用到的所有微操作
2.写出微操作命令的最简表达式
3.画出逻辑图
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微操作信号综合
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画出逻辑图
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微程序控制器的基本原理

硬布线控制器：微操作控制信号由组合逻辑电路根据当前的指令码、状态和时序，即时产生
微程序控制器的设计思路
采用“存储程序”的思想，CPU出厂前将所有指令的“微程序”存入“控制器存储器”中
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微程序控制器的基本结构
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微指令的设计

微命令与微操作一一对应，一个微命令对应一根输出线
有的微命令可以并行执行，因此一条微指令可以包含多个微命令

微指令的格式

相容性微命令：可以并行完成的微命令
互斥性微命令：不允许并行完成的微命令

  1. 水平性微指令

一条微指令能定义多个可并行的微指令
优点：微程序短，执行速度快
缺点：微指令长，编写微程序较麻烦
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  1. 垂直型微指令

一条微指令只能定义一个微命令，由微操作码字段规定具体功能
优点：微指令短、简单、规整，便于编写微程序
缺点：微程序长，执行速度慢，工作效率低
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  1. 混合型微指令

在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作
微指令较短，仍便于编写，微程序也不长，执行速度加快
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微指令的编码方式

微指令的编码方式又称为微指令的控制方式，它是指如何对微指令的控制字段进行编码，以形成控制信号。编码的目标是在保证速度的情况下，尽量缩短微指令字长。

  1. 直接编码（直接控制）方式

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优点：简单、直观，执行速度快，操作并行性好
缺点：微指令字长过长，n个微命令就要求微指令的操作字段有n位，造成控存容量极大

  1. 字段直接编码方式

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将微指令的控制字段分成若干“段”，每段经译码后发出控制信号
微命令字段分段的原则：

  • 互斥性微命令分在同一段内，相容性微命令分在不同段内
  • 每个小段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码线路的复杂性和译码时间
  • 一般每个小段还要留出一个状态，表示被字段不发出任何微命令。因此，当某字段的长度为3位时，最多只能表示7个互斥的微命令，通常用000表示不操作

优点：可以缩短微指令字长
缺点：要通过译码电路后再发出微命令，因此比直接编码方式慢
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  1. 字段间接编码方式

一个字段的某些微命令需由另一个字段中的某些微命令来解释，由于不是靠字段直接译码发出的微命令，故称为字段间接编码，又称隐式编码
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优点：可进一步缩短微指令字长
缺点：削弱了微指令的并行控制能力，故通常作为字段直接编码方式的一种辅助手段

微指令的地址形成方式

  1. 微指令的下地址字段指出

微指令格式中设置一个下地址字段，由微指令的下地址字段直接指出后继微指令的地址，这种方式又称为断定方式

  1. 根据机器指令的操作码形成

当机器指令取指令寄存器后，微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成

  1. 增量计数器法 （CMAR）+1 -> CMAR
  2. 分支转移 转移方式：指明判别条件；转移地址：指明转移成功后的去向

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  1. 通过测试网络

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  1. 由硬件产生微程序入口地址

第一条微指令地址 由专门硬件产生（用专门的硬件记录取指周期微程序首地址）
中断周期 由 硬件 产生 中断周期微程序首地址（用专门的硬件记录）
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微程序控制单元的设计

设计步骤：

  1. 分析每个阶段的微操作序列
  2. 写出对应机器指令的微操作命令及节拍安排
  3. 确定微指令格式
  4. 编写微指令码点

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微程序设计分类

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硬布线与微程序的比较

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文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_42403632/article/details/135049626
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