課程設(shè)計(二)

1、課程設(shè)計（二） 采用微程序控制器的流水模型計算機設(shè)計與調(diào)試一、教學(xué)目的、任務(wù)與實驗設(shè)備1教學(xué)目的（1） 通過知識的綜合運用，加深對計算機系統(tǒng)各模塊協(xié)同工作的認識，特別是對并行、流水的認識，加深計算機工作中“時間空間”概念的理解，從而建立基本的流水計算機的概念。（2） 學(xué)習(xí)通過“固件升級”即改寫微程序的方法來提高計算機系統(tǒng)性能的方法，體會設(shè)計方案優(yōu)劣對性能發(fā)揮的重要性。（3） 培養(yǎng)科學(xué)研究的獨立工作和創(chuàng)新能力，取得設(shè)計與調(diào)試的實踐經(jīng)驗。2設(shè)計與調(diào)試任務(wù)（1） 在常規(guī)微程序控制器實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計一臺微程序控制的指令級標量流水模型計算機。（2） 根據(jù)設(shè)計圖紙，在通用實驗臺上進行組裝，并調(diào)試成功。（

2、3） 在組裝調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計圖紙和其他文件。包括的文件是： 總框圖（數(shù)據(jù)通路圖）； 微程序控制器邏輯圖； 微程序流程圖； 微程序代碼表； 元件排列圖； 設(shè)計說明書； 調(diào)試小結(jié)；3實驗設(shè)備（1） TEC-4計算機組成原理實驗儀一臺（2） 雙蹤示波器一臺（3） 直流萬用表一只（4） 邏輯測試筆一支（5） 集成電路若干片，取決于實際方案二、指令系統(tǒng)采用與模型機相同的指令系統(tǒng)，即12條機器指令?？紤]到復(fù)雜度和時間問題，一般應(yīng)降低難度，采用該指令系統(tǒng)的子集：去掉中斷指令后的3條機器指令，只保留前面的9條指令。三、設(shè)計要求設(shè)計流水方案時，牢記設(shè)計的目的是提高系統(tǒng)性能。沒有性能改善、為流水而流水

3、的方案是毫無意義的。實驗系統(tǒng)的時序發(fā)生器將一個微指令周期分為T1至T4四段，原則上，本次實驗只利用四段劃分，即仍使用T1-T4作為時序脈沖。設(shè)計時，應(yīng)充分考慮控制信號的綜合和化簡，出廠時的模型機提供了這方面的某些化簡實例，但還可以進一步化簡。四、總體設(shè)計指令級標量流水，是指機器指令的解析過程分解為取指、譯碼、訪存、執(zhí)行、寫回等子過程，各子過程以流水方式運行?？紤]到復(fù)雜度，在實際設(shè)計中，可以分解得不那么細。例如可只分為取指、執(zhí)行、寫回三個子過程。要實現(xiàn)流水，至少需要具備兩個條件：（1） 數(shù)據(jù)通路（包括其上的執(zhí)行部件）要支持流水。設(shè)計這種支持流水的數(shù)據(jù)通路時，需要解決幾個主要問題： 流水線各段爭用

4、總線的問題； 各段之間互通信息、相互等待的問題； 各段工作時序協(xié)調(diào)一致的問題； 中斷、程序轉(zhuǎn)移的處理問題；本實驗儀采用了不少具有并行操作功能的器件，如存儲器、寄存器組等，對支持流水有一定的幫助，但還需要使它們組成流水線。從廣義上理解并行，則流水是并行的一個特例，只有具備先后、因果關(guān)系的并行，才能稱為流水。例如，圖12中，DR1和DR2可以并行操作，但它們的關(guān)系不是流水。實際上，圖12的數(shù)據(jù)通路已經(jīng)基本布置好了流水線，它可以劃分為如下功能部件： 取指段：包括RAM的右端口、AR2、MUX3、PC和IR； 執(zhí)行段：包括ALU、DR1、MUX1、DR2、MUX2、RF、ER、RAM的左端口、AR1、

5、IR、R4、MUX4、ALU2和PC； 寫回段：包括ER、RF；注意：在數(shù)據(jù)通路中可能需要對寫回寄存器選擇信息進行緩沖，為此要增加如圖14所示的緩沖寄存器（否則，WR1、WR0的信息會在寫回操作之前改變）。設(shè)計的方案不同，可能需要的緩沖寄存器也會有所不同。圖14 操作數(shù)緩沖寄存器也可采用別的劃分，上述劃分方法僅供參考。（2） 控制器要有能力驅(qū)動流水線。在模型機中，使用的是常規(guī)的微程序控制器，雖然數(shù)據(jù)通路相同，但沒有利用其中的流水功能，因此得到的整體系統(tǒng)仍是常規(guī)模型計算機。本實驗中，可能要對原有的微程序控制器進行必要的改進，使之稱為流水微程序控制器。五、流水微程序控制器由于數(shù)據(jù)通路基本仍然沿用第

6、二節(jié)圖4，無須重新設(shè)計，因此本次實驗的重點就集中在控制器的設(shè)計上。這里使用指令系統(tǒng)的子集，只有9條指令。由于流水控制中，對中斷斷點的處理會增加流水的復(fù)雜度，增大理解的難度，因此不包括中斷部分。相信善于思考的同學(xué)是可以設(shè)計出支持中斷的方案的。（1） 微指令格式在本實驗中仍采用水平型微指令格式，這是由于采用垂直型微指令來控制并行度較高的流水線將會困難重重。微命令編碼仍然可以用直接表示法，后繼地址用斷定方式。嚴格的說，沒有中斷控制，相應(yīng)的控制信號可以省略，因此微指令字長可以縮短。為了兼容模型機方案，仍需保留這些控制信號，以減少接線的難度。（2） 微程序控制器支持流水并未對控制器的硬件結(jié)構(gòu)提出更高的要

7、求。微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)與模型機的差異只是順序控制部分，即微程序轉(zhuǎn)移邏輯電路，原因是微程序需要重新設(shè)計，重新分配微地址。新設(shè)計的微程序轉(zhuǎn)移邏輯電路，可以用儀器上的ispLSI1032實現(xiàn)，也可用中小規(guī)模的標準數(shù)字器件實現(xiàn)。（3） 時空圖如果要從頭設(shè)計一套流水系統(tǒng)，時空圖應(yīng)在設(shè)計數(shù)據(jù)通路之前確定，因為具體的流水線是跟時空圖緊密相聯(lián)的。本實驗是在已有的數(shù)據(jù)通路的基礎(chǔ)上（已知該數(shù)據(jù)通路支持流水），通過改進控制來提升系統(tǒng)性能，因此將時空圖放在控制器部分進行設(shè)計。下面是3個時空圖。周期123456789101112131415161718取指12345678執(zhí)行1122334455667788寫回12

8、345678圖15 參考時空圖1周期1234567891011121314151617功能段11122334455667788功能段21122334455667788圖16 參考時空圖2周期123456789101112131415功能段1123456789101112功能段2123456789101112功能段3123456789101112功能段4123456789101112圖17 參考時空圖3選用的時空圖只要設(shè)計可以實現(xiàn)即可，不同的時空圖直接影響系統(tǒng)的性能。（4） 微程序設(shè)計控制器的強大與否，機器性能能發(fā)揮出多少，就取決于如何設(shè)計控制流程，并轉(zhuǎn)化為微程序。微程序設(shè)計包括了橫向設(shè)計和縱向

9、設(shè)計。要實現(xiàn)流水控制，縱向設(shè)計仍然重要，而橫行設(shè)計也同樣需要仔細考慮。因為流水線中要求盡量多的并行操作，以便充分利用硬件資源，減少閑置，橫行設(shè)計中就應(yīng)把不沖突的、可以同時實現(xiàn)的控制放在同一微指令中。縱向設(shè)計中，考慮控制順序要連同并發(fā)控制一起考慮，尤其是出現(xiàn)沖突時，需要前后錯開。此外就是注意在機器指令發(fā)生轉(zhuǎn)移（無條件、有條件或中斷）的地方，要丟棄已取的指令，重新做一次取指操作。設(shè)計流水控制的微程序與設(shè)計常規(guī)的微程序相比，難度要大一些，主要是因為常規(guī)流程是單線索的，每一微指令周期要做什么，思路很清晰，而流水控制的流出則同時保護多重線索，每個微指令周期都可能含有兩個以上不相干的操作，比較復(fù)雜，需要用并發(fā)的思維去考慮。由于可能出現(xiàn)的情況大大增多，設(shè)計時容易出錯，因此一定要細心，規(guī)劃周全。如果先設(shè)計出常規(guī)的微程序控制流程圖，然后進行微指令合并，出錯的可能性會比直接設(shè)計流水控制的微程序要小一些。合并的方法是：觀察每個微指令周期和上一周期的操作是否沖突，不沖突則將本周期的操作疊加至上一周期。流水控制的微程序流出必須涵蓋所有可能的情況，為此可以用地址不同、操作類似的微指令來實現(xiàn)不同的分支。前面所敘述的課程設(shè)計說明，是對學(xué)習(xí)“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的計算機系所有學(xué)生的基本教學(xué)要求：按