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文檔簡介
第20講硬布線控制器 一條指令的實現(xiàn)可分成取指、計算地址、取數(shù)及執(zhí)行等幾個步驟。在微程序控制方式中,每一步由一條微指令實現(xiàn),硬布線控制的計算機中由指令的操作碼直接控制并產(chǎn)生實現(xiàn)上述各步驟所需的控制信號。在大局部情況下,每一步由一個機器周期實現(xiàn)。硬布線控制器原理1控制器組成微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序信號IR地址形成PCOPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序信號IR地址形成PCOPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器1.微命令發(fā)生器功能:產(chǎn)生全機所需的各種微命令控制最根本的操作(微操作)的命令電位型脈沖型微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序信號IR地址形成PCOPD尋來自M送M或ALU+1送M2.程序計數(shù)器PC功能:指示指令在M中的位置。PC+1順序執(zhí)行:PC先+1,再用轉(zhuǎn)移地址修改PC微命令發(fā)生器PC轉(zhuǎn)移執(zhí)行:3.指令存放器IR功能:存放現(xiàn)行指令。決定操作性質(zhì)操作碼字段操作數(shù)地址轉(zhuǎn)移地址PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序信號IR地址形成OPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIR地址碼字段譯碼器微命令發(fā)生器地址形成部件尋D4.狀態(tài)存放器PSW功能:指示程序運行方式,反映程序運行結(jié)果。例.某機的PSWPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序信號IR地址形成OPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW工作方式
優(yōu)先級
T
NZVC151211876543210C=1進位
V=1溢出Z=1結(jié)果為0N=1結(jié)果為負T=1,執(zhí)行跟蹤程序〔1〕條件碼反映程序運行結(jié)果工作方式
優(yōu)先級TNZVC151211876543210〔2〕跟蹤標志為程序查錯設置的斷點標志T。程序初始化置T為1...測試T跟蹤程序….....程序優(yōu)先級高于外部優(yōu)先級,不響應程序優(yōu)先級低于外部優(yōu)先級,可響應用戶方式:禁止程序執(zhí)行某些指令核心方式:允許程序執(zhí)行所有指令〔3〕優(yōu)先級為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級別,以決定是否響應外部中斷請求。工作方式優(yōu)先級TNZVC151211876543210〔4〕工作方式規(guī)定程序的特權(quán)級。5.時序線路功能:控制操作時間和操作時刻。PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序IR地址形成OPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時序振蕩器分頻器時鐘脈沖工作脈沖時鐘周期(節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令,控制操作時間段產(chǎn)生脈沖型微命令,控制定時操作1.取指令PCPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序IR地址形成OPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時序2控制器工作過程地址M指令IR、譯碼(θ、尋址方式)PC+1PC2.取數(shù)PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW時序IR地址形成OPD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時序按尋址方式,或從存放器取數(shù),或從存儲器取數(shù)。3.執(zhí)行按操作碼對數(shù)據(jù)進行運算處理。1.硬布線控制器的時序劃分3時序控制方式即時序信號與操作的關系●采用三級時序系統(tǒng):指令周期工作周期1工作周期2工作周期n……時鐘周期1時鐘周期2時鐘周期m….….工作脈沖1工作脈沖2工作脈沖k…..……….(節(jié)拍1)(節(jié)拍2)(節(jié)拍m)指令執(zhí)行過程中一個操作階段需要的時間是一個工作周期中每個步驟需要多長時間工作脈沖用來對微操作進行定時〔針對存放器的操作〕●時序關系:晶振輸出工作周期1工作周期2工作周期3時鐘T1工作脈沖P時鐘T2指令周期控制不同階段操作時間控制分步操作時間對微操作定時取指執(zhí)行取數(shù)取出指令修改PC打入IR打入PC2.時序控制方式及其變化〔1〕同步控制各項操作受統(tǒng)一時序控制。①定義:②特點:有明顯時序時間劃分,③優(yōu)缺點:時序關系簡單,時序劃分規(guī)整,控制不復雜;時間安排不合理。④應用場合:用于CPU內(nèi)部、設備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作
控制邏輯易于集中,便于管理。
(各掛接部件速度相近,傳送時間確定,傳送距離較近)。時鐘周期時間固定,
各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴格同步定時控制。各項操作受統(tǒng)一時序控制。由CPU或其他設備提供〔2〕異步控制①定義:各項操作按不同需要安排時間,不受統(tǒng)一時序控制。②特點:無統(tǒng)一時鐘周期劃分,各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步應答方式。例.異步傳送操作●主設備:申請并掌握總線權(quán)的設備??偩€主從●從設備:響應主設備請求的設備。發(fā)/接接/發(fā)③優(yōu)缺點:時間安排緊湊、合理;控制復雜。④應用場合:用于異步總線操作(各掛接部件速度差異大,傳送時間不確定,傳送距離較遠)?!?〕聯(lián)合控制方式指令周期長度可變,時鐘周期長度不變。①不同指令安排不同時鐘周期數(shù)②總線周期中插入延長周期經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時間(送地址、讀/寫)總線周期長度可變,時鐘周期長度不變??偩€周期(4T)例.一個總線周期包含4個時鐘周期時鐘T1T3T2T4送地址讀/寫數(shù)據(jù)結(jié)束同步方式時鐘T1T3T2T4T4T4Tw送地址讀/寫數(shù)據(jù)結(jié)束總線周期(5T)擴展同步方式③同步方式引入異步應答以固定時鐘周期作為時序根底,引入應答思想。例.8088最大模式,用一根總線請求/應答線實現(xiàn)總線權(quán)的轉(zhuǎn)移。設備請求總線權(quán)RQ/GTCPU使用總線CPU使用總線CPU使用總線設備使用總線設備設備CPUCPU響應,總線權(quán)交設備CPU設備釋放總線權(quán)CPU設備假設干時鐘假設干時鐘1.組合邏輯控制方式4組合邏輯控制方式的優(yōu)缺點及應用綜合化簡產(chǎn)生微命令的條件,形成邏輯式,用組合邏輯電路實現(xiàn);執(zhí)行指令時,由組合邏輯電路(微命令發(fā)生器)在相應時間發(fā)出所需微命令,控制有關操作?!癞a(chǎn)生微命令的速度較快。2.優(yōu)缺點●設計不規(guī)整,設計效率較低;●不易修改、擴展指令系統(tǒng)功能。3.應用場合用于高速計算機,或小規(guī)模計算機。組合邏輯控制器的設計步驟第一步,擬定指令系統(tǒng)〔邏輯依據(jù)〕第二步,確定總體結(jié)構(gòu)〔空間安排〕第三步,擬定時序系統(tǒng)。選定時標系統(tǒng)作為聯(lián)系和協(xié)調(diào)各部件工作的手段。第四步,擬定指令流程圖。在節(jié)拍電位的配合下,將一條指令的執(zhí)行步驟按時間順序用流程圖形式表示出來。它是采用時序計數(shù)器法設計控制器的關鍵一步?!驳谝徊胶偷谌浇M合,就是第四步〕第五步,編制操作時間表。即將指令流程中所規(guī)定的具體操作落實到由哪個部件完成,在什么時間完成。〔第二部和第四步結(jié)合就是第五步〕第六步,進行微操作組合、化簡。根據(jù)操作時間表,將產(chǎn)生同一微操作的條件用“或〞連接組合成原始表達式;并利用邏輯化簡,獲得最簡的邏輯表達式。第七步,結(jié)合現(xiàn)有的使用元件,將邏輯表達式進行適當變換,產(chǎn)生邏輯電路圖。硬布線控制與微程序控制的比較
1、實現(xiàn)微程序控制電路規(guī)整,速度慢;硬布線控制電路復雜,速度快。2、性能微程序控制的速度比硬布線控制慢,近代計算機一般選用硬布線控制。組合邏輯控制器與微程序控制器的比較〔1〕微程序控制器采用軟件進行控制,組合邏輯控制器采用硬件進行控制;〔2〕微程序控制器可通過增加或修改控制存儲器的內(nèi)容來修改或擴充指令系統(tǒng),組合邏輯控制器修改或擴充指令系統(tǒng)的難度很大;〔3〕微程序控制器因為每次要對控制存儲器進行讀取,因而速度較慢,組合邏輯控制器速度較快,僅取決于電路延遲;〔4〕一般計算機采用微程序控制器,只有RISC采用組合邏輯控制器。并行處理技術(shù)串行處理:同一時刻只能進行一個操作。計算機的并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個步驟和階段,主要有三種形式:〔1〕時間并行;〔2〕空間并行;〔3〕時間并行加空間并行
并行處理同時性:兩個以上事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)性:兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。時間并行指時間重疊,在并行性概念中引入時間因素,讓多個處理過程在時間上相互錯開,輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個局部,以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。時間并行性概念的實現(xiàn)方式就是采用流水線處理部件。目前的高性能微型機幾乎無一例外地使用了流水線技術(shù)??臻g并行指資源重復,在并行性概念中引入空間因素,以“數(shù)量取勝〞為原那么來大幅度提高計算機的處理速度??臻g并行技術(shù)主要表達在多處理器系統(tǒng)和多計算機系統(tǒng)。時間和空間并行指時間重疊和資源重復的綜合應用,既采用時間并行性又采用空間并行性。1、流水線的根本工作原理〔1〕兩級流水線CPU可以分成指令部件I和執(zhí)行部件E,指令部件完成取指和指令譯碼等操作,執(zhí)行部件完成運算和保存結(jié)果等操作??紤]到指令部件工作時,執(zhí)行部件根本空閑;而執(zhí)行部件工作時,指令部件根本空閑。假設我們把兩條指令或假設干條指令在時間上重疊起來進行,將大幅度提高程序的執(zhí)行速度。這就形成了兩級流水線。〔2〕四級流水線如將一條指令的執(zhí)行分成四段:取指令、計算地址、取操作數(shù)、計算并保存結(jié)果,那么可形成四級流水線。〔3〕存在的問題①在開始的3t時間內(nèi),由于流水線未裝滿,有的功能部件沒有工作,速度較低;②取指、計算地址、取數(shù)、運算的執(zhí)行時間不可能完全相等,為保證完成指定的操作,t值應取4段中的最長時間,導致有些功能段長時間處于等待狀態(tài)?!?〕存在的問題②取指、計算地址、取數(shù)、運算的執(zhí)行時間不可能完全相等,為保證完成指定的操作,t值應取4段中的最長時間,導致有些功能段長時間處于等待狀態(tài)。解決方法:將幾個時間較短的功能段合并成一個功能段,或?qū)r間較長的功能段分成幾段,使各功能段所需時間相差不大。③由于流水線相鄰兩段在執(zhí)行不同的指令(或操作),因此無論是指令流水線或運算操作流水線,在相鄰兩段之間必須設置鎖存器或存放器,以保證在一個周期內(nèi)流水線的輸入信號不變。當流水線各段工作飽滿時,能發(fā)揮最大作用。是否采用流水線組織,在計算機的哪一局部采用根據(jù)實際情況而定。2、流水線中的相關問題假設后一條指令的操作數(shù)地址為前一條指令保存結(jié)果的地址,那么后一條指令取操作數(shù)的動作需要等待t時間才能進行,否那么取得的數(shù)據(jù)是錯誤的,這種情況稱為數(shù)據(jù)相關。數(shù)據(jù)可以是存放在存儲器中或通用存放器中,分別稱為存儲器數(shù)據(jù)相關或存放器數(shù)據(jù)相關。流水線阻塞情況數(shù)據(jù)相關為了改善流水線工作情況,一般設置相關專用通路,即當發(fā)生數(shù)據(jù)相關時,后一條指令的操作數(shù)直接從數(shù)據(jù)處理部件得到,而不是存入后再讀取,這樣指令能按圖(b)流動。由于數(shù)據(jù)不相關時,仍需到存儲器或存放器中取數(shù),因此增加了控制的復雜性。另外由于計算機內(nèi)有較多指令存在,其繁簡程度不一,執(zhí)行時間及流水線級數(shù)不同,相關的情況各異,有時防止不了產(chǎn)生不能連續(xù)工作的情況,這種現(xiàn)象稱為流水線阻塞或產(chǎn)生了“氣泡〞。一般來說,流水線級數(shù)越多,情況越復雜,而兩級流水線那么不存在數(shù)據(jù)相關現(xiàn)象。3、程序轉(zhuǎn)移對流水線的影響〔1〕條件轉(zhuǎn)移指令在大多數(shù)流水線機器中,當遇到條件轉(zhuǎn)移指令時,確定轉(zhuǎn)移與否的條件碼往往由條件轉(zhuǎn)移指令本身或由它前一條指令形成,只有當它流出流水線時,才能建立轉(zhuǎn)移條件并決定下條指令地址。因此當條件轉(zhuǎn)移指令進入流水線后直到確定下一地址之前,流水線不能繼續(xù)處理后面的指令而處于等待狀態(tài),因而影響流水線效率。解決方法在某些計算機中采用了“猜測法〞技術(shù),機器先選定轉(zhuǎn)移分支中的一個,按它繼續(xù)取指并處理。假設條件碼生成后,說明猜測是正確的,那么流水線可繼續(xù)進行下去;假設猜錯了,那么要返回分支點。猜測法技術(shù)的前提①要保證在分支點后已進行的工作不能破壞原有現(xiàn)場,否那么將產(chǎn)生錯誤。②猜測正確的概率必須較高。這一點可由編譯程序根據(jù)硬件上采取的措施來完成?!?〕中斷當I/O設備有中斷請求或機器有故障時,要求中止當前程序的執(zhí)行而轉(zhuǎn)入中斷處理。此時,在流水線機器中的流水線上存在幾條指令,因此就有一個如何“斷流〞的問題。流水線機器處理中斷的方法①不精確斷點法對未進入流水線的后續(xù)指令不允許其再進入,但已在流水線中的所有指令那么仍執(zhí)行完畢,然后轉(zhuǎn)入中斷處理程序②精確斷點法不等待已進入流水線的指令執(zhí)行完畢,盡早轉(zhuǎn)入中斷處理。4、流水線的多發(fā)技術(shù)
1〕超標量技術(shù)
每個時鐘周期內(nèi)可
并發(fā)多條獨立指令
不能調(diào)整
指令的執(zhí)行順序配置多個功能部件通過編譯優(yōu)化技術(shù),把可并行執(zhí)行的指令搭配起來IFIDEX
WR0123
45
678
910111213t2〕超流水技術(shù)在一個時鐘周期內(nèi)再分段〔3段〕
不能調(diào)整
指令的
執(zhí)行順序在一個時鐘周期內(nèi)一個功能部件使用屢次〔3次〕靠編譯程序解決優(yōu)化問題流水線速度是原來速度的3倍IFIDEXWR0
1
2
345
67
8
9
10111213t3〕超長指令字
采用
多個處理部件具有
多個操作碼字段的
超長指令字(可達幾百位)由編譯程序
挖掘
出指令間
潛在
的
并行性,將
多條
能
并行操作
的指令組合成
一條IFIDEXWR012345678910111213t2004年高程試題現(xiàn)有四級指令流水線,分別完成取指、取數(shù)、運算和傳送結(jié)果四步,所需時間分別是9ns,10ns,6ns,8ns,那么流水線的操作周期應設計為______ns。A.9B.10C.6D.8B計算機的硬件系統(tǒng)以intel80386微機系統(tǒng)為例 80386是在1985年10月推出的32位CPU,它是為多用戶、多任務的操作系統(tǒng)設計的。它是一個片內(nèi)具有集成的存儲管理部件和保護機構(gòu)的全32位微處理器
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