計算機控制器及其設計實作

控制器及其設計實作

中央處理器CPU的功能與結構

中央處理器的功能：

• 程式是指令的有序集合，程式運行程序實質是指從程式首地址開始，連續自動的處理指令序列，直到程式最后一條指令
• 從存盤程式來看，中央處理器的功能就是實作連續自動的處理存盤于主存盤器的指令序列
• 程式中的指令用于只是計算機對資料進行傳輸與運算或指示下一條指令地址

中央處理器的任務

• 任何一條指令處理可以分為取指令和執行指令2個階段，程式運行就是不斷地取指執行指令回圈往復直到結束
• 取指令2項任務：
  • 1、將當前需要處理的指令代碼從主存盤器中取到CPU的暫存器上
  • 2、順序形成下一條需要處理的指令在存盤器上的位置
• 執行指令3個任務：
  • 1、分析指令功能和尋址特性 ：
    • 指令是采用二進制來表示其功能特性和和運算元存盤位置的形成方式
  • 2、生成發出控制信號序列：
    • 在分析指令操作碼和地址碼的基礎上由控制器生成并發出控制信號序列 ，分析本條指令的操作碼，識別指令功能特性，分析地址碼識別指令的尋址特性以獲取源運算元，目的運算元或轉移目標的存盤物理位置
    • 運算元的有效地址可以是主存盤器存盤單元地址，CPU暫存器編號、I/O設備埠地址
    • 轉移目標的有效地址只能是主存盤器存盤單元地址
  • 3、指令的功能和尋址特性實作的執行

CPU的五項任務

• 指令控制：CPU的首要任務，按程式規定的順序處理指令，并自動從主存盤器中取到CPU的暫存器中
• 操作控制：根據從主存盤器中取出的指令代碼，產生一組控制信號，并把不同的控制信號送往相應的部件控制他們按指令的功能和尋址特性進行操作
• 時間控制：取指和執行指令兩個階段存在嚴格的時間要求
• 資料加工：對資料進行算術運算和邏輯運算以及對程式運行狀態進行測驗
• 中斷請求處理：對中斷請求處理進行控制是CPU的重要任務

中央處理器的結構模型

中央處理器的暫存器

• CPU常用暫存器的配置：
  • 通用暫存器GR：一般用來存放原始資料和運算結果
  • 累加器AC：累加暫存器，通常用來存放ALU運算的結果資訊，
  • 指令暫存器IR：用來暫時存放當前正在處理指令的代碼
  • 資料緩沖暫存器MDR：用來暫時存放CPU與主存盤器或IO設備進行資訊交換當前正在傳輸的指令字或資料字
    • 指令字：單向從CPU從主存盤其讀取
    • 資料字：雙向由CPU從主存盤器或IO設備讀取，由CPU向主存盤器或IO設備寫入，
    • MDR的兩個作用：
      • 路徑中轉：通過MDR實作一對多或者多對一的路徑選擇的資料緩沖
      • 速度補償：CPU與主存盤器或IO設備在資訊傳輸上存在速度差異，通過MDR使CPU與主存盤器或者IO設備各自獨立進行資訊傳輸操作避免互相等待
  • 地址緩沖暫存器MAR：用來暫時存放CPU與主存盤單元或IO設備進行資訊交換時當前正在傳輸的指令字或資料字的單元地址或埠地址
  • 程式狀態暫存器PSWR：暫時存放當前正在運行程式的狀態字

CPU的主要性能指標

• 字長：指運算器能夠同時加工的二進制資料的位數
• 主頻：CPU的作業頻率
• 片內Cache容量：對提高CPU速度有著重要作用
• 地址總線的寬度：CPU地址引腳線的線數，決定CPU可以訪問的最大物理地址空間
• 資料總線的寬度：Cpu資料引腳線的線數，決定CPU與外部進行一次資料交換的二進制數的位數

控制器的功能與結構

• 控制器的功能任務
  • 指令流動控制
    • 指令讀取控制：將指令代碼從主存盤器讀取到CPU的暫存器之中
    • 指令地址形成：自動形成下一條指令在主存盤器中的地址
  • 指令執行控制
    • 指令功能識別
    • 地址計算形成
    • 指標讀取控制
    • 資料讀取控制
    • 資料保存控制
    • 資料加工控制
  • 中斷處理控制
    • 中斷請求選擇
    • 程式暫停控制
    • 程式轉移控制

  1、指令讀取、指標讀取、資料讀取、資料保存、資料加工、程式暫停、程式轉移是控制器的控制型任務，控制性任務僅需要控制單元產生控制信號序列 2、指令地址形成、指令功能識別、地址計算形成、中斷請求選擇是控制器的作業性任務，由控制器自身具體執行

控制器的組成結構

• 指令預處理部件
  • 程式計數器PC
  • 指令譯碼器ID：分開操作碼和地址碼
  • 地址形成邏輯
• 時序信號產生器：一般采用應答方式來規定一條條指令的處理時間，實作先后次序的異步銜接，所以需要時序信號來規定執行時間
• 控制信號序列發生器：生成滿足不同功能要求的控制信號序列
• 中斷控制邏輯：對例外情況進行排隊選擇生成中斷請求信號送往控制信號序列發生器

控制信號序列發生器的實作方法

• 硬步線控制
• 微程式控制器
• 門陣列控制器

指令處理的資料通路微操作與微命令

指令處理流程及其狀態裝換

• 指令處理的一般流程：
  • 取指令
    • 指令讀取
    • 指令地址形成
  • 執行指令
    • 指令功能識別
    • 地址計算形成
    • 指標讀取
    • 資料讀取
    • 功能實施
    • 資料保存
• 地址計算形成后進行四種判斷：
  • 1、間接尋址？不是，轉入第二種判斷，若是，轉入指標讀取，繼續1，直到間址結束得到運算元地址
  • 2、源運算元是否需要外部訪問？（即存盤器或者IO）若不需要，轉入3，若需要資料讀取后轉入3
  • 3、是否是RS或SS型傳輸指令，若是，轉入4，若不是，功能實施后轉入4
  • 4、目的運算元是否需要外部訪問？若不需要，指令處理結束，若需要，轉入資料保存，結束指令處理

擴展：第二章中的指令格式與指令功能分類中：

• 對于雙目操作二地址（指令字中的地址碼欄位包括2個地址碼OP+Ad1+Ad2,Ad1既為結果運算元地址同時也是另一個源運算元地址，Ad2為源運算元地址）指令，根據源運算元存放的物理存盤部件不同，指令格式可分為三中型別：
• SS存盤器存盤器型：2個源運算元均來自主存盤器，2個地址碼指示的均是存盤器的存盤單元
• RR暫存器暫存器型：2個源運算元均來自通用暫存器，2個地址碼指示的均是通用暫存器的編號
• RS暫存器存盤器型：…

指令處理的資料通路及其微操作

• 地址編碼：從控制器->存盤器、IO
• 指令編碼：存盤器->控制器
• 資料編碼：存盤器、IO->運算器或者反向
• 資料通路：功能部件之間進行資訊交換時形成一條資訊傳送的路徑稱為資訊通路

指令讀取：（地址編碼、指令編碼）

• 地址資料通路：PC-MAR-ABUS-M
• 指令資料通路：M-DBUS-MDR-IR-ID-CU

指標讀取：（地址編碼、指標編碼）

• 地址資料通路：IR-MAR-ABUS-M(首次間接尋址)或者MDR-MAR-ABUS-M(再次間接尋址)
• 指標資料通路：M-DBUS-MDR或者M-DBUS-MDR-PC(間接尋址轉移指令)

資料讀取：（地址編碼和資料編碼）

• 地址資料通路：IR-MAR-ABUS-M(直接尋址、相對尋址、變址尋址)或MDR-MAR-ABUS-M(間接尋址)
• 資料資料通路：M-DBUS-MDR-AC(GR通用暫存器)或者M-DBUS-MDR(源運算元在M 的運算指令)

功能實施

• 運算型指令實作運算器內部傳送
  • 資料資料通路為：AC（GR/IR(Ad)）-ALUX-ALU-JPCL-AC(GR){RR指令}或者AC（GR/IR(Ad)）-ALUX-ALU-JPCL-MDR{RS指令}或者MDR-ALUX-ALU-JPCL-AC(GR){SR指令}或者MDR-ALUX-ALU-JPCL-MDR{SS指令}
• RR傳送型指令實作運算器內部傳送或者控制器傳送到運算器
• 轉移型指令實作控制器內部傳送

資料保存

• 地址資料通路和資料讀取狀態相同
• 資料資料通路：JPCL-MDR-DBUS-M(目的運算元在M運算指令)或AC(GR)-MDR-DBUS-M（RS傳送指令）

微命令及其與微操作的關系

微操作概念：

• 概念：是指令處理流程中由CPU控制或實作的不可再分的部件或器件動作
• 微操作是部件或器件的動作，由于器件和部件的特性不同，有的部件或者器件需要控制信號序列發生器的控制信號才能實作，因此微操作分成：硬微操作和軟微操作
• 硬微操作：與控制信號序列發生器的功能無關
• 軟微操作
• 根據操作功效，微操作還可以分成傳輸性和加工性的
• 傳輸性：用于創建資料通路
• 加工性：作用于規定資訊加工方法

通常將微操作特指為軟微操作

• 由控制信號序列發生器生成的控制實作微操作的控制信號稱為微命令

  • 微命令是控制信號序列中的最小單位，一個微操作對應一個或者多個微命令

• 對于加工性微操作：

  • 硬微操作：ID譯碼、時序信號生成、控制信號序列生成
  • 軟微操作：PC+△、ALU運算動作多樣（±與或等等）

• 對于傳輸性微操作：

  • 硬微操作：部件內部的資訊傳遞，IR->ID(控制器內部)、ALU->JPCL（運算器內部傳輸）
  • 軟微操作：其余的，IR->AC（運算器與控制器）

• 控制部件、執行部件

  • 控制部件：控制器
  • 執行部件：運算器、存盤器、IO

• 控制部件與執行部件之間通過控制線實作正向和反向2種作用關系

  • 正向作用：控制部件通過控制線向執行部件發送各種控制信號即微命令，執行部件接到微命令后產生動作即微操作
  • 反向作用：執行部件通過控制線向控制部件發送結果狀態

1個例題

• 如果某CPU結構如6-10所示，給出 SHR I 31（右移、間接尋址、地址）指令所需要的控制信號
  • 該指令包含讀取指令，讀取指標，功能實施和保存資料等4個狀態操作
  • 讀取指令需要的控制信號包括傳輸的和加工的，用于傳輸的：PCout、MARin、Read、MDRin、MDRout、IRin，用于加工的控制信號有：PC+1
  • 讀取指標所需要的的控制信號僅包含傳輸的，IR（Add）out、MARin、Read、MDRin
  • 功能實施所需要的控制信號僅包含加工的，即SHR
  • 保存資料所需要的控制信號僅包含傳輸的：MDRout、 MARin、 ACout、 MDRPin 、MDRout

時序信號體系及其控制實作

指令周期及其時段劃分

• 指令周期：CPU對指令進行處理所需要的全部時間

• 

• 機器周期（CPU周期、狀態周期）：指令流程中，狀態的維持時間或兩次狀態轉換之間的時間間隔

一個指令周期常用若干個機器周期來表示

• 指令處理流程包含五個狀態：
  • 1、讀取指令
  • 2、讀取指標
  • 3、讀取資料
  • 4、功能實施
  • 5、保存資料
• 機器周期包括五種型別：
  • 1、取指周期
  • 2、間指周期
  • 3、取數周期
  • 4、實施周期（執行周期）
  • 5、存數周期

1、各種機器周期的作業任務由對應的狀態操作來規定
2、中斷控制也是CPU運行中的一個狀態，所以從CPU來看，除了那五種周期，還有一種中斷周期，因此CPU有6種型別的機器周期
3、CPU的操作速度比主存盤器快很多，絕大部分指令實施周期的狀態操作可以在一個存取周期內完成，因此通常用存取周期來標定機器周期的長短

• 一個指令周期至多由多少個機器周期組成，除了與運算元的尋址方式有關，還與間址的次數和實施周期的機器周期有關

節拍與時鐘周期

• 需要把一個機器周期的時間段分成若干個時間段，每個時間段執行一個微操作或者一組可并行微操作
• 節拍：執行一個微操作或者一組可并行微操作的時間

時鐘周期是計算機中最小的時間單位
微操作是指令處理流程中不可再分的原子性操作，節拍則是指令周期中不可再分的原子性時間段，一個節拍用若干個時鐘周期來表示
8086CPU一個機器周期由四個基本時鐘周期T1-T4表示，T3-T4之間可以插入任意個等待時鐘周期TW

指令周期的方框圖表示（四條指令的流程）

基于單總線模型機的邏輯結構

• 單總線模型機特點：
  • CPU內部通過片總線將ALU/PC/GR等部件連接起來
  • CPU外部通過系統總線將CPU/M/IO設備等部件連接起來
  • 多個部件和器件能同時接收總線上的資料但是某時刻僅能一個部件給總線發送資料
  • 共有32個微命令
    • 傳輸微操作21個
    • 加工微操作11個

控制器的時序控制（CPU控制）

• 時序控制概念：
  • 一個指令周期使用多少個機器周期來執行狀態操作序列，一個機器周期使用多少個節拍來執行微操作序列，一個或者一組微操作使用多少個時鐘周期來執行
  • 是指不同機器周期微操作序列執行的時間標定與次序銜接的控制方法
• 三種方式
  • 同步控制（集中控制中央控制）
    • 概念；任何微操作與狀態操作均采用統一的時序進行控制（固定時序控制）
    • 三種實作方案
      • 定長機器周期：各種機器周期所包含的節拍數目固定
      • 延長節拍不定長機器周期
      • 分散節拍不定長機器周期
    • 優缺點：控制簡單容易實作但是作業效率較低
  • 異步控制：（分散控制區域控制）
    • 概念：微操作與狀態操作不采用統一的時序
    • 方法：通過“結束-起始”信號通過應答方式實作，前一個操作的結束信號就是下一個操作信號的起始信號
    • 優缺點：狀態操作要多少節拍就使用多少節拍，微操作需要多少時鐘就有多少時鐘，沒有空閑時鐘和空閑節拍的浪費，作業效率高，指令處理速度快，但是控制復雜實作難度大
  • 聯合控制
    • CPU內部的微操作和狀態操作采用同步控制，外部使用異步
    • 絕大部分指令的功能操作安排在同一機器周期內執行完，少部分時間過長或者過短的而難以確定的指令采用異步
    • 同步基礎上的異步

一個例題

• 設微處理器CPU的主頻為8MHZ，其時鐘周期是多少微秒？若每個機器周期包含4個時鐘周期，CPU處理指令的平均速度是0.8MIPS，問：

  • 1、指令周期平均是多少微秒？平均含有多少個機器周期？
  • 2、若微處理器時鐘周期改為0.4μs,處理指令的平均速度為多少MIPS?
  • 3、若處理指令的平均速度需要40萬次/s,微處理器的主頻是多少MHZ？

• 答案：

• 時鐘周期=1/f=1/(8*10^6)=0.125μs

• 1、平均指令周期：1/(0.810^6)=1.25μs 平均機器周期：1.25/(40.125)=2.5

  • 所以一個指令周期有2.5個機器周期，一個機器周期有4個時鐘周期

• 2、平均速度：1/(2.540.4)=0.25條/μs=0.25 MIPS

• 3、0.4*10^{6=1/（2.5*4*T），T=0.25*10}-6(s)，主頻為1/T=4MHZ

• 決議：

1、主頻的倒數就是時鐘周期
2、

3、周期就是一次多少秒，頻率即一秒多少次
4、指令平均速度：一秒處理多少條指令，平均指令周期就是指令平均速度的倒數，注意MIPS是s,最后換算成微秒就是*10^6
5、MIPS:百萬條/s----------即條/μs

微指令及其基本格式

微指令及其微周期

• 微指令：
  • 概念：是指一定時間單位內有效的若干微命令的集合
  • 通常將讀取微指令的時間隱藏在前一條微指令的執行之中，在T4節拍既之行微指令的操作也并行讀取下一條微指令
  • 

微命令的兼容性與互斥性

• 兼容性：允許同時有效的微命令稱為兼容性微命令互斥性相反

一個微命令（控制信號）就是一位二進制數，1有效0無效

微命令的基本格式

• 微操作控制域+順序控制域
• 微操作控制域：
  • 描述微指令執行微操作的相應控制信號
• 順序控制域：
  • 描述該微指令處理之后的下一條微指令的地址
  • 因為順序和跳轉也分為2個欄位
  • 測驗標志欄位和微地址欄位

測驗成立則給出的為微地址要變換實作跳轉否則給出的微地址就是下一條微指令地址

機器指令微程式和微指令的關系

• 指令程式地址與記憶體儲器有關
• 微指令微程式為地址與控制存盤器有關
• 一潭訓器指令對應一個微程式，這個微程式是由若干條微指令序列組成的
• 一潭訓器指令分成很多個微操作，幾個微操作由一個微指令控制，所有微指令合起來稱為一個微程式即對應這一整潭訓器指令

微命令的編碼方法

• 位直接法：即1表示有效0無效，速度更快不需要譯碼
• 統一編碼法：將二進制數全部一起編碼，通過譯碼器最后只顯示1-2個有效
• 分段編碼法：結合直接編碼和統一編碼
  • 分段直接
  • 分段間接：增強了指令之間的制約關系
• 混合編碼法：位直接+分段直接
• 技巧編碼法（常數欄位控制法）：

微指令格式的型別

• 水平型微指令：一位對應一個，常采用位直接、分段和混合便于并行操作
• 垂直型微指令：利用統一編碼法，互斥
  • 垂直型與機器指令一樣有多個分類

    • 傳送型

      • 微操作域控制格式：微操作碼+原編址+目的編址+讀寫等附加資訊
      • 

    • 運算型

      • 微操作域控制格式：微操作碼+左輸入編址+右輸入編址+移位等附加資訊
      • 

    • 移位型

      • 微操作域控制格式：微操作碼+暫存器編址+移位次數+移位方式等附加資訊

    • 轉移型

      • 微操作域控制格式：微操作碼+轉移目標微地址+測驗條件等附加資訊

水平型微指令和垂直型的比較

• 水平并行操作能力強且效率高垂直型相反
  • 水平可以并行控制多條通路同時傳送
• 水平執行時間短垂直的時間長
  • 垂直要譯碼
• 水平微指令字較長，微程式短，垂直相反
• 水平型用戶更難掌握，垂直型更好掌握

微程式設計的基本要求

• 控制存盤器的容量小
• 微指令的執行速度快
• 微指令與微程式易修改且靈活