微操作与控制器

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微操作

执行程序时，计算机操作是由一系列指令周期组成的

  • 每个周期执行一条机器指令

每个指令周期可以看作是由几个更小的子周期组成

  • 取指、间指、执行、中断

微操作：每个子周期由一系列涉及CPU寄存器操作的更小步骤组成

微操作分组原则：

  1. 事件流动顺序必须是恰当的

  2. 必须避免冲突

    • $MBR \leftarrow 内存$ 和 $IR \leftarrow MBR$ 不应出现在同一时间单位

  3. 所用的时间单位尽可能少

取指周期

出现在每个指令周期的开始，将指令从存储器中取出

  • 时间要尽可能少，提高效率

  • 涉及同一个设备或具有逻辑先后顺序的不能同时进行

间址周期

若指令采用间接寻址，则在指令执行前有一个间址周期

执行周期

对于不同的操作码，会出现不同的微操作序列

  1. 加法指令

  1. 转移并保存地址指令

中断周期

在完成执行周期时，要确定是否有允许的中断产生

  • 如果有，则出现一个中断周期

  • $MAR \leftarrow Save_Address$ 和 $Memory \leftarrow (MBR)$ 划掉

指令周期代码

取指、间址、中断周期各有一个微操作序列，执行周期对于每个操作码有一个微操作序列

指令周期代码：假设一个2位的ICC寄存器，明确CPU处于指令周期哪个阶段

  • 00：取指

  • 01：间址

  • 10：执行

  • 11：中断

控制器

CPU内部总线

ALU和寄存器都连在CPU内部总线上

为了数据在该内部总线和各寄存器之间传递，内部总线和寄存器之间有门和控制信号

控制线控制着数据和系统总线（外部）的交换以及ALU的操作

控制CPU的功能需求

  1. CPU的基本元素

    • ALU、寄存器组、内部数据通路、控制器、外部数据通路

  2. CPU需要完成的微操作

    • 在寄存器之间传送数据

    • 将数据由寄存器传送到外部接口（如系统总线）

    • 将数据由外部接口传送到寄存器

    • 将寄存器作为输入和输出，完成算术和逻辑运算

  3. 控制器的两个基本任务

    • 定序：根据正被执行的程序，控制器使CPU以正确的顺序通过一系列微操作

    • 执行：控制器使每个微操作得以完成

控制器的输入和输出

输入

  • 指令寄存器：当前指令的寻址方式和操作码

  • 标志：确定CPU状态和前一个ALU操作的结果

  • 时钟：控制器要在每个时钟脉冲完成一个或一组同时的微操作

  • 来自控制总线的控制信号：向控制器提供控制信号

输出

CPU内的控制信号：

  • 用于寄存器之间传送数据

  • 用于启动特定的ALU功能

到控制总线的控制信号：

  • 到存储器的控制信号

  • 到I/O模块的控制信号

所有控制信号最终作为二进制输入量直接输入到各个逻辑门上

控制信号

所有控制信号最终都作为二进制输入直接应用于各个逻辑门

三种控制信号：

  • 激活ALU的功能

  • 激活数据通路

  • 通过系统总线或其他外部接口传递来的信号

举例：

  1. 传送PC的内容到MAR

    • 打开$C_2$：PC传到MAR

  2. 由存储器读一条指令装入MBR，并且递增PC

    • 打开$C_0$：MAR的内容送到地址总线上

    • 存储器读控制信号$C_R$送到控制总线上

    • 打开$C_5$：数据总线上的内容存入MBR

    • 控制信号对PC内容加以，并把结果存回PC

  3. 传送MBR的内容到IR

    • 打开$C_4$：MBR的内容送到IR

  • 小圆点表示的是门，$C_R$是读信号

  • 一个固定长度二进制串用来控制相应的门的开关

控制器的最小特性

  1. 它只需要知道将被执行的指令和算术、逻辑运算结果的性质（比如正负、溢出等）

    • 不需要知道正被处理的数据或得到的实际结果是什么

  2. 它只是以少量的送到CPU内的和送到系统总线上的控制信号来实现控制

控制器实现

  1. 硬布线实现

    • 控制器是一个组合电路，把输入逻辑信号转换为一组输出逻辑信号，即控制信号

  2. 微程序实现

    • 控制逻辑是微程序指定的，控制器是一个相对简单的逻辑电路，通过执行每条微指令来产生控制信号

硬布线实现

  • 标志和控制总线信号：每位都有特定意义

  • 指令寄存器：通过译码使得每一个操作码有一个唯一的逻辑输入

    • $n$个输入 $\rightarrow$ $2^n$个输出

  • 时钟：在一个时钟周期内，控制器在不同时间单位发送不同的控制信号

    • 使用一个定时器作为控制器的输入，并且控制器在指令周期结束时必须通知定时器使其重新开始计数

    • 时钟脉冲的周期必须足够长，以允许信号沿数据路径和通过处理器电路传播

控制器逻辑

为每个输出的控制信号设计一个关于控制器输入的布尔表达式

定义两个控制信号 $P$ 和 $Q$

  • $PQ = 00$：取指周期

  • $PQ = 01$：间址周期

  • $PQ = 10$：执行周期

  • $PQ = 11$：中断周期

举例：

$C_5$：使外部数据总线上的数据读入MBR

  1. $C_5$ 在取指和间址周期的第二个时间单位有效：

    • $C_5 = \bar{P} \cdot \bar{Q} \cdot T_2 + \bar{P} \cdot Q \cdot T_2$

  2. $C_5$ 在执行周期也有效：

    • $C_5 = \bar{P} \cdot \bar{Q} \cdot T_2 + \bar{P} \cdot Q \cdot T_2 + P \cdot \bar{Q} \cdot (LDA + ADD + AND) \cdot T_2$

微程序实现

微程序基于硬件和软件之间

微指令：每行描述一个时间内出现的一组微操作

基本思路：

  1. 对于每个微操作，控制器的任务是产生一组控制信号

  2. 构造一个控制字，每位代表一根控制线

    • 这样每个微操作能用控制字中不同的0和1的样式来表示

  3. 将这些控制字串在一起，可以表示控制器需要完成的微操作序列

由于每个微操作的顺序不是固定的，控制字被放入存储器中，每个字都有一个唯一的地址

  • 添加少数几位用于指示条件的真假

    • 假则顺序执行下一条指令

    • 真则地址字段指向的微指令是下一条执行的微指令

  • 地址字段：指示条件为真时，将要执行的下一控制字的位置

微程序执行：

微程序控制器构成

  1. 定序逻辑：向控制地址寄存器装入地址，并发出读命令

  2. 控制地址寄存器：含有下面即将被读取的微指令地址

  3. 控制存储器：存有一组微指令

  4. 控制缓冲寄存器：存放被读出的微指令

微程序控制器任务

  1. 微指令定序

    根据当前的微指令、条件标志和指令寄存器的内容，产生下一微指令的控制存储器地址

    1. 双地址字段：在每条微指令中提供两个地址字段，选择并发送其中某一个地址或操作码到控制地址寄存器

    2. 单地址字段：下一个地址得选择可以是地址字段或下一个顺序地址

    3. 可变格式：提供两种完全不同的指令格式，一位字段用于指定哪种格式被使用

      设计考虑：

    4. 微指令的大小

    5. 地址生成时间

  2. 微指令执行

    产生控制信号：发往CPU内部，送往外部控制总线或其他外部接口

微程序控制器工作流程

  1. 为执行一条指令，定序逻辑发出一个读命令给控制存储器

  2. 当一条微指令由控制存储器读出后，被传送到控制缓冲寄存器

    • 从控制地址寄存器读

  3. 控制缓冲寄存器的内容生成控制信号，并为定序逻辑提供下一条地址信息

    • 控制缓冲寄存器的左半部分与控制器发出的控制线相连

    • 由控制存储器读一条微指令等同于执行这条微指令

  4. 定序逻辑根据这个地址信息和ALU标志，将新的地址装入到控制地址寄存器

生成新地址的三个选择：

  1. 取顺序下一条微指令：加1到控制地址寄存器

  2. 基于跳转微指令转移到一个新的例程：将控制缓冲寄存器的地址字段装入控制地址寄存器

  3. 转移到一个机器指令例程：根据IR总的操作码向控制地址寄存器装入机器指令例程的第一条微指令