【计算机组成原理】五、中央处理器：2.数据通路、控制器（单总线结构、专用数据通路、硬布线控制器、微程序控制器）

3.数据通路

文章目录

- 3.数据通路
- - 3.1单总线结构
  - 3.2专用数据通路
- 4.控制器
- - 4.1硬布线控制器
  - - 4.1.1基本结构
    - 4.1.2设计步骤
    - - ==微操作总结==
      - 1）分析每个阶段的微操作序列
      - 2）安排微操作时序的原则
      - 3）电路设计
    - 4.1.3特点
  - 4.2微程序控制器
  - - ==微指令包含关系==
    - 4.2.1基本结构
    - 4.2.2微指令格式
    - 4.2.3微指令编码方式
    - 4.2.4微指令的地址形成方式
    - 4.2.5设计微程序控制单元
  - 4.3硬布线vs微程序比较

如何设置部件之间的连接路径?

数据通路的基本结构：

CPU内部单总线方式。
CPU内部多总线方式。
专用数据通路方式。

3.1单总线结构

寄存器与寄存器之间数据传输

一个out，一个in。

out：(PC)→Bus
in：Bus→MAR

或者简写：

(PC)→Bus→MAR

在这里插入图片描述

主存与CPU之间数据传输

(PC)→Bus→MAR

1→R

MEM(MAR)→MDR

MDR→Bus→IR

在这里插入图片描述

执行算数/逻辑运算

Ad(IR)→Bus→MAR

1→R

MEM(MAR)→MDR

MDR→Bus→Y

(ACC)+(Y)→Z

Z→ACC

在这里插入图片描述

例题：
ADD (R0), R1
(R0)是间接寻址，R1是直接寻址

##最靠前的是核心操作
#1. 取指周期：公共操作

(PC)→MAR

	1→R				#CU控制内存。R：读指令，W：写指令	

M(MAR)→MDR			#从内存memory取指令

	(PC)+1→PC		#执行完指令PC就自动加1

(MDR)→IR			#指令放入指令寄存器IR，instruction register

	OP(IR)→ID		#指令译码。指令译码器ID，instruction decoder

#2. 间址周期：取R0

(R0)→MAR

M(MAR)→MDR

(MDR)→Y

3. 执行周期

(R1)+(Y)→Z

(Z)→MDR

(MDR)→M(MAR)			#因为这里的MAR地址还是R0的地址

3.2专用数据通路

取指周期

(PC)→MAR

(MAR)→MEM

1→R

M(MAR)→MDR

(MDR)→IR

(PC)+1→PC

OP(IR)→ID（译码）

在这里插入图片描述

例题：

5.3.2_数据通路-专用通路结构_哔哩哔哩_bilibili

（2）

(PC)→MAR

M(MAR)→MDR

(MDR)→IR

答案没写后面两个

(PC)+1→PC

OP(IR)→微操作信号发生器

（3）

（4）简述完成指令 LDA X 的数据通路（X为主存地址，LDA的功能为(X)→ACC）。

X→MAR

M(MAR)→MDR

(MDR)→ALU→ACC

（5）简述完成指令 ADD Y 的数据通路（Y为主存地址，ADD的功能为(ACC)+(Y)→ACC）。

Y→MAR

M(MAR)→MDR

(ACC)→ALU, (MDR)→ALU

ALU→ACC

（6）简述完成指令 STA Z 的数据通路（Z为主存地址，STA的功能为(ACC)→Z）。

Z→MAR

(ACC)→MDR

MDR→M(MAR)

4.控制器

控制器如何指挥整个系统的工作?

控制器的设计

硬布线控制器
微程序控制器
毫微程序控制器（套娃）
- 微程序设计用微程序解释机器指令，毫微程序设计用毫微程序解释微程序。

4.1硬布线控制器

纯用硬件实现的。

微操作控制信号由组合逻辑电路根据指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”。而且是即时产生。

4.1.1基本结构

标志触发器FE（取指周期）、IND（间址周期）、EX（执行周期）、INT（终端周期）。

在这里插入图片描述

取指周期：

T0： (PC)→MDR： C1 = DE · T0

T1： M(MAR)→MDR C2 = FE·T1 + IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EX·T1(ADD+LDA)

FE·T1表示FE（取指令）阶段的T1时钟周期；

IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)表示IND阶段的T1时钟周期在ADD等操作下进行；

EX·T1(ADD+LDA)表示在EX阶段的T1时钟周期在ADD等操作下进行。

4.1.2设计步骤

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？
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？
  
  假设采用同步控制方式（定长机器周期），一个机器周期内安排3个节拍（T0, T1, T2）。
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？
电路设计

确定每个微操作命令的逻辑表达式，并具体用电路实现。
1. 列出操作时间表
  - 列出在取指、间址、执行、中断周期，TO、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

微操作总结

1）分析每个阶段的微操作序列

取指周期：所有指令都相同

(PC)→MAR

1→R #CU控制内存。R：读指令，W：写指令

M(MAR)→MDR #从内存memory取指令

(PC)+1→PC #执行完指令PC就自动加1

(MDR)→IR #指令放入指令寄存器IR，instruction register

OP(IR)→ID #指令译码。指令译码器ID，instruction decoder

间址周期：所有指令都类似

Ad(IR)→MAR

1→R

M(MAR)→MDR #此时找到的地址是EA有效地址

(MDR)→Ad(IR) #把原先的间接地址A换成新的EA

执行周期：各不相同

在这里插入图片描述

2）安排微操作时序的原则

原则1：微操作的先后顺序不得随意更改。

原则2：被控对象不同的微操作，尽量安排在一个节拍内完成。因为被控对象（→右面的那个）不同，那么同时进行就不会相互影响。

原则3：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。

下面每一行就是一个微操作，每一个T执行一个微指令。

取指周期：所有指令都相同

(PC)→MAR
1→R			#存储器空闲即可
M(MAR)→MDR	#因为前面有MAR，所以在（1）之后
(PC)+1→PC	#在（1）之后
(MDR)→IR	#在（3）之后
OP(IR)→ID	#在（4）之后

所以：

T0：1，2

T1：3，4

T2：5，6（因为虽然5，6有前后关系，但是执行时间都很短，根据原则3，把它们放到一个节拍）

【说明】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。

间址周期：所有指令都类似

Ad(IR)→MAR
1→R			#存储器空闲即可
M(MAR)→MDR	#在（1）之后
(MDR)→Ad(IR)#在（3）之后

T0：1，2

T1：3

T2：4

执行周期：各不相同

在这里插入图片描述

3）电路设计

设计步骤：

列出操作时间表
- 列出在取指、间址、执行、中断周期，TO、T1、T2节拍内有可能用到的所有微操作。
写出微操作命令的最简表达式
画出逻辑图

【备注】操作时间表巨长，很麻烦。

4.1.3特点

指令越多，设计和实现就越复杂，因此一般用于RISC（精简指令集系统）。
如果扩充一条新的指令，则控制器的设计就需要大改，因此扩充指令较困难。
由于使用纯硬件实现控制，因此执行速度很快。微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生。

4.2微程序控制器

硬件+软件实现

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。

分类：

静态微程序设计：微程序无需改变，采用 ROM。
动态微程序设计：通过改变微指令和微程序改变机器指令。有利于仿真，采用EPROM。

程序：由指令序列组成。

微程序：由微指令序列组成。

指令：是对程序执行步骤的描述，每一种指令对应一个微程序。
比如 LDA X，这样一条指令对应的取指、间址、执行、中断全部看作一个微程序。

微指令：是对指令执行步骤的描述。

微命令与微操作一一对应。

微指令中可能包含多个微命令。

微指令包含关系

指令（4个微程序段部分构成一完整的微程序）
- 微程序(段)（取指周期微程序、间址周期微程序…）
  - 微指令（一个节拍（T）内多行或一行微操作）
    - 微命令 = 微操作（一行微操作）

在这里插入图片描述

4.2.1基本结构

在这里插入图片描述

控制存储器CM（Memory Controller）：

在这里插入图片描述

取指周期通常是公用的，故如果某指令系统中有n条机器指令（执行周期），则CM中微程序(段)的个数至少是n+1个。（因为 n条机器指令是描述执行周期的微程序(段)，所以还要加上一个取指周期微程序(段)）

为什么是+1（只加取指周期，没有间址周期…）？

因为一些早期的CPU、物联网设备的CPU可以不提供间接寻址和中断功能,因此这类CPU可以不包含间址周期、中断周期的微程序段。

4.2.2微指令格式

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。

在这里插入图片描述

4.2.3微指令编码方式

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。

直接编码（直接控制）方式
字段直接编码方式
字段间接编码方式（隐式编码）

在这里插入图片描述

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。

例题：

4.2.4微指令的地址形成方式

就是下一条指令地址的形成

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（断定法）==。
根据机器指令的操作码，形成当机器指令取至指令寄存器后，微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成。
增量计数器法：(CMAR)+1→CMAR

类似(PC)+1→PC
分支转移。

操作控制字段转移方式转移地址
转移方式：指明判别条件；
转移地址：指明转移成功后的去向。
通过测试网络（顺序逻辑）
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）。

例题：

4.2.5设计微程序控制单元

设计步骤：

分析每个阶段的微操作序列
写出对应机器指令的微操作命令及节拍安排
确定微指令格式
1. 根据微操作个数决定采用何种编码方式，以确定微指令的操作控制字段的位数。
2. 根据CM中存储的微指令总数，确定微指令的顺序控制字段的位数。
3. 最后按操作控制字段位数和顺序控制字段位数就可确定微指令字长。
编写微指令码点
- 根据操作控制字段每一位代表的微操作命令，编写每一条微指令的码点。

与前面硬布线控器类似，也需要微指令（节拍）安排，唯一不同的是最后一个微操作。

微指令a，T0： (PC)→MAR

微指令a，T0： 1→R

微指令b，T1： M(MAR)→MDR

微指令b，T1： (PC)+1→PC

微指令c，T2： (MDR)→IR

微指令c，T2： OP(IR)→为地址形成部件（硬布线：OP(IR)→ID）

取指周期的第一条微指令a地址由硬件自动给出，后面的指令由前面指令的下地址指出。

所以要加上下地址的一个微操作：

AD(CMDR)→CMAR

就变成了：

微指令a，T0： (PC)→MAR

微指令a，T0： 1→R

T1：Ad(CMDR)→CMAR

微指令b，T2： M(MAR)→MDR

微指令b，T2： (PC)+1→PC

T3：Ad(CMDR)→CMAR

微指令c，T4： (MDR)→IR

微指令c，T4： OP(IR)→为地址形成部件（硬布线：OP(IR)→ID）

T5：微地址形成部件→CMAR

取指周期的最后一条微指令完成后，要根据指令操作码确定其执行周期的微程序首地址。

在这里插入图片描述

4.3硬布线vs微程序比较

	硬布线控制器	微程序控制器
工作原理	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。	微操作控制信号以微程序的形式存放在控制存储器中，执行指令时读出即可。
执行速度	快	慢
规整性	繁琐、不规整	较规整
应用场合	RISC CPU（精简指令集计算机）	CISC CPU（复杂指令集计算机）
易扩充性	困难	易扩充修改