1、3.1.3 控制器分類,前述的控制器的基本構(gòu)成:,控制器分類主要針對上圖中的微操作信號序列形成部件。,即: 微操作信號序列形成部件采用什么樣的方式產(chǎn)生微操作信號。,更具體的說:,微操作信號序列形成部件采用什么樣的硬件構(gòu)成, 能夠根據(jù)指令譯碼器的輸出、時序控制信號、以及狀態(tài)信號等產(chǎn)生微操作信號,由微操作信號形成(產(chǎn)生)的方式不同, 導(dǎo)致了控制器設(shè)計方法的不同, 由此引出控制器的分類。,1、組合邏輯控制器,即按照組合邏輯設(shè)計方式產(chǎn)生的控制器。,該方法的簡單描述:,將一個操作所需要的所有條件(如什么指令、什么時間、在什么機(jī)器狀態(tài)下等)寫成邏輯表達(dá)式的形式, 加以簡化后用邏輯電路實現(xiàn)。,比如要完成某一

2、操作OP, 需要發(fā)出一個微操作信號Micro_op, 其條件有A、B、C、D、E。要求條件A和B同時成立并且條件C、D、E至少有一個成立, 則可以有邏輯表達(dá)式:,Micro_op = AB(C+D+E),如果將計算機(jī)要完成的所有操作所需要的微操作信號都以邏輯表達(dá)式的形式表達(dá)出來, 簡化后用邏輯電路予以實現(xiàn)。當(dāng)要執(zhí)行某項操作, 則其條件成立, 邏輯電路發(fā)出相應(yīng)的微操作信號完成該項功能。,邏輯電路實現(xiàn):,該邏輯電路即為微操作信號發(fā)生器, 由此產(chǎn)生的控制器即為組合邏輯控制器。,例: 組合邏輯控制例 (僅說明原理),(1) 執(zhí)行指令: ADD R1, R2,以圖3.3 (P.80)為硬件模型 (此處省

3、去移位器),完成: R1+R2 R1,將指令執(zhí)行分為三個階段：,+R1EN,+Lat1,+R2EN,+Lat2,根據(jù) 取指(FET) 譯碼(DE) 執(zhí)行(EXE), 在執(zhí)行階段所需微操作信號:,+R1CLK,; R1內(nèi)容輸出到內(nèi)部總線,; 暫存器1的打入脈沖,; R2內(nèi)容輸出到內(nèi)部總線,; 暫存器2的打入脈沖,; 相加結(jié)果打入R1, 結(jié)合時序,取指(FET),執(zhí)行(EXE),譯碼(DE),EXE階段時間長度,.,操作的時機(jī),+R1EN = +ADDEXET1,+R2EN = +ADDEXET2,+R1CLK = +ADDEXET4,(節(jié)拍T3等待加法器完成加法操作),(2) 執(zhí)行指令: MOV

4、 R1, (R2) ;,在該指令的執(zhí)行周期EXE, T4時刻:,+R1CLK = +MOVEXET4,所以:,+R1CLK = (+ADDEXET4) + (+MOVEXET4) + (.) + (.) .,+R1EN = (+ADDEXET1 ) + (.) .,同理:,.,+R1CLK = (+ADDEXET4) + (+MOVEXET4) + (.) + (.) .,控制依據(jù),時間控制,從什么時刻開始,表現(xiàn)形式：,脈沖,組合邏輯控制器 結(jié)論:,一條指令是由若干步驟來完成的, 擬定每一步驟所需要的微操作信號(不能再分解的操作稱為微操作), 寫出每一微操作信號邏輯表達(dá)式。,對所有指令進(jìn)行上述

5、的分解, 形成邏輯表達(dá)式, 然后將所有相同的微操作信號的邏輯表達(dá)式進(jìn)行合并, 并簡化邏輯表達(dá)式, 再用邏輯電路予以實現(xiàn)。, 將前述的控制器組成細(xì)化為:,組合邏輯控制器的特點:, 指令執(zhí)行過程有硬件邏輯完成, 速度快;, 硬件復(fù)雜, 不易修改、擴(kuò)展和升級。,2、微程序控制器, 微程序控制的基本思想,從物理的觀點:,微操作信號,各種電信號,即在規(guī)定時間產(chǎn)生的電平和脈沖,組合邏輯設(shè)計:,按數(shù)字邏輯的方法產(chǎn)生所需要的電信號,編碼的觀點:,將不同周期或節(jié)拍的微操作進(jìn)行編碼, 使不同微操作對應(yīng)一個編碼值, 并存入存儲器(ROM)。讀出編碼并譯碼, 同樣可產(chǎn)生電信號。,微程序設(shè)計的基本原理: 與組合邏輯控制

6、器設(shè)計相同, 將指令分解成若干的微操作, 完成該操作所需信號即稱為微命令信號(簡稱微命令); 將所有微命令進(jìn)行編碼, 并存入ROM(稱為微程序ROM); 當(dāng)要完成某一操作, 從ROM中讀出對應(yīng)的微命令編碼, 并對該編碼進(jìn)行譯碼, 譯碼輸出信號即為完成該操作的微操作信號。,1. 將若干微命令編制成一條微指令, 控制實現(xiàn)一步操作;,2. 若干微指令組成一段微程序, 解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令;,3. 微程序事先存放在控制存儲器中, 執(zhí)行機(jī)器指令時再取出。,微程序設(shè)計一般步驟:,微程序控制器的組成框圖如下所示:,微程序控制器的特點:, 引入了程序技術(shù), 使設(shè)計規(guī)整, 引入了存儲邏輯, 使功能易于擴(kuò)展,3.

7、1.4 CPU與外設(shè)的信息交換,1、主機(jī)和外設(shè)的連接方式,(1) 輻射式,早期: 不易擴(kuò)展 線路復(fù)雜,現(xiàn)在: 便于擴(kuò)展,(2) 總線式,特點: 便于擴(kuò)展,(3) 通道式,特點: 并行能力提高,2、信息傳送控制方式,即如何控制CPU與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。,傳送控制方式問題的提出:, 高速CPU與低速外設(shè)之間的時間配合, CPU與速度不同的外設(shè)之間的時間配合, 外設(shè)如何啟動(通知)CPU執(zhí)行I/O指令, 外設(shè)的工作是否可以與CPU并行, I/O操作由硬件完成還是軟件完成,(1) 直接程序傳送方式(程序查詢方式),用I/O指令編程實現(xiàn)信息傳送。, 外設(shè)狀態(tài),啟動,完成一次工作,調(diào)用完,再請求,0

8、0,01,10, 在接口中設(shè)置狀態(tài)字表示這些狀態(tài);, 空閑: 調(diào)用前, 設(shè)備不工作;, 結(jié)束: 調(diào)用后, 設(shè)備完成工作。, 查詢流程,啟動外設(shè),N,Y,輸入/出操作,用輸出指令,設(shè)置啟動信號;,用輸入指令,讀取工作狀態(tài)并判斷,輸入或輸出指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,例：,啟動信號,04,03,01,02,復(fù)位端口地址01H,假設(shè): 啟動端口地址04H,數(shù)據(jù)端口地址03H,狀態(tài)端口地址02H,按查詢方式的輸入程序如下(假設(shè)輸入5個數(shù)據(jù))：,OUT 04, AL ; 啟動輸入設(shè)備,MOV BL, 05 ; 設(shè)置計數(shù)值,SHR AL, 1 ; AL右移一位,JNC POLL ; 未準(zhǔn)備好, 再次查詢,IN AL

9、, 03 ; 已準(zhǔn)備好, 讀數(shù)據(jù),MOV DI, DSTOR ; 設(shè)置內(nèi)存地址,MOV DI, AL ; 數(shù)據(jù)送內(nèi)存,INC DI ; 地址加1,DEC BL ; 計數(shù)值減1,JNE AGAIN ; 再次啟動輸入設(shè)備, 優(yōu)缺點,優(yōu)點: 硬件開銷小; 缺點: 輸入/輸出期間, CPU不執(zhí)行與I/O無關(guān)的操作, 實時處理能力差, 并行程度低。, 應(yīng)用場合,對CPU效率要求不高的場合;,或診斷、調(diào)試過程。,(2) 中斷方式, 中斷的引入,查詢:,程序,并行操作,主機(jī),外設(shè),空閑,啟動,等待,工作,程序,交換數(shù)據(jù),中斷:,主機(jī),程序,外設(shè),空閑,啟動,工作,程序,請求,中斷程序,交換數(shù)據(jù),程序, 中斷

10、定義, 中斷流程,CPU內(nèi)設(shè)置中斷允許標(biāo)志,CPU暫時中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行, 轉(zhuǎn)去執(zhí)行為某個隨機(jī)事態(tài)服務(wù)的中斷處理程序。處理完畢后自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。,=1 允許響應(yīng)中斷,(開中斷),=0 不允許響應(yīng)中斷,(關(guān)中斷),流程圖如下:,開中斷,繼續(xù)原程序,啟動外設(shè),N,返回,Y,執(zhí)行中斷服務(wù)程序,響應(yīng),CLI ;,請求,關(guān)中斷, 初始化,啟動 ;,啟動設(shè)備,響應(yīng),返回,例. PC系列機(jī),允許中斷位,0 關(guān)中斷,1 開中斷,STI ;,開中斷,IF=, 程序安排, 硬件設(shè)置,設(shè)備工作完成,請求 邏輯,屏蔽邏輯,非屏蔽,CPU送屏蔽字,設(shè)備提出請求,CPU禁止/允許設(shè)備請求,響應(yīng)邏輯,判優(yōu)邏輯,判別設(shè)

11、備優(yōu)先級,CPU響應(yīng)請求, 并轉(zhuǎn)相應(yīng)服務(wù)程序入口,(使得CPU可動態(tài)改變設(shè)備優(yōu)先級),(6) 應(yīng)用場合,用于中、低速I/O操作或處理復(fù)雜隨機(jī)事件。,注意區(qū)分:,送屏蔽字,開/關(guān)中斷,CPU對請求的屏蔽和對請求的響應(yīng)。, 中低速I/O操作:,使得CPU執(zhí)行中斷處理程序在時間上能滿足中低速I/O操作的要求。, 復(fù)雜隨機(jī)事件:,CPU無法事先安排處理程序。,3. 直接存儲器存取(DMA)方式,(1) 定義 (Direct Memory Access),直接依靠硬件實現(xiàn)主存與I/O間的數(shù)據(jù)傳送, 傳送期間不需CPU程序干預(yù)。,1) 數(shù)據(jù)傳送直接在I/O接口與主存儲器之間進(jìn)行。,2) 早期由CPU控制傳

12、送; 現(xiàn)在由DMA控制器控制傳送, DMA控制器接管總線權(quán), 傳送完畢再交還總線權(quán)。,3) 傳送期間只要CPU不訪存, DMA與CPU可并行操作。,4) 傳送前和傳送后需要程序干預(yù)。,處理器,外設(shè),存 儲 器,總線,邏輯斷開,DMA傳送,向CPU提出DMA請求,CPU響應(yīng)DMA請求,(2) 硬件設(shè)置,操作類型,地址計數(shù),控制傳送方向, DMA控制器,提供主存地址,交換量計數(shù),控制傳送次數(shù),初始化信息,(3) DMA流程,傳遞請求,暫存交換數(shù)據(jù),提供外設(shè)地址, 外設(shè)接口,啟動外設(shè),N,Y,繼續(xù)程序,傳送操作類型、主存首址、 交換量、外設(shè)尋址信息,Y,N,單字方式,一次DMA傳送,地址+1 交換量1,N,Y,成組方式,響應(yīng),N,繼續(xù)程序,中斷處理,主程序?qū)崿F(xiàn)初始化。,DMA三個階段:,程序準(zhǔn)備:,(4) 應(yīng)用場合,用于高速、簡單、批量數(shù)據(jù)傳送。,硬件實現(xiàn)