1、1, 硬布線控制的計(jì)算機(jī),在CPU（運(yùn)算控制器）邏輯框圖中，由“時(shí)序控制信號(hào)形成部件”產(chǎn)生控制計(jì)算機(jī)各部分操作所需的控制信號(hào)。這個(gè)部件的組成一般有兩種方式，一種為微程序控制方式；另一種為硬布線控制方式， 硬布線控制方式是通過(guò)邏輯電路直接連線而產(chǎn)生控制信號(hào)的，所以又稱為組合邏輯控制方式。本節(jié)主要討論硬布線控制方式與微程序控制的差別上，相同部分不在重復(fù)。,2,時(shí)序與節(jié)拍,一條加法指令的實(shí)現(xiàn)可分成取指、計(jì)算地址、取數(shù)及執(zhí)行等幾個(gè)步驟，在微程序中，每一步由一條微指令實(shí)現(xiàn)；在硬布線控制方式中由指令的操作碼直接控制并產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)上述各步驟所需的控制信號(hào)。在大部分情況下，每一步由一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，如何區(qū)分一條指

2、令的四個(gè)機(jī)器周期呢？可以采用兩位計(jì)數(shù)器的譯碼輸出來(lái)表示當(dāng)前所處的機(jī)器周期。,3,時(shí)序與節(jié)拍,4,也可用四個(gè)觸發(fā)器來(lái)分別表示四個(gè)周期，當(dāng)機(jī)器處于某一周期時(shí)，相應(yīng)的觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，而其余三個(gè)觸發(fā)器處于“0”狀態(tài)，四位移位寄存器即可實(shí)現(xiàn)此功能。 設(shè)以cy1,cy2,cy3,cy4分別表示四個(gè)機(jī)器周期，在初始化reset）時(shí)，令cy1處于“1”狀態(tài)，其余的均處于“0”狀態(tài)，即機(jī)器處于取指周期，然后實(shí)現(xiàn)循環(huán)移位，可保證四個(gè)觸發(fā)器中有一位且僅有一位處于“1”狀態(tài),時(shí)序與節(jié)拍,5,然而由于每條指令的功能不同，所需的機(jī)器周期數(shù)可能就不相同，因此某些指令可能缺少某個(gè)周期，而有些復(fù)雜指令則需延長(zhǎng)，從而使得上

3、述計(jì)數(shù)器或移位寄存器的工作時(shí)序發(fā)生變化，而且其變化規(guī)律與指令有關(guān)。 例如，執(zhí)行A指令時(shí)需要四個(gè)機(jī)器周期，因此計(jì)數(shù)器的變化規(guī)律是00011011； 而執(zhí)行B指令時(shí)僅需三個(gè)機(jī)器周期（假如不用計(jì)算地址），因此計(jì)數(shù)器的變化規(guī)律是001011。 根據(jù)A，B指令計(jì)數(shù)器狀態(tài)變化真值表列出表達(dá)式。,時(shí)序與節(jié)拍,6,時(shí)序與節(jié)拍,7,對(duì)于A指令，其表達(dá)式為： 對(duì)于B指令，其表達(dá)式為,時(shí)序與節(jié)拍,8,譯碼器輸出產(chǎn)生毛刺的原因及處理方法,時(shí)序與節(jié)拍,9,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,1.操作碼譯碼器 指令由操作碼與地址碼兩部分組成，其中操作碼表示當(dāng)前 執(zhí)行的是什么指令，例如加法指令還是減法指令。假如操 作碼有7位，則最多可表示

4、128條指令，一般在機(jī)器設(shè)置一 個(gè)指令譯碼器，其輸入為7位操作碼，輸出有128根線，在 任何時(shí)候，有且僅有一根線為高電位，其余均為低電位 （或一根線為低電位，其余為高電位），每根輸出線表示 一條指令，因此譯碼器的輸出反映當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。,10,由譯碼器的輸出和機(jī)器周期狀態(tài)cy1cy4作為輸入，使用邏輯電路產(chǎn)生操作控制信號(hào)。,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,11,2.操作控制信號(hào)的產(chǎn)生 主要討論“組合邏輯電路”的組成。 仍以執(zhí)行一條加法指令為例，假設(shè)一條加法指令的功能是由四個(gè)機(jī)器周期cy1cy4完成的，分別為取指、計(jì)算有效地址、取操作數(shù)、進(jìn)行加法運(yùn)算并送結(jié)果。,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,12,（1）取指周期操

5、作指令（用邏輯式表示） cy1=PCAB cy1T1=ADS cy1=M/IO# cy1=W/R# cy1=DBIR cy1 = PC+1,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,13,（2）計(jì)算有效地址（用邏輯式表示） 加法指令cy2=rs1GR 加法指令cy2= (rs1)ALU ： 加法指令cy2= ALUAR,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,14,對(duì)所有指令的全部表達(dá)式進(jìn)行綜合分析后可得出如下結(jié)論： （1）取指周期cy1所產(chǎn)生的信號(hào)，對(duì)所有指令都是相同的，即與當(dāng)前執(zhí)行的指令無(wú)關(guān)，邏輯式得到最簡(jiǎn)單的形式。 （2）通常，同一個(gè)控制信號(hào)在若干條指令的某些周期中都需要，為此需要把它們組合起來(lái)。,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,15,例如

6、，“+”命令在加法指令的cy2與cy4時(shí)需要；在減法指令的cy2時(shí)需要；在轉(zhuǎn)移指令的cy2時(shí)需要； 用邏輯表達(dá)式如下： “+”=加法指令（cy2+cy4)+減法指令cy2+轉(zhuǎn)移指cy2+ =加法指令cy2+加法指令cy4+ 減法指令 cy2+轉(zhuǎn)移指令cy2+， 上式中的加法指令、減法指令等信號(hào)通常由操作碼譯碼器輸出，譯碼器實(shí)際上是由各操作碼的二進(jìn)制代碼作為輸入的一組“與門(mén)”。,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,16,設(shè)某機(jī)有7位操作碼（OP0OP6)， 已知加法指令的操作碼為0001100，則形成加法指令信號(hào)的邏輯表達(dá)式為： （3）同種類型的指令所需的控制信號(hào)大部分是相同的，僅有少量區(qū)別，例如算術(shù)運(yùn)算中的加

7、法指令（ADD）和減法指令（SUB），除了一個(gè)“+”命令與“-”命令信號(hào)以外，其余的控制信號(hào)全部相同。,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,17,例如，某機(jī)有128條指令，7位操作碼（OP0OP6)，其中有十六條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，那么可以令這些指令的三位操作碼完全相等（例如OP0OP2為001），而OP3OP6分別表示16條指令，設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯運(yùn)算指令在cy2周期中都需要產(chǎn)生的，則：,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,18,A=加法指令cy2+減法指令cy2+邏輯加指令cy2+ =（加法指令+減法指令+邏輯加指令+） cy2 從16項(xiàng)化簡(jiǎn)成1項(xiàng)，用一個(gè)與門(mén)即可實(shí)現(xiàn)。,操作控制信號(hào)的產(chǎn)生,19,硬布線控制器的組成,2

8、0,硬布線控制邏輯設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題,1.指令操作碼的代碼分配 指令系統(tǒng)確定后，指令操作碼的分配對(duì)組合邏輯電路的組成影響很大，合理地分配操作碼能節(jié)省控制部分的電路、減少延遲時(shí)間。 2.確定機(jī)器周期、節(jié)拍與主頻 一般情況下，機(jī)器的周期基本上是根據(jù)存儲(chǔ)器的速度及執(zhí)行周期的基本時(shí)間確定的。隨之確定機(jī)器的主頻、每一機(jī)器周期的節(jié)拍與時(shí)鐘數(shù)。,21,3.根據(jù)指令功能，確定每一條指令所需的機(jī)器周期以及每一周期所完成的操作 在確定每條指令在每一機(jī)器周期所完成的操作時(shí)，也就得出了相應(yīng)的操作控制命令。該命令的一般表達(dá)式（允許有空位）為： 操作控制命令名=指令名*機(jī)器周期*節(jié)拍*條件,硬布線控制邏輯設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題,

9、22,例如，在采用“加減交替法”進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)，根據(jù)上次運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)，決定本次執(zhí)行加法運(yùn)算還是減法運(yùn)算，表達(dá)式為： “+”操作命令=除法指令*cy4*N “-”操作命令=除法指令*cy4*N,硬布線控制邏輯設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題,23,4.綜合所有指令的每一個(gè)操作命令，寫(xiě)出邏輯表達(dá)式，并化簡(jiǎn)之。 例如：“+”操作命令，在考慮了乘法和除法指令后，將增加表達(dá)式內(nèi)容如下： “+”=加法指令*（cy2+cy4）+減法指令*cy2+轉(zhuǎn)移指令*cy2 +乘法指令*（cy2+cy4*y31)+除法指令*（cy2+cy4*N）+ 式中y31為乘數(shù)寄存器的最低位內(nèi)容,硬布線控制邏輯設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題,24,硬布線控制

10、邏輯與微程序控制的比較,硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信號(hào)的形成方法和原理有差別外，其余的組成部分沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。 硬布線控制與微程序控制之間的最顯著差異可歸納為兩點(diǎn),25,1.實(shí)現(xiàn) 微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制器和存放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的，而硬布線控制則由邏輯門(mén)組合實(shí)現(xiàn)。前者電路比較完整，硬布線控制器的控制信號(hào)先用邏輯式列出，經(jīng)化簡(jiǎn)后用電路實(shí)現(xiàn)，因而顯得零亂且復(fù)雜，當(dāng)需修改指令或增加指令時(shí)是很麻煩的，有時(shí)甚至沒(méi)有可能，因此微程序控制得到廣泛應(yīng)用。尤其是指令系統(tǒng)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)，一般都采用微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能,硬布線控制邏輯與微程序控制的比較,26

11、,2.性能 在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控制的速度低，那是因?yàn)閳?zhí)行每條微指令要從控存中讀取一次，影響了速度，而硬布線邏輯主要取決于電路延遲。,硬布線控制邏輯與微程序控制的比較,27, 控制器的控制方式,控制器控制一條指令運(yùn)行的過(guò)程是依次執(zhí)行一個(gè)確定的微操作序列的過(guò)程。 控制器的控制方式：如何形成控制不同微操作序列的時(shí)序控制信號(hào)的方法。常用的有同步控制方式、異步控制方式和聯(lián)合控制方式。,28,1.同步控制方式 一條已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和節(jié)拍數(shù)都是固定不變的，則稱為同步控制方式。 同步控制方式可以選取的方案： （1）采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令； （

12、2）采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期，以解決微操作執(zhí)行所需時(shí)間不統(tǒng)一的問(wèn)題； （3）采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法。, 控制器的控制方式,29,將機(jī)器的大部分指令安排在一個(gè)統(tǒng)一的較短的機(jī)器周期內(nèi)完成，稱為中央控制，而將少數(shù)操作復(fù)雜的指令中的某些微操作作另行處理稱為局部控制。 2.異步控制方式 每條指令，每個(gè)微操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間，即控制器發(fā)出進(jìn)行某一微操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的“回答”或“結(jié)束”信號(hào)，再開(kāi)始新的微操作，稱為異步控制方式。, 控制器的控制方式,30,3.聯(lián)合控制方式 同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。對(duì)不同指令的各個(gè)微操作實(shí)行大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對(duì)待的方式

13、。 4.人工控制方式 為了調(diào)機(jī)和軟件開(kāi)發(fā)的需要，在計(jì)算機(jī)面板或內(nèi)部往往設(shè)置一些開(kāi)關(guān)或按鍵以進(jìn)行人工控制。最常見(jiàn)的有reset按鍵、連續(xù)執(zhí)行或單條指令執(zhí)行的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、符合停機(jī)開(kāi)關(guān)等。, 控制器的控制方式,31,流水線工作原理,1.流水線基本工作原理 計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序是按順序的方式進(jìn)行的，即程序中各條機(jī)器指令是按順序串行執(zhí)行的。如果按四個(gè)周期完成一條指令來(lái)考慮，其執(zhí)行過(guò)程如下：,32,在某些計(jì)算機(jī)中，CPU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(yùn)算和保存結(jié)果等操作。如按指令部件和執(zhí)行部件順序操作來(lái)考慮可將程序的執(zhí)行過(guò)程表示如下：, 流水線工作原理,33,程序是按指

14、令的順序執(zhí)行完一條再執(zhí)行下一條的，順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但是機(jī)器各部分的利用率不高。例如，指令部件（I）工作時(shí)，執(zhí)行部件（E）基本空閑；而執(zhí)行部件工作時(shí)，指令部件基本空閑。假如把兩條或若干條指令在時(shí)間上重疊起來(lái)進(jìn)行，將大幅度提高程序的執(zhí)行速度。,流水線工作原理,將部件分解、隔離，指令分步驟在不同部件中重疊執(zhí)行 是實(shí)現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)的核心思想。,按流水線功能多少分類 單功能流水線：一條流水線只能完成一種單一的任務(wù)。 多功能流水線：能夠改變部件之間的連接，從而達(dá)到改變其功能的流水線。 1）靜態(tài)流水線：當(dāng)執(zhí)行某一規(guī)定功能的指令全部流出后，才允許改變部件間連接的多功能流水線。 2）動(dòng)態(tài)流水線：可以在任

15、何時(shí)候根據(jù)需要改變其部件連接的多功能流水線。,按功能部件能否通過(guò)反饋進(jìn)行重復(fù)使用分類 線性流水線：是在部件上無(wú)反饋連接的流水線。在這種流水線中，指令依次通過(guò)各個(gè)部件僅一次。目前CPU內(nèi)所使用的流水線絕大部分都是這類流水線。 非線性流水線：是指在各部件除了串行的連接外，還通過(guò)反饋線使某些部件得以重復(fù)使用。指令在通過(guò)這種流水線時(shí)，可能在反饋部件上重復(fù)運(yùn)行若干次。 關(guān)于流水線的分類還有多種，具體可以參見(jiàn)教材。,時(shí)空?qǐng)D：時(shí)空?qǐng)D是分析流水線性能的基本工具，可以直觀地表現(xiàn)流水線的工作過(guò)程。橫軸表示時(shí)間，可以以時(shí)鐘周期為單位；縱軸表示空間，以功能部件為單位。圖中每一個(gè)方格稱為一個(gè)時(shí)空區(qū)。,2級(jí)流水線工作時(shí)空

16、圖,線性流水線的性能分析 1吞吐率 把流水線在單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)量定義為吞吐率。 式中，n為完成任務(wù)的總數(shù)，在指令流水線中就是完成的指令總條數(shù)；Tk是完成n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間。,一條k級(jí)的流水線，執(zhí)行n條指令所需的總時(shí)間為 （沒(méi)有考慮相關(guān)瓶頸）,所以，對(duì)一條各級(jí)執(zhí)行時(shí)間相等的k級(jí)流水線而言，在不考慮相關(guān)瓶頸的前提下，其吞吐率為： 當(dāng)n時(shí)，（k 1）可以忽略不計(jì)，得到的最大吞吐率為：,2加速比（沒(méi)考慮相關(guān)瓶頸） 如果順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行n條指令所用的時(shí)間為T(mén)0，流水線結(jié)構(gòu)所用時(shí)間為T(mén)k，那么加速比就是 S = T0/Tk。 順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行n條指令所需時(shí)間就為T(mén)0 = nkt。 而一個(gè)采用流水線的處理機(jī)所需

17、時(shí)間為T(mén)k = ( k + n 1 )t。 所以加速比就為：,最大加速比：,如果考慮各級(jí)執(zhí)行時(shí)間不等的情況時(shí)，可得到加速比為：,3效率（沒(méi)考慮相關(guān)瓶頸） 效率被定義為,各級(jí)執(zhí)行時(shí)間相等的流水線效率等于,顯然，n越大，空閑部件占據(jù)的比例就小，流水線表現(xiàn)的效率越高。最高效率為,吞吐率與效率之間的關(guān)系：E = TP t，或?yàn)門(mén)P = E /t。 前提：功能部件個(gè)數(shù)相等，且各功能部件定義完全一致，即同等資源條件下,效率與加速比的關(guān)系：E = S/k，或S = k E。,5級(jí)線性流水線一種工作時(shí)空?qǐng)D,5,5,5,5,5,6,6,6,6,6,7,7,7,7,7,8,8,8,8,8,10,10,10,10,

18、10,11,11,11,11,11,12,12,12,12,12,13,13,13,13,13,14,14,14,14,14,吞吐率TP：TP=n/Tk=14/18t= 1/2t,流水線的加速比：S=T0/Tk=(5*14 t/(18t)=5,效率：E=14/18=7/9,44,由于流水線相鄰兩段在執(zhí)行不同指令（或操作），因此無(wú)論是指令流水線或運(yùn)算操作流水線，在相鄰兩段之間必須設(shè)置鎖存器或寄存器，以保證在一個(gè)周期內(nèi)流水線的輸入信號(hào)不變。 2.流水線中的相關(guān)問(wèn)題 流水線不能連續(xù)工作的原因，除了編譯形成的程序不能發(fā)揮流水線的作用或存儲(chǔ)器供應(yīng)不上為連續(xù)流動(dòng)所需的指令和數(shù)據(jù)以外，還因?yàn)槌霈F(xiàn)了“相關(guān)”情

19、況或遇到了程序轉(zhuǎn)移指令。,流水線工作原理,45,“數(shù)據(jù)相關(guān)”：假如第二條指令的操作數(shù)地址即為第一條指令保存結(jié)果的地址，那么取操作數(shù)2的動(dòng)作需要t時(shí)間才能進(jìn)行，否則取得的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，這種情況稱為數(shù)據(jù)相關(guān)。（根據(jù)數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器或通用寄存器中，分別稱為存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)相關(guān)或寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)。）,流水線工作原理,46,“流水線阻塞”：由于計(jì)算機(jī)內(nèi)有較多指令存在，其繁簡(jiǎn)程度不一，執(zhí)行時(shí)間及流水線級(jí)數(shù)不同，相關(guān)的情況各異，有時(shí)避免不了產(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”。,流水線工作原理,47,流水線工作原理,48,3.程序轉(zhuǎn)移對(duì)流水線的影響 在大多數(shù)流水線機(jī)器中，當(dāng)遇到條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，確定轉(zhuǎn)移與否的條件往往由條件轉(zhuǎn)移指令本身或由它前一條指令形成，只有當(dāng)它流出流水線時(shí)，才能建立轉(zhuǎn)移條件并決定下條指令地址。因此當(dāng)條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)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（產(chǎn)生“斷流”）。,流水線工作原理,49,在某些計(jì)算機(jī)中采用了“猜測(cè)法”技術(shù)