【学习笔记】计算机组成原理（控制器，微程序控制器，流水线冲突与处理）

控制器—CPU的时序及其控制方式。早期计算机采用三级时序对操作控制信号进行定时控制。状态周期完成一个基本操作如取指计算执行的时间单元如取指周期计算周期执行周期节拍电位由状态周期划分出的若干个操作阶段。节拍脉冲节拍电位内的同步信号用于触发具体微操作。定长指令周期的三级时序所有指令的指令周期包含相同数量的状态周期和节拍电位变长指令周期的三级时序各指令需要多少状态周期就分配多少状态周期各状态周期需要多少节拍电位就分配多少节拍电位。以上介绍的两种对控制器产生控制信号进行时间控制的方式就都属于同步控制方式同步控制方式将各部件中最长操作时间作为标准时间间隔各部件都在改时间间隔内启动并完成操作。同步控制方式的时序关系比较简单因此控制器的设计比较低然而如果存在慢速部件则CPU效率较低。控制器—时序发生器。对于定长指令周期的同步控制方式与节拍脉冲信号相关。对于变长指令周期的同步控制方式还可能与指令译码信号和反馈信息信号相关。控制器—三级时序硬布线控制器概述。硬布线控制器是控制线的一种用于产生操作控制信号。根据指令集中各指令在不同状态周期不同节拍电位以及不同的反馈信息条件下产生不同的操作控制信号对指令执行过程中数据通路相关部件进行控制。采用时序发生器产生的状态周期信号和节拍电位信号对操作控制信号进行定时控制可以使控制器在不同的状态周期不同的节拍电位向不同部件发送各种操作控制信号并且确保信号的产生时间和持续时间这样就可以协调各部件之间正确的操作。硬布线控制器也称为组合逻辑控制器由各种类型的逻辑门电路和触发器构成。设计对指令集中每一条指令执行时的数据通路进行分析得出每一条指令的执行操作流程和每一步操作所需控制信号。将每一条指令等每一个微操作划分到相应状态周期的具体节拍电位信号上也就是对操作控制信号进行定位控制。按照控制信号的同步控制方式构造相应的时序发生器。对于每一个控制信号都要分析其在不同指令不同状态周期以及不同节拍电位下是否有效进而导出每一个控制信号的逻辑表达式。采用逻辑门可编程逻辑阵列PLA或RDM实现每一个控制信号的逻辑表达式功能。进而实现硬布线控制器的核心也就是硬布线控制器组合的逻辑单元。控制器—现代时序控制器。现代时序硬布线控制器不再采用多级时序体制对操作作控制信号的定时直接采用基本时钟信号而不再采用基本时钟信号产生的节拍脉冲信号节拍电位信号以及状态周期信号。指令集中的每一条指令的执行过程都按需分配相应数量的时钟周期以提高程序执行效率。现代时序布线控制器一般设计流程。对指令集中每一条指令执行时的数据通路进行分析得出操作流程和控制信号。将每一条指令的每一个微操作划分到具体的时钟周期。以时钟周期为单位画出执行的状态转换圈得出状态转换表构造相应的有限状态机FSM。统计每一个控制信号产生的所有状态条件进而写出每一个控制信号的逻辑表达式。采用逻辑门可编程逻辑阵列PLA或ROM实现每一个控制信号的逻辑表达式功能进而实现硬布线控制器。微程序控制器。模仿“程序设计”方式。将指令集中每一条指令执行所需的相关控制信号按照某种规则编码或微指令。使用相关的微指令为每一条指令编号相应的微程序以实现功能指令功能微程序由若干为指令构成。将每一条指令的微程序全部存放在一个只读存储器ROM中这种存储器位于CPU中称为控制存储器。相较于硬布线控制线采用硬件时序对控制信号进行定时控制微程序控制器采用软件时序对控制器信号进行定时控制简化了复杂的控制逻辑提高了设计的灵活性和可维护性。异常中断——概念中断分为两个分别是异常内部中断和外部中断。异常分为故障、自陷、终止。故障分为可恢复故障和不可恢复故障。处理过程发生中断事件到CPU收到中断请求到CPU进入中断响应周期进行相应处理。响应处理有关中断、保存断点、中断识别。微程序控制器的改造有了微指令就可以为指令集中的每条指令重新编写相关的微程序以实现指令功能。相应地还需要修改微程序控制器的转移逻辑。中断服务程序。有四个过程如下。指令流水线的五个步骤取指、译码、执行、访问、写回。流水线数据通路对于采用专用通路结构CPU其内部各寄存器之间或寄存器与ALU之间用的都是专用数据通路连接而不是单总线结构的共享连接。因此可在各专用通路所有数据通路资源都应当是专用的不允许在同一时钟周期内重复使用。流水线冲突与处理——结构冲突与解决方案、控制冲突与解决方案在计算机指令流水线中由于指令之间存在复杂的相互依赖往往无法达到理想状态。这种依赖关系。称为指相关。主要分为三类结构相关、控制相关、数据相关。当上述相关性导致指令流水线出现”阻塞“或”暂停“下一条指令不能在预期的时间周期进入到流水线中便产生了流水线冲突也称为冒险相应的冲突也分为结构冲突控制冲突和数据冲突三种类型。