William StallingsComputer Organizat

William Stallings
Computer Organization
and Architecture
7
th
Edition
Chapter 17
Micro-programmed Control
Control Unit Organization
Micro-programmed Control
• Use sequences of instructions (see earlier
notes) to control complex operations
• Called micro-programming or firmware
Implementation (1)
• All the control unit does is generate a set
of control signals
• Each control signal is on or off
• Represent each control signal by a bit
• Have a control word for each microoperation
• Have a sequence of control words for each
machine code instruction
• Add an address to specify the next microinstruction, depending on conditions
Implementation (2)
• Today’s large microprocessor
—Many instructions and associated register-level
hardware
—Many control points to be manipulated
• This results in control memory that
—Contains a large number of words
– co-responding to the number of instructions to be
executed
—Has a wide word width
– Due to the large number of control points to be
manipulated
Micro-program Word Length
• Based on 3 factors
—Maximum number of simultaneous microoperations supported
—The way control information is represented or
encoded
—The way in which the next micro-instruction
address is specified
Micro-instruction Types
• Each micro-instruction specifies single (or
few) micro-operations to be performed
— (vertical micro-programming)
• Each micro-instruction specifies many
different micro-operations to be
performed in parallel
—(horizontal micro-programming)
Vertical Micro-programming
• Width is narrow
• n control signals encoded into log
2
n bits
• Limited ability to express parallelism
• Considerable encoding of control
information requires external memory
word decoder to identify the exact control
line being manipulated
Horizontal Micro-programming
• Wide memory word
• High degree of parallel operations possible
• Little encoding of control information
Typical Microinstruction Formats
Compromise
• Divide control signals into disjoint groups
• Implement each group as separate field in
memory word
• Supports reasonable levels of parallelism
without too much complexity
Organization of
Control Memory
Control Unit
Control Unit Function
• Sequence login unit issues read command
• Word specified in control address register is read
into control buffer register
• Control buffer register contents generates control
signals and next address information
• Sequence login loads new address into control
buffer register based on next address information
from control buffer register and ALU flags
Next Address Decision
• Depending on ALU flags and control buffer
register
—Get next instruction
– Add 1 to control address register
—Jump to new routine based on jump
microinstruction
– Load address field of control buffer register into
control address register
—Jump to machine instruction routine
– Load control address register based on opcode in IR
Functioning of Microprogrammed
Control Unit
Wilkes Control
• 1951
• Matrix partially filled with diodes
• During cycle, one row activated
—Generates signals where diode present
—First part of row generates control
—Second generates address for next cycle
Wilkes's Microprogrammed Control Unit
Advantages and Disadvantages of
Microprogramming
• Simplifies design of control unit
—Cheaper
—Less error-prone
• Slower
Tasks Done By Microprogrammed
Control Unit
• Microinstruction sequencing
• Microinstruction execution
• Must consider both together
Design Considerations
• Size of microinstructions
• Address generation time
—Determined by instruction register
– Once per cycle, after instruction is fetched
—Next sequential address
– Common in most designed
—Branches
– Both conditional and unconditional
Sequencing Techniques
• Based on current microinstruction,
condition flags, contents of IR, control
memory address must be generated
• Based on format of address information
—Two address fields
—Single address field
—Variable format
Branch Control Logic:
Two Address Fields
Branch Control
Logic: Single
Address Field
Branch Control
Logic: Variable
Format
Address Generation
Explicit Implicit
Two-field Mapping
Unconditional Branch Addition
Conditional branch Residual control
Execution
• The cycle is the basic event
• Each cycle is made up of two events
—Fetch
– Determined by generation of microinstruction
address
—Execute
Execute
• Effect is to generate control signals
• Some control points internal to processor
• Rest go to external control bus or other
interface
Control Unit
Organization
A Taxonomy of Microinstructions
• Vertical/horizontal
• Packed/unpacked
• Hard/soft microprogramming
• Direct/indirect encoding
Improvements over Wilkes
• Wilkes had each bit directly produced a
control signal or directly produced one bit
of next address
• More complex address sequencing
schemes,
• using fewer microinstruction bits, are
possible
• Require more complex sequencing logic
module
• Control word bits can be saved by
encoding and subsequently decoding
control information
How to Encode
• K different internal and external control signals
• Wilkes’s:
— K bits dedicated
— 2K control signals during any instruction cycle
• Not all used
— Two sources cannot be gated to same destination
— Register cannot be source and destination
— Only one pattern presented to ALU at a time
— Only one pattern presented to external control bus at a time
• Require Q < 2K which can be encoded with log2Q < K bits
• Not done
— As difficult to program as pure decoded (Wilkes) scheme
— Requires complex slow control logic module
• Compromises
— More bits than necessary used
— Some combinations that are physically allowable are not
possible to encode
Specific Encoding Techniques
• Microinstruction organized as set of fields
• Each field contains code
• Activates one or more control signals
• Organize format into independent fields
—Field depicts set of actions (pattern of control
signals)
—Actions from different fields can occur
simultaneously
• Alternative actions that can be specified
by a field are mutually exclusive
—Only one action specified for field could occur
at a time
Microinstruction Encoding
Direct Encoding
Microinstruction Encoding
Indirect Encoding
Required Reading
• Stallings chapter 17

Kết quả (Việt) 1:

William StallingsTổ chức máy tínhvà kiến trúc7thPhiên bảnChương 17Lập trình vi điều khiểnKiểm soát đơn vị tổ chứcLập trình vi điều khiển• Sử dụng chuỗi của hướng dẫn (xem trước đóghi chú) để kiểm soát các hoạt động phức tạp• Gọi là lập trình vi hoặc phần mềmThực hiện (1)• Tất cả các đơn vị kiểm soát hiện tạo ra một bộcủa tín hiệu điều khiển• Mỗi tín hiệu điều khiển là Baät hoaëc taét• Đại diện cho mỗi tín hiệu điều khiển bởi một chút• Có một điều khiển từ cho mỗi microoperation• Có một chuỗi các điều khiển từ cho mỗihướng dẫn máy mã• Thêm một địa chỉ để xác định tiếp theo microinstruction, tùy thuộc vào điều kiệnThực hiện (2)• Hôm nay của bộ vi xử lý lớn-Nhiều hướng dẫn và các liên kết đăng ký cấpphần cứng-Nhiều người điều khiển điểm để được thao tác• Kết quả kiểm soát bộ nhớ mà-Có một số lớn các từ-đồng đáp ứng số lượng các hướng dẫn đượcthực hiện-Có chiều rộng rộng từ-Do để số lớn các điểm kiểm soát đểchế tácMicro-chương trình Word chiều dài• Dựa trên 3 yếu tố-Tối đa số lượng đồng thời microoperations hỗ trợ— Thông tin kiểm soát cách đại diện hoặcmã hóa-Cách mà trong đó các vi kế tiếp, hướng dẫnđịa chỉ được chỉ địnhCác loại vi-hướng dẫn• Mỗi vi hướng dẫn chỉ định duy nhất (hoặcvài) vi hoạt động được thực hiện— (dọc vi-lập trình)• Mỗi vi hướng dẫn chỉ định nhiều ngườihoạt động khác nhau vi phảithực hiện song song— (ngang vi-lập trình)Dọc Micro-lập trình• Chiều rộng là hẹptín hiệu điều khiển n • mã hóa vào Nhật ký2n bit• Hạn chế khả năng để nhận xử lý song song• Mã hóa đáng kể của kiểm soátthông tin yêu cầu bộ nhớ ngoàibộ giải mã từ để xác định sự kiểm soát chính xácdòng đang được chế tácNgang Micro-lập trình• Nhiều bộ nhớ từ• Các mức độ cao của hoạt động song song có thể• Ít mã hóa thông tin điều khiểnĐịnh dạng điển hình MicroinstructionThỏa hiệp• Tín hiệu điều khiển phân chia thành các nhóm• Thực hiện mỗi nhóm như các lĩnh vực riêng biệt trongbộ nhớ từ• Hỗ trợ hợp lý mức độ xử lý song songmà không cần quá phức tạpTổ chứcĐiều khiển bộ nhớĐơn vị kiểm soátKiểm soát đơn vị chức năng• Trình tự đăng nhập đơn vị vấn đề đọc lệnh• Từ quy định tại kiểm soát địa chỉ đăng ký đọcvào điều khiển bộ đệm đăng ký• Điều khiển bộ đệm đăng ký nội dung tạo ra kiểm soáttín hiệu và thông tin địa chỉ tiếp theo• Trình tự đăng nhập tải địa chỉ mới vào kiểm soátđăng ký đệm dựa trên thông tin địa chỉ tiếp theotừ kiểm soát bộ đệm đăng ký và ALU cờTiếp theo địa chỉ quyết định• Tùy thuộc vào ALU cờ và kiểm soát bộ đệmĐăng ký-Nhận được chỉ dẫn tiếp theo-Thêm 1 để kiểm soát địa chỉ đăng ký-Nhảy vào thói quen mới dựa trên nhảymicroinstruction-Trường địa chỉ tải của bộ đệm kiểm soát đăng ký vàokiểm soát địa chỉ đăng ký-Nhảy vào máy hướng dẫn thói quen-Tải kiểm soát địa chỉ đăng ký dựa trên opcode ở IRHoạt động của MicroprogrammedĐơn vị kiểm soátKiểm soát Wilkes• năm 1951• Ma trận một phần đầy điốt• Trong chu kỳ, một hàng kích hoạt-Tạo ra các tín hiệu nơi diode hiện nay-Đầu tiên một phần của hàng tạo ra kiểm soát-Thứ hai tạo ra địa chỉ cho chu kỳ tiếp theoĐơn vị kiểm soát Microprogrammed của WilkesLợi thế và bất lợi củaMicroprogramming• Đơn giản hoá thiết kế của đơn vị kiểm soát— Rẻ hơn-Ít bị lỗi• Chậm hơnNhiệm vụ được thực hiện bởi MicroprogrammedĐơn vị kiểm soát• Microinstruction trình tự• Thực hiện microinstruction• Phải xem xét cả hai cùng nhauThiết kế cân nhắc• Kích thước của microinstructions• Địa chỉ thế hệ thời gian-Xác định bởi hướng dẫn đăng ký-Một lần cho mỗi chu kỳ, sau khi hướng dẫn được lấy-Địa chỉ tiếp theo tuần tự-Phổ biến ở đặt thiết kế-Chi nhánh-Cả hai có điều kiện và vô điều kiệnXác định trình tự kỹ thuật• Dựa trên hiện tại microinstruction,điều kiện cờ, nội dung của IR, kiểm soátđịa chỉ bộ nhớ phải được tạo ra• Dựa trên định dạng của thông tin địa chỉ-Hai trường địa chỉ-Trường địa chỉ single-Thay đổi định dạngChi nhánh điều khiển Logic:Hai địa chỉ lĩnh vựcChi nhánh kiểm soátLogic: duy nhấtTrường địa chỉChi nhánh kiểm soátLogic: biếnĐịnh dạngThế hệ địa chỉRõ ràng tiềm ẩnHai lĩnh vực bản đồChi nhánh vô điều kiện bổ sungCó điều kiện chi nhánh dư kiểm soátThực hiện• Chu kỳ là sự kiện cơ bản• Mỗi chu kỳ được tạo thành từ hai sự kiện-Lấy-Xác định bởi các thế hệ của microinstructionđịa chỉ-Thực hiệnThực hiện• Có hiệu lực là để tạo ra tín hiệu điều khiển• Một số kiểm soát điểm nội bộ để xử lý• Còn lại đi đến bên ngoài kiểm soát xe buýt hoặc khácgiao diệnĐơn vị kiểm soátTổ chứcMột phân loại của Microinstructions• Dọc/ngang• Đóng gói/giải nén• Cứng/mềm microprogramming• Mã hóa trực tiếp/gián tiếpCải tiến qua Wilkes• Wilkes có mỗi bit trực tiếp sản xuất mộttín hiệu điều khiển hoặc trực tiếp sản xuất một chúttiếp theo địa chỉ• Trình tự địa chỉ phức tạp hơnđề án,• sử dụng ít hơn microinstruction bit,có thể• Yêu cầu phức tạp hơn trình tự logicMô-đun• Kiểm soát từ bit có thể được lưu bởimã hóa và giải mã sau đóthông tin điều khiểnLàm thế nào để mã hóa• K khác nhau nội bộ và bên ngoài kiểm soát tín hiệu• Wilkes:— K bit dành riêng-Tín hiệu điều khiển 2K trong bất kỳ chu kỳ hướng dẫn• Không phải tất cả được sử dụng-Hai nguồn không thể được gated đến cùng một đích-Đăng ký không thể là nguồn và điểm đến-Chỉ có một mô hình trao cho ALU tại một thời gian-Chỉ có một mô hình trao cho xe buýt bên ngoài kiểm soát tại một thời gian• Yêu cầu Q < 2K có thể được mã hóa với log2Q < K bit• Không thực hiện— Là khó khăn để chương trình như tinh khiết decoded (Wilkes) Lược đồ-Đòi hỏi phức tạp chậm điều khiển logic mô-đun• Thỏa hiệp— Thêm bit hơn cần thiết được sử dụng-Một số kết hợp thể chất cho phép khôngcó thể để mã hóaKỹ thuật mã hóa cụ thể• Microinstruction tổ chức như là tập hợp các lĩnh vực• Mỗi lĩnh vực có chứa mã• Kích hoạt một hoặc nhiều tín hiệu điều khiển• Tổ chức các định dạng vào lĩnh vực độc lập-Lĩnh vực mô tả tập các hành động (mô hình điều khiểntín hiệu)-Hành động từ lĩnh vực khác nhau có thể xảy rađồng thời• Hành động thay thế có thể được xác địnhbởi một lĩnh vực loại trừ lẫn nhau-Chỉ có một hành động được chỉ định cho trường có thể xảy ratại một thời điểmMicroinstruction mã hóaTrực tiếp mã hóaMicroinstruction mã hóaMã hóa gián tiếpBắt buộc đọc• Stallings chương 17