Układ sterujący (część 2)

1

Przedmioty prowadzone w ramach

Programu Rozwoju WSFiZ w Białymstoku realizowane są w ramach

Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, Priorytet IV Szkolnictwo wyższe i nauka, Poddziałanie 4.1.1

Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni, współfinansowanego ze środków

Europejskiego Funduszu Społecznego (POKL.04.01.01-00-030/08)

8.

Układ sterujący (część 2)

Spis treści

8.

Układ sterujący (część 2) ...................................................................................................... 1

8.4

Przykłady ...................................................................................................................... 1

8.5

Skoki w mikroprogramach............................................................................................. 4

8.6

Implementacja skoków warunkowych ........................................................................... 7

8.4

Przykłady

Aby zaprezentować przykładową sekwencję mikrorozkazów pamiętanych w pamięci sterującej

przyjmiemy pewien możliwie prosty model procesora. Dla tego modelu podamy listę wszystkich
możliwych sygnałów sterujących i posługując się nimi spróbujemy utworzyć sekwencję
mikrorozkazów realizujących kilka kluczowych fragmentów cyklu rozkazowego procesora.

Przyjmijmy zatem, że procesor wygląda tak, jak został opisany w rozdziale 7, z tą różnicą, że

ma on tylko 4 rejestry ogólnego przeznaczenia (R0 – R3) oraz ALU, które jest w stanie wykonać
16 operacji. Z ALU współpracuje 1 akumulator oznaczany dalej jako ACC. Posiada ponadto
rejestry: PC, IR, PSW, MAR, MDR. Numery rejestrów Ri (i=1..3) będą kodowane na 2 bitach, a
numery rozkazów dla ALU na 4, co zakłada użycie 2 dekoderów (pierwszy, nazywany 2/4 – 2
wejścia, 4 wyjścia; drugi: 4/16 – 4 wejścia, 16 wyjść). Do opisu jego działania potrzebne będą
następujące mikrooperacje (w pierwszej kolumnie, dla każdej operacji wypisane są numery bitów
odpowiadających w słowie sterującym za dokładnie tą mikrooperację):

Bity

mikrooperacje

1-2

zakodowany numer rejestru ogólnego przeznaczenia

3

rejestr ogólnego przeznaczenia: czytaj

4

rejestr ogólnego przeznaczenia: ładuj

5

IR ładuj

6

IR czytaj

7

PC ładuj

8

PC czytaj

9

MDR ładuj

10

MDR czytaj

11

MAR ładuj

Układ sterujący (część 2)

2

Bity

mikrooperacje

12

Zaczekaj na pamięć

13-16

kod operacji ALU

17

Pamięć czytaj

18

Pamięć pisz

19

Zwiększ zawartość PC

20

ACC czytaj

21

ACC ładuj

Tak więc, potrzebna jest nam 21-bitowa pamięć i słowo sterujące. Na rysunku 8.10 (patrz niżej)
pokazany jest schemat procesora, który będzie używany w dalszej części wykładu. Czerwone
linie symbolizują linie sygnałowe, czarne – przepływ wszystkich pozostałych informacji.
Spróbujmy użyć opisanego modelu procesora i listy mikrooperacji do opisania fazy pobrania
rozkazu. Składa się ona z następujących kroków:

1. Umieść zawartość PC na szynie (PC: czytaj);
2. Wyślij do pamięci rozkaz: czytaj;
3. Zwiększ zawartość PC;
4. Zaczekaj na pamięć, aż wykona rozkaz;
5. Umieść zawartość MDR na szynie (MDR: czytaj) i załaduj z niej IR (IR ładuj).

IR

ACC

pamięć

Układ

zrobione

sterowania

ALU

PC

PSW

MAR

do/z pamięci

MDR

Rejestry ogólnego

przeznaczenia

Rysunek 8.10. Schemat procesora używany w przykładach z rozdziału 8.

Układ sterujący (część 2)

3

Zawartość pamięci sterującej odpowiadająca wymienionym czynnościom pokazana jest poniżej;
dla łatwiejszego odczytu 21 bitów pogrupowano po 4, ostatnia grupa liczy ich 5.

1

5

9

13

17 21

0000 0001 0010 0000 00000

PC → MAR

0000 0000 0000 0000 10000

pamięć: czytaj

0000 0000 0000 0000 00100

zwiększ PC

0000 0000 0001 0000 00000

zaczekaj na pamięć

0000 1000 0100 0000 00000

MDR → IR

Analiza powyższych zapisów wskazuje, że niektóre mikrooperacje można pogrupować w jednym
słowie sterującym zmniejszając tym samym rozmiar zużytej pamięci. I tak dla fazy pobrania
sekwencja może być skrócona do 3 mikrorozkazów:

1

5

9

13

17 21

0000 0001 0010 0000 10000

PC → MAR;

pamięć: czytaj;

0000 0000 0001 0000 00100

zwiększ PC;

zaczekaj na pamięć;

0000 1000 0100 0000 00000

MDR → IR

Jako przykład rozważmy realizację prostego rozkazu ‘dodaj’ (mnemonik: ADD) w kontekście
dodania zawartości rejestrów R1 i R2 i zapisania wyniku w rejestrze R3. Zgodnie z
wcześniejszymi ustaleniami dotyczącymi pracy ALU układ sterowania spowoduje dodanie
zawartość akumulatora do liczby będącej na szynie i zapamięta wynik w akumulatorze. A oto
kompletna lista kolejnych kroków:

1. Umieść zawartość R1 na szynie (R1: czytaj) i załaduj z niej akumulator (ACC: ładuj);
2. Umieść zawartość R2 na szynie i prześlij do ALU rozkaz „dodaj”;
3. Umieść zawartość akumulatora na szynie (ACC: czytaj) i załaduj z niej R3.

Odpowiadająca liście sekwencja mikrorozkazów (załóżmy, że kod ADD jest 0001):

1

5

9

13

17 21

0110 0000 0000 0000 00001

R1 → ACC;

1000 0000 0000 0001 00000

R2 na szynę;
ALU: ADDW

1101 0000 0000 0000 00010

ACC → R3

Logicznym zakończeniem tej serii przykładów będzie pokazanie sekwencji mikrorozkazów
zapamiętującej zawartość rejestru R3 pod adresem przechowywanym w rejestrze R0. Tak jak
poprzednio pokażemy najpierw listę kroków:

1. Umieść zawartość R0 na szynie (R0: czytaj) i załaduj z niej MAR (MAR: ładuj);
2. Umieść zawartość R3 na szynie (R3: czytaj) i załaduj z niej MDR (MDR: ładuj); Wyślij do

pamięci rozkaz: pisz; Zaczekaj na pamięć, aż wykona rozkaz;

Odpowiadająca liście sekwencja mikrorozkazów:

Układ sterujący (część 2)

4

1

5

9

13

17 21

0010 0000 0010 0000 00001

R0 → MAR;

1110 0000 1001 0000 01100

R3 → MDR;

pamięć: pisz;
zwiększ PC;
zaczekaj na pamięć;

8.5 Skoki w mikroprogramach

Wydaje się zupełnie oczywiste, że jeżeli w pamięci sterującej występują powtarzające się

sekwencje mikrorozkazów, to należy wprowadzić rozwiązania, które pozwoliłyby aby taka
sekwencja pamiętana była tylko raz. Dobrym przykładem jest sekwencja pobierania kolejnego
rozkazu z pamięci operacyjnej omówiona w poprzednim podrozdziale.

Wchodzi ona w skład każdego cyklu rozkazowego, a więc pamiętanie jej tylko raz powinno

wydatnie zmniejszyć ilość zużytej pamięci. W związku z tym pożądana struktura pamięci
sterującej powinna być taka jak na rysunku 8.11 (patrz niżej).

Sięgnij po następny rozkaz

3

1

BNEQ

ADDW2

2

MOVL

Rysunek 8.11. Położenie sekwencji różnych rozkazów w pamięci sterującej.

Szare prostokąty obrazują miejsca przechowywania ciągów mikrooperacji realizujących

przykładowe rozkazy procesora oraz sekwencję pobierającą kolejny rozkaz z pamięci
operacyjnej. Jej umiejscowienie na początku pamięci sterującej jest również przykładowe. Liczby
w kółkach numerują kolejne etapy wykonywania fragmentu programu składającego się np. z
dwóch kolejnych instrukcji: ADDW2 i MOVL. Przeanalizujmy szczegóły realizacji tych etapów.

Rozpoczynamy od sięgnięcia po następny rozkaz. Kolejne mikrorozkazy tej sekwencji

wskazywane są przez μPC, którego zawartość zwiększana jest każdorazowo o 1. Na końcu tej
sekwencji widomo, że kolejnym rozkazem jest ADDW2. W tym momencie niezbędny jest skok
do tego adresu w pamięci, gdzie znajduje się pierwszy mikrorozkaz z sekwencji realizującej
ADDW2 (etap 1 na rysunku 8.11). Po wykonaniu tego rozkazu konieczny jest skok do adresu
rozpoczynającego sekwencję pobierania kolejnego rozkazu (etap 2 na rysunku 8.11). Po jej

Układ sterujący (część 2)

5

wykonaniu wiadomo, że jest to rozkaz MOVL, stąd skok (etap 3 na rysunku 8.11) do tego adresu
w pamięci, gdzie znajduje się pierwszy mikrorozkaz z sekwencji realizującej MOVL.

Obraz ten można komplikować dalej chociażby przez uwzględnienie sekwencji mikroinstrukcji

zapamiętujących obliczony wynik w pamięci operacyjnej jako sekwencji wydzielonej. Skok do
niej wykonywany by był po każdej instrukcji, która po wykonaniu obliczeń chciałaby zapamiętać
wynik w pamięci. Ona sama (omawiana sekwencja) kończyłaby się skokiem do adresu
rozpoczynającego sekwencję pobierania kolejnego rozkazu.

Skoki realizowane w obu sekwencjach (pobierania kolejnego rozkazu i zapamiętywanie

wyniku w pamięci) są przykładami skoków bezwarunkowych pod adres, który może „wskazać”
jedynie właśnie wykonywana mikroinstrukcja. Tylko na jej poziomie znajduje się wiedza o
kontekście (np. czy to jest ostatnia mikroinstrukcja w sekwencji). Oznacza to, że należy
przewidzieć możliwość pamiętania w mikroinstrukcji adresu kolejnej mikroinstrukcji.

Inna jest sytuacja wtedy, kiedy należy skoczyć pod adres mikroinstrukcji rozpoczynającej ciąg

realizujący kolejny rozkaz procesora. Taki adres dostarcza GAP, który ma zapisane początkowe
adresy mikroinstrukcji wszystkich instrukcji procesora. Jest to również skok bezwarunkowy.

Aby móc realizować nieco bardziej złożone algorytmy należy również zaimplementować

możliwość wykonywania skoków warunkowych. Wystarczy przypomnieć sobie np. algorytmy
mnożenia liczb całkowitych, w których kolejne kroki warunkowane były wartością określonych
bitów.

Aby spełnić wszystkich wspomniane wymagania do słowa sterującego dodano cały szereg

bitów zgrupowanych w dwa pola: pole wyboru warunku i pole następnego adresu. Pierwsze z
nich składa się z dwóch bitów, oznaczanych przez s

0

i s

1

co pozwala zakodować cztery różne

sytuacje:

s

0

s

1

Akcja

0 0

Zwiększ μPC o 1 (standardowy wybór następnego mikrorozkazu)

0 1

Skocz do następnego adresu o ile spełniony jest warunek

1 0

Skocz do adresu wskazanego przez GAP

1 1

Skocz bezwarunkowo do następnego adresu

Określenie „następny adres” oznacza adres zapisany w polu następnego adresu. Warunek
oznacza pewien zewnętrzny w stosunku do układu sterowania warunek. Zostanie on
sprecyzowany za chwilę.

Na rysunku 8.12 (patrz niżej) pokazano schemat układu sterowania, w którym uwzględnione są

możliwości wynikające z istnienia dodatkowych pól w słowie sterującym (na oznaczenie
multipleksera użyto skrótu MPLX).
Pogrubione szare linie symbolizują jednoczesne przesyłanie tylu bitów, ile liczy sobie słowo
sterujące. Cienkie linie przesyłają pojedyncze bity.

Układ sterujący (część 2)

6

GAP

Następny adres

1

0

MPLX1

0 0

M

P 1 warunek

μPC

Zwiększ/Ładuj

L

0 1

X 2 1

2

3 1

Pamięć sterująca

Słowo sterujące

s

0

s

1

...

Sygnały sterujące

Rysunek 8.12. Układ sterowania uwzględniający pole następnego adresu.

Zwróćmy uwagę na mikrolicznik programu μPC

.

Dochodzi do niego sygnał sterujący

Zwiększ/Ładuj (Zwiększ = 0; Ładuj = 1), który wyznacza tryb działania licznika. W trybie
„Zwiększ” licznik działa w tzw. trybie inkrementacji, czyli po każdej mikrooperacji zwiększa
swoją wartość o 1 wskazując adres następnej mikrooperacji. Jest to standardowy sposób jego
działania. W trybie „Ładuj” przechowywany w nim adres ładowany jest z multipleksera MPLX1,
który działa tu jako selektor całej grupy bitów. W zależności od sterowania może on przepuścić
na swoje wyjście albo adres pochodzący z Generatora Adresu Początkowego GAP albo adres
pochodzący z pola następnego adresu bieżącego słowa sterującego.
Rozważmy każdą z 4 sytuacji odpowiadającym różnym kombinacjom wartości s

0

i

s

1

:

1. s

0

s

1

= 00. Multiplekser MPLX2 przenosi na swoje wyjście sygnał z wejścia nr 0. Jego zerowa

wartość powoduje, że μPC działa w trybie inkrementacji. W rezultacie z pamięci sterującej
wybierana jest kolejna mikroinstrukcja.

2. s

0

s

1

= 01. Multiplekser MPLX2 przenosi na swoje wyjście warunek (jego wartość może być

„fałsz” czyli 0 lub „prawda” czyli 1). Ponieważ s

1

= 1 to multiplekser MPLX1 wysterowany

jest tak, że przenosi na swoje wyjście adres określony przez pole następnego adresu w
bieżącym słowie sterującym. W rezultacie, jeżeli warunek jest prawdziwy, to μPC będzie
załadowany z pola następnego adresu i do tego adresu zostanie wykonany skok. Jeżeli

Układ sterujący (część 2)

7

natomiast warunek nie jest prawdziwy, to μPC będzie działał w trybie inkrementacji i
zostanie wybrana następna mikrooperacja.

3. s

0

s

1

= 10. Multiplekser MPLX2 przenosi na swoje wyjście sygnał z wejścia nr 2. Jego

wartość 1 powoduje, że μPC działa w trybie „Ładuj”. Jednocześnie s

1

= 0 wysterowuje

multiplekser MPLX1 w ten sposób, że przenosi on na swoje wyjście adres z GAP. W
rezultacie wykonany zostaje bezwarunkowy skok do mikrooperacji wskazanej przez adres
pochodzący z GAP.

4. s

0

s

1

= 11. Multiplekser MPLX2 przenosi na swoje wyjście sygnał z wejścia nr 3. Jego wartość

1 powoduje, że μPC działa w trybie „Ładuj”. Ponieważ s

1

= 1 to multiplekser MPLX1

wysterowany jest tak, że przenosi na swoje wyjście adres określony przez pole następnego
adresu w bieżącym słowie sterującym. W rezultacie wykonany zostaje bezwarunkowy skok
do mikrooperacji wskazanej przez adres pochodzący z pola następnego adresu.

Dodanie dwóch nowych grup bitów wymaga uporządkowania numeracji bitów w słowie

sterującym. Załóżmy, że pamięć sterująca ma 1K słów, co oznacza, że jej adresy liczą 10 bitów.
Ustalmy, że pole następnego adresu zajmie bity 22 – 31, a pole wyboru warunku bity 32 i 33. Np.
mikroinstrukcja umieszczająca na szynie zawartość rejestru R3 i wyznaczająca mikroinstrukcję
pamiętaną pod adresem 251 = (0011111011)

2

jako następną mikroinstrukcję wygląda

następująco:

1 5 9 13 17 22 32

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

1110 0000 0000 0000 00000 0011111011 11

Inny przykład: oto mikroinstrukcje realizujące rozkaz MOVW (R2), R3 przy założeniu, że

sekwencja sięgnięcia po następny rozkaz rozpoczyna się od adresu 5 = (0000000101)

2

:

1010 0000 0011 0000 10000 0000000000 00

(R2 na szynę, załaduj MAR, pamięć czytaj, zaczekaj na pamięć)

1101 0000 0100 0000 00000 0000000101 11

(MDR na szynę, załaduj R3, załaduj 5 do μPC).
Znajomość adresu sekwencji sięgnięcia po następny rozkaz była konieczna, bo po realizacji
rozkazu MOVW należy sięgnąć po kolejny rozkaz.

8.6

Implementacja skoków warunkowych

W multiplekserze MPLX2 na rysunku 8.12 (patrz wyżej) wejście nr 2 zostało określone jako

„warunek”. Funkcjonowanie tego warunku zostało omówione w punkcie 2 dla bitów pola wyboru
warunku s

0

s

1

= 01. Teraz zajmiemy się naturą owego warunku: skąd on pochodzi i jaki jest jego

związek z rozkazami procesora.

Zaczniemy od uwagi, że w rozdziale 7.5 Wybrane instrukcje wymieniono całą grupę instrukcji

skoków. Wszystkie one uzależnione były od wartości bitów N, Z, V i C słowa stanu programu
PSW. Przypomnijmy, że bity te – nazywane flagami – oznaczają odpowiednio: wynik ujemny,
wynik zerowy, nadmiar i przeniesienie, przy czym każda z wymienionych sytuacji dotyczy
ostatnio wykonanej operacji ALU. Nie powinno więc być zaskoczeniem, że nasz „warunek”
będzie definiowany jako wystąpienie 0 lub 1 właśnie na wymienionych bitach. Ponieważ w
prezentowanej tu, uproszczonej implementacji układu sterowania jesteśmy w stanie uwzględnić

Układ sterujący (część 2)

8

tylko 1 warunek, to najprostszym rozwiązaniem jest wybór jednej z flag przy pomocy
dodatkowego multipleksera o 4 wejściach (po jednym dla każdej z flag) i dwóch wejściach
sterujących a

0

i a

1

. Na rysunku 8.13 zaprezentowano połączenie multipleksera MPLX2 układu

sterowania z dodatkowym, trzecim z kolei, multiplekserem wyboru flagi MPLX3 i z tym
fragmentem słowa stanu programu, gdzie znajdują się flagi N, Z, V i C.

MPLX3

fragment PSW

MPLX2

0

N

0

1

Z

1

Warunek

2

V

2

3

C

3

a

0

a

1

s

0

s

1

Rysunek 8.13. Układ łączący flagi PSW z „warunkiem” w układzie sterowania

Bity a

0

i a

1

definiują kolejne pole, które musimy dodać do słowa sterującego (nazywamy je

polem wyboru flagi). Przypiszmy im numery 34 i 35 (są to numery kolejnych wolnych bitów).
Zgodnie z sugestią zawartą na rysunku 8.13 będą one wybierać flagi zgodnie z następującą
tabelą:

a

0

a

1

Flaga

0 0

N

0 1

Z

1 0

V

1 1

C

W rozdziale 7.6 Tryby adresowania został opisany format rozkazu skoku. Układ kolejnych

bajtów w pamięci operacyjnej, na których zapisano ten rozkaz wygląda tak, jak na rysunku
poniżej:

Kod rozkazu skoku

Tryb adresowy

Przesunięcie adresu

docelowego

Dla przykładu przyjmijmy, że rozważanym rozkazem jest BEQL, który wykonuje skok, jeżeli

ustawiona jest flaga Z. Pierwsza z mikroinstrukcji realizujących ten rozkaz (załóżmy, że jest ona
zapisana pod adresem 364) musi zbadać wartość tej flagi i jeżeli jest ona ustawiona wykonać
skok do sekwencji mikroinstrukcji, które odczytają z pamięci wartość przesunięcia (do tej pory
nie mówiliśmy o takiej sekwencji, ale założenie, że ona istnieje jest zupełnie realistyczne,
ponieważ jest ona wykorzystywana w wielu rozkazach; jej kod podamy jeszcze w tym
podrozdziale). Załóżmy, że adres początkowy omawianej sekwencji wynosi
592 = (10010 10000)

2

. Poniżej opisano odpowiednie mikrooperacje:

Układ sterujący (część 2)

9

1. Sprawdź wartość flagi Z, jeżeli jest równa 1 skocz do sekwencji pobierającej przesunięcie,

jeżeli jest równa 0 – zwiększ μPC o jeden.

2. Skocz do sekwencji pobierającej następny rozkaz.

Pole wyboru flagi a

0

a

1

= 01 pozwala wybrać flagę Z. Przypadkowo te same wartości dla pola

wyboru warunku (s

0

s

1

= 01) ustawiają wybór skoku warunkowego, tzn. skoku do adresu

wskazanego przez pole następnego adresu o ile wejściowy warunek jest prawdziwy. Jeżeli nie
jest, to μPC wskaże adres następnej mikroinstrucji (365), a ta powinna spowodować skok do
sekwencji pobierającej kolejny rozkaz z pamięci operacyjnej. Zawartość odpowiednich słów
pamięci sterującej wygląda następująco (założono dodatkowo, że sekwencja sięgnięcia po
następny rozkaz rozpoczyna się od adresu 5 = (0000000101)

2

:

Numer

Pole następnego Pole wyboru warunku

komórki

adresu

Pole wyboru flagi

pamięci

364

0000 0000 0000 0000 0000 10010 10000 01 01

592

Wybierz flagę Z

wybierz skok warunkowy

365

0000 0000 0000 0000 0000 00000 00101 11 00

5

wybierz skok bezwarunkowy

pod adres wskazany w polu

następnego adresu

Pozostało nam omówić sekwencję pobierania przesunięcia, czyli reakcję na spełniony

warunek, która zgodnie z ustaleniami zapisana jest od adresu 592. Kolejne, zapisane tam
mikrooperacje powinny wykonać następujące czynności:

1. Umieść zawartość PC na szynie (PC: czytaj) i załaduj z niej MAR (MAR: ładuj); wyślij do

pamięci rozkaz: czytaj; zwiększ PC;

2. Umieść zawartość PC na szynie (PC: czytaj) załaduj z niej ACC (ACC: ładuj); zaczekaj na

pamięć, aż wykona rozkaz;

3. Umieść zawartość MDR na szynie (MDR: czytaj) i prześlij do ALU rozkaz „dodaj” (w MDR

jest przesunięcie, a w ACC bieżąca wartość PC);

4. Umieść zawartość ACC na szynie (ACC: czytaj) i załaduj z niej PC (PC: ładuj); Skocz do

sekwencji pobierającej następny rozkaz.

Mikrokody odpowiadające opisanym mikrooperacjom przedstawione są poniżej (przypomnijmy,
że zgodnie z przyjętymi wcześniej założeniami: kod rozkazu „dodaj” jest równy 1 = (0001)

2

, a

mikrokody zapamiętane są począwszy od adresu 592):

1 5 9

13 17 22

32 34

592

0000 0001 0010 0000 10100 00000 00000 00 00

593

0000 0001 0001 0000 00001 00000 00000 00 00

594

0000 0000 0100 0001 00000 00000 00000 00 00

595

0000 0010 0000 0000 00010 00000 00101 11 00

Układ sterujący (część 2)

10

Na rysunku 8.14 naszkicowane są wszystkie opisane kroki.

Sięgnij po następny rozkaz

1

2b

BEQL

2a

3

Sięgnij po przesunięcie

Rysunek 8.14. Położenie sekwencji różnych rozkazów w pamięci sterującej.

Po rozpoznaniu rozkazu BEQL (krok 1) wykonywane są mikrooperacje, które w szczególności
badają wartość flagi Z. Jeżeli jest ona ustawiona (warunek jest spełniony), to wykonany jest skok
do mikrooperacji odczytania z pamięci operacyjnej przesunięcia (krok 2a), wyliczenia
efektywnego adresu rozkazu, od którego rozpoczyna się kod programu wykonywanego po
wykonaniu rozkazu BEQL i skoku do sekwencji sięgającej po ten rozkaz (krok 3). Natomiast
jeżeli flaga nie jest ustawiona to wykonany jest skok do mikrooperacji odczytania z pamięci
kolejnego, po BEQL, rozkazu programu (krok 2b).