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[合著] 一台模型计算机的设计与调试（二）：微程序控制器流水方案
[ 2007-06-27 17:17:13 ]
引言/提要：与白中英老师等合著，《计算机组成原理题解、题库与实验》第三版，科学出版社，2000年。
关键词：计算机组成原理，实验仪，实验教材
一、教学目的、任务与实验设备
（一）教学目的
（１）通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块协同工作的认识，特别是对并行、流水的认识，加深计算机工作中“时间－空间”概念的理解，从而建立基本的流水计算机的概念。
（２）学习通过“固件升级”即改写微程序的方法来提高计算机系统性能的方法，体会设计方案优劣对性能发挥的重要性。
（３）培养科学研究的独立工作和创新能力，取得设计与调试的实践经验。
（二）设计与调试任务
（１）在上一实验（第一方案）的基础上，设计一台微程序控制的指令级标量流水模型计算机。
（２）根据设计图纸，在通用实验台上进行组装，或对第一方案的模型机进行改装，并调试成功。
（３）在组装调试成功的基础上，整理出设计图纸和其他文件。包括的文件同第一方案。
（三）实验设备
（１）ＪＹＳ－４计算机组成原理实验仪一台
（２）双踪示波器一台
（３）直流万用表一只
（４）逻辑测试笔一支
（５）集成电路若干片，取决于设计方案。
二、指令系统
采用与第一方案相同的指令系统，即１１条机器指令。同样考虑到复杂度和时间问题，一般应降低难度，采用该指令系统的子集：去掉中断指令后的９条机器指令。教材中给出的参考方案，是采用９条机器指令的。
三、设计要求
设计流水方案时，牢记设计的目的是提高系统性能。没有性能改善、为流水而流水的方案是毫无意义的。
实验仪的时序发生器将一个微指令周期分为Ｔ１至Ｔ４四段，利用ＱＡ至ＱＤ的关系，利用逻辑门还可以进一步细分。原则上，本次实验尽量只利用四段划分（参考方案中就是这样）。但若设计中碰到不可克服的冲突，允许将数据通路部分的时序细分，控制器部分不准细分。
细分后，若发现数据通路部分的所有操作实质上都是常规串行操作（即同一时刻只有一个操作），该方案将被判为失败。
四、总体设计
指令级标量流水，是指把机器指令的解析过程分解为取指、译码、访存、执行、写回等子过程，各子过程以流水方式运行。考虑到复杂度，在实际设计中，可以分解得不那么细。例如后面给出的参考方案中，只分了取指、执行、写回三个子过程。
要实现流水，至少需要具备两个条件：
（１）数据通路（包括其上的执行器件）要支持流水。
设计这种支持流水的数据通路时，需要解决几个主要问题：
１、 流水线各段争用总线的问题；
２、各段之间互通信息、互相等待的问题；
３、各段工作时序协调一致的问题；
４、中断、程序转移的处理问题。
本实验仪采用了不少具有并行操作功能的器件，如存储器、寄存器组等，对支持流水有一定的帮助，但还需要使它们组成流水线。从广义上理解并行，则流水是并行的一个特例，只有具备先后、因果关系的并行，才能称为流水。例如，图９．１６中，ＤＲ１和ＤＲ２可以并行操作，但它们的关系不是流水。
实际上，图９．１６的数据通路已经布置好了流水线，它可以划分为如下功能部件：
１、取指段：包括ＲＡＭ的右端口、ＡＲ２、ＭＵＸ３、ＰＣ、ＩＲ。
２、执行段：包括ＡＬＵ、ＤＲ１、ＭＵＸ１、ＤＲ２、ＭＵＸ２、ＲＦ、ＥＲ、ＲＡＭ的左端口、ＡＲ１、ＩＲ、ＤＲ４、ＭＵＸ４、ＡＬＵ３、ＰＣ。
３、写回段：包括ＥＲ、ＲＦ，还需要对写回寄存器选择信息进行缓冲，为此要增加如图９．２２的缓冲寄存器（否则，ＷＲ１、ＷＲ０的信息会在写回操作之前改变）。注意，设计的方案不同，可能需要的缓冲寄存器也会有所不同。
也可采用别的划分，上述划分方法仅供参考。
（２）控制器要有能力驱动流水线。
在第一方案中，我们使用的是常规的微程序控制器，虽然数据通路相同，但没有利用其中的流水功能，因此得到的整体系统仍然是常规模型计算机。本实验采用的第二方案，我们就要对原有的微程序控制器进行必要的改进，使之成为微程序流水控制器。
五、微程序流水控制器
由于数据通路仍然沿用图９．１６，无须重新设计，因此本次实验的重点就集中在控制器的设计上。这里给出的参考方案，使用指令系统的子集，只有９条指令系统。因为流水控制中，对中断断点的处理会增加流程的复杂度，增大理解的难度，不宜作为参考方案。相信善于思考的同学是可以设计出支持中断的方案的。
第二方案所使用的控制信号，与第一方案基本相同。可以预料，在微指令等方面的设计都会十分类似。
（１）微指令格式
若在第一方案中采用了垂直型微指令，在本实验中需要改用水平型，因为用垂直型微指令来控制并行度较高的流水线将会困难重重。微命令编码仍然可以用直接表示法和字段直接译码法相结合，后继地址用断定方式。事实上，本参考方案的微指令格式与参考的第一方案完全一致。
严格地说，本方案没有中断控制，相应的控制信号可以省略，因此微指令字长可以缩短。但为了兼容第一方案，仍然保留了这些控制信号。其实第一方案也有保留的控制信号，例如Ｍ１、Ｍ２等。
（２）微程序控制器
微程序控制器的逻辑结构与第一方案几乎完全一致，有差异的只是顺序控制部分，即微程序转移逻辑电路，原因是微程序需要重新设计，重新分配微地址。只采用１片ＥＰＲＯＭ（或ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ）同样是可以的。支持流水并未对控制器的硬件结构提出更高的要求。
（３）时空图
如果是要从头设计一套流水系统，时空图应在设计数据通路之前确定，因为具体的流水线是跟时空图紧密相联的。本实验是在已有的数据通路的基础上（已知该数据通路支持流水），通过改进控制来提升系统性能，因此将时空图放在控制器部分进行设计。
参考方案的时空图如下，数字表示该时刻所处理的机器指令序号：
| 周期 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
| 取指 |
1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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5 |
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6 |
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7 |
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8 |
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| 执行 |
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1 |
1 |
2 |
2 |
3 |
3 |
4 |
4 |
5 |
5 |
6 |
6 |
7 |
7 |
8 |
8 |
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| 写回 |
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1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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5 |
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6 |
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7 |
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8 |
这并不是唯一的方案。同样的数据通路，时空图也可以设计成这样：
| 周期 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
| 功能段1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
3 |
3 |
4 |
4 |
5 |
5 |
6 |
6 |
7 |
7 |
8 |
8 |
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| 功能段2 |
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1 |
1 |
2 |
2 |
3 |
3 |
4 |
4 |
5 |
5 |
6 |
6 |
7 |
7 |
8 |
8 |
或者这样：
| 周期 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
| 功能段1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
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| 功能段2 |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
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| 功能段3 |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
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| 功能段4 |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
等等，只要设计可以实现即可。不同的时空图直接影响系统的性能。
（４）微程序设计
这里是第二方案中的关键。控制器的强大与否，对机器性能发挥出多少，就取决于如何设计控制流程，并转化为微程序。
前面说过，微程序设计包括了横向设计和纵向设计。要实现流水控制，纵向设计仍然重要，而横向设计也同样需要仔细考虑。因为流水线中要求尽量多的并行操作，以便充分利用硬件资源，减少闲置。横向设计中就应把不冲突的、可以同时实现的控制，放在同一微指令中。纵向设计中，考虑控制顺序要连同并发控制一起考虑，尤其是出现冲突时，需要前后错开。此外就是注意在机器指令发生转移（无条件、有条件或中断）的地方，要丢弃已取的指令，重新做一次取指操作。
设计流水控制的微程序与设计常规的微程序相比，难度要大一些，主要是因为常规流程是单线索的，每一微指令周期要做什么，思路很清晰，而流水控制的流程则同时包含多重线索，每个微指令周期都可能含有两个以上不相干的操作，比较复杂，需要用并发的思维去考虑。由于可能出现的情况大大增多，设计时容易出错，因此一定要细心，规划周全。如果先设计出常规的微程序控制流程图（即前面的第一方案），然后进行微指令合并，出错的可能性会比直接设计流水控制的微程序要小一些。
图９．２０是第二方案的参考流程图，它是以图９．１８（省略中断指令）为基础，经过微指令合并后得到的。合并方法是：观察每个微指令周期和上一周期的操作是否冲突，不冲突则将本周期的操作叠加至上一周期。例如图９．２０中地址为３５的微指令，就是图９．１８中地址为３５和０５的两个微指令合并而成的（没有中断的情况下，３５后面紧跟着的是０５）。
流水控制的微程序流程必须涵盖所有可能的情况，为此可以用地址不同、操作类似的微指令来实现不同的分支。例如图９．２０中，地址为２０、１０的两个微指令是相似的，分别表示上一机器指令中需要和不需要ＷＲＤ操作的情况。至于转移指令的处理，图９．２０中已经很清楚，注意一下即可。
控制台指令与第一方案的完全相同，不再赘述。对照９．１８思考一个问题：在ＫＬＤ的循环中，第二方案比第一方案多插入了一个空指令（微地址２Ｆ），有什么作用，去掉它会怎么样？
六、组装与调试
如果事先没有做第一方案的实验，或者已经拆除了第一方案中的接线，则参照前面第一方案的介绍，进行数据通路、时序产生器和微程序控制器的组装和分调试。如果已经有现成的第一方案的模型机，则无须重新组装，只作必要的电路修改即可。对修改过的部分仍然要先进行分调试。
总调试中，要求连续执行多种机器指令，检查流水线是否真正起作用，要特别注意条件转移、无条件转移的操作是否正确。
我们不妨计算一下参考的第二方案比第一方案时间性能提高了多少。一条k段的流水线完成n个连续任务的加速比为：
将k=3代入公式，以１拍为单位时间，我们得到
S = 4n / [4 + 2(n-1)]
= 2n / (n+1)
= 2 - 2/(n+1)
当n趋向于无穷大时，S趋向于2。就是说，没有冲突、转移的理想情况下，第二方案执行指令的速度无限接近于第一方案的两倍。
可见，在数据通路不变的情况下，单靠改写微程序，并相应地对控制器略作修改，就能提高系统的性能。若考虑上述方案的微程序控制器电路中，微程序转移逻辑部分使用可编程器件，如ＧＡＬ、ＩＳＰ等，则整个控制器都无须进行线路改动，就能实现第一方案到第二方案的升级。由于微程序、ＡＢＥＬ程序等又被称作固件（介乎传统的硬件和软件之间），这样的升级可称为固件升级。目前许多计算机配件带有ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ，通过改写ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ可提高系统的性能，这些就是固件升级在真实的计算机系统中的例子。
七、更高水平的课程设计
前面所叙述的课程设计说明，是对学习“计算机系统结构”课程的计算机系所有学生的基本教学要求：按给定的指令系统和指令格式，完成一台微程序控制的模型流水计算机的设计和调试。
本小节提出的所谓更高水平的课程设计，是指更高的教学要求，这些要求是
（１）仍然使用图９．１６所提供的数据通路；
（２）学生自己拟定指令格式和微指令格式；
（３）只使用一片ＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ作控制存储器；
（４）增加对中断的支持；
（５）将流水线细分为四段、五段或更多。
前面三项在第一方案中已经介绍过，后面两项仍然是任选项。第（４）项要求增加中断后，性能不应下降太多，不能又还原为常规控制。第（５）项要求是基于增加流水线分段数可提高性能的考虑，设计时要注意减少冲突，否则性能会不升反降。若要对时序信号进行细分，必须遵守前面的设计要求。
我们给出微程序流水控制器的关键部分设计作为参考。
（１）微指令格式 见图９．１７
（２）微程序控制器 见图９．２１
（３）微程序流程 见图９．２０
（４）微程序代码表 见表９．１６
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