计算机组成原理(第三版)第5章-中央处理器课件

INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA1 1第第 5 章章 中央处理器中央处理器CPUINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.1 CPU的组成和功能的组成和功能一、一、CPU的功能：的功能：自动完成取指和执指操作的部件。自动完成取指和执指操作的部件。1.指令控制功能：指令控制功能：由由IP或或PC完成对程序的顺序控制并取指。该功能由完成对程序的顺序控制并取指。该功能由指令部件指令部件IU（IP、IR、ID）予以完成。予以完成。2.操作控制功能：操作控制功能：由由操作控制部件操作控制部件(控制信号形成部件控制信号形成部件)CU对所取指令进行分析后形对所取指令进行分析后形成指令操作所需的全部控制信号（微命令），送往运算器（内部成指令操作所需的全部控制信号（微命令），送往运算器（内部控制操作）和各系统部件（外部操作控制）；各控制信号所起的控制操作）和各系统部件（外部操作控制）；各控制信号所起的作用为门控和选通，以控制信息流的走向，来完成指令规定的操作用为门控和选通，以控制信息流的走向，来完成指令规定的操作。作。3.时间控制功能：时间控制功能：由由时序部件时序部件TU产生空间上独立输出的时间标准信号（指令周期、产生空间上独立输出的时间标准信号（指令周期、CPU周期、时钟周期信号），提供给周期、时钟周期信号），提供给CU作为时间基准，使各微操作为时间基准，使各微操作控制信号在规定时间定时发出（有效）。作控制信号在规定时间定时发出（有效）。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.1 CPU的组成和功能的组成和功能4.地址形成功能：地址形成功能：根据取入指令的寻址方式根据取入指令的寻址方式MOD、寄存器编号、寄存器编号REG和形式地址信和形式地址信息息D，由，由地址形成部件地址形成部件AU形成操作数的有效地址形成操作数的有效地址EA。5.数据处理功能：数据处理功能：在操作控制信号的控制下，由在操作控制信号的控制下，由运算器运算器ALU等部件完成对指令规等部件完成对指令规定的操作对象进行加工和处理。定的操作对象进行加工和处理。二、二、CPU的基本组成：的基本组成：1.传统传统CPU：运算器（运算器（ALU、ACC、F或或PSW、通用寄存器组）、通用寄存器组）+控控制器（制器（IU、CU、TU、AU）。）。2.现代现代CPU：运算器（运算器（GPU+FPU+定点定点ALU+阵列乘除法器阵列乘除法器，标量，标量与超标量结构）与超标量结构）+控制器（控制器（RISC/CISC复合控制，流水与超流水）复合控制，流水与超流水）+哈佛结构的一级哈佛结构的一级Cache和混存结构的二级和混存结构的二级Cache。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA1.运算器运算器运算器功能：运算器功能：在控制器的统一指挥下，完成对数据信息的加工和处理在控制器的统一指挥下，完成对数据信息的加工和处理运算器基本组成：运算器基本组成：算术算术/逻辑运算单元逻辑运算单元ALU：（补码加（补码加/减运算器减运算器+函数发生器即逻辑运函数发生器即逻辑运算电路）。算电路）。标志寄存器标志寄存器F（PSW）：）：存放运算结果的状态和特征。存放运算结果的状态和特征。通用寄存器组：通用寄存器组：（专用、通用寄存器）存放地址、数据和中间结果。（专用、通用寄存器）存放地址、数据和中间结果。累加器累加器A或或AC：用于存放运算时的操作数及操作结果。用于存放运算时的操作数及操作结果。数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DRDR：存放内存读出或写入的信息，起缓冲作用，存放内存读出或写入的信息，起缓冲作用，是是CPUCPU的数据出入口的数据出入口，外接，外接DBDB。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.控制器控制器控制器的功能：控制器的功能：根据指令的规定完成对整个计根据指令的规定完成对整个计算机系统操作的协调和控制。算机系统操作的协调和控制。控制器的组成：控制器的组成：IU、CU、TU、AU。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.控制器控制器IU IU 的基本组成：的基本组成：指令部件指令部件IUIU（IPIP、IRIR、IDID）完成取指操作。）完成取指操作。*1.1.指令指针指令指针PCPC或或IPIP：给出正在执行（当前）指令的地址，并自动给出正在执行（当前）指令的地址，并自动+1+1给出下一条指令的地址；当遇到转移指令、调子指令、返回指令、中给出下一条指令的地址；当遇到转移指令、调子指令、返回指令、中断操作时由指令、堆栈或断操作时由指令、堆栈或I/OI/O接口芯片提供新地址接口芯片提供新地址PCPC；*2.2.指令寄存器指令寄存器IRIR：用于存放由主存取出的指令用于存放由主存取出的指令OPOP码码+地址码；地址码；*3.3.指令译码器：指令译码器：用于对用于对IRIR中的指令中的指令OPOP码进行译码，形成译码信号。码进行译码，形成译码信号。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.控制器控制器 CU CU 的基本组成：的基本组成：操作控制信号形成部件操作控制信号形成部件CUCU用于形成控制信号用于形成控制信号*1.其组成其组成：分别由组合逻辑电路（与门阵列：分别由组合逻辑电路（与门阵列+或门阵列）、控或门阵列）、控制制ROMROM（微程序只读存储器）构成；（微程序只读存储器）构成；*2.其输入为其输入为：指令译码信号、：指令译码信号、TUTU产生的节拍电位产生的节拍电位M M和节拍脉冲和节拍脉冲T T、F F的状态信号、中断与总线的请求信号；的状态信号、中断与总线的请求信号；*3.其输出为其输出为：经：经CUCU综合分析与处理后形成的相应指令所需的综合分析与处理后形成的相应指令所需的全部控制信号（微命令）全部控制信号（微命令）与与CPUCPU的的CBCB相连。相连。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.控制器控制器 TU的基本组成：的基本组成：时序部件时序部件TU由时钟源、节拍发生器、启停控制逻辑组成。由时钟源、节拍发生器、启停控制逻辑组成。*1.时钟源：时钟源：提供时钟脉冲（晶振提供时钟脉冲（晶振+振荡器）；振荡器）；*2.节拍发生器：节拍发生器：提供节拍电位提供节拍电位M与节拍脉冲与节拍脉冲T（建立微操作序（建立微操作序列的时序关系）；列的时序关系）；*3.启停控制逻辑：启停控制逻辑：负责对时钟脉冲的输出与封锁，从而实现负责对时钟脉冲的输出与封锁，从而实现计算机的启动与停机。计算机的启动与停机。注：注：节拍电位节拍电位 M：空间上独立输出的机器周期信号空间上独立输出的机器周期信号M1M4；节拍脉冲节拍脉冲 T：空间上独立输出的时钟周期信号空间上独立输出的时钟周期信号T1T4。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.控制器：控制器：AUAU的基本组成：的基本组成：地址形成部件地址形成部件AUAU由地址加法器、专用寄存器（变址、由地址加法器、专用寄存器（变址、基址、堆栈指针，指令指针）、段寄存器、地址寄存器基址、堆栈指针，指令指针）、段寄存器、地址寄存器ARAR组成，用组成，用于形成操作数的有效地址于形成操作数的有效地址EA。*1.地址加法器地址加法器：将地址寄存器的内容与偏移量相加形成变址、基将地址寄存器的内容与偏移量相加形成变址、基址、相对等寻址方式和段寻址后的实际地址址、相对等寻址方式和段寻址后的实际地址EA；*2.地址寄存器地址寄存器 AR：保存当前保存当前CPU所访内存单元的地址，需保持到所访内存单元的地址，需保持到读读/写操作完成，写操作完成，是是CPU的地址出口的地址出口，外接，外接AB；*3.地址寄存器组：地址寄存器组：由专用地址寄存器（变址寄存由专用地址寄存器（变址寄存器、基址寄存器、器、基址寄存器、堆栈指针，指令指针）组成，用于提供形成操作数的有效地址堆栈指针，指令指针）组成，用于提供形成操作数的有效地址EAEA时时所需的基准地址。所需的基准地址。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、指令执行过程和信息通道的建立：三、指令执行过程和信息通道的建立：1.1.取指取指:2.2.分析指令：分析指令：3.3.执指：例执指：例1 1、LDA R0,2050H 读内存过程：读内存过程：例例2 2、STA 2050H,R0 写内存过程：写内存过程：AB DB（IP）=AR =MAR=MAD=MM=MDR =DR=IR IP+1=IP CS=1,WE=0 CB CBCBIR（OP）=ID =CU =Ck（控制信号控制信号）AU AB DB IR（D）=AR =MAR=MAD=MM=MDR =DR=R0 CS=1,WE=0 CB AU AB DB IR（D）=AR =MAR=MAD=MM=MDR =DR AR =MAR=MAD=MM=MDR=DR=CS=1,WE=0 CBDR=DR2 =ALU(M=0;CN=1;S3S0=1001;)=R0;同时状态同时状态=FR0=DR1 不同的指令的执指过程不同的指令的执指过程就是：就是：根据不同的指令要求在运算根据不同的指令要求在运算器中建立特定的数据通路来完成相应的操作和运算的过程。器中建立特定的数据通路来完成相应的操作和运算的过程。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.2 指令周期（指令周期（CPU时序）时序）一一.指令周期的基本概念指令周期的基本概念 1.计算机的工作过程：计算机的工作过程：程序存储过程程序存储过程*1.利用输入设备将程序按序写入内存；利用输入设备将程序按序写入内存；*2.给出给出PC或或IP首址（所执行程序的第一条指令的地首址（所执行程序的第一条指令的地址）并启动计算机；址）并启动计算机；*3.计算机自动执行程序：计算机自动执行程序：INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA1.计算机的工作过程：计算机的工作过程：程序控制过程程序控制过程*1 1.根据根据PC或或IP的指向去内存取指的指向去内存取指IR，同时，同时PC+1PC形成下一形成下一条指令地址。称为条指令地址。称为取指过程取指过程；*2.根据所取指令的根据所取指令的OP码完成指令分析，形成控制信号。称为码完成指令分析，形成控制信号。称为指指令分析过程令分析过程；*3.形成操作数的地址形成操作数的地址,访问存储器读取操作数并送运算器加以处访问存储器读取操作数并送运算器加以处理，同时回送结果。称为理，同时回送结果。称为执指过程执指过程；*4.重复上述过程，直到停机为止，完成程序执行；重复上述过程，直到停机为止，完成程序执行；INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.CPU的多级时序系统：的多级时序系统：指令周期：指令周期：CPU取出并执行一条指令所需的时间。（其间完成取出并执行一条指令所需的时间。（其间完成一系列规定操作其实质是建立指令规定的数据通路），不同指一系列规定操作其实质是建立指令规定的数据通路），不同指令的执指过程不尽相同，故指令周期长短不一。指令周期令的执指过程不尽相同，故指令周期长短不一。指令周期取指周期取指周期 间址周期（形成地址）间址周期（形成地址）执行周期。执行周期。其流程为：其流程为：INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2.CPU的多级时序系统：的多级时序系统：机器周期（机器周期（CPU周期或称总线周期）：周期或称总线周期）：CPUCPU完成一种基本操作完成一种基本操作所需的时间；基本操作可分为：取指操作；形成地址操作；存所需的时间；基本操作可分为：取指操作；形成地址操作；存储器读储器读/写操作；写操作；I/OI/O接口读接口读/写操作；运算操作等。每个机器写操作；运算操作等。每个机器周期由若干个时钟周期组成，一般以取指为基准（周期由若干个时钟周期组成，一般以取指为基准（3 34 4个时钟个时钟周期）；周期）；CPUCPU内部以节拍电位内部以节拍电位MiMi来区分该周期，每个机器周期来区分该周期，每个机器周期M M所需的所需的T T数相同；数相同；时钟周期（时钟周期（T周期）：周期）：CPUCPU完成一种最小操作（微操作）所需的完成一种最小操作（微操作）所需的时间，时间，CPUCPU利用该周期完成如寄存器的传送、数据和地址信息利用该周期完成如寄存器的传送、数据和地址信息的锁入、门控信号的形成等微操作，用于形成数据通路。的锁入、门控信号的形成等微操作，用于形成数据通路。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二.典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：1.非访存指令：非访存指令：该类指令在执行过程中不访问内存该类指令在执行过程中不访问内存;指令周期指令周期2 2个机器周期（取指、执指）个机器周期（取指、执指）;其寻址方式均为隐含寻址或寄存器寻址其寻址方式均为隐含寻址或寄存器寻址;例如：例如：CLA R0；R00。取指周期：取指周期：从从PCPC送出地址开始送出地址开始CUCU形成控制信号为止。形成控制信号为止。T1：PCARABMAR；PC+1PC形成下一条指令地址；形成下一条指令地址；T2：CPU根据高位地址形成根据高位地址形成CS，同时，同时WE=0启动存储器的读过程；启动存储器的读过程；T3：MMMDRDBDR；从主存读出指令送；从主存读出指令送CPU；T4：DRIRIDCU；分析指令，形成控制信号；分析指令，形成控制信号；INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二.典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：1.非访存指令：非访存指令：指令执行过程：指令执行过程：完成完成IR中指令中指令OP码所规定的微操作序列的过程，码所规定的微操作序列的过程，对于不同指令的过程不尽相同，且与寻址方式有关。对于不同指令的过程不尽相同，且与寻址方式有关。*1.对于对于CLA R0 指令，在一个机器周期（指令，在一个机器周期（T1T4）中完成执指：）中完成执指：R0DR1;R0DR2;ALU做做“”运算，结果运算，结果R0；*2.对于转移等程序控制类指令：例对于转移等程序控制类指令：例 JMP D 指令，在一个机器周指令，在一个机器周期（期（T1T4）中完成执指）中完成执指:IR(D)PC 或或IP；*3.其它类似指令：其它类似指令：INC、NOT、NEGINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二.典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：2.直接访存指令：直接访存指令：该类指令在执行过程中需要再次访问内存，故需该类指令在执行过程中需要再次访问内存，故需3 3个机器周期。取指个机器周期。取指+形成地址形成地址+取数并运算。如：取数并运算。如：ADD R0,D。取指周期：取指周期：同非访存指令；同非访存指令；形成地址过程：形成地址过程：在一个机器周期中完成将指令中的在一个机器周期中完成将指令中的D送送AR的作用的作用;或者将某些专用地址或者将某些专用地址寄存器的内容与寄存器的内容与D相加后形成有效地址相加后形成有效地址AR;前者为直接寻址，后者为变前者为直接寻址，后者为变址、基址、相对等寻址方式；址、基址、相对等寻址方式；INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二.典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：取数和运算过程：例取数和运算过程：例 ADD R0,DT1：ARABMARMM；送地址；送地址MAR；T2：CPU根据高位地址形成根据高位地址形成CS，同时，同时WE=0，启动存储器读操作过程，启动存储器读操作过程T3：从主存中读出数据：从主存中读出数据MDRDBDR；T4：DRDR2，R0DR1;控制控制ALU加加;结果结果R0；存数指令的执行指令过程：例存数指令的执行指令过程：例 STA D,R0T1：ARABMAR、送地址、送地址MAR；同时；同时 R0DRDBMDR、送、送数据数据MDR；T2：CPU根据高位地址形成根据高位地址形成CS；同时；同时WE=1，启动写过程；，启动写过程；T3：MDRMM；T4：不起作用。：不起作用。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三三.时序的控制方式与时序发生器：时序的控制方式与时序发生器：1.1.关于时序的基本概念：关于时序的基本概念：微操作：微操作：实现指令功能所必须的最小操作（即寄存器一级的操实现指令功能所必须的最小操作（即寄存器一级的操作，如寄存器的选通、封锁和门控等操作）；作，如寄存器的选通、封锁和门控等操作）；时序：时序：微操作执行的时间序列称为时序，例如微操作执行的时间序列称为时序，例如WE=0WE=0应在每个指应在每个指令周期的第一个机器周期的令周期的第一个机器周期的T2T2有效。有效。2.2.控制器的时序控制方式：控制器的时序控制方式：控制器控制与产生微操作时序的方式（微操作控制信号控制器控制与产生微操作时序的方式（微操作控制信号CkCk在在 何时产生或有效的规律）。何时产生或有效的规律）。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）对于指令系统中的每条指令，其执行所需的对于指令系统中的每条指令，其执行所需的CPU周期数和时钟周周期数和时钟周期数均事先约定，其实现方法为：期数均事先约定，其实现方法为：*1.采用完全统一的机器周期执行不同的指令，如：全部指令的采用完全统一的机器周期执行不同的指令，如：全部指令的指令周期取指指令周期取指+分析指令（形成地址）分析指令（形成地址）+执指（取数并运算）执指（取数并运算）+存存结果，其特点为：以微操作序列最长的指令为标准确定所需的节结果，其特点为：以微操作序列最长的指令为标准确定所需的节拍数和拍数和T数，对微操作序列短的指令可空着一部分时序不用；数，对微操作序列短的指令可空着一部分时序不用；T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4指令周期指令周期机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）机器周期机器周期M2M2（形成地址）（形成地址）机器周期机器周期M3M3 （取数运算）（取数运算）机器周期机器周期M4M4（送结果）（送结果）INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）对于指令系统中的每条指令，其执行所需的对于指令系统中的每条指令，其执行所需的CPUCPU周期数和时钟周期周期数和时钟周期数均实现约定，其实现方法为：数均实现约定，其实现方法为：*2.2.采用不定长机器周期的方式，即采用不同采用不定长机器周期的方式，即采用不同T T数的机器周期完成数的机器周期完成不同的基本操作如取指不同的基本操作如取指4T4T，计算地址，计算地址2T2T，取数运算，取数运算4T4T，送结果，送结果3T3T等，可提高效率。等，可提高效率。T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）T1 T2T1 T2机器周期机器周期M2M2（形成地址）（形成地址）T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4机器周期机器周期M3M3 （取数运算）（取数运算）T1 T2 T3T1 T2 T3机器周期机器周期M4M4（送结果）（送结果）指令周期指令周期INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）对于指令系统中的每条指令，其执行所需的对于指令系统中的每条指令，其执行所需的CPUCPU周期数和时钟周期周期数和时钟周期数均实现约定，其实现方法为：数均实现约定，其实现方法为：*3.3.采用不定长指令周期，大部分指令给予短指令周期，少数指采用不定长指令周期，大部分指令给予短指令周期，少数指令信号给予长指令周期，如：非访存指令为两个机器周期，访存令信号给予长指令周期，如：非访存指令为两个机器周期，访存指令为指令为3 3个或更多的机器周期。个或更多的机器周期。T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2T1 T2T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3T1 T2 T3IN R0 IN R0 指令周期指令周期机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）机器周期机器周期M3M3（运算）（运算）M3M3（取数运算）（取数运算）机器周期机器周期M4M4（送结果）（送结果）T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2T1 T2M1M1（取指）（取指）ADD R0,DADD R0,D指令周期指令周期T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2T1 T2机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）STA D,R0 STA D,R0 指令周期指令周期机器周期机器周期M2M2（形成地址）（形成地址）M2M2（形成地址）（形成地址）INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA异步控制方式（以序定时，有应答机制的方式）异步控制方式（以序定时，有应答机制的方式）根据具体指令的具体要求，分配给不尽相同的执行时间。根据具体指令的具体要求，分配给不尽相同的执行时间。其实现方法为：其实现方法为：*1.1.根据具体指令的需要，要多少节拍就产生多少节拍，如访根据具体指令的需要，要多少节拍就产生多少节拍，如访问慢速存储器的异步机器周期，问慢速存储器的异步机器周期，在在T3检查检查READY，若无效，若无效，则插入则插入Tw；*2.指令执行完毕，须发应答信号，控制器收到后才能进入下指令执行完毕，须发应答信号，控制器收到后才能进入下一条指令或操作的执行。一条指令或操作的执行。T1 T2 T3 Tw Tw Tw T1 T2 T3 Tw Tw Tw Tw Tw Tw T4 Tw Tw Tw T4READY=0 0 0 0 READY=0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA3.时序的产生与时序发生器：时序的产生与时序发生器：时序由时序由CUCU根据根据TUTU提供的时标信号综合产生；提供的时标信号综合产生；时序发生器的作用是将振荡器提供的串行时序发生器的作用是将振荡器提供的串行CLKCLK脉冲转换成空脉冲转换成空间上独立输出的节拍电位（用于表示不同的机器周期）和节拍间上独立输出的节拍电位（用于表示不同的机器周期）和节拍脉冲（用于表示不同的时钟周期），为脉冲（用于表示不同的时钟周期），为CUCU提供提供CPUCPU周期和时钟周周期和时钟周期的区分信号（时标）；期的区分信号（时标）；时序发生器的结构：时序发生器的结构：采用模采用模K K计数器、译码器、启停控制逻辑、时钟源构成节拍发计数器、译码器、启停控制逻辑、时钟源构成节拍发生器生器.INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINATU结构图结构图INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINATU时序图时序图INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.3 微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器一、微程序控制器的基本概念一、微程序控制器的基本概念1.1.微程序控制器的设计思想：微程序控制器的设计思想：将指令的执行过程分解为若干步基本操作来完成，每一基本操将指令的执行过程分解为若干步基本操作来完成，每一基本操作由一条微指令的执行来实现；每条微指令由若干个微命令组成；作由一条微指令的执行来实现；每条微指令由若干个微命令组成；每条微命令完成计算机的一个最小操作（微操作）；每条微命令完成计算机的一个最小操作（微操作）；完成一条指令功能所需的微指令序列称为微程序；每条指令均完成一条指令功能所需的微指令序列称为微程序；每条指令均由相应的微程序与其对应；由相应的微程序与其对应；将整个指令系统的微程序全部存放于控制器中专设的控制存储将整个指令系统的微程序全部存放于控制器中专设的控制存储器中，该存储器称为控制器中，该存储器称为控制ROM或简写为或简写为CM；执行指令即相当于执行执行指令即相当于执行CM中相应的微程序，完成基本操作即相中相应的微程序，完成基本操作即相当于执行微指令。当于执行微指令。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA一、微程序控制器的基本概念一、微程序控制器的基本概念2.2.微程序控制的有关基本概念：微程序控制的有关基本概念：微操作：微操作：指令执行所必须完成的最小操作，如：指令执行所必须完成的最小操作，如：DBIR，PC+1PC，R0R1；注：微操作均为数据或信息的传送操作，各种运算和处理在传送过程中加注：微操作均为数据或信息的传送操作，各种运算和处理在传送过程中加以实现；以实现；微命令：微命令：组成微指令的最小单位，是微操作的驱动信号，如：门控电位、寄组成微指令的最小单位，是微操作的驱动信号，如：门控电位、寄存器的打入、置位、复位脉冲等，一个微命令完成一个微操作；存器的打入、置位、复位脉冲等，一个微命令完成一个微操作；微指令：微指令：在同一在同一CPU周期中同时执行的所有微命令的集合，由周期中同时执行的所有微命令的集合，由CM提供，控制提供，控制ROM的每一个存储单元存放一条微指令；的每一个存储单元存放一条微指令；微周期（机器周期）：微周期（机器周期）：执行一条微命令所需的时间，对应于节拍电位周期；执行一条微命令所需的时间，对应于节拍电位周期；微地址：微地址：微指令在微指令在CM中存放的位置；中存放的位置；微程序：微程序：在指令周期中顺序执行的微指令序列。在指令周期中顺序执行的微指令序列。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：1.1.典型的微指令格式（二字段格式）：典型的微指令格式（二字段格式）：操作控制部分操作控制部分（微命令字段）（微命令字段）+顺序控制部分顺序控制部分（下址部分）。（下址部分）。控制部分：控制部分：产生和提供微命令的部分，其长度视产生和提供微命令的部分，其长度视CPUCPU操作所操作所需的微操作数量决定，一般有几十几千位之多；需的微操作数量决定，一般有几十几千位之多；顺序控制部分（下址）：顺序控制部分（下址）：提供下一条微指令的地址，在下一提供下一条微指令的地址，在下一拍寻址，由拍寻址，由CLKCLK驱动，其长度由整个指令系统的全部微程序驱动，其长度由整个指令系统的全部微程序的微指令数决定。的微指令数决定。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：2.微指令的编码要求与编码方法：微指令的编码要求与编码方法：编码要求：以最小的控制编码要求：以最小的控制ROM容量存放微程序，以最快的速度保证容量存放微程序，以最快的速度保证微程序的正确执行；微程序的正确执行；*1.1.有利于缩短微指令的长度（容量性）；有利于缩短微指令的长度（容量性）；*2.2.有利于减少有利于减少CM的单元数（容量性）；的单元数（容量性）；*3.3.能同时完成的微操作尽量安排在同一微指令中，以利于加快执能同时完成的微操作尽量安排在同一微指令中，以利于加快执行速度（速度性）；行速度（速度性）；*4.4.有利于微指令的修改和扩充，增加微程序的灵活性（通用性）。有利于微指令的修改和扩充，增加微程序的灵活性（通用性）。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：2.微指令的编码要求与编码方法：微指令的编码要求与编码方法：编码方法：编码方法：*1.1.直接表示法直接表示法（非编码方法）：指令的编码为水平型微指令格式，（非编码方法）：指令的编码为水平型微指令格式，采用采用1 1位微命令激励一条控制线（位微命令激励一条控制线（1 1有效，有效，0 0无效），计算机需要多少无效），计算机需要多少种操作，控制部分就设计多少长，直接将微命令集合存放于种操作，控制部分就设计多少长，直接将微命令集合存放于CM，该，该方法简单明了，但字太长，特点是速度快，属并行方式；方法简单明了，但字太长，特点是速度快，属并行方式；INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：2.微指令的编码要求与编码方法：微指令的编码要求与编码方法：编码方法：编码方法：*2.2.字段编码法：将控制部分段，各段内采用直接编码方法，其目字段编码法：将控制部分段，各段内采用直接编码方法，其目的为了缩短微指令的速度，便于存储。的为了缩短微指令的速度，便于存储。编码原则：编码原则：将互斥的微命令分在一组，相关的则分在不同组，然后分组编将互斥的微命令分在一组，相关的则分在不同组，然后分组编码后存储；码后存储；执行时需分组译码，形成真正的控制信号，但需留出一个全零执行时需分组译码，形成真正的控制信号，但需留出一个全零状态表示不发任何操作。状态表示不发任何操作。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：3.控制存储器容量的计算：控制存储器容量的计算：例题例题1：假设某假设某CPU的指令系统有的指令系统有250250条指令，每条指令由条指令，每条指令由8 8个个CPUCPU周期组周期组成，其中取指微指令是所有指令共享的。已知每条微指令的微操作的部成，其中取指微指令是所有指令共享的。已知每条微指令的微操作的部分为分为8080位，试求控制位，试求控制ROM的容量为多少？（单元数的容量为多少？（单元数字长）字长）解：解：单元数单元数=指令数指令数（机器周期数（机器周期数-1-1）+1=250+1=250*（8-18-1）+1=1751+1=1751 字长字长=控制部分控制部分+下址部分下址部分=80+11=91=80+11=91例题例题2：假设某假设某CPU的指令系统有的指令系统有100100条指令，每条指令条指令，每条指令的微程序的微程序由由5 5条条微指令微指令组成，其中取指微指令是所有指令共享的。组成，其中取指微指令是所有指令共享的。系统共有系统共有10001000种不同种不同的微的微操作操作，并可分成互斥的，并可分成互斥的1010组组，试求控制，试求控制ROM的容量为多少？（单元的容量为多少？（单元数数字长）字长）解：解：单元数单元数=指令数指令数（机器周期数（机器周期数-1-1）+1=100+1=100*（5-15-1）+1=401+1=401 字长字长=控制部分控制部分+下址部分下址部分=10=10*7+9=797+9=79INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、微程序控制的组成与微程序的执行过程三、微程序控制的组成与微程序的执行过程1.微程序控制器的结构和组成：微程序控制器的结构和组成：CM（控制（控制ROM）、）、IU（微指令部件）、（微指令部件）、AU和和AR、AD（微地（微地址部件）。址部件）。*1.操作控制存储器操作控制存储器CM（控制（控制ROM）：存储整个指令系统所有指令对应的微程序，共用取指微指令，每存储整个指令系统所有指令对应的微程序，共用取指微指令，每个微程序的入口地址由相应指令的译码信号决定；个微程序的入口地址由相应指令的译码信号决定；*2.IU微指令部件：微指令部件：微指令寄存器微指令寄存器IR和微指令分段译码器和微指令分段译码器ID；其中其中IR的的 控制部分分成若干段，分别由各段译码器译码后输出微控制部分分成若干段，分别由各段译码器译码后输出微命令，其中一部分用于命令，其中一部分用于CPU内部控制，另一部分通过内部控制，另一部分通过CB总线输出用于系总线输出用于系统控制，微地址部分（下址）送微地址形成部件，形成下址；统控制，微地址部分（下址）送微地址形成部件，形成下址；INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、微程序控制的组成与微程序的执行过程三、微程序控制的组成与微程序的执行过程*3.微地址部件微地址部件(AU和和AR、AD)：提供微地址和微程序入口地址。提供微地址和微程序入口地址。下址的形成：下址的形成：RESET后指向取指微指令；后指向取指微指令；取入指令后由指令译码器提供相应微程序的入口地址；取入指令后由指令译码器提供相应微程序的入口地址；在微程序中由微指令的下址部分提供微程序内的微指令地址；在微程序中由微指令的下址部分提供微程序内的微指令地址；在微程序中的最后一条微指令的下址指向取指微指令。在微程序中的最后一条微指令的下址指向取指微指令。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、微程序控制的组成与微程序的执行过程三、微程序控制的组成与微程序的执行过程 2.微程序的执行过程：微程序的执行过程：从从1 1号微地址开始，取出取指微指令执行，完成取指操号微地址开始，取出取指微指令执行，完成取指操作，作，PCAR内存内存DRIR；ID对对IR中中的的OPOP码译码后形成取入指令对应的微程序入口码译码后形成取入指令对应的微程序入口地址；地址；逐条取出该段微程序执行，最后一条微指令的下址指向逐条取出该段微程序执行，最后一条微指令的下址指向控存的控存的1 1号微地址；号微地址；重新开始取指过程，取出下一条指令后再执行对应的微重新开始取指过程，取出下一条指令后再执行对应的微程序。程序。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA共享取指控制IN指令形地控制03HIN指令取数控制04HIN指令执行控制01HADD指令形地控制06HADD指令取数控制07HADD指令执行控制01HSTA指令形地控制09HSTA指令取数控制0AHSTA指令执行控制01HOUT指令形地控制0CHOUT指令取数控制0DHOUT指令执行控制01HJMP指令形地控制0FHJMP指令取数控制10HJMP指令执行控制01H01H指令102H03H04H指令205H06H07H指令308H09H0AH指令40BH0CH0DH指令50EH0FH10H段段1段段n下址下址译译1 1译译n nADAUARIDIDIR下址下址状态标志状态标志RESETIUIUIRCB(C CK1 K1 C CK Kn n)DB 微地址部件微地址部件控存控存CMINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术一、指令执行方式的种类：一、指令执行方式的种类：顺序执行、重叠执行、流水线执行。顺序执行、重叠执行、流水线执行。1.1.顺序执行方式：指令内外均采用串行执行的方式，如：顺序执行方式：指令内外均采用串行执行的方式，如：指令指令1 1 指令指令2 2特点为：特点为：就整个程序而言是顺序执行，就一条指令而言，其内部各操就整个程序而言是顺序执行，就一条指令而言，其内部各操作也顺序执行；作也顺序执行；控制简单，但速度慢，控制简单，但速度慢，CPUCPU资源、总线利用率低。资源、总线利用率低。取指取指1 1形地形地1 1取数取数1 1运算运算1 1写回写回1 1取指取指2 2形地形地2 2取数取数2 2运算运算2 2写回写回2 2INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术2.2.重叠执行方式：多条指令不同节拍（基本操作）可同时执行的重叠执行方式：多条指令不同节拍（基本操作）可同时执行的方式；特点为：方式；特点为：就每条指令而言，其内部操作顺序执行，就相邻两条指令而已，就每条指令而言，其内部操作顺序执行，就相邻两条指令而已，其某些操作是同时（并行）执行的；其某些操作是同时（并行）执行的；指令周期不变，但从整个程序的执行速度看，得到了提高；指令周期不变，但从整个程序的执行速度看，得到了提高；若处理器中所有部件均重叠执行，则演变为流水线方式。若处理器中所有部件均重叠执行，则演变为流水线方式。取指取指1 1形地形地1 1取数取数1 1运算运算1 1写回写回1 1取指取指2 2形地形地2 2取数取数2 2运算运算2 2写回写回1 1INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术3.3.流水线方式：流水线方式：将将指令的执行过程分解为若干个子过程，分别由处理指令的执行过程分解为若干个子过程，分别由处理器内部不同的处理子部件（硬件）去并行执行的方式，如：器内部不同的处理子部件（硬件）去并行执行的方式，如：取指取指1 1形地形地1 1取数取数1 1运算运算1 1存数存数1 1取指取指2 2形地形地2 2取数取数2 2运算运算2 2存数存数2 2取指取指3 3形地形地3 3取数取数3 3运算运算3 3存数存数3 3取指取指4 4形地形地4 4取数取数4 4运算运算4 4存数存数4 4取指取指5 5形地形地5 5取数取数5 5运算运算5 5存数存数5 5WU写回写回ALU运算运算BU取数取数AU形地形地IU、CU取指取指INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术二、流水线二、流水线组成组成与流水线与流水线特点特点：1.流水线的组成：流水线的组成：由多个不同的处理器部件组成，每个部件完成一种基本操作由多个不同的处理器部件组成，每个部件完成一种基本操作。如分成：取指如分成：取指（IU、CU）、形成地址（、形成地址（AU）、取数）、取数（BU）、运算运算（ALU）、回送（、回送（WU部件）；部件）；每条指令的执行时间为每条指令的执行时间为T，子过程执行时间为，子过程执行时间为T，则每隔，则每隔t=T/5，从流水线上流出一条指令，从流水线上流出一条指令，INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术二、流水线二、流水线组成组成与流水线与流水线特点特点：2.2.流水线的流水线的结构结构：流水线中各分处理部件由处理部分流水线中各分处理部件由处理部分+锁存器构成，以使各锁存器构成，以使各功能部件具有缓冲作用，成为完全独立的功能部件；功能部件具有缓冲作用，成为完全独立的功能部件；每个子过程还可以分解成更小的子过程，即在功能部件内每个子过程还可以分解成更小的子过程，即在功能部件内部再采用流水线结构（称为超流水线），如将浮点部再采用流水线结构（称为超流水线），如将浮点运算运算器器内部采用内部采用3 3级级超超流水线：流水线：阶码处理部件阶码处理部件（t1）尾数处理部件尾数处理部件（t2）规格化处理部件规格化处理部件（t3）取取指指锁锁存存形形地地锁锁存存取取数数锁锁存存运运算算锁锁存存写写回回锁锁存存INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术二、流水线二、流水线组成组成与流水线与流水线特点特点：3.3.流水线的特点流水线的特点（与顺序方式比较）：（与顺序方式比较）：流水线中处理的任务必须是连续的，这样才能使流水线发流水线中处理的任务必须是连续的，这样才能使流水线发挥最大效率，而重叠方式则不必连续；挥最大效率，而重叠方式则不必连续；各功能段的各功能段的处理处理时间时间ti尽可能相等，若不等，则可采用短尽可能相等，若不等，则可采用短段合并段合并、长段拆分、长段拆分方式尽量使各段的方式尽量使各段的ti均等；均等；若实在不等，则取若实在不等，则取maxti作为作为 t，否则将形成，否则将形成流水线流水线堵塞堵塞和断裂现象；和断裂现象；流水线流水线启动和结束时启动和结束时需要装入时间和排空时间，只有当流需要装入时间和排空时间，只有当流水线满的时候，效率最高。水线满的时候，效率最高。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：l访存冲突（资源冲突）：访存冲突（资源冲突）：冲突原因：取指、取数同时使用总线和内存；冲突原因：取指、取数同时使用总线和内存；解决方法：解决方法：*1.*1.采用先行控制技术（设置指令预取队列和指令缓冲寄存器采用先行控制技术（设置指令预取队列和指令缓冲寄存器 ，即，即将将IR 设置成队列栈），利用总线空闲时间预取指令；设置成队列栈），利用总线空闲时间预取指令；*2.*2.采用采用1 1级级Cache分体（指令缓存分体（指令缓存+数据缓存）的哈佛结构；数据缓存）的哈佛结构；*3.*3.采用多体交叉存储技术（只要指令与数据不在同一体内即可）采用多体交叉存储技术（只要指令与数据不在同一体内即可）相关问题（关联阻塞）：相关问题（关联阻塞）：INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 流水线技术流水线技术取指取指形地形地取数取数运算运算写回写回取指取指形地取数运算写回取指取指形地取数运算写回取指取指形地取数运算写回取指取指形地取数运算写回指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4指令指令5M1M2M3M4M5M6M7M8M9WU1ALU2BU3AU4IU5IU1ALU1BU2AU3IU4BU1AU2IU3AU1IU2WU3ALU4BU5AUIU1WU4ALU5BUAUIU1WU5ALUBUAUIU1WU2ALU3BU4AU5IU1JR NC LOOPJR NC LOOPIUWUALUBUAU指令指令1 1JR NC LOOP指令指令2 2IN R0指令指令3 3STA 09H,R0 指令指令4 4ADD R1,09HLOOP :OUT LED,R1INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：相关问题（关联阻塞）：相关问题（关联阻塞）：控制相关：控制相关：阻塞形成的原因在于阻塞形成的原因在于执行转移指令、中断指令，特别执行转移指令、中断指令，特别是条件转移时引起指令流水线阻塞是条件转移时引起指令流水线阻塞。其解决方法为：其解决方法为：*1.*1.重启流水线（效率降低）；重启流水线（效率降低）；*2.*2.采用分支预采用分支预测技术测技术，猜对高效，猜错重返分支点，重启流水，猜对高效，猜错重返分支点，重启流水线线；*3.*3.采用分支预取，插入采用分支预取，插入NOP指令。指令。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：相关问题（关联阻塞）：相关问题（关联阻塞）：数据相关：数据相关：阻塞形成的原因在于阻塞形成的原因在于写回在后，读取在前，即前指写回在后，读取在前，即前指令令中的结果地址后指中的结果地址后指令令中的取数地址，该现象称为数据相关中的取数地址，该现象称为数据相关，阻阻塞塞=寄存器相关，存储器相关。寄存器相关，存储器相关。解决方法解决方法为为：*1.*1.设置相关旁路通路，当阻塞时，取数不从内存中取，而是从设置相关旁路通路，当阻塞时，取数不从内存中取，而是从数据处理部件的出口取出。数据处理部件的出口取出。*2.*2.流水线的级数与阻塞的关系：当流水线级数为流水线的级数与阻塞的关系：当流水线级数为2 2级时不存在阻级时不存在阻塞，级数越高，阻塞越严重，如塞，级数越高，阻塞越严重，如P4P4的的2020级流水线。级流水线。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.6 5.6 流水线技术进阶流水线技术进阶提高计算机处理能力的基本思路：提高计算机处理能力的基本思路：提高存储器性能提高存储器性能的的主要技术措施：主要技术措施：采用高性能部件；采用高性能部件；采用分级存储技术；采用分级存储技术；采用多体交叉存储技术（并行存储技术）。采用多体交叉存储技术（并行存储技术）。提高提高CPU性能（指令执行速度）的主要措施：性能（指令执行速度）的主要措施：采用高速芯片（采用高速芯片（0.25、0.18、0.13）提高主频）提高主频使使时时钟钟周期、机器周期、周期、机器周期、指令周期缩短；指令周期缩短；采用好的算法和设计更好的功能部件，如：多位乘采用好的算法和设计更好的功能部件，如：多位乘/除方除方法、法、RISC技术；技术；减少执行过程减少执行过程中的中的节拍数，增加微操作的并行度；节拍数，增加微操作的并行度；改进指令的执行方式：采用重叠执行方式和流水线方式，改进指令的执行方式：采用重叠执行方式和流水线方式，取代原有的顺序执行方式或采用多处理器系统替代原有的取代原有的顺序执行方式或采用多处理器系统替代原有的单处理器系统。单处理器系统。INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA