计算机组成原理第六章课件

第六章第六章CPU的结构和功能的结构和功能一、一、CPU的功能的功能取指令取指令分析指令分析指令执行指令，发出各种操作命令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出控制程序输入及结果的输出总线管理总线管理处理异常情况和特殊请求处理异常情况和特殊请求1.控制器的功能控制器的功能2.运算器的功能运算器的功能实现算术运算和逻辑运算实现算术运算和逻辑运算指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工处理中断处理中断2、CPU的基本组成（1）中央处理器）中央处理器CPU=运算器运算器+控制器控制器（2）运算器）运算器ALU累加器累加器暂存器暂存器CPU的基本组成（3）控制器）控制器控制器组成：程序计数器、指令寄存器、数据缓冲器、控制器组成：程序计数器、指令寄存器、数据缓冲器、地址寄存器、通用寄存器、状态寄存器、时序发生器、指令地址寄存器、通用寄存器、状态寄存器、时序发生器、指令译码器、总线（数据通路）译码器、总线（数据通路）l程序计数器程序计数器PC(ProgrammingCounter)用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一条指令的地址。一条指令的地址。顺序执行时，每执行一条指令，顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加的值应加1要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将转移目标地址送往转移目标地址送往PC，可实现程序的转移。，可实现程序的转移。l指令寄存器指令寄存器IR(InstructionRegister)指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能。生变化，以保证实现指令的全部功能。CPU的基本组成的基本组成l指令译码器指令译码器ID(InstructionDecoder)暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经译码后才能识别出是一条什么样的指令。译码后才能识别出是一条什么样的指令。译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控制信号提供给时序控制信号形成部件。制信号提供给时序控制信号形成部件。l机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲时钟脉冲l时序控制信号形成部件时序控制信号形成部件时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。能部件所反馈的状态及条件综合形成的。CPU的基本组成地址形成部件地址形成部件根据指令的不同寻址方式，用来形成操作数的有根据指令的不同寻址方式，用来形成操作数的有效地址效地址功能就是指令流出的控制，实质上就是对取指令功能就是指令流出的控制，实质上就是对取指令的控制。的控制。指令分析与执行的控制，对指令流中的每条指令指令分析与执行的控制，对指令流中的每条指令进行分析解释，根据指令的操作性质和寻址方式形进行分析解释，根据指令的操作性质和寻址方式形成操作数的地址，然后根据该操作数的地址找到相成操作数的地址，然后根据该操作数的地址找到相应的存储单元，并从中取出指令执行过程中要用到应的存储单元，并从中取出指令执行过程中要用到的操作数，最后还要形成相应的操作控制信号序列的操作数，最后还要形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入输出设备的动作，通过运算器、存储器及输入输出设备的动作，来实现这条指令的功能。来实现这条指令的功能。指令流向的控制，指令流向的控制即下条指令地指令流向的控制，指令流向的控制即下条指令地址的形成控制。址的形成控制。CPU中的主要寄存器中的主要寄存器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DRl中转站中转站l补偿速度差别补偿速度差别地址寄存器地址寄存器AR指令寄存器指令寄存器IR程序计数器程序计数器PC累加寄存器累加寄存器ACC状态条件寄存器状态条件寄存器PSW操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器（1）数据通路：寄存器之间传送信息的通道。）数据通路：寄存器之间传送信息的通道。（2）操作控制器：为数据通路的建立提供各）操作控制器：为数据通路的建立提供各种操作信号。操作信号提供的依据是指令种操作信号。操作信号提供的依据是指令操作码和时序信号，主要有三种类型：操作码和时序信号，主要有三种类型：时序逻辑类型（硬布线控制器）时序逻辑类型（硬布线控制器）存储逻辑类型（微程序控制器）（存储逻辑类型（微程序控制器）（*）时序逻辑和存储逻辑混合类型时序逻辑和存储逻辑混合类型操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器l硬布线控制器硬布线控制器硬布线控制器，它是采用组合逻辑技术来实现硬布线控制器，它是采用组合逻辑技术来实现的，其时序控制信号形成部件是由门电路组成的，其时序控制信号形成部件是由门电路组成的复杂树形网络。这种方法是分立元件时代的的复杂树形网络。这种方法是分立元件时代的产物，以使用最少器件数和取得最高操作速度产物，以使用最少器件数和取得最高操作速度为设计目标。为设计目标。时序逻辑时序逻辑控制器的最大优点是速度快，但是时控制器的最大优点是速度快，但是时序控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、序控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。调试、维修较困难，难以实现设计自动化。操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器l微程序控制器微程序控制器微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序并存入一个专门的存储器序并存入一个专门的存储器(控制存储器控制存储器)中，微操作中，微操作控制信号由微指令产生。控制信号由微指令产生。微程序控制器的设计思想和组合逻辑设计思想截然不微程序控制器的设计思想和组合逻辑设计思想截然不同。它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指同。它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控令方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。但是，由于它增加了一级控制存储器，制器的主流。但是，由于它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比组合逻辑控制器慢。所以指令执行速度比组合逻辑控制器慢。l时序逻辑和存储逻辑混合型时序逻辑和存储逻辑混合型这种控制器称为这种控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。思想来实现的。操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器l时序产生器：提供定时和时序信号时序产生器：提供定时和时序信号6.2指指令令周周期期一、一、指令周期的基本概念指令周期的基本概念1.指令周期指令周期取出并执行一条指令所需的全部时间取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令完成一条指令执行执行取指、分析取指、分析取指阶段取指阶段取指周期取指周期执行阶段执行阶段执行周期执行周期（取指、分析）（取指、分析）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期的基本概念指令周期的基本概念l概念概念机器周期通常又称机器周期通常又称CPU周期，周期，l通常把一条指令周期划分为若干个机器周期，每个机器通常把一条指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。周期完成一个基本操作。l主存的工作周期主存的工作周期(存取周期存取周期)为基础来规定为基础来规定CPU周期，比如，周期，比如，可以用可以用CPU读取一个指令字的最短时间来规定读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期周期时钟周期时钟周期l在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一而需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。节拍常用具有一定宽度的电位个时间段称为一个节拍。节拍常用具有一定宽度的电位信号表示，称之为节拍电位。信号表示，称之为节拍电位。指令周期的基本概念l节拍的宽度取决于节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时完成一次基本的微操作的时间，如：间，如：ALU完成一次正确的运算，寄存器间的一完成一次正确的运算，寄存器间的一次数据传送等。次数据传送等。l不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。l一个机器周期中，包含若干个时钟周期（节拍脉冲一个机器周期中，包含若干个时钟周期（节拍脉冲或或T脉冲）。脉冲）。lCPU周期规定，不同的计算机中规定不同周期规定，不同的计算机中规定不同2.每条指令的指令周期不同每条指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期执行阶段执行阶段指令周期指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期NOPADDmemMULmem6.23.具有间接寻址的指令周期具有间接寻址的指令周期取指周期取指周期间址周期间址周期指令周期指令周期执行周期执行周期4.带有中断周期的指令周期带有中断周期的指令周期取指周期取指周期间址周期间址周期指令周期指令周期执行周期执行周期中断周期中断周期6.25.指令周期流程指令周期流程取指周期取指周期执行周期执行周期有间址吗？有间址吗？有中断吗？有中断吗？间址周期间址周期中断周期中断周期是是是是否否否否6.CPU工作周期的标志工作周期的标志CPU访存有访存有4种性质种性质取取指令指令取取地址地址取取操作数操作数存存程序断点程序断点取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXDCPU的的4个工作周期个工作周期6.21.取指周期数据流取指周期数据流二、二、指令周期的数据流指令周期的数据流MDRCUMARPCIR存储器存储器CPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线IR+16.2MOV指令的指令周期指令的指令周期-取指取指程序计数器程序计数器PC中装入第一条指令地址中装入第一条指令地址101（八进制）；（八进制）；PC的内容被放到指令地址总线的内容被放到指令地址总线ABUS（I）上，对指存进行译码，并启动读命令；）上，对指存进行译码，并启动读命令；从从101号地址读出的号地址读出的MOV指令通过指令总线指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器装入指令寄存器IR；程序计数器内容加程序计数器内容加1，变成，变成102，为取下一条指令做好准备；，为取下一条指令做好准备；指令寄存器中的操作码（指令寄存器中的操作码（OP）被译码；）被译码；CPU识别出是识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。指令，至此，取指周期即告结束。WR/RD2.间址周期数据流间址周期数据流MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PCIR存储器存储器MDR6.23.执行周期数据流执行周期数据流4.中断周期数据流中断周期数据流不同指令的执行周期数据流不同不同指令的执行周期数据流不同MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PC存储器存储器6.25.2.2MOV指令的指令周期指令的指令周期-执行执行操作控制器（操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，）作源寄存器，选择选择R0作目标寄存器；作目标寄存器；OC送出控制信号到送出控制信号到ALU，指定，指定ALU做传送操作；做传送操作；OC送出控制信号，打开送出控制信号，打开ALU输出三态门，将输出三态门，将ALU输出送到数据总线输出送到数据总线DBUS上。上。注意，任何时候注意，任何时候DBUS上只能有一个数据。上只能有一个数据。OC送出控制信号，将送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；）；OC送出控制信号，将送出控制信号，将DR中的数据中的数据10打入到目标寄存器打入到目标寄存器R0，R0的内容由的内容由00变为变为10。至此，。至此，MOV指令执行结束。指令执行结束。LAD指令的指令周期指令的指令周期l取指周期取指周期l执行周期执行周期LAD指令的指令周期ADD指令的指令周期指令的指令周期ADD指令的指令周期指令的指令周期STO指令的指令周期指令的指令周期STO指令的指令周期指令的指令周期JMP指令的指令周期指令的指令周期JMP指令的指令周期指令的指令周期时序产生器作用和体制时序产生器作用和体制1.作用：作用：lCPU中的控制器用它指挥机器的工作中的控制器用它指挥机器的工作lCPU可以用时序信号可以用时序信号/周期信息来辨认从内存中周期信息来辨认从内存中取出的是指令（取指）还是数据（执行）取出的是指令（取指）还是数据（执行）l一个一个CPU周期中时钟脉冲对周期中时钟脉冲对CPU的动作有严格的的动作有严格的约束约束l操作控制器发出的各种信号是时间（时序信号）操作控制器发出的各种信号是时间（时序信号）和空间（部件操作信号）的函数。和空间（部件操作信号）的函数。时序产生器作用和体制时序产生器作用和体制2.体制体制l组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是电位是电位脉冲制（以触发器为例）脉冲制（以触发器为例）lD为电位输入端，为电位输入端，CP（ClockPulse）为脉冲输入端）为脉冲输入端lR,S为电位输入端为电位输入端l特性方程如下特性方程如下D=0时，时，CP上升沿到来时，上升沿到来时，D触发器状态置触发器状态置0D=1时，时，CP上升沿到来时，上升沿到来时，D触发器状态置触发器状态置1时序产生器作用和体制时序产生器作用和体制时序产生器作用和体制l硬布线控制器，采用主状态周期节拍电位节拍脉冲三级体制时序信号产生电路复杂时序产生器作用和体制l微程序控制器，节拍电位节拍脉冲二级体制利用微程序顺序执行来实现微操作时序信号产生电路简单时序信号产生器时序信号产生器1.功能：产生时序信号功能：产生时序信号l各型计算机产生时序电路不相同各型计算机产生时序电路不相同l大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的时序电路简单时序电路简单2.构成：构成：l时钟源时钟源l环形脉冲发生器环形脉冲发生器l节拍脉冲和读写时序译码逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑l启停控制逻辑启停控制逻辑一、时钟脉冲源一、时钟脉冲源电路左边是振荡电路，右边是整形电路，左边的电路产电路左边是振荡电路，右边是整形电路，左边的电路产生接近正弦波的波形，右边非门则将其整形为一个理想生接近正弦波的波形，右边非门则将其整形为一个理想的方波的方波11RC1C2二、环形脉冲发生器二、环形脉冲发生器作用：产生一组有序间隔相等或不等的脉冲作用：产生一组有序间隔相等或不等的脉冲序列序列毛刺产生原因：电路内部原因以及寄存器参毛刺产生原因：电路内部原因以及寄存器参数的影响，避免方法：采用循环移位寄存器数的影响，避免方法：采用循环移位寄存器电路分析：电路分析：S为置位端，为置位端，R为复位端为复位端SRDCPQQ三、环形脉冲发生器三、环形脉冲发生器三、环形脉冲发生器三、环形脉冲发生器C4C1C2C3四、节拍脉冲和读四、节拍脉冲和读/写时序的编码写时序的编码l节拍脉冲的译码逻辑（一个节拍脉冲的译码逻辑（一个CPU周期包含周期包含4个个等间隔的节拍脉冲）等间隔的节拍脉冲）读写时序信号的译码逻辑表达式读写时序信号的译码逻辑表达式以上带以上带0的表示信号来自微程序控制器，持续一个的表示信号来自微程序控制器，持续一个CPU周期周期读写时序信号受到控制的信号，而节拍脉冲信号时计算机加读写时序信号受到控制的信号，而节拍脉冲信号时计算机加上电源后就产生。上电源后就产生。五、启停控制逻辑五、启停控制逻辑启动、停机是随机的，对读启动、停机是随机的，对读/写时序信号也需要由启停逻辑写时序信号也需要由启停逻辑加以控制。加以控制。当运行触发器为当运行触发器为“1”时，打时，打开时序电路。当计算机启动时，开时序电路。当计算机启动时，一定要从第一定要从第1个节拍脉冲前沿个节拍脉冲前沿开始工作。开始工作。当运行触发器当运行触发器“0”时，关闭时，关闭时序产生器。停机时一定要在时序产生器。停机时一定要在第第4个节拍脉冲结束后关闭时个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。序产生器。控制方式控制方式l机器指令所包含的机器指令所包含的CPU周期数反映了指令周期数反映了指令的复杂程度，不同的复杂程度，不同CPU周期的操作信号的周期的操作信号的数目和出现的先后次序也不相同。数目和出现的先后次序也不相同。l控制方式：控制不同操作序列时序信号的控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。方法。l分为以下几种：分为以下几种：同步控制方式同步控制方式异步控制方式异步控制方式联合控制方式联合控制方式控制方式l同步控制方式（指令的机器周期和时钟周期数不变）同步控制方式（指令的机器周期和时钟周期数不变）完全统一的机器周期执行各种不同的指令完全统一的机器周期执行各种不同的指令采用不定长机器周期采用不定长机器周期中央控制于局部控制的结合中央控制于局部控制的结合l异步控制方式异步控制方式每条指令需要多长时间就占多长时间每条指令需要多长时间就占多长时间l联合控制方式联合控制方式大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采用异步方式用异步方式机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固定（微程序控制器采用）定（微程序控制器采用）微程序控制原理微程序控制原理1.微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作微命令，它是构成控制序列的最小单位。微命令，它是构成控制序列的最小单位。例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉冲等。冲等。2.微操作：是微命令的操作过程。微操作：是微命令的操作过程。微命令和微操作是一一对应的。微命令和微操作是一一对应的。微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微操作是执行部件中最基本的操作。微操作是执行部件中最基本的操作。由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容的和互斥：由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容的和互斥：1.互斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的互斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的微操作。可以编码微操作。可以编码2.相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操作。必须各占一位作。必须各占一位微程序控制原理微程序控制原理3、微指令：把在同一、微指令：把在同一CPU周期内并行执行的微操作控制信周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一条微指令息，存储在控制存储器里，称为一条微指令（Microinstruction）。）。它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中一条微指令通常至少包含两大部分信息：一条微指令通常至少包含两大部分信息：l操作控制字段，又称微操作码字段，用以产生某一步操作所需操作控制字段，又称微操作码字段，用以产生某一步操作所需的各个微操作控制信号。的各个微操作控制信号。某位为某位为1，表明发微指令，表明发微指令微指令发出的控制信号都是节拍电位信号，持续时间为一个微指令发出的控制信号都是节拍电位信号，持续时间为一个CPU周期周期微命令信号还要引入时间控制微命令信号还要引入时间控制l顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控制产生下一条要执顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控制产生下一条要执行的微指令地址。行的微指令地址。4、微程序、微程序一系列微指令的有序集合就是微程序。一系列微指令的有序集合就是微程序。l一段微程序对应一条机器指令。一段微程序对应一条机器指令。l微地址微地址：存放微指令的控制存储器的单元地址：存放微指令的控制存储器的单元地址6.3 微程序控制器微程序控制器l基本思想：仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指基本思想：仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，令，存放到控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指令运行所需的操作控制信号。从上述可以看出，微产生指令运行所需的操作控制信号。从上述可以看出，微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。l发展发展微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的MVWilkes教授于教授于1951年年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的，当时还没有合适的存在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的，当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的元件。放微程序的控制存储器的元件。到到1964年，年，IBM公司在公司在IBM360系列机上成功地采用了微程序设计系列机上成功地采用了微程序设计技术。技术。20世纪世纪70年代以来，由于年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微程序设计技术技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。的发展和应用。目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。微程序控制原理微程序控制原理l微指令基本格式微程序控制原理微程序控制原理l以十进制加法指令流程以十进制加法指令流程数据通路图数据通路图操作流程图操作流程图微程序控制原理l四四条微指令条微指令如下如下000000000000111111000000000取指令操作信号取指令操作信号P1判别01010010010000000001001修改为1010存结果LDR2R1-XR2-Y+十进制加法指令的微程序010001001100000000100001001存结果LDR2R2-XR3-Y+P2判别P2条件为0，转到取指令的公操作010001001001000000000000001存结果LDR2R2-XR3-Y-转到取指令的公操作微程序控制原理微程序控制原理l控制存储器控制存储器(CM)。l这是微程序控制器的核心部件，这是微程序控制器的核心部件，用来存放微用来存放微程序程序。其性能其性能(包括容量、速度、可靠性等包括容量、速度、可靠性等)与计算机的性能密切相关。与计算机的性能密切相关。微程序控制原理微程序控制原理微微指令寄存器指令寄存器(IR)l用来存放从用来存放从CM取出的正在执行的微取出的正在执行的微指令指令，它的位它的位数同微指令字长相等数同微指令字长相等。微地址形成部件微地址形成部件l用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行。的连续执行。微地址寄存器微地址寄存器(MAR)l它接受微命令地址形成部件送来的微地址，为下一它接受微命令地址形成部件送来的微地址，为下一步从步从CM中读取微指令作准备。中读取微指令作准备。微程序控制原理微程序控制原理微程序控制器的工作过程微程序控制器的工作过程(1)执行取指令的公共操作。取指令的公共操作通常由一段取指微程执行取指令的公共操作。取指令的公共操作通常由一段取指微程序来完成，在机器开始运行时，自动将取指微程序的入口微地址序来完成，在机器开始运行时，自动将取指微程序的入口微地址送送MAR，并从，并从CM中读出相应的微指令送入中读出相应的微指令送入IR。微指令的操。微指令的操作控制字段产生有关的微命令，用来控制实现取机器指令的公共作控制字段产生有关的微命令，用来控制实现取机器指令的公共操作。取指微程序的入口地址一般为操作。取指微程序的入口地址一般为CM的的0号单元，当取指微号单元，当取指微命令程序执行完后，从主存中取出的机器指令就已存人指令寄存命令程序执行完后，从主存中取出的机器指令就已存人指令寄存器器IR中了。中了。(2)由机器指令的操作码字段通过微命令地址形成部件产生出该机器由机器指令的操作码字段通过微命令地址形成部件产生出该机器指令所对应的微命令程序的入口地址，并送入指令所对应的微命令程序的入口地址，并送入MA(3)从从CM中逐条取出对应的微命令指令并执行之，每条微命令指令中逐条取出对应的微命令指令并执行之，每条微命令指令都能自动产生下一条微命令指令的地址。都能自动产生下一条微命令指令的地址。(4)一条机器指令对应的微指令一条机器指令对应的微指令的最后一条微的最后一条微命令命令指令执行完毕后，指令执行完毕后，其下一条微其下一条微命令命令指令地址又回到取指微指令地址又回到取指微命令命令程序的人口地址，从程序的人口地址，从而继续第而继续第(1)步，以完成取下条机器指令的公共操作。步，以完成取下条机器指令的公共操作。l以上是一条机器指令的执行过程，如此周而复始，直到整个程序以上是一条机器指令的执行过程，如此周而复始，直到整个程序的所有机器指令执行完毕。的所有机器指令执行完毕。3.工作原理工作原理控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PQ+1取指取指微指令微指令对应对应LDA操操作的微作的微指令指令对应对应ADD操操作的微作的微指令指令Q+1Q+2MM+1M+2P+1M对应对应STA操操作的微作的微指令指令K+1K+2MKK+2K+1LDAXADDYSTAZ主存主存STP用用户户程程序序微程序控制原理微程序控制原理CPU周期和微指令周期的关系周期和微指令周期的关系微指令周期：读出微指令并执行该条微指令的时间微指令周期：读出微指令并执行该条微指令的时间如何保证一个微指令周期等于一个如何保证一个微指令周期等于一个cpu周期？周期？机器指令与机器指令与微指令的关系微指令的关系状态信息根据指令的微程序流程根据指令的微程序流程图可设计微程序图可设计微程序静态微程序设计和动态微程序设计静态微程序设计和动态微程序设计静态静态 微程序无需改变，采用微程序无需改变，采用 ROM动态动态 通过通过 改变微指令改变微指令 和和 微程序微程序 改变机器指令改变机器指令 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROM 毫微程序设计毫微程序设计1.毫微程序设计的基本概念毫微程序设计的基本概念微程序设计微程序设计 用用 微程序解释机器指令微程序解释机器指令毫微程序设计毫微程序设计 用用 毫微程序解释微程序毫微程序解释微程序毫微指令与微指令毫微指令与微指令的关系好比的关系好比微指令与机器指令微指令与机器指令的关系的关系3.毫微指令工作原理毫微指令工作原理控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期微微指令指令对应对应LDA操操作的微作的微指令指令对应对应ADD操操作的微作的微指令指令Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应STA操操作的微作的微指令指令K+1K+2MKK+2K+1LDAXADDYSTAZ主存主存STP用用户户程程序序3.毫微指令工作原理毫微指令工作原理(1)取指阶段取指阶段MCMARCM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令形成下条微指令地址形成下条微指令地址Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令M+1M+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR0010000M+2100001M+1M010010M+2M+1形成下条微指令地址形成下条微指令地址执行取指微执行取指微指令指令(2)执行阶段执行阶段CM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令OP(IR)微地址形成部件微地址形成部件CMAR(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2M执行执行LDA微程序微程序形成下条微指令地址形成下条微指令地址P+1形成下条微指令地址形成下条微指令地址P+2形成下条微指令地址形成下条微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+10001001P+1P(3)取指阶段取指阶段CM(CMAR)CMDR由由CMDR发命令发命令MCMARPCMAR1R100001M+1M全部微指令存在全部微指令存在CM中中，程序执行过程中，程序执行过程中只需读出只需读出关键关键微指令的微指令的操作控制字段如何形成微操作命令操作控制字段如何形成微操作命令微指令的微指令的后继地址如何形成后继地址如何形成执行取指微执行取指微指令指令例设某计算机运算器框图如图所示，其中ALU为16位的加法器(高电平工作)，SA,SB为16位暂存器。4个通用寄存器由D触发器组成，Q端输出，其读、写控制功能见下表。写控制读控制选择WA1WA0W选择RA1RA0R不写入*0不读出*0R3111R3111R2011R2011R1101R1101R0001R0001机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见上页图（b)。其中读ROM是从控存中读出一条微指令时间，为1s；ALU工作是加法器做加法运算，为500ns；m1是读寄存器时间，为500ns；m2是写寄存器的工作脉冲宽度，为100ns。微指令字长12位，微指令格式如下：RA0RA1：读R0-R3的选择控制WA0WA1：写R0-R3的选择控制R：寄存器读命令W：寄存器写命令LDSA：打入SA的控制信号LDSB：打入SB的控制信号SB-ALU：传送SB的控制信号SB-ALU：传送SB的控制信号,并使加法器最低位加1.Reset：清暂存器SB为零的信号：一段微程序结束，转入取机器指令的控制信号RA0RA1WA0WA1R-W LDSA LDSBSB-ALUSB-ALUReset 要求：用二进制代码写出如下指令的微程序：要求：用二进制代码写出如下指令的微程序：(1)“ADDR0，R1”指令，即指令，即(R0)+(R1)R1(2)“SUBR2，R3”指令，即指令，即(R3)-(R2)R3(3)“MOVR2，R3”指令，即指令，即(R2)(R3)l其中未考虑其中未考虑“取指周期取指周期”和顺序控制问题，也即微程序仅考和顺序控制问题，也即微程序仅考虑虑“执行周期执行周期”，微指令序列的顺序用数字标号标在每条微，微指令序列的顺序用数字标号标在每条微指令的右上角。每一框表示一条微指令。指令的右上角。每一框表示一条微指令。l根据给定的微指令周期时间关系，完成根据给定的微指令周期时间关系，完成ADD，SUB指令的指令的执行动作需要执行动作需要3条微指令，条微指令，MOV指令只需指令只需2条微指令。用二条微指令。用二进制代码写出的三条指令的微程序列于下表中，其中进制代码写出的三条指令的微程序列于下表中，其中*表表示代码随意设置示代码随意设置(0或或1均可均可)。先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。指令微程序代码ADD00*1010000001*10010000*0101001001SUB11*1010000010*10010000*1101000101MOV10*10100000*1101001011RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset微程序设计技术微程序设计技术一、设计微指令应当追求的目标、设计微指令应当追求的目标有利于缩短微指令的长度有利于缩短微指令的长度有利于缩小有利于缩小CM的容量的容量有利于提高微程序的执行速度有利于提高微程序的执行速度有利于对微指令的修改有利于对微指令的修改有利于提高微程序设计的灵活性有利于提高微程序设计的灵活性微指令的编码方式（控制方式）微指令的编码方式（控制方式）1.直接编码（直接控制）方式直接编码（直接控制）方式 在微指令的操作控制字段中在微指令的操作控制字段中 每一位代表一个微操作命令每一位代表一个微操作命令速度最快速度最快下地址下地址控制信号控制信号操作控制操作控制某位为某位为“1”表示该控制信号有效表示该控制信号有效微程序设计技术微程序设计技术2.字段直接编码方式字段直接编码方式将微指令的控制字段分成若干将微指令的控制字段分成若干“段段”每段经译码后发出控制信号每段经译码后发出控制信号每个字段中的命令是每个字段中的命令是 互斥互斥 的的译码译码译码译码译码译码下地址下地址操作控制操作控制控制信号控制信号缩短缩短了微指令了微指令字长字长，增加增加了译码了译码时间时间微程序执行速度较慢微程序执行速度较慢3.字段间接编码方式字段间接编码方式字段字段1字段字段2译码译码译码译码译码译码操作控制操作控制控制信号控制信号字段字段n下地址下地址控制信号控制信号微程序设计技术微程序设计技术4、混合编码法：将前两种结合在一起，兼顾两、混合编码法：将前两种结合在一起，兼顾两者特点。一个字段的某些编码不能独立地定者特点。一个字段的某些编码不能独立地定义某些微命令，而需要与其他字段的编码来义某些微命令，而需要与其他字段的编码来联合定义，联合定义，123456789顺序控制4、5：00无操作01R1X10R2X11DRX6、7：00无操作01R3Y10R2Y11R1Y8、9：00无操作011011M混和表示法混和表示法1、2、3位为直接表示法位为直接表示法4、56、7 8、9位为编码表示法位为编码表示法微程序设计技术微程序设计技术微程序设计技术微程序设计技术l编码注意几点：字段编码法中操作控制字段并非是任意编码注意几点：字段编码法中操作控制字段并非是任意的，必须要遵循如下的原则：的，必须要遵循如下的原则：把互斥性的微命令分在同一段内，兼容性的微命令分把互斥性的微命令分在同一段内，兼容性的微命令分在不同段内。这样不仅有助于提高信息的利用率，缩在不同段内。这样不仅有助于提高信息的利用率，缩短微指令字长，而且有助于充分利用硬件所具有的并短微指令字长，而且有助于充分利用硬件所具有的并行性，加快执行的速度。行性，加快执行的速度。应与数据通路结构相适应。应与数据通路结构相适应。每个小段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码每个小段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码线路的复杂性和译码时间。线路的复杂性和译码时间。一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。因此当某字段的长度为三位时，最多只任何微命令。因此当某字段的长度为三位时，最多只能表示七个互斥的微命令，能表示七个互斥的微命令，通常用通常用000表示不操作。表示不操作。微程序设计技术微程序设计技术二、微指令地址的形成二、微指令地址的形成l入口地址：每条机器指令对应一段微程序，当公用的取指微入口地址：每条机器指令对应一段微程序，当公用的取指微程序从主存中取出机器指令之后，由机器指令的操作码字段程序从主存中取出机器指令之后，由机器指令的操作码字段指出各段微程序的入口地址，这是一种多分支指出各段微程序的入口地址，这是一种多分支(或多路转移或多路转移)的情况。的情况。3.工作原理工作原理控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期微程序微程序对应对应LDA操操作的微程序作的微程序对应对应ADD操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应STA操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+1LDAXADDYSTAZ主存主存STP用用户户程程序序后继微地址形成方法的方式主要有两种：后继微地址形成方法的方式主要有两种：1.增量计数器增量计数器2.分支转移分支转移(CMAR)+1CMAR 转移地址转移地址操作控制字段操作控制字段 转移方式转移方式转移方式转移方式指明判别条件指明判别条件转移地址转移地址指明转移成功后的去向指明转移成功后的去向微程序设计技术微程序设计技术微程序设计技术微程序设计技术微指令控制器原理图微指令控制器原理图后继微指令地址形成方式原理图后继微指令地址形成方式原理图82594230多路选择多路选择地址地址选择选择+1CMAR地址译码地址译码下地址下地址转移方式转移方式CMDR控制存储器控制存储器控制信号控制信号分支分支逻辑逻辑标志标志微程序入口微程序入口OPIR微地址微地址形成部件形成部件【例例】微地址寄存器有微地址寄存器有6位位(A5-A0)，当需要修改，当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端其内容时，可通过某一位触发器的强置端S将其将其置置“1”。现有三种情况：。现有三种情况：(1)执行执行“取指取指”微指令后，微程序按微指令后，微程序按IR的的OP字段字段(IR3-IR0)进行进行16路分支；路分支；(2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志执行条件转移指令微程序时，按进位标志C的状态进行的状态进行2路分支；路分支；(3)执行控制台指令微程序时，按执行控制台指令微程序时，按IR4，IR5的的状态进行状态进行4路分支。路分支。请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。按所给设计条件，微程序有三种判别测试，分别为P1，P2，P3。由于修改A5-A0内容具有很大灵活性，现分配如下：(1)用P1和IR3-IR0修改A3-A0；(2)用P2和C修改A0；(3)用P3和IR5，IR4修改A5，A4。另外还要考虑时间因素T4(假设CPU周期最后一个节拍脉冲)，故转移逻辑表达式如下：A5=P3IR5T4A4=P3IR4T4A3=P1IR3T4A2=P1IR2T4A1=P1IR1T4A0=P1IR0T4+P2CT4由于从触发器强置端修改，故前5个表达式可用“与非”门实现，最后一个用“与或非”门实现。下图仅画出了A2、A1、A0触发器的微地址转移逻辑图。微程序设计技术微程序设计技术3、微指令格式分为两类：水平型微指令和垂直型微指令（1）水平型微指令l水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。l格式如下控制字段判别测试字段 下地址字段按照控制字段的编码方式分：全水平型、字段译码法按照控制字段的编码方式分：全水平型、字段译码法水平型、直接和译码混合型水平型、直接和译码混合型微程序设计技术水平型微指令特点：优点：微指令字较长，速度越快。微指令中的微操作有高度的并行性。微指令译码简单。控制存储器的纵向容量小，灵活性强。缺点：微指令字比较长，明显地增加了控制存储器的横向容量。水平微指令与机器指令差别很大，一般要熟悉机器结构、数据通路、时序系统以及指令执行过程的人才能进行微程序设计，这对用户来说是很困难的。微程序设计技术（2）垂直型微指令：采用编码方式。）垂直型微指令：采用编码方式。设置微操作控制字段时，一次只能执行一到设置微操作控制字段时，一次只能执行一到二个微命令的微指令称为垂直型微指令。二个微命令的微指令称为垂直型微指令。微程序设计技术水平型微指令和垂直型微指令的比较(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。静态微程序设计和动态微程序设计静态微程序设计和动态微程序设计静态静态 微程序无需改变，采用微程序无需改变，采用 ROM动态动态 通过通过 改变微指令改变微指令 和和 微程序微程序 改变机器指令改变机器指令 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROM 毫微程序设计毫微程序设计1.毫微程序设计的基本概念毫微程序设计的基本概念微程序设计微程序设计 用用 微程序解释机器指令微程序解释机器指令毫微程序设计毫微程序设计 用用 毫微程序解释微程序毫微程序解释微程序毫微指令与微指令毫微指令与微指令的关系好比的关系好比微指令与机器指令微指令与机器指令的关系的关系6.4 硬布线控制器硬布线控制器1、实现方法、实现方法通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控制方式逻辑控制方式2、设计目标、设计目标使用最少元件（复杂的树形网络）使用最少元件（复杂的树形网络）速度最高速度最高硬布线控制器3、逻辑原理（1）逻辑原理图C为微操作控制信号Im为译码器输出，Mi为节拍电位，Tk为节拍脉冲，Bj为状态条件C由组合电路实现，速度快，但难以修改。（2）指令的执行流程微程序控制器时序信号简单。只需要若干节拍脉冲信号即可。组合逻辑控制器除了节拍脉冲信号外，还需要节拍电位信号。返回硬布线控制器（3）微操作控制信号产生在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重复使用。在硬联线控制器中，某一微操作控制信号由布尔代数表达式描述的输出函数产生。设计微操作控制信号的方法和过程是，根据所有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作信号的所有条件，并与适当的节拍电位和节拍脉冲组合，从而写出其布尔代数表达式并进行简化，然后用门电路或可编程器件来实现。硬布线控制器4、设计步骤、设计步骤（1）画出指令流程图）画出指令流程图（2）列出微操作时间表）列出微操作时间表l将指令流程图中的微操作合理地安排到各个机器周期的相应节将指令流程图中的微操作合理地安排到各个机器周期的相应节拍和脉冲中去；拍和脉冲中去；l微操作时间表形象地表明：什么时间、根据什么条件发出哪些微操作时间表形象地表明：什么时间、根据什么条件发出哪些微操作信号。微操作信号。（3）进行微操作信号的综合）进行微操作信号的综合l当列出所有指令的微操作时间表之后，需要对它们进行综合分析，当列出所有指令的微操作时间表之后，需要对它们进行综合分析，把凡是要执行某一微操作的所有条件把凡是要执行某一微操作的所有条件(哪条指令、哪个机器周期、哪哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉冲等个节拍和脉冲等)都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的逻辑表达式，然后加以简化，使逻辑表达式更为合理。逻辑表达式，然后加以简化，使逻辑表达式更为合理。（4）实现电路）实现电路l根据整理并化简的逻辑表达式组，可以用一系列组合逻辑电路加以根据整理并化简的逻辑表达式组，可以用一系列组合逻辑电路加以实现，加根据逻辑表达式画出逻辑电路图，用逻辑门电路的组合来实现，加根据逻辑表达式画出逻辑电路图，用逻辑门电路的组合来实现之，也可以直接根据逻辑表达式，用实现之，也可以直接根据逻辑表达式，用PLA或其他逻辑电路实现或其他逻辑电路实现。安排微操作时序的原则安排微操作时序的原则原则一原则一微操作的微操作的先后顺序不得先后顺序不得随意随意更改更改原则二原则二被控对象不同被控对象不同的微操作的微操作尽量安排在尽量安排在一个节拍一个节拍内完成内完成原则三原则三占用占用时间较短时间较短的微操作的微操作尽量尽量安排在安排在一个节拍一个节拍内完成内完成并并允许有先后顺序允许有先后顺序硬布线控制器设计步骤硬布线控制器设计步骤1.列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0FE取指取指JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII11111111111111111111111111111111111111111111111.列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0IND间址间址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111硬布线控制器设计步骤硬布线控制器设计步骤1.列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0EX执行执行JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W1111111111111硬布线控制器设计步骤硬布线控制器设计步骤2.写出微操作命令的最简表达式写出微操作命令的最简表达式=FET1+INDT1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EXT1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)3.画出逻辑图画出逻辑图特点特点思路清晰思路清晰简单明了简单明了庞杂庞杂调试困难调试困难修改困难修改困难速度快速度快&11&FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&6.5CPU新技术新技术一、如何提高机器速度一、如何提高机器速度1.提高访存速度提高访存速度提高整机处理能力提高整机处理能力高速芯片高速芯片Cache多体并行多体并行高速器件高速器件改进系统结构改进系统结构，开发系统的并行性，开发系统的并行性2.提高运算器速度提高运算器速度高速芯片高速芯片改进算法改进算法快速进位链快速进位链二、系统的并行性二、系统的并行性时间上互相重叠时间上互相重叠2.并行性的等级并行性的等级指令级（指令之间）指令级（指令之间）过程级（程序、进程）过程级（程序、进程）两个或两个以上事件在两个或两个以上事件在同一时刻同一时刻发生发生两个或两个以上事件在两个或两个以上事件在同一时间段同一时间段发生发生并行并行1.并行的概念并行的概念粗粒度粗粒度软件实现软件实现细粒度细粒度硬件实现硬件实现并发并发同时同时并行处理技术并行处理技术l三种形式三种形式时间并行（重叠）：让多个处理过程在时间时间并行（重叠）：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部件，以加快硬件周转而赢得速度，实现个部件，以加快硬件周转而赢得速度，实现方式就是采用流水处理部件方式就是采用流水处理部件空间并行（资源重复）：以数量取胜空间并行（资源重复）：以数量取胜l它能真正的体现同时性它能真正的体现同时性lLSI和和VLSI为其提供了技术保证为其提供了技术保证时间时间+空间并行空间并行lPentium中采用了超标量流水线技术中采用了超标量流水线技术 流水流水CPU的结构的结构l流水计算机的系统组成流水计算机的系统组成存储器体系：主存采用多存储器体系：主存采用多体交叉存储器；体交叉存储器；Cache流水方式流水方式CPU：指令部件、：指令部件、指令队列、执行部件指令队列、执行部件指令流水线指令流水线指令队列：指令队列：FIFO执行部件：可以有多个执行部件：可以有多个采用流水线方式构成的采用流水线方式构成的算术逻辑部件构成，可算术逻辑部件构成，可以将定点运算部件和浮以将定点运算部件和浮点运算部件分开。点运算部件分开。流水流水CPU的结构的结构l流水线流水线CPU时空图时空图IF（InstructionFetch取指）取指）ID（InstructionDecode指令译码）指令译码）EX（Execution执行）执行）WB（Wri