1、計(jì)算機(jī)組成原理The Principle of Computer（2007年3月）1第6章 控制系統(tǒng)與CPU6.1控制器概述6.2控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)6.3CPU的總體結(jié)構(gòu)6.4模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)6.5組合邏輯控制器設(shè)計(jì)6.6微程序控制器設(shè)計(jì)6.7流水線處理技術(shù)6.8CPU舉例6.1控制器概述控制器是計(jì)算機(jī)的指揮和控制中心6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟6.1.2控制器的基本功能6.1.3控制器的組成6.1.4控制器的組成方式1.取指令2.分析指令（1）產(chǎn)生操作控制電位（2）形成操作數(shù)的有效地址，以進(jìn)行存/取，或形成轉(zhuǎn)移地址以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移3.執(zhí)行指令6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟開始取指令，PC

2、增量PC尋址？計(jì)算地址轉(zhuǎn)移指令？取操作數(shù)執(zhí)行指令，保存結(jié)果異常/中斷？轉(zhuǎn)去處理執(zhí)行轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)向地址PCNNNYYY指令執(zhí)行的一般流程分析指令程序控制原理 1、編程 2、送主存（通過輸入設(shè)備） 3、機(jī)器工作時(shí)，是按一定的序列逐條取出指令，分析指令，執(zhí)行指令，并自動轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行，直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。 4、程序控制由控制器承擔(dān)，程序執(zhí)行由運(yùn)算器和外部設(shè)備具體負(fù)責(zé)，程序存儲由存儲器完成。6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟1.控制指令的正確執(zhí)行（1）指令流出控制：取指令（PC）MAR，Read（MDR） IR（2）分析指令：指令譯碼器ID分析確定操作性質(zhì)，判明尋址方式并形成操作數(shù)的有效地址EA（3）執(zhí)行

3、：根據(jù)分析的結(jié)果和形成的EA產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號序列，控制相應(yīng)部件完成操作（4）指令流向控制：下一條指令地址的形成控制（PC）=本條指令的（PC）+本條指令字長 （PC）=轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址（或子程序入口地址，或中斷服務(wù)程序入口地址）6.1.2控制器的基本功能2.控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出3.異常情況、特殊請求的檢測和處理：中斷6.1.2控制器的基本功能輸入設(shè)備主存儲器輔助存儲器輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器輸入輸出程序原始數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果指令數(shù)據(jù)線控制信號線6.1.3 控制器的組成去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù)對各功能部件產(chǎn)生控制PSR地址形成部件時(shí)序部件指令譯碼器PC微操作信號產(chǎn)生器.控制器基本結(jié)構(gòu)O P 尋

4、址方式 ACALUDBABGRI/O狀態(tài)信息IRDB啟停電路控制臺脈沖源到MAR或ALU中斷控制邏輯中斷源MAR增量MDR1.指令部件指令部件應(yīng)包括程序計(jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器（ID）、程序狀態(tài)寄存器（PSR）和地址形成部件等5個(gè)部分。（1）程序計(jì)數(shù)器PC：指令地址寄存器，用來指出在內(nèi)存中存放的將要取的指令的單元地址。傳送指令地址給MAR。（2）指令寄存器IR：指令寄存器用來存放現(xiàn)行指令的代碼。從MDR接收指令。（3）指令譯碼器ID：操作碼譯碼器，用以產(chǎn)生操作性質(zhì)的控制電位，并將其送到微操作（一條指令的執(zhí)行過程可以分解為若干簡單的基本操作，稱為微操作）控制線路上，在時(shí)序部

5、件定時(shí)信號作用下，產(chǎn)生具體的控制操作信號。（4）地址形成部件：根據(jù)尋址方式的不同，用來形成操作數(shù)有效地址的功能部件。6.1.3 控制器的組成（5）程序狀態(tài)字寄存器(PSR)存放程序狀態(tài)字PSW，用來表征當(dāng)前運(yùn)算的狀態(tài)及程序的工作方式。如MCS-51單片機(jī)的PSWCYACFORS1RS0OVPCY（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位。 AC（PSW.6）輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。 FO（PSW.5）由用戶定義的標(biāo)志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器組選擇位。 OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位。 由硬件置位或清零。 6.1.3 控制器的組成2.時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件就是用來產(chǎn)生各部件

6、進(jìn)行微操作所需要的定時(shí)控制信號的部件，保證各個(gè)微操作的執(zhí)行順序。（1）脈沖源：利用晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的主時(shí)鐘脈沖（主頻）。（2）啟停電路：控制機(jī)器工作的啟動和停止（3）時(shí)序信號發(fā)生器：產(chǎn)生機(jī)器所需的時(shí)序信號，以控制有關(guān)部件在不同的時(shí)間完成不同的微操作。6.1.3 控制器的組成3.微操作控制信號形成部件 （1）微操作是指計(jì)算機(jī)中最基本的操作 （2）微操作控制邏輯，用來產(chǎn)生機(jī)器所需的全部的微操作信號。微操作控制邏輯的作用是把操作碼譯碼器輸出的控制電位，時(shí)序信號以及各種控制條件進(jìn)行組合，按一定時(shí)間順序產(chǎn)生并發(fā)出一系列微操作控制信號，以完成指令規(guī)定的全部操作。4.中斷控制邏輯：用來控制中斷處理的硬

7、件邏輯。5.控制臺：實(shí)現(xiàn)人-機(jī)通信6.1.3 控制器的組成6.1.4 控制器的組成方式微操作控制信號形成部件是控制器的核心，其產(chǎn)生信號的方式有三種：(1) 常規(guī)組合邏輯型(或稱隨機(jī)邏輯法)分立元件時(shí)代的產(chǎn)物；方法是按邏輯代數(shù)的運(yùn)算規(guī)則，以組合電路最小化為原則，用邏輯門電路實(shí)現(xiàn)；速度快。不規(guī)整，可靠性低，不易修改和擴(kuò)充，造價(jià)高。(2)存儲邏輯型（微程序控制邏輯法）將程序設(shè)計(jì)的思想方法引入控制器的控制邏輯；將各種操作控制信號以編碼信息字的形式存入控制存儲器中（CM）；一條機(jī)器指令對應(yīng)一道微程序，機(jī)器指令執(zhí)行的過程就是微程序執(zhí)行的過程。(3) 組合邏輯和存儲邏輯結(jié)合型（可編程邏輯陣列(PLA)法）與

8、組合邏輯型本質(zhì)相同，工藝不同；用大規(guī)模集成電路(LSI)來實(shí)現(xiàn)。6.2控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)6.2.1控制方式6.2.2時(shí)序系統(tǒng)如何形成控制不同微操作序列的時(shí)序控制信號的方法，稱為控制器的控制方式。控制方式通常分為同步控制方式、異步控制方式、同異步聯(lián)合控制方式三類。1.同步控制方式又稱為固定時(shí)序控制方式或無應(yīng)答控制方式。任何指令的執(zhí)行或指令中每個(gè)微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時(shí)序信號的控制。每個(gè)周期狀態(tài)中產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)目的節(jié)拍電位及時(shí)標(biāo)工作脈沖。以最復(fù)雜（微操作序列最長，執(zhí)行時(shí)間最長）指令的實(shí)現(xiàn)需要為基準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，操作控制容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：效率低。6.2.1 控制方式2.異步控制方式可變時(shí)

9、序控制方式或應(yīng)答控制方式。執(zhí)行一條指令需要多少節(jié)拍，不作統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)每條指令的具體情況而定，需要多少，控制器就產(chǎn)生多少時(shí)標(biāo)信號。特點(diǎn)：每一條指令執(zhí)行完畢后都必須向控制時(shí)序部件發(fā)回一個(gè)回答信號，控制器收到回答信號后，才開始下一條指令的執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn)：指令的運(yùn)行效率高；缺點(diǎn)：控制線路比較復(fù)雜。異步工作方式一般采用兩條定時(shí)控制線來實(shí)現(xiàn)。我們把這兩條線稱為“請求”線和“回答”線。當(dāng)系統(tǒng)中兩個(gè)部件A和B進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，若A發(fā)出“請求”信號，則必須有B的“回答”信號進(jìn)行應(yīng)答，這次操作才是有效的，否則無效。6.2.1 控制方式3.同步，異步聯(lián)合控制方式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式即聯(lián)合控制方式，區(qū)別對

10、待不同指令。一般的設(shè)計(jì)思想是，在功能部件內(nèi)部采用同步式，而在功能部件之間采用異步式，并且在硬件實(shí)現(xiàn)允許的情況下，盡可能多地采用異步控制。6.2.1 控制方式1. 概念時(shí)序部件：計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘。它用其產(chǎn)生的周期狀態(tài)，節(jié)拍電位及時(shí)標(biāo)脈沖去對指令周期進(jìn)行時(shí)間劃分，刻度和標(biāo)定。指令周期：在計(jì)算機(jī)中從指令的讀取到指令的執(zhí)行完成，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，稱為指令周期。指令周期通常由若干個(gè)CPU周期-取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等來表示，CPU周期也稱為機(jī)器周期，在每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。由于CPU內(nèi)部的操作速度較快，而CPU訪問一次內(nèi)存所花的時(shí)間較長，通常用存儲周期為基礎(chǔ)來規(guī)定CPU周

11、期。6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)2.三級時(shí)序信號周期 （1） 在一個(gè)控制階段內(nèi)均持續(xù)起作用的信號； （2） 通常用周期狀態(tài)寄存器來標(biāo)志和指明某某周期控制； （3） 指令周期可分為取指周期、分析周期、執(zhí)行周期。節(jié)拍 （1） 把一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對應(yīng)一個(gè)電位信號，稱節(jié)拍電位； （2） 一般都以能保證ALU進(jìn)行一次運(yùn)算微操作作為一拍電位的時(shí)間寬度。時(shí)標(biāo)工作脈沖 （1） 及時(shí)改變標(biāo)志狀態(tài)； （2） 時(shí)標(biāo)脈沖的寬度一般為節(jié)拍電位寬度的1/N，只要能保證所有的觸發(fā)器都能可靠地，穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)即可。6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)3.三級時(shí)序信號的關(guān)系一臺計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)的控制信號一般均由若干個(gè)周期狀態(tài)，若

12、干個(gè)節(jié)拍電位及若干個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖這樣三級控制時(shí)序信號定時(shí)完成。三級時(shí)序的組合關(guān)系如圖所示。6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)PW3W2W2W0M1M0周期0周期1節(jié)拍0節(jié)拍1節(jié)拍2節(jié)拍3脈沖6.3CPU的總體結(jié)構(gòu)CPU=控制器+運(yùn)算器6.3.1 寄存器的設(shè)置6.3.2數(shù)據(jù)通路結(jié)果及指令流程分析6.3.1 寄存器的設(shè)置1.指令寄存器IR2.程序計(jì)數(shù)器PC3.程序狀態(tài)寄存器PSR4.累加寄存器AC及通用寄存器GR：AC暫存操作數(shù)據(jù)和結(jié)果，GR是一組程序可訪問的、具有多種功能的寄存器，能提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果、作為地址指針、基址寄存器、變址寄存器、計(jì)數(shù)器等。如Intel 8086的AX、BX、CX、DX、SP、DS

13、、CS、ES、SS、SI、DI等。5.地址寄存器MAR：存放所要訪問的主存單元的地址（來自PC的指令的地址，或來自地址形成部件的操作數(shù)的地址）6.數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR（或MBR）：存放向主存寫入的信息或從主存中讀出的信息6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析1.單總線結(jié)構(gòu)控制信號邏輯IDIRCUIRin時(shí)序部件R0R7R0outR0inR7outR7inPCMARMDRYALUZPSRPCinPCoutMARinMDRinMDRoutYinAB+1ZinZoutIBUSDBUSMEMI/OI/OABUSRWGR6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析【例】在上圖中，A和B 為ALU的兩個(gè)輸入端，且ALU

14、可以實(shí)現(xiàn)A1、A B等功能，主存以字編址，每條指令 和數(shù)據(jù)均占一個(gè)主存單元。分析指令：ADD （R1），R0的操作流程。其中，源操作數(shù)在前。分析：（1）（PC）MAR，READ，PC Y ；送指令地址，讀主存（2）MEM MDR IR，（Y）+1 Z；取指令到IR，PC+1暫存于Z（3）（Z） PC ；PC+1 PC（4）（R1）MAR，READ ；送源操作數(shù)地址（5）MEM MDR Y ；取出源操作數(shù)到Y(jié)中（6）（Y）+（R0） Z ；執(zhí)行加法運(yùn)算，結(jié)果暫存于Z（7）（Z） R0 ；加法結(jié)果送回目標(biāo)寄存器 FIR6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析2.雙總線結(jié)構(gòu)IRPCR0R1R2YTEMPM

15、DRR3ALUID控制信號邏輯時(shí)序部件BFBAINCDECADDSUBGonFPCFR0FR1FR2FR3FMDRFTEMPFYIRBPCBR0BR1BR2BR3BMDRBTEMPBMEMMARFMARRWDBUSABUS6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析【例】在上圖中，F(xiàn)為發(fā)送總線，B為 接收總線，它們通過總線連接器G可直接連接，當(dāng)Gon=1時(shí)，G被打開，B的數(shù)據(jù)可傳向F；當(dāng)Gon=0時(shí)，G被關(guān)閉，兩總線隔離，且ALU可以實(shí)現(xiàn)A1、A B等功能，主存以字編址，每條指令 和數(shù)據(jù)均占一個(gè)主存單元。分析指令：ADD （R1），R0的操作流程。其中，源操作數(shù)在前。分析：操作流程控制信號序列（1）（P

16、C）MAR，READPC B，Gon，F(xiàn) MAR，READ，F(xiàn) Y（2）（PC）+1 PCINC，F(xiàn) PC（3）M MDR IRMDR B， Gon ，F(xiàn) IR（4）（R1） MAR，READR1 B， Gon ，F(xiàn) MAR，READ（5）M MDR YMDR B， Gon ，F(xiàn) Y（6）（Y）+（R0） R0R0 B，ADD， FR06.4模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)6.4.1模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路6.4.2模型機(jī)的指令系統(tǒng)6.4.3模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)6.4.1 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路控制信號邏輯時(shí)序部件IDCCCZIRPCR0R1R2R3MDRSPTEMPYALU移位器判零CZCCCZCPCZCCCPCCSLEXS

17、RDMC0MS3S2S1S0ABPCBR0BR1BR2BR3BMDRBTEMPBBUS1BUS2CPYCPTEMPCPSPCPMDRCPR3CPR2CPR1CPR0CPPCCPIRMARCPMARMEMR/WI/OMREQIOREQDBUSABUS字長=16 CP：脈沖信號R0R3：通用寄存器000011SP：堆棧指示器100PC：程序計(jì)數(shù)器111MAR：地址寄存器MDR：數(shù)據(jù)寄存器TEMP，Y：暫存器CC：進(jìn)位觸發(fā)器，CZ：零觸發(fā)器BUS1：輸入總線BUS2：輸出總線ABUS：地址總線DBUS：數(shù)據(jù)總線CBUS：控制總線內(nèi)部總線系統(tǒng)總線總線6.4.1 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路工作方式選擇S3S2S1

18、S0F的輸出功能（負(fù)邏輯）邏輯運(yùn)算M=1算術(shù)運(yùn)算M=0，C0=00000AA減10101BAB加（A+B）0110ABA+B1001ABA加B1010BAB加（A+B）1011A+BA+B1110ABAB加A1111AAALU功能6.4.2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)1.指令格式OP 尋址方式 RS 尋址方式 RD雙操作數(shù)指令15 12 11 9 8 6 5 3 2 0源操作數(shù)目的操作數(shù)OP 000 備用 尋址方式 RD單操作數(shù)指令15 12 11 9 8 6 5 3 2 0目的操作數(shù)OP 位移量D轉(zhuǎn)移類指令15 12 11 9 8 6 5 3 2 0OP 000 未用 000 未用返回/停機(jī)指令15

19、12 11 9 8 6 5 3 2 0操作碼=4位，共計(jì)16條指令6.4.2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)2.指令系統(tǒng)指令名稱操作碼指令功能傳送（MOV）0000（ES）ED加法（ADD）0001（ED） +（ES） ED減法（SUB）0010（ED）-（ES） ED邏輯與（AND）0011（ED） （ES） ED邏輯或（OR）0100（ED） （ES） ED異或（EOR）0101（ED） （ES） ED加1（INC）0110（ED） +1 ED取反（COM）0111（ED） ED左移（ROL）1000（ED）左移一位 ED ，由指令86位指定移位方式右移（ROR）1001（ED）右移一位 ED ，由指令

20、86位指定移位方式無條件轉(zhuǎn)移（JP）1010（PC）+位移量D PC有進(jìn)位轉(zhuǎn)移（JC）1011若CC=1，則（PC）+位移量D PC結(jié)果零轉(zhuǎn)移（JZ）1100若CZ=1，則（PC）+位移量D PC轉(zhuǎn)子程序（JSR）1101（PC）入棧，（PC）+位移量D PC返回（RTS）1110從棧頂彈出返回地址PC停機(jī)（HALT）1111停機(jī)6.4.2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)3.尋址方式（1）寄存器尋址：尋址方式編碼000，匯編符號為Rn，n為寄存器編號E= Rn（2）寄存器間接尋址：尋址方式編碼001，匯編符Rn或（Rn）E= （Rn）（3）自增型寄存器間接尋址：尋址方式編碼010，匯編符號（Rn）+E=（R

21、n），（Rn）+1Rn（4）自減型寄存器間接尋址：尋址方式編碼011，匯編符號-（ Rn）（Rn）-1Rn ， E=（Rn）（5）變址型尋址：尋址方式編碼100，匯編符號X（ Rn ）E=X+ （ Rn ）6.4.2 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)1.機(jī)器周期：六個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)周期設(shè)一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器（1）取指周期FT：實(shí)現(xiàn)取指令、分析指令和（PC）+1PC的操作（2）取源周期ST：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中源操作數(shù)地址的尋址和取源操作數(shù)。（3）取目的周期DT：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中目的操作數(shù)地址的尋址和取目的操作數(shù)。（4）執(zhí)行周期ET：完成指令規(guī)定的操作并保存結(jié)果（5）中斷周期IT（

22、6）DMA周期DMATQ Q FT SCP DFTQ QR ST CP DSTQ QR DT CP DDTQ QR ETCP DETRESETTENDP1FT1ST1DT1ET一個(gè)周期=4個(gè)節(jié)拍T0、T1、T2、T36.4.2 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)每個(gè)周期內(nèi)可完成主存的一次讀/寫操作。每個(gè)周期=4個(gè)節(jié)拍T0、T1、T2、T3。每個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖，用于寄存器接收代碼。&T0&T1&T2&T3Q Q C2C TQ Q C1C TRESET&P1DTXDRepeatFTSTET雙數(shù)指令DRETRTSETJSR節(jié)拍發(fā)生器原理圖6.4.2 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)PT3T2T1T0M指令周期三級時(shí)序關(guān)系6.5組

23、合邏輯控制器設(shè)計(jì)6.5.1設(shè)計(jì)的步驟6.5.2模型機(jī)的設(shè)計(jì)6.5.1 設(shè)計(jì)的步驟1.繪制指令操作流程圖把指令的執(zhí)行過程分解成若干功能部件能實(shí)現(xiàn)的基本微操作，并以圖的形式排列成有先后次序、相互銜接配合的流程（指令操作流程圖）2.編排指令操作時(shí)間表把指令流程圖中的各個(gè)微操作具體落實(shí)到各個(gè)機(jī)器周期的相應(yīng)節(jié)拍和脈沖中去，并以微操作控制信號的形式編排一張表（指令操作時(shí)間表）3.進(jìn)行微操作綜合對指令操作時(shí)間表中的各個(gè)微操作信號分別按其條件進(jìn)行歸納、綜合，列出其綜合的邏輯表達(dá)式，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、化簡，得到比較合理的邏輯表達(dá)式4.設(shè)計(jì)微操作控制信號形成部件用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式6.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)

24、1. 指令操作流程圖（1）取指周期的操作流程圖（PC） MARREAD，（PC）+1 PC（MDR） IRJUMP？SRDR=？1ST1 DT1 ETYN00或0110FT0FT1FT2FT36.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)（2）取源周期的操作流程圖源尋址？（Rs）（Rs）+-（Rs）RepeatXs（Rs）MAR(Rs) MAR(Rs)-1Rs MAR(Rs)+(Y)MAR(PC)MARREADREAD,(Rs)+1 RsREADREADREAD,(PC)+1PC(MDR)TEMP(MDR)TEMP(MDR)TEMP(MDR)TEMP(MDR)YDR=1?清Repeat置Repeat1ST1DT1E

25、TNY6.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)（3）取目的周期的操作流程圖目的尋址？（RD）（RD）+-（RD）RepeatXD（RD）MAR(RD) MAR(RD)-1RD MAR(RD)+(Y)MAR(PC)MARREAD1ETREAD,(RD)+1 RD1ETREAD1ETREAD,清Repeat1ETREAD,(PC)+1PC(MDR)Y置Repeat1DT6.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)（4）執(zhí)行周期的操作流程圖傳送類指令運(yùn)算類指令轉(zhuǎn)移類指令停機(jī)指令轉(zhuǎn)子/返回指令(略)6.6微程序控制器設(shè)計(jì)6.6.1微程序控制器概述6.6.2微指令的編譯方法6.6.3微程序的順序控制方式6.6.4微指令的執(zhí)行方式6.6.5

26、微程序設(shè)計(jì)方法6.6.6微程序控制器的設(shè)計(jì)步驟6.6.7舉例:模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)微程序控制技術(shù)在現(xiàn)今計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛的采用，其實(shí)質(zhì)是用程序設(shè)計(jì)的思想方法來組織操作控制邏輯。1、微程序控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因 （1）物質(zhì)基礎(chǔ)：ROM （2） 靈活性 （3）提高了可靠性，可利用性及可維護(hù)性(簡稱RAS技術(shù))，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。 （4）有利于機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)的仿真。也就是說，在M1機(jī)器上使用M2機(jī)器語言編寫程序并運(yùn)行，從用戶角度來看，M1和M2無區(qū)別，要能做到這一點(diǎn)，只有機(jī)器具有控存CM的微程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)才行。 （5）其他（反映在以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)）6.6微程序控制器設(shè)計(jì)2、與組合邏輯控制方法相比，

27、微程序控制方法在諸多方面有著顯著的差別 （1） 從實(shí)現(xiàn)方式上微程序控制：規(guī)整，增、刪、改較容易組合邏輯控制：零亂且復(fù)雜，當(dāng)修改指令或增加指令時(shí)非常麻煩，有時(shí)甚至沒有可能。 （2） 從性能上來比較在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比組合邏輯控制方式的速度低，這是因?yàn)閳?zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而組合邏輯控制方式取決于電路延遲，因而在超高速計(jì)算機(jī)中，對影響速度的關(guān)鍵部分例如CPU，往往采用組合邏輯控制方法。近年來在一些新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中如RISC結(jié)構(gòu)，一般選用組合邏輯方法。 （3）診斷能力微程序設(shè)計(jì)方法：診斷能力強(qiáng)組合邏輯控制：診斷能力弱6.6微程序控制器設(shè)計(jì)1.基本概念

28、1) 控制字(CW):表征微操作控制要求的二進(jìn)制字，稱為控制字。2) 微命令微程序控制中，把微操作控制信號稱為微命令。微操作是微命令在時(shí)序的配合作用下的操作過程。3) 微地址和微指令微地址：存放控制字的單元地址。微指令：具有微地址的控制字。4) 微程序:一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程序。5) 微周期微周期就是從控制存儲器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需要的時(shí)間。6.6.1微程序控制器概述6.6.1微程序控制器概述2.基本組成（圖6-30）1)控制存儲器CM:用來存放微程序。2)微指令寄存器IR用來存放從控制存儲器中取得的微指令。3)微地址形成部件AG用來產(chǎn)生機(jī)器指令的首條微指令地址和后續(xù)地址

29、。4)微地址寄存器MAR:接收微地址形成部件送來的微地址。5)譯碼與驅(qū)動電路對微地址寄存器中的微地址進(jìn)行譯碼,找到被訪問的CM單元并驅(qū)動其進(jìn)行讀取操作,存放于IR6.6.1微程序控制器概述3.微程序執(zhí)行過程微程序控制器的工作過程實(shí)質(zhì)上就是在微程序控制器的控制之下，計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令的過程：1)從控制存儲器中運(yùn)行取指令微程序，完成從主存儲器中取得機(jī)器指令的工作；2)根據(jù)機(jī)器指令的操作碼，得到相應(yīng)機(jī)器指令的微程序入口；3)逐條取出微指令，完成相關(guān)微操作控制；4)執(zhí)行下一條機(jī)器指令。6.6.2微指令的編譯方法一、編譯法的選擇原則(1)減少微指令的長度；(2)提高微操作的并行性；(3)提高機(jī)器的控制性

30、能并降低價(jià)格；(4)有利于微程序設(shè)計(jì)的靈活性。 二、編譯法 1、直接控制法（不譯法）（1）含義：每一個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制位代表一個(gè)微命令。按不譯法編碼的微指令，又稱水平微指令。（2）本質(zhì)特征：面向數(shù)據(jù)通路的控制門(或控制點(diǎn))。 （3）優(yōu)點(diǎn)：A：并行執(zhí)行，執(zhí)行速度也比較快；B：微程序所需用的微指令條數(shù)少。 缺點(diǎn)：A：編制程序難度較大；B：微指令不能充分利用。2、最短編譯法 （1） 含義：每一條微指令只定義一個(gè)微命令。按最短編譯法編碼的微指令又稱垂直型微指令。 （2） 本質(zhì)特征：面向算法來編碼的。類似于傳統(tǒng)的程 序設(shè)計(jì)方法。 （3） 優(yōu)點(diǎn)：A：編程簡單；B：微指令字中各位都得到充分利用。 缺點(diǎn)：A：并行

31、控制能力差，執(zhí)行速度慢；B：微程序長度較長。6.6.2微指令的編譯方法3、字段編譯法（1）、字段直接編譯法A：把一條微指令分成幾段，段與段間按水平法設(shè)計(jì)，每個(gè)段內(nèi)分別按垂直法進(jìn)行編碼，每一段形成一個(gè)微命令，一條微指令可同時(shí)有并行的幾個(gè)微命令。B：微指令字分段的原則：（a）在同一節(jié)拍內(nèi)，需要互相配合起作用的微操作，是并行操作，其微命令可以分在不同的字段內(nèi)，以便配合進(jìn)行微操作控制(組合性的操作控制)。這是微命令的相容性。（b）在同一節(jié)拍內(nèi)，不允許同時(shí)出現(xiàn)具有“排它”性的微操作，是串行操作，其微命令可分在一個(gè)字段內(nèi)，這是微命令的互斥性。6.6.2微指令的編譯方法（2）、字段間接編譯法它是在字段直接編

32、譯法基礎(chǔ)上用來進(jìn)一步縮短指令字長，組合零散微命令的一種編譯法。若在字段直接編譯法中再規(guī)定一個(gè)字段的某些微命令要由另一個(gè)字段中的某些微命令來解釋，稱為字段間接編譯法。這種編譯法適用于把那些不同類型的，不常用的，但數(shù)量又可觀的“零散”的微命令編入少數(shù)幾個(gè)字段之中，以減少微指令字的長度，組合編譯更多的微命令。6.6.2微指令的編譯方法6.6.3微程序的順序控制方式1、初始微地址的形成每條機(jī)器指令對應(yīng)一段微程序，當(dāng)執(zhí)行公用的取指微程序從主存中取出機(jī)器指令后，由機(jī)器指令的操作碼指出微程序的首地址。這是一種多分支情況，通常有以下幾種方式：（1）操作碼的位數(shù)與位置固定，這時(shí)可直接使操作碼與微地址碼的部分位相

33、對應(yīng)。例如，若微入口地址=00OC，則控制存儲器第零頁的一些單元被安排為各個(gè)微程序入口（即首地址），再通過無條件微轉(zhuǎn)移指令使這些單元與相應(yīng)的后續(xù)微指令相連接。（2）當(dāng)每類指令的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指令之間的操作碼位數(shù)與位置不固定時(shí)，可采用分級轉(zhuǎn)移的方法。先按指令類型轉(zhuǎn)移到某條微指令，區(qū)分出是哪一大類，然后進(jìn)一步按機(jī)器指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)分出是哪一種具體的機(jī)器指令。（3）當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置都不固定時(shí)，通常的方法是采用PLA可編程邏輯陣列實(shí)現(xiàn)。6.6.3微程序的順序控制方式2、后繼微地址的形成得到微程序入口以后，就開始執(zhí)行微程序，后繼微地址的形成方法對微程序編制的靈活性影響很大。通常采用兩

34、種方法形成后繼微地址：（1）增量方式這種方式和機(jī)器指令的控制方式類似。 PC： (A)順序：增量。 (B)無條件轉(zhuǎn)向：PC。 (C)有條件轉(zhuǎn)向：條件碼參與，修改PC。（2）在微指令字的格式中，增設(shè)下地址字段之后，就可以用微地址寄存器(MAR)取代微程序計(jì)數(shù)器。下一條微指令地址在多數(shù)情況可由現(xiàn)行微指令字的下地址字段NAF直接給出，少數(shù)情況由微地址產(chǎn)生器對下地址字段進(jìn)行修改后產(chǎn)生后繼微地址。6.6.3微程序的順序控制方式綜合上述，后繼微地址的形成是設(shè)計(jì)微程序控制的關(guān)鍵問題之一。確定后繼微指令地址有以下幾種情況：(A)順序執(zhí)行時(shí)，后繼微地址可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段NAF或微程序計(jì)數(shù)器PC直接確

35、定。(B)無條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址，可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段確定。(C)有條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址由現(xiàn)行機(jī)器指令操作碼，現(xiàn)行微指令執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生狀態(tài)特征或條件碼的判別結(jié)果決定。6.6.3微程序的順序控制方式6.6.5 微程序設(shè)計(jì)方法1 水平型微指令與微程序設(shè)計(jì)6.6.5 微程序設(shè)計(jì)方法2 垂直型微指令與微程序設(shè)計(jì)3 毫微程序設(shè)計(jì)（1）毫微程序是用以解釋微程序的一種程序，因此組成毫微程序的毫微指令是負(fù)責(zé)解釋微指令的微指令。（2）毫微程序設(shè)計(jì)的基本思想采用兩級微程序設(shè)計(jì)方法 1） 第一級用垂直微指令編制垂直微程序第一級垂直微程序是為實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)和其它處理過程的需要而編制的，它有嚴(yán)格的順序結(jié)構(gòu)，由它確定后續(xù)微指令的地址。垂直微程序存放于微程序存儲器中。 2） 第二級用水平微指令編制水平微程序。第二級水平微程序是由第一級調(diào)用的，用以解釋垂直微程序并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路操作。水平微指令具有并行操作控制能力，但不包含后續(xù)微指令地址信息。6.6.5 微程序設(shè)計(jì)方法6.6.6 微程序控制器設(shè)計(jì)步驟6.6.7 舉例：模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)6.7流水線處理技術(shù)6.7.0并行處理技術(shù)6.7.1指令的執(zhí)行方式6.7.2流水線的分類6.7.3線性流水線的性能6.7.4流水線的相關(guān)問題6.7.0并行處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)