1、計算機(jī)組成原理ch5中央處理器課件計算機(jī)組成原理ch5中央處理器課件2Intel 80081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel 8008。8008采用的是P溝道MOS微處理器，屬第一代微處理器。 牛牛文庫文檔分享4Intel 80081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個838080 第二代微處理器1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。 主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。 牛牛文庫文檔

2、分享58080 第二代微處理器1973年8月，霍夫等人研制出8位4Z80微處理器 Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機(jī)和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。 牛牛文庫文檔分享6Z80微處理器 Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處5Intel 8086 第三代微處理器1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術(shù)的晶體管，售價360美元。 牛牛文庫文檔分享7Intel 8086 第三代微處理器1978年6月，

3、In6CPU的發(fā)展8080CPU：運算器+控制器8086CPU：運算器+控制器+分段功能80386CPU：運算器+控制器+分段部件+分頁部件 存儲管理部件 (MMU)80486CPU：運算器+控制器 + MMU +FPU+CachePentiumCPU：片內(nèi)有二條流水線，引入超標(biāo)量技術(shù)Pentium Pro CPU：引入超流水線技術(shù) Pentium MMX CPU：引入多媒體擴(kuò)展技術(shù)Pentium II、 Pentium III、 Pentium 4：SSE/SSE2技術(shù)(增加對3D處理技術(shù))Dual Core及多核芯片 牛牛文庫文檔分享8CPU的發(fā)展8080CPU：運算器+控制器www.ni

4、uw7內(nèi)容概要CPU概念指令周期時序控制及時序控制器控制信號及控制器流水CPU 牛牛文庫文檔分享9內(nèi)容概要CPU概念 牛牛文庫文檔85.1 CPU概念CPU的功能CPU的組成從寄存器角度認(rèn)識CPU從控制信號角度認(rèn)識CPU 牛牛文庫文檔分享105.1 CPU概念CPU的功能9CPU回顧：計算機(jī)硬件五大部分:控制器為中心視圖 / CPU控制器輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運算器結(jié)果數(shù)據(jù)取數(shù)存數(shù)輸入命令輸出命令說明:實線：控制線 虛線：反饋線 粗線：數(shù)據(jù)線 牛牛文庫文檔分享11CPU回顧：計算機(jī)硬件五大部分:控制器為中心視圖 / 10CPU的功能指令控制 程序的順序控制操作控制 CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的

5、每條指令的操作信號,把各種操作信號送往相應(yīng)的部件,從而控制這些部件按指令的要求動作。時間控制 對各種操作實施時間上的定時數(shù)據(jù)加工 對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算 牛牛文庫文檔分享12CPU的功能指令控制 牛牛文庫11CPU的組成基本組成運算器控制器其它組成部分Cache浮點處理器 牛牛文庫文檔分享13CPU的組成基本組成 牛牛文庫12 牛牛文庫文檔分享14 牛牛文庫文檔分享13組成：算術(shù)邏輯單元ALU通用寄存器Rn數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR狀態(tài)條件寄存器PSW （程序狀態(tài)字寄存器）功能執(zhí)行算術(shù)運算執(zhí)行邏輯運算運算器 牛牛文庫文檔分享15組成：運算器 牛牛文庫文檔分享14組成：程序計數(shù)器指令寄存器指令譯碼

6、器時序產(chǎn)生器操作控制器控制器功能從內(nèi)存中取一條指令，并指出下一條指令的位置對指令譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)操作控制信號指揮并控制數(shù)據(jù)流動方向 牛牛文庫文檔分享16組成：控制器功能 牛牛文庫文檔15從寄存器角度認(rèn)識CPU指令寄存器IR程序計數(shù)器PC地址寄存器AR數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR通用寄存器Rn狀態(tài)條件寄存器PSW 牛牛文庫文檔分享17從寄存器角度認(rèn)識CPU指令寄存器IRwww.niuwk.16指令寄存器IR作用：存放當(dāng)前指令代碼信息來源：存儲器（取指令操作）信息輸出指令譯碼器地址信息（尋址方式）寄存器位數(shù)：指令字長度 牛牛文庫文檔分享18指令寄存器IR作用： 牛牛文庫17程序計數(shù)器PC作用：確定下一條執(zhí)行的

7、指令地址，保證程序連續(xù)執(zhí)行信息來源賦值（初值、IR或其它）PC1信息輸出：存儲器地址（取指令）寄存器位數(shù)：通常為CPU地址線位數(shù) 牛牛文庫文檔分享19程序計數(shù)器PC作用： 牛牛文庫18(數(shù)據(jù))地址寄存器AR作用：保存并提供穩(wěn)定的存儲器地址值信息來源程序計數(shù)器PC存儲器或其它寄存器信息輸出：存儲器地址（IO）寄存器位數(shù)：通常為CPU地址線位數(shù) 牛牛文庫文檔分享20(數(shù)據(jù))地址寄存器AR作用： 19數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR作用緩沖ALU運算結(jié)果和通用寄存器信息傳送CPU與外部的信息傳送中轉(zhuǎn)，補(bǔ)償CPU與外部的信息傳送速度差別信息來源及目標(biāo)：CPU或外部（雙向）寄存器位數(shù)：計算機(jī)字長 牛牛文庫文檔分享21

8、數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR作用 牛牛文20通用寄存器Rn作用：為算術(shù)邏輯運算單元提供工作區(qū)信息來源與目標(biāo)既可存放ALU的操作數(shù)，也可保存操作結(jié)果可以與存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換寄存器位數(shù)：機(jī)器字長注：累加器是一種通用寄存器 牛牛文庫文檔分享22通用寄存器Rn作用： 牛牛文庫21狀態(tài)條件寄存器PSW作用：提供運算結(jié)果及系統(tǒng)工作狀態(tài)內(nèi)容運算結(jié)果進(jìn)位標(biāo)志C運算結(jié)果溢出標(biāo)志V運算結(jié)果為零標(biāo)志Z運算結(jié)果為負(fù)標(biāo)志N中斷允許標(biāo)志I 牛牛文庫文檔分享23狀態(tài)條件寄存器PSW作用： 牛22從控制信號角度認(rèn)識CPU時序產(chǎn)生器操作控制器硬布線控制器（時序邏輯型）*微程序控制器（存儲邏輯型） 牛牛文庫文檔分享24從控制信號角度認(rèn)識C

9、PU時序產(chǎn)生器www.niuwk.c23時序產(chǎn)生器作用 為計算機(jī)的各種操作提供嚴(yán)格的時間控制最基本信號源 系統(tǒng)時鐘基本操作 分頻、信號分配 牛牛文庫文檔分享25時序產(chǎn)生器作用 牛牛文庫文檔分24操作控制器作用 為完成取指令和執(zhí)行指令提供正確的控制信號輸入指令代碼時序產(chǎn)生器信號指令執(zhí)行反饋輸出 操作控制信號操作控制器分類 時序邏輯型、存儲邏輯型、時序邏輯與存儲邏輯結(jié)合型 牛牛文庫文檔分享26操作控制器作用 牛牛文庫文檔分255.2 指令周期基本概念指令周期的分析指令周期的描述 牛牛文庫文檔分享275.2 指令周期基本概念 牛牛26 牛牛文庫文檔分享28 牛牛文庫文檔分享27基本概念指令周期 取出

10、并執(zhí)行一條指令所需要的時間CPU周期（機(jī)器周期） 從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間時鐘周期（T周期） 處理器操作的最小時間單位相互關(guān)系一個指令周期由若干個CPU周期組成一個CPU周期由若干個T周期組成 牛牛文庫文檔分享29基本概念指令周期 牛牛文庫文檔28一個指令周期包含若干機(jī)器周期一個機(jī)器周期包含若干時鐘周期各種指令的指令周期相同嗎？為什么？機(jī)器周期呢？時鐘周期呢？ 牛牛文庫文檔分享30一個指令周期包含若干機(jī)器周期各種指令的指令周期相同嗎？w29指令周期的分析分析內(nèi)容：指令的操作過程分析對象：典型指令MOV指令：MOV Rd, Rs ;RsRd LAD指令： LAD Rd,D ; DRdAD

11、D指令： ADD Rs,Rd ; Rs+RdRdSTO指令： STO Rs,(Rd) ; Rs (Rd)JMP指令： JMP D ;DPC 牛牛文庫文檔分享31指令周期的分析分析內(nèi)容：指令的操作過程www.niuwk30MOV指令：RsRd指令性質(zhì)RR型指令二個CPU周期操作過程取指令階段執(zhí)行指令階段 牛牛文庫文檔分享32MOV指令：RsRd指令性質(zhì)31 MOV指令的指令周期-取指 程序計數(shù)器PC中裝入第一條指令地址101（八進(jìn)制）； PC的內(nèi)容被放到指令地址總線ABUS（I）上，對指存進(jìn)行譯碼，并啟動讀命令； 從101號地址讀出的MOV指令通過指令總線IBUS裝入指令寄存器IR； 程序計數(shù)器

12、內(nèi)容加1，變成102，為取下一條指令做好準(zhǔn)備； 指令寄存器中的操作碼（OP）被譯碼； CPU識別出是MOV指令，至此，取指周期即告結(jié)束。 牛牛文庫文檔分享33 MOV指令的指令周期-取指 程序計數(shù)器PC中裝入第一32MOV指令的指令周期執(zhí)行 操作控制器（OC）送出控制信號到通用寄存器，選擇R1（10）作源寄存器，選擇R0作目標(biāo)寄存器； OC送出控制信號到ALU，指定ALU做傳送操作； OC送出控制信號，打開ALU輸出三態(tài)門，將ALU輸出送到數(shù)據(jù)總線DBUS上。注意，任何時候DBUS上只能有一個數(shù)據(jù)。 OC送出控制信號，將DBUS上的數(shù)據(jù)打入到數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR（10）； OC送出控制信號，將D

13、R中的數(shù)據(jù)10打入到目標(biāo)寄存器R0，R0的內(nèi)容由00變?yōu)?0。至此，MOV指令執(zhí)行結(jié)束。 牛牛文庫文檔分享34MOV指令的指令周期執(zhí)行 操作控制器（OC）送出控33LAD指令指令性質(zhì)RS型指令三個CPU周期操作過程取指令階段執(zhí)行指令階段送操作數(shù)地址存數(shù) 牛牛文庫文檔分享35LAD指令指令性質(zhì) 牛牛文庫文34LAD指令的執(zhí)行周期 操作控制器OC發(fā)出控制命令打開IR輸出三態(tài)門，將指令中的直接地址碼6放到數(shù)據(jù)總線DBUS上； OC發(fā)出操作命令，將地址碼6裝入數(shù)存地址寄存器AR； OC發(fā)出讀命令，將數(shù)存6號單元中的數(shù)100讀出到DBUS上； OC發(fā)出命令，將DBUS上的數(shù)據(jù)100裝入緩沖寄存器DR；

14、OC發(fā)出命令，將DR中的數(shù)100裝入通用寄存器R1，原來R1中的數(shù)10被沖掉。至此，LAD指令執(zhí)行周期結(jié)束。 牛牛文庫文檔分享36LAD指令的執(zhí)行周期 操作控制器OC發(fā)出控制命令打開I35ADD指令指令性質(zhì)RR型指令二個CPU周期操作過程取指令階段執(zhí)行指令階段 牛牛文庫文檔分享37ADD指令指令性質(zhì) 牛牛文庫文36ADD指令的執(zhí)行周期 操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，選擇R1做源寄存器，R2做目標(biāo)寄存器； OC 送出控制命令到ALU，指定ALU做R1（100）和R2（20）的加法操作； OC送出控制命令，打開ALU輸出三態(tài)門，運算結(jié)果120放到DBUS上； OC送出控制命令，將DBUS

15、上數(shù)據(jù)打入緩沖寄存器DR；ALU產(chǎn)生的進(jìn)位信號保存狀態(tài)字寄存器在PSW中。 OC送出控制命令，將DK（DR（120）DK）裝入R2，R2中原來的內(nèi)容20被沖掉。至此ADD指令執(zhí)行周期結(jié)束。 牛牛文庫文檔分享38ADD指令的執(zhí)行周期 操作控制器OC送出控制命令到通用37STO指令指令性質(zhì)RS型指令三個CPU周期操作過程取指令階段執(zhí)行指令階段送操作數(shù)地址存數(shù) 牛牛文庫文檔分享39STO指令指令性質(zhì) 牛牛文庫文38STO指令的執(zhí)行周期 操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，選擇（R3）=30 做數(shù)據(jù)存儲器的地址單元； OC發(fā)出操作命令，打開通用寄存器輸出三態(tài)門（不經(jīng)ALU以節(jié)省時間），將地址30放

16、到DBUS上； OC發(fā)出操作命令，將地址30打入AR，并進(jìn)行數(shù)存地址譯碼； OC發(fā)出操作命令到通用寄存器，選擇（R2）=120DK），作為數(shù)存的寫入數(shù)據(jù)； OC發(fā)出操作命令，打開通用寄存器輸出三態(tài)門，將數(shù)據(jù)120放到DBUS上。 OC發(fā)出操作命令，將數(shù)據(jù)120寫入數(shù)存30號單元，它原先的數(shù)據(jù)40被沖掉。至此，STO指令執(zhí)行周期結(jié)束。 牛牛文庫文檔分享40STO指令的執(zhí)行周期 操作控制器OC送出操作命令到通用39JMP指令取指令階段操作相同執(zhí)行指令階段IR（地址碼部分）PC 牛牛文庫文檔分享41JMP指令取指令階段操作相同 40JMP指令的執(zhí)行周期 OC發(fā)生操作控制命令，打開指令寄存器IR的輸出

17、三態(tài)門，將IR中的地址碼101發(fā)送到DBUS上； CC發(fā)出操作控制命令，將DBUS上的地址碼101打入到程序計數(shù)器PC中，PC中的原先內(nèi)容106被更換。于是下一條指令不是從106號單元取出，而是轉(zhuǎn)移到101號單元取出。至此JMP指令執(zhí)行周期結(jié)束。 牛牛文庫文檔分享42JMP指令的執(zhí)行周期 OC發(fā)生操作控制命令，打開指令寄41指令周期的描述文字描述數(shù)據(jù)通路圖描述示意圖描述方框圖語言描述一個方框代表一個CPU周期菱形框代表某種判別或測試“”代表公操作 牛牛文庫文檔分享43指令周期的描述文字描述 牛牛文42方框圖表示指令周期取指執(zhí)行 牛牛文庫文檔分享44方框圖表示指令周期取指執(zhí)行 牛43總結(jié)一個指令

18、周期包括一個取指周期和一個或一個以上的執(zhí)行周期在每個CPU周期中數(shù)據(jù)通路是明確的數(shù)據(jù)通路的建立及操作受到操作控制器的控制，當(dāng)然決定于是什么指令 牛牛文庫文檔分享45總結(jié)一個指令周期包括一個取指周期和一個或一個以上的執(zhí)行周445.3 時序產(chǎn)生器時序信號的作用時序產(chǎn)生器的工作控制方式幾個概念：節(jié)拍電位（CPU周期）節(jié)拍脈沖（時鐘周期） 牛牛文庫文檔分享465.3 時序產(chǎn)生器時序信號的作用www.niuwk.co451. 時序信號產(chǎn)生器的作用CPU中的控制器用于指揮機(jī)器的工作CPU可以用時序信號/周期信息來辨認(rèn)從內(nèi)存中取出的是指令（取指）還是數(shù)據(jù)（執(zhí)行）一個CPU周期中時鐘脈沖對CPU的動作有嚴(yán)格的

19、約束操作控制器發(fā)出的各種信號是時間（時序信號）和空間（部件操作信號）的函數(shù)。 牛牛文庫文檔分享471. 時序信號產(chǎn)生器的作用CPU中的控制器用于指揮機(jī)器的462. 時序信號產(chǎn)生器的組成功能：產(chǎn)生時序信號各型計算機(jī)產(chǎn)生時序電路不相同大、中型計算機(jī)的時序電路復(fù)雜，微型計算機(jī)的時序電路簡單構(gòu)成時鐘源環(huán)形脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯啟停控制邏輯 牛牛文庫文檔分享482. 時序信號產(chǎn)生器的組成功能：產(chǎn)生時序信號www.ni473. 控制方式機(jī)器指令所包含的CPU周期數(shù)反映了指令的復(fù)雜程度，不同CPU周期的操作信號的數(shù)目和出現(xiàn)的先后次序也不相同。控制方式：控制不同操作序列時序信號的方法。分為以下幾

20、種：同步控制方式異步控制方式聯(lián)合控制方式 牛牛文庫文檔分享493. 控制方式機(jī)器指令所包含的CPU周期數(shù)反映了指令的復(fù)48同步控制方式定義：不同指令在執(zhí)行時所需的機(jī)器周期數(shù)和時鐘周期數(shù)都是固定不變的。三種方案采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令采用不定長的機(jī)器周期（將大多數(shù)操作安排在一個較短的機(jī)器周期內(nèi)完成，對某些時間緊張的操作，則采取延長機(jī)器周期的辦法來解決）中央控制與局部控制結(jié)合（將大多數(shù)指令安排在固定的機(jī)器周期完成（稱為中央控制），對少數(shù)復(fù)雜指令采用另外的時序進(jìn)行定時（稱為局部控制） 牛牛文庫文檔分享50同步控制方式定義：不同指令在執(zhí)行時所需的機(jī)器周期數(shù)和時鐘49異步控制方式控制方式

21、：每條指令的指令周期由不等長的機(jī)器周期數(shù)組成根據(jù)執(zhí)行部件的信號決定指令周期的結(jié)束特點：每條指令、每個操作控制信號需要多少時間就占用多少時間操作控制序列沒有固定的CPU周期數(shù)和時鐘周期數(shù)與之同步 牛牛文庫文檔分享51異步控制方式控制方式： 牛牛文50聯(lián)合控制方式同步方式與異步方式相結(jié)合的方式大部分操作序列同步的（機(jī)器周期數(shù)固定），少量操作采用執(zhí)行部件的應(yīng)答機(jī)器周期中的時鐘周期數(shù)固定，各指令的機(jī)器周期數(shù)不固定 牛牛文庫文檔分享52聯(lián)合控制方式同步方式與異步方式相結(jié)合的方式www.niu515.4 微程序控制器基本概念微程序控制器的工作原理微程序的設(shè)計基本思想：仿照解題的方法，把操作控制信號編制成微

22、指令，存放到控制存儲器里，運行時，從控存中取出微指令，產(chǎn)生指令運行所需的操作控制信號。從上述可以看出，微程序設(shè)計技術(shù)是用軟件方法來設(shè)計硬件的技術(shù)。 牛牛文庫文檔分享535.4 微程序控制器基本概念 52微程序控制器發(fā)展微程序的概念和原理是由英國劍橋大學(xué)的MVWilkes教授于1951年在曼徹斯特大學(xué)計算機(jī)會議上首先提出來的，當(dāng)時還沒有合適的存放微程序的控制存儲器的元件。到1964年，IBM公司在IBM 360系列機(jī)上成功地采用了微程序設(shè)計技術(shù)。20世紀(jì)70年代以來，由于VLSI技術(shù)的發(fā)展，推動了微程序設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前，從大型機(jī)到小型機(jī)、微型機(jī)都普遍采用了微程序設(shè)計技術(shù)。 牛牛文庫文檔

23、分享54微程序控制器發(fā)展微程序的概念和原理是由英國劍橋大學(xué)的M531. 基本概念微命令：控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令叫作微命令，它是構(gòu)成控制序列的最小單位。例如：打開或關(guān)閉某個控制門的電位信號、某個寄存器的打入脈沖等。微命令是控制計算機(jī)各部件完成某個基本微操作的命令。微操作：執(zhí)行部件接受微命令后執(zhí)行的操作微命令和微操作是一一對應(yīng)的。微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的操作過程。微操作是執(zhí)行部件中最基本的操作。 牛牛文庫文檔分享551. 基本概念微命令：控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命541. 基本概念微指令：把在同一CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作控制信息，存儲在控制存儲器里，稱為

24、一條微指令（Microinstruction）。它是微命令的組合，微指令存儲在控制器中的控制存儲器中一條微指令通常至少包含兩大部分信息：操作控制字段，又稱微操作碼字段，用以產(chǎn)生某一步操作所需的各個微操作控制信號。某位為1，表明發(fā)微指令微指令發(fā)出的控制信號都是節(jié)拍電位信號，持續(xù)時間為一個CPU周期微命令信號還要引入時間控制順序控制字段，又稱微地址碼字段，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址。微地址：存放微指令的控制存儲器的單元地址微程序: 一系列微指令的有序集合就是微程序。一段微程序?qū)?yīng)一條機(jī)器指令。 牛牛文庫文檔分享561. 基本概念微指令：把在同一CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操55微指令基本格式

25、 牛牛文庫文檔分享57微指令基本格式 牛牛文庫文檔分56微操作的部分特征每個執(zhí)行部分有多少種微操作，就應(yīng)該接收多少種微命令相容性微操作：在某一個時間段內(nèi)可以同時執(zhí)行的微操作相斥性微操作：在某一個時間段內(nèi)不可以同時執(zhí)行的微操作 牛牛文庫文檔分享58微操作的部分特征每個執(zhí)行部分有多少種微操作，就應(yīng)該接收多572. 微程序控制器的組成控制存儲器微指令寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯 牛牛文庫文檔分享592. 微程序控制器的組成控制存儲器www.niuwk.c58控制存儲器作用：存放全部微程序結(jié)構(gòu)：ROM字長：微指令字的長度存儲容量：由微程序數(shù)量決定執(zhí)行過程：微指令周期要求：訪問速度快 牛牛文庫文檔分享60控制存儲

26、器作用：存放全部微程序59動態(tài)微程序與靜態(tài)微程序動態(tài)微程序采用EPROM作為存儲器可以通過改變微指令和微程序來開發(fā)機(jī)器的指令系統(tǒng)靜態(tài)微程序采用不可編程ROM不可以改變已固化的微指令和微程序 牛牛文庫文檔分享61動態(tài)微程序與靜態(tài)微程序動態(tài)微程序www.niuwk.co60微指令寄存器作用：存放一條微指令結(jié)構(gòu)微命令寄存器：微指令操作控制字段微指令判別測試字 段微地址寄存器：訪問的下一條微指令地址（微地址） 牛牛文庫文檔分享62微指令寄存器作用：存放一條微指令www.niuwk.co61地址轉(zhuǎn)移邏輯作用：決定下一條微指令的微地址非分支情況：由微地址寄存器決定分支情況：由測試字段和執(zhí)行部件的狀態(tài)決定（

27、修改微地址寄存器的值） 牛牛文庫文檔分享63地址轉(zhuǎn)移邏輯作用：決定下一條微指令的微地址www.niu62微指令與機(jī)器指令的關(guān)系一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序一個微指令周期是讀出微指令的時間加上執(zhí)行該條微指令的時間通常一個微指令周期時間正好等于CPU周期時間 牛牛文庫文檔分享64微指令與機(jī)器指令的關(guān)系一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序www.63狀態(tài)信息 牛牛文庫文檔分享65狀態(tài)信息 牛牛文庫文檔分享643. 微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計的目標(biāo):有利于縮短微指令的長度有利于縮小CM的容量有利于提高微程序的執(zhí)行速度有利于對微指令的修改有利于提高微程序設(shè)計的靈活性 牛牛文庫文檔分享663. 微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計

28、的目標(biāo):www.niuwk65一 微命令的編碼微指令中操作控制字段采用的表示方法:直接表示法編碼表示法混合表示法 牛牛文庫文檔分享67一 微命令的編碼微指令中操作控制字段采用的表示方法:w66直接表示法操作控制字段中的每一位代表一個微命令優(yōu)點：簡單直觀，其輸出可以直接用于控制缺點：微指令字較長，占控制存儲器容量較大 牛牛文庫文檔分享68直接表示法操作控制字段中的每一位代表一個微命令www.n67操作控制字段的每一個獨立的二進(jìn)制位代表一個微命令，該位為“1”表示這個微命令有效，為“0”表示這個微命令無效。直接表示法舉例 微指令格式舉例（TEC_5實驗平臺格式） 牛牛文庫文檔分享69操作控制字段的

29、每一個獨立的二進(jìn)制位代表一個微命令，該位為68編碼表示法把一組組相斥的微命令信號組合在一個字段中，通過譯碼產(chǎn)生操作控制信號優(yōu)點：用較小的二進(jìn)制信息表示較多的微命令信號，微指令字縮短缺點：增加譯碼電路，微程序執(zhí)行速度減慢 牛牛文庫文檔分享70編碼表示法把一組組相斥的微命令信號組合在一個字段中，通過69編碼表示法將操作控制字段分為若干個小段，每段內(nèi)采用最短編碼法，段與段之間采用直接控制法。 牛牛文庫文檔分享71編碼表示法將操作控制字段分為若干個小段，每段內(nèi)采用最短編70混合表示法將直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考慮指令字長、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。一個字段的某些編碼不能獨立

30、地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來聯(lián)合定義 牛牛文庫文檔分享72混合表示法將直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考71微命令的編碼編碼注意幾點：字段編碼法中操作控制字段并非是任意的，必須要遵循如下的原則：把互斥性的微命令分在同一段內(nèi)，兼容性的微命令分在不同段內(nèi)。這樣不僅有助于提高信息的利用率，縮短微指令字長，而且有助于充分利用硬件所具有的并行性，加快執(zhí)行的速度。應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。每個小段中包含的信息位不能太多，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時間。一般每個小段還要留出一個狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何微命令。因此當(dāng)某字段的長度為三位時，最多只能表示七個互斥的微命令，通常用000

31、表示不操作。 牛牛文庫文檔分享73微命令的編碼編碼注意幾點：字段編碼法中操作控制字段并非是72123456789順序控制4、5：00 無操作01 R1X10 R2 X11 DR X 6、7：00 無操作01 R3Y10 R2 Y11 R1 Y 8、9：00 無操作01 10 11 M 混和表示法1、2、3位為直接表示法4、5 6、78、9位為編碼表示法混合表示法例 牛牛文庫文檔分享74123456789順序控制4、5：6、7：8、9：混和表73二 微地址的形成方法入口地址：每條機(jī)器指令對應(yīng)一段微程序，當(dāng)公用的取指微程序從主存中取出機(jī)器指令之后，由機(jī)器指令的操作碼字段指出各段微程序的入口地址，這

32、是一種多分支(或多路轉(zhuǎn)移)的情況。后繼微地址形成的方式主要有兩種計數(shù)器的方式多路轉(zhuǎn)移的方式 牛牛文庫文檔分享75二 微地址的形成方法入口地址：www.niuwk.c74入口地址形成如果機(jī)器指令操作碼字段的位數(shù)和位置固定，可以直接使操作碼與微程序入口地址的部分位相對應(yīng)。 牛牛文庫文檔分享76入口地址形成如果機(jī)器指令操作碼字段的位數(shù)和位置固定，可以75后繼微地址形成方法-計數(shù)器的方式方法微程序順序執(zhí)行時，其后繼微地址就是現(xiàn)行微地址加上一個增量(通常為1)；在微程序控制器中也有一個微程序計數(shù)器PC，一般情況下都是將微地址寄存器MAR作為PC特點：優(yōu)點:簡單、易于掌握，編制微程序容易缺點:這種方式不能

33、實現(xiàn)兩路以上的并行微程序轉(zhuǎn)移，因而不利于提高微程序的執(zhí)行速度。 牛牛文庫文檔分享77后繼微地址形成方法-計數(shù)器的方式方法www.niuwk76后繼微地址形成方法-多路轉(zhuǎn)移的方式當(dāng)微程序遇到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子程序時，由微指令的轉(zhuǎn)移地址段來形成轉(zhuǎn)移微地址根據(jù)條件轉(zhuǎn)移：狀態(tài)條件/測試/微指令中微地址/操作碼 牛牛文庫文檔分享78后繼微地址形成方法-多路轉(zhuǎn)移的方式當(dāng)微程序遇到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)77【例】微地址寄存器有6位(A5-A0)，當(dāng)需要修改其內(nèi)容時，可通過某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置“1”。現(xiàn)有三種情況：(1)執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)進(jìn)行16路分支；(2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程

34、序時，按進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行2路分支；(3)執(zhí)行控制臺指令微程序時，按IR4，IR5的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。 請按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計微地址轉(zhuǎn)移邏輯。 牛牛文庫文檔分享79【例】微地址寄存器有6位(A5-A0)，當(dāng)需要修改其78解：按所給設(shè)計條件，微程序有三種判別測試，分別為P1，P2，P3。 由于修改A5-A0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下： 用P1和IR3-IR0修改A3-A0； 用P2和C修改A0； 用P3和IR5，IR4修改A5，A4。 考慮時間因素T4(假設(shè)CPU周期最后一個節(jié)拍脈沖)，故轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下：A5=P3IR5T4； A4=P3IR4T4A3=P1IR3T4；A2=P1IR2T

35、4A1=P1IR1T4；A0=P1IR0T4+P2CT4 由于從觸發(fā)器強(qiáng)置端修改，故前5個表達(dá)式可用“與非”門實現(xiàn)，最后一個用“與或非”門實現(xiàn)。 下圖僅畫出了A2、A1、A0觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。 牛牛文庫文檔分享80解：按所給設(shè)計條件，微程序有三種判別測試，分別為P1，P79 牛牛文庫文檔分享81 牛牛文庫文檔分享80三 微指令的格式水平型微指令垂直型微指令 牛牛文庫文檔分享82三 微指令的格式水平型微指令www.niuwk.co81水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令格式：控制字段 + 判別測試字段 + 下地址字段按控制字段的編碼方法，可分為：全水平型微指令字段譯碼法

36、水平型微指令直接和譯碼相混合的水平型微指令控制字段判別測試字段下地址字段 牛牛文庫文檔分享83水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令控82水平型微指令特點優(yōu)點：微指令字較長，速度越快。微指令中的微操作有高度的并行性。微指令譯碼簡單。控制存儲器的縱向容量小，靈活性強(qiáng)。缺點：微指令字比較長，明顯地增加了控制存儲器的橫向容量。水平微指令與機(jī)器指令差別很大，一般要熟悉機(jī)器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時序系統(tǒng)以及指令執(zhí)行過程的人才能進(jìn)行微程序設(shè)計，這對用戶來說是很困難的。 牛牛文庫文檔分享84水平型微指令特點優(yōu)點： 牛牛文83垂直型微指令微指令中設(shè)置操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規(guī)定微指

37、令的功能 牛牛文庫文檔分享85垂直型微指令微指令中設(shè)置操作碼字段，采用微操作碼編譯法，84垂直型微指令的特點微指令字短，一般為1020位左右。微指令的并行微操作能力有限，一條微指令一般只包含一個微操作命令。微指令譯碼比較復(fù)雜。全部微命令用一個微操作控制字段進(jìn)行編碼，微指令執(zhí)行時需行完全譯碼。設(shè)計用戶只需注意微指令的功能，而對微命令及其選擇、數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)則不用過多地考慮，因此，便于用戶編制微程序。而且，編制的微程序規(guī)整、直觀，便于實現(xiàn)設(shè)計的自動化。垂直微指令字較短，使控制存儲器的橫向容量少。用垂直微指令編制微程序要使用較多的微指令，微程序較長；要求控制存儲器的縱向容量大。垂直微指令產(chǎn)生微命令要經(jīng)過譯碼，微程序執(zhí)行速度慢。不能充分利用數(shù)據(jù)通路具有多種并行操作能力 牛牛文庫文檔分享86垂直型微指令的特點微指令字短，