第六章中央處理部件CPU

1946年馮?諾依曼(VonNeumann)根據他的“存儲程序”的思想，|

開始在普林斯頓高級研究院(PrincetonInstituteforAdvanced

Studies)制造名為ISA的計算機，這臺計算機包含的特征就是我們|

通常所說的存儲程序計算機，又稱為馮?諾依曼計算機。

電子數字計算機的控制器，又稱為計算機控制電路，是計算

機中處理指令的部件，它按特定的順序取出并解釋每一條指令，'

然后產生對運算器和其它部件發出操作的控制信號。|

在程序運行時，計算機系統是在控制器的統一協調下進行工

作的。計算機執行的指令序列稱之為指令流(InstructionStream)；I

根據指令要求依次訪問的數據序列稱為數據流(DataStream)。

因此，從程序運行的角度來看，控制器的基本功能是：在時

間和空間上，對計算機的指令流和數據流實施正確控制。

菊3b旗4湖南科技大學計算機科學當a

2

從邏輯實現的角度來看，通用計算機控制器包括對以下步驟

的控制：

?控制取指令字（指令流出控制）；

?解釋指令字（指令分析控制）；

?組織計算機各個部件動作的信號序列，以完成指令的執

行（指令執行控制）；

,確定下一條指令的地址（指令流向的控制）。

計算機工作過程：

副加電

凰產生Reset信號：置PC初始值

解執行程序

-取指一分析指令一執行指令（周而復始）

副停機

副停電

湖南科技大學計算機科學叮

I:6.1計算機硬件系統3

當今世界上大多數計算機的中央處理器又下述方法實現：

?（1）采用半導體公司（工廠）生產的微處理器構成通用的或專用的計

一?算機系統及工作站等；

S（2）一些計算機公司采用自行設計制造的芯片來構成大、中、小型

.計算機的CPU。如IBM、DECo

.但隨著用戶開放系統興趣的增長，這兩家公司也逐步走向開

?放。例如IBM公司也選用Intel80X86構成微機。

?2002年9月28日，中國科學院在“中國科學院計算所創新成就

一展”上宣布：我國第一款商品化的通用高性能CPU芯片-擁有自主

.知識產權的“龍芯”1號CPU流片成功，可大批量生產提供廣大用

..戶使用。

.“狗剩”是中科院計算所（所長李國杰院士）CPU開發項目小

組給“龍芯”起的名字，源于英文Godson的發音。

GodsonCPU具有高性能的64位浮點流水線，采用了當代通用

*CPU先進體系結構的主要設計技術，在邏輯驗證芯片上以12?5兆

.頻率工作，其浮點性能已超過50兆主頻的Intel486。

e采用0.18微米工藝制造，目前主頻最高可以達到266MHZ。

湖南科技大學計算機科學叮

?2002年9月26日，曙光天演信息

?技術有限公司宣布中國第一款完全

自主知識產權的服務器“龍騰”問

世。該款服務器采用了中科院計算

?所剛剛研制成功的中國自主知識產

，權的第一款通用CPU“龍芯”。

>“龍騰”服務器還采用了由曙

■光公司與中科院計算所聯合研發的

“龍芯”專用主板（主板頻率可達

?117兆）以及曙光自主研發的“曙光

?LINUX”操作系統。“龍騰”服務器

?的推出，標志著中國“龍芯”市場

.化遍界上惟一能與英特爾抗衡的芯片商是臺灣的威盛公司（全

?球第三大的CPU生產廠商）。英特爾與威盛的競爭主要集中在個

?人電腦市場。個人電腦市場的CPU是基于英特爾的X86架構。

?“龍芯”主要是行業領域的服務器應用，比如銀行、電信等。

?曙光“龍騰”服務器則基于RISC架構，這樣不會陷入英特爾的

.知識產權陷阱。

?IntekAMD、威盛和Transmeta等公司的x86兼容型CPU,或

■是如IBM、MOTOROLA等公司的RISQ架構CPU。

'市如劍麻代,；，湖南科技大孽計算機科攀看"演，".桐，

5

1、Intel80386微機系統

.

圖6.1Intel80386微機系統框圖

湖南科技大學計算機科學叮擂|

(1)80386微處理器

是系統中主要的處理、控制部件。

⑵80384時鐘發生器

機器加電時，首先由它產生復位信號(Reset)使計算機各部件

處于初始狀態。加電后執行的第一條指令是轉移指令，轉到引

導程序入口。

時鐘發生器產生CLK2和CLK時鐘信號。其中CLK2為80386

提供了基本定時，它在80386內部被2分頻為以便產生用于執行

指令的處理器內部時鐘CLK。

CLK2=2*CLK

(3)80387協處理器

主要完成浮點運算和高精度整數運算。80386與協處理器并

行工作。

⑷總線控制邏輯

80386通過總線與存儲器、I/O設備交換信息。

(5)存儲器與輸入/輸出系統

存放數據、指令以及完成輸入/輸出操作的系統。

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7

▼(6)DMA控制器及中斷控制器

?DMA是控制I/O設備與存儲器直接傳送數據的邏輯電路。在

?一般情況下，數據是成組傳送的，且不影響當前程序的執行。

?中斷控制器主要用語傳送一個數據或機器發生故障時進行

.處理。

.⑺READY邏輯

.當80386與存儲器交換數據時，雙方速度不匹配，有時

80386要等待。READY信號是存儲器發向80386的。表示在此

?之前由80386發向存儲器的讀/寫命令已完成。止匕時80386不必等

?待(若已處于等待狀態則結束等待)，可繼續執行下面的操作。

一

湖南科技大學計算機科學叮

2.80386結構及外部連線

地址總線

CLK2—A2—A31

BE3#32位

BE2HA地址

BE1：：「使能

數據總線

D0-D31<:——)BEO#

80386W/R#_

ADSttD/C#''

NA#總線周

M/IO。

總線控制BS16?期定義

LOCK1t

READY#

>----------------

HOLDPEREQ

總線仲裁協處理

HLDABUSY?

器侑信

1\TRERRORU

NMIVcc

中斷-電源連接

RESETGND

湖南科技大孽計算機科舉與工諄為里步

9

?386的主要外連線

?(1)DO-D31：32位數據總線，雙向

.(2)A2-A31,BEO#?BE3#：地址總線

3A0?A31是32位地址線，其中AO,A1在80386內部轉換成

.“字節使能”信號BEO#?BE3#,分別是字節0?字節3的選擇信

?號。

BEO#:DO?D7字節0(最低有效字節)

BE1#:D8-D15字節1

BE2#:D16?D23字節2

BE3#:D24?D31字節3(最高有效字節)

A1A0BE3#BE2#BE1#BE0#

00XXX低

01XX低高

10X低高高

11低高高高

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10

386的主要外連線

.(3)CLK2:輸入到80386的時鐘

；(4)Reset:總清信號或復位信號；

1,(5)W/R#、M/IO#、D/C#、LOCK#：總線周期信號

W/R#=1寫周期W/R#=0讀周期

M/IO#=1存儲器操作M/IO#=0I/O操作

D/C#=1傳送的是數據D/C#=0傳送的是控制信號

LOCK#：總線鎖定信號，當它為低電平時，不允許芯片外部

.?的信號打斷當前總線周期的操作，即CPU不允許讓出總線控制權。

.?(6)ADS#：地址狀態信號

?當其為低電位時，表示BE0#?BE3#、A2?A31及總線周期定義

■信號W/R#、M/IO#、D/C#已有效。

(7)READY#：傳送響應信號

■是當數據傳送完成時由外部發給CPU的響應信號。當為低電位

.?時，表示當前的總線周期已完成，由BE0#?BE3#規定的有效字節

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11

已由外部接收或已由外部提供。

讀周期：READY#有效時，80386鎖存輸入數據，并結束這個

總線周期。

寫周期：READY#有效時，80386終止這個總線周期(信號已被

外部接收)。

在所有總線周期的第一節拍(也稱總線狀態)，Ready#信號被

忽略，而這以后的每個節拍都對其進行采樣，直至它有效才轉入

下一個總線周期。

(8)NA#：是由存儲器或I/O送到80386的信號。它表示本次讀/寫操

作雖未完成，但已允許80386送出下一個讀/寫周期的地址及控制

信號，這樣可使兩次讀/寫周期的部分操作重疊進行，以縮短一條

指令的執行時間。

(9)HOLD和HLDA:總線仲裁信號。

HOLD為占用總線請求；當處理器允許釋放總線時，就發出應

答信號HLDA,并放棄總線控制權。________________________

「十，加而押「—_湖南科技大孽計司兒科軟?工!?稼將^

12

(10)INTR和NMI:為中斷請求信號和不可屏蔽中斷請求信號；

(ll)PEREQ、BUSY#、ERROR:為協處理器接口信號。

3.控制器的作用

主要作用是：發出滿足一定時序關系的控制信號，實現指令系

統所規定的各條指令的功能，并保證計算機系統正常運行。

1,■睡i贏.湖南科技大學計算機科學叮

13

:6.2CPU相關知識

?一、CPU的發展過程

>CPU是英語"CentralProcessingUnit/中央處理器”的縮寫，其

.中X86CPU是目前個人電腦所使用最多的CPU。

.1978年美國Intel公司生產出了第一塊16位的CPU—i8086芯

.片,它使用的指令代碼就叫x86指令集。之后，Intel公司根據

i8086簡化設計和生產了i8088,但它仍然使用x86指令集。

,1981年8月，美國IBM公司使用i8088芯片生產出了具有劃時代

?意義的IBMPC機。以后，雖然Intel公司又不斷設計和生產出更快、

e更先進的CPU,但也都保留了上一代CPU技術的精華，新一代的

>CPU都能在二進制代碼級兼容x86指令。

,Intel生產的CPU芯片命名沿用了x86模式，如i80286、i80386、

i80486直到1993年因商標注冊問題而將其后續產品586、686級

CPU改名為今天的Pentium系列。

?把Intel公司生產的兼容x86指令集的CPU（包括其他公司所生產

*的兼容產品）稱之為x86系列CPU。以下為敘述方便，將X86CPU

?簡稱為“CPU”。

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14

.二、X86CPU的技術結構和特點

?1.CPU的基本結構

>CPU一般由邏輯運算單元、控制單元和存儲單元組成。在

,邏輯運算和控制單元中包括一些寄存器，這些寄存器用于CPU

,在處理數據過程中數據的暫時保存。

?2.CPU的總線

CPU的總線有數據總線、地址總線和控制總線，CPU對數

.據的處理、傳送，對各種存儲、輸入輸出設備的控制都是通過

.這些總線進行的。在一般情況下，CPU內、外總線的數據“位”

■數是一致的。

,CPU的數據總線在與L2Cache、內存和總線擴展槽之間的

?交換數據時的時鐘頻率并不完全一致，不同類型的CPU有所區

，別。

93.數學協處理器

少數學協處理器專門用于對數、指數和三角函數等數學運算，俗

稱浮點運算。

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15

在i8088、i80286和i80386時代，CPU和數學協處理器是分別

安裝在電腦主板上的，在i80486時代，凡型號上標有DX的CPU

均已內置協處理器，只有部分486CPU因生產需要而不內置，

所以在i8088至i80486時代除了常見的CPU外，還有對應的i8087、

i80287、i80387和i80487系列的協處理器，這些x87協處理器均

使用x87指令集。

至UPentium時代，所有的CPU中均內置協處理器。

CPU的浮點運算能力主要取決于協處理器，而浮點運算對

于電腦在處理3D圖形數據時至關重耍，所以AMD、Cyrix公司

的CPU浮點運算能力不強也是它們競爭能力比Intel公司差的重

要原因之一。

4.CPU的封裝和外形

所謂CPU封裝是CPU生產過程中的最后一道工序，封裝是采

用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保

護措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。

1,■睡i贏.湖南科技大學計算機科學叮

?CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設計，從大

?的分類來看通常采用Socket插座進行安裝的CPU使用PGA（柵格

?陣列）方式封裝，而采用Slotx槽安裝的CPU則全部采用SEC（單

?邊接插盒）的形式封裝。

.?由于市場競爭日益激烈，目前CPU封裝技術的發展方向以

＞節約成本為主。

e我們常可以在CPU性能列表上看到“生產工藝”一項，其

中有“0.18unT或“0.25um”等。一般來說“生產工藝”中的數

[:據越小表明CPU生產技術越先進。

:目前，CPU生產工藝已達到0.13um的水平。

j.三、Intel及其他廠商的CPU；

I,目前使用的CPU有好幾家公司的產品，除了Intel公司外，主

?要還有AMD、Cyrix和IDT（集成設備公司）等三家公司的產品。

..由于目前世界上CPU中有90%是Intel公司生產的，就是說世界

:.上有90%的x86型電腦中安裝的是Intel公司生產的CPU。

憶Intel生產的CPU就成了事實上的X86CPU技術規范和標準。

海/緲謨墓；，湖南科技春計算機科鉆基博，"'粕M

17

?四、CPU的技術參數和性能指數

?CPU的技術參數是生產廠家提供的有關CPU的技術指標或

標準。

'-CPU性能指數是該CPU在組裝電腦后的表現情況，通常使

1?用專用軟件進行測試，然后得出的有關數據。

[.1、CPU的主要技術參數

主頻：單位為MHz,數值越高越好。

1時鐘頻率：CPU的外部時鐘頻率，由電腦主板提供。

?486的外頻一般是33MHz,40MHz,Pentium主板的外頻一般

；?是66MHz。一些主板由于技術精良，工藝先進，可以超頻1/3以上

?穩定使用，成為超頻愛好者的首選。

、＞目前新一代主板芯片支持133MHz、200MHz的外頻。

:.倍頻系數：CPU的主頻=時鐘頻率X倍頻系數

’.內部緩存（LICache）：封閉在CPU芯片內部的高速緩存，用

*于暫時存儲CPU運算時的部分指令和數據，存取速度與CPU主頻

?一致，L1緩存的容量單位一般為KB。L1緩存越大，CPU工作時與

[.存取速度較慢的L2緩存和內存間交換數據的次數越少，相對電腦

的運算速度可以提高。

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18

總線：描述CPU外部的數據總線和地址總線”位“數。

安裝插座：描述CPU安裝時所用插座類型。

兼容性：說明CPU能正常運行的軟件范圍。

一工作電壓：描述CPU工作時所需的電源條件。一般來說，工作電

壓越低，CPU功耗越小。

其他：描述CPU的技術結構、能源管理等特點。如制作工藝、封

裝形式等。

五、CPU的超頻和鎖頻

L超頻與Remark

CPU一般應工作在產品標稱主頻上，但如果人為的將工作

頻率調高，并適當調整CPU的工作電壓以保持電腦正常運行各

種軟件，這就是超頻。

由于Intel公司的CPU產品質量優越，將CPU主頻調高一檔并

沒有問題，所以有少數奸商將CPU表面原生產廠家的標記型號

等打磨后重新標注成對應同類CPU高一檔主頻的型號，這就是

Remark,即英語"重新標記"的意思。

湖南科技大學計算機科學叮

-?19

在超頻使用時要注意CPU的散熱，尤其是AMD和Cyrix的

?CPUo

[?2.鎖頻

,由于超頻和Remark現象，無論是在經濟上還是在產品聲譽

命上都對Intel公司產生了不良影響，為此Intel公司在生產時對

?CPU采取了“鎖頻”措施，以減少超頻和Remark行為。

?所謂的鎖頻實際就是將CPU的“倍頻系數”固定起來，例

?如廠家將Pentium133的“倍頻系數”固定為“2”，將Pentium

.166MMX的“倍頻系數”固定為“2.5”，這樣就使用戶或商

.人不能隨意將CPU超頻或Remark了。

.五、CPU的插槽

?由于CPU的高速發展，主板內存、顯卡遠遠跟不上CPU的|

,速度，為了配合不同形式的處理器，就須生產出不同接口的主

.板，所謂接口：即住板的CUU插槽。

=1、SLOT1

用于早期的賽揚、PentiumII、III系列。1998年推出。

:十第戌原理，湖南科技大學計算機科學當a??H

.2、SLOTA20

?用于AMD推出的K7上，是SLOT1的雙生子，和SLOT1外

#觀一樣，只是左、右倒轉了。

3、Socket7,Super7

'Socket7主板支持最初的Pentiu系列處理器及兼容的AMD、

命Cyrix以及Intel的芯片(133MHz?266MHz),系統使用66MHz的

總線。

?Super7主板增加了對100MHz外頻和AGP接口類型的支持。

.AMDK6系列的CPU可以達至U450MHz。

湖南科技大學計算機科刖鼻捉血f?

/

、Socket370

二Socket370架構是新型PentiumIII和CeleronCPU的標準插座

三亶。支持的最大速度依賴于主板和BIOS。多數Socket370主

三有6行插腳，比Socket7多一圈插腳。

二

一

二

二

湖南科技大學計算機科學呵工程，

22

5、SocketA

SocketA架構是當前AMD的Athlon和Duron的插座標準。支

?持的最大CPU速度依賴于主板和BIOS。SocketA主板可以支持

?133MHz外頻。

23

6、Socket423

使用Intel850芯片組，基本上要配價貴的RAMBUS內存。

支持IntelSocket423奔騰4處理器（OLGA封裝）中央處理器。

湖南科技大學計目機科學與工程

24

7、Socket478

使用的芯片組有：Intel850、Intel845D、Intel845E、

?Intel845G>Intel845>威盛P4X333、威盛P4X266、硅統645、

*硅統648o

英特爾英特爾英特爾威盛威盛

芯片組硅統648

850E845G845EP4X333P4X266

發表日期2002年5月2002年5月2002年5月2002年5月2001年8月2002年7月

CPUSocket

Socket478Socket478Socket478Socket478Socket478

Socket423/478

支持的處IntelIntelIntelIntelIntelIntel

理器Pentium4Pentium4Pentium4Pentium4Pentium4Pentium4

前端總線100/133100/133100/133100/133100/133

100MHz

時鐘頻率MHzMHzMHzMHzMHz

最大內存量2048MB3072MB3072MB3072MB4096MB2048MB

SDRAM支持否是是是是否

是否支持

否否否否否否

?I)DRSDRAM

湖南科技大學計算機科學叮

25

6.3控制器的組成

一,一、控制器的功能

?控制器的功能:計算機快速、自動、連續工作是控制器在程

.?序的要求下不斷對機器進行控制的結果。

.?(1)取指令(PC給出指令地址)

■(2)分析指令(得到操作命令、地址)

,(3)執行指令(完成一組微操作MOP)

(4)輸入、輸出(控制程序和數據的輸入和結果輸出)'

{(5)處理隨機事件(中斷、DMA)|

卜，二、控制器的組成

,1、程序計數器PC存放指令地址

順序執行PC—PC+1

p非順序執行PC—ADDR或PC—EA

：：2、指令寄存器IR：存放取出的現行指令

^^■_7帚出恪山謨中口」湖南科技大彝埒機科拈基淖fe，'

26

3、指令譯碼器ID

對IR中的指令操作碼進行譯碼，產生相應控制電位，提供

給微操作序列形成部件，還形成計算EA所需的控制信息。

4、產生計算機所需定時信號，用以在指令執行過程中，對各

功能部件進行有節奏的時序控制。（周期、節拍、工作脈沖）

5、產生計算機所需定時信號，用以在指令執行過程中，對各

功能部件進行有節奏的時序控制。（周期、節拍、工作脈沖）

脈沖源：產生主脈沖（主頻）

啟停電路：控制是否允許主脈沖發送，并保證輸出脈沖的完

整性，實現對計算機安全可靠的啟動和停機

時序信號的產生部件：以主脈沖為基準，產生相應于不同機

器指令的時序信號（狀態、節拍發生器）

6、決定指令執行所需不同微操作的相關信號

指令寄存器操作碼的操作信號

?

湖南科技大學計算機科學叮

指令寄存器操作碼的操作信號

冒程序狀態字寄存器的狀態條件信號

中斷機構輸出的信號

指令轉移地址

_____________￡6.3控制器基本:成框用

■如磔向wJ_湖南科技吳莉?曼機科攀匕途驟，’卻

?三、指令執行過程28

?1、組成控制器的基本電路

?計算機中采用電路，基本上分為兩種類型：

?記憶電路：觸發器以及由觸發器組成的寄存器、計數器在存

?儲單元等，特點是輸入信號消失后，原信息仍然保留其中；

?沒有記憶功能電路：加法器、算術邏輯單元等，當輸入信號

.改變后，輸出跟著變化。

?2、指令執行過程舉例

?(1)一條加法指令的執行過程

，假設運算器的框圖如圖6.6所示。運算器由8個GR、1個ALU,

?并有4個記憶運算結果狀態的標志觸發器N,Z,V和C。

?假設指令格式為：

OPrs,rdrs1Imm（或DISP）

.指令功能：將寄存器(rs)中的一個數與存儲器中的一個數(其

地址為(rsl)+DISP)相加，結果放在寄存器rd中，rs與rd為同一

■寄存器:

《超M組磁訓"一、湖南科技,十算機科密與潭匐，,械蟆

29

*

圖6.6運算器框圖

湖南科技大軍計算機科學,jxsWiB

30

加法指令完成以下操作:

(1)從存儲器取指令，送入IR,并進行操作碼譯碼。PC加1,為下一

?條指令作好準備。控制器發出的控制信號：

.

.PC-AB;W/R#=0;M/IO#=1;DB-IR;PC+1

.(2)計算數據地址，將計算得到的有效地址送到AR。控制器發出

.的控制信號：

.rsl->GR;(rsl)一ALU;disp-ALU;“+ALU-AR

?(3)到存儲器中取數。控制器發出的控制信號：'

?AR-AB;W/R#=0;M/IO#=1;DB-DR

f(4)進行加法運算，結果送寄存器，并根據運算結果置狀態位N、i

?Z、V、C.控器發出的控制信號：

:rs->GR;(rs)—ALU;DR-ALU;“+”；

.rd一GR;ALU-rd;N,Z,V,C

?注意：一條微指令中的控制信號是同時發出的。

，腿領遍叫」、湖南科技大孽計算初科鉆工潮

--------------------------------------

取用t1“算:地1止，2取散，3力11法運算?

7，Z|r>-T1丁2T!T231

CLK26

U1ULinRJLU11R1A

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L?用Li1CTLIKTkn時-L

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A1.1J—?AR\—

)?存器。

.1JTiffrd—(；R

/L

ALU-rd?宜Z、Z、V、C

《沁姓組同理,湖南科技孱計巢機科科遙

32

.(2)條件轉移指令的執行過程

■指令功能：根據N、Z、V、C的狀態，決定是否轉換。

?完成以下操作：

?副從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作碼譯碼。

?PC+1,如不轉移，即為下一條要執行的指令地址。

?本操作對所有指令都是相同的。

?t如轉移條件成立，根據指令規定的尋址方式計算有效地址，

,轉移指令常采用相對尋址方式，轉移地址=PC+disp。此處PC

?是指本條指令的地址，而在上一機器周期已執行PC+1操作，

e因此計算時應取原PC值。最后將轉移地址送PC.

,本條指令只需兩個機器周期，如轉移條件成立，在第二機

?器周期增加一個ALU-PC信號；如為相對轉移，則用PC

.一ALU信號取代加法指令第二周期中的(rsl)一ALU信號。其他

.信號與加法指令的前兩個機器周期中的信號相同。

.某些計算機對條件轉移指令的功能規定為:先進行比較運算，

—根據運算結果置條件碼，并根據條件碼決定是否轉移。要完成

?這樣的功能顯然要增加周期數。、_

；：訂組成原理，-_湖南科技大孽計算機科孽身邛冊麗■一

6.4微程序控制計算機的基本工作原理33

一、微程序控制的基本概念

⑴微命令和微操作

微命令:構成控制信號序列的最小單位。例如：打開或關閉某個控制

門的電位信號。微命令由控制部件通過控制線向執行部件發出。

微操作:執行部件接受微命令后所進行的最基本的操作。

微命令是微操作的控制信號，而微操作是微命令控制的操作過程，在

計算機內部實質上是同一個信號。對控制部件為微命令，對執行部件為

微操作。很多情況下，兩者常常不加區分地使用。

(2)控制存儲器：一種固定存儲器，字長較長，主要用于存放控制命

令和下址。控存字長比機器字長要長得多。

⑶微指令和微周期

微指令:一組實現一定操作功能的微命令的組合。通常用二進編碼表

示。一條微指令包括微命令部分、微地址碼部分或其它

微周期:指從控制存儲器讀取一條微指令并執行相應的微操作所需的

時間。與指令周期之間的差別是，微周期的時間一般是固定的。I

(4)微程序：完成一條指令功能的微指令序列集合；把不同指令的微

操作序列編成微程序來執行.使微操作控制信號碼點化，所有指令對應

的微操作序列按編碼的二進制信息方式存放在控制存儲器中,執行指

令時，從控存中讀出程序并轉化為微操作是制點號序列._________

I鬲融圓面湖蚓技大學計0機科學L"懵a‘

?微程序設計:就是用類似程序設計的方法、組織和控制計算機內部信34

?息的傳送和互相的聯系。

.(5)機器指令與微指令的關系

.機器指令：是提供給使用者編程的基本單位，它表示機器能夠完成

?的一項基本功能。

?微指令：是實現機器指令的一系列微命令的組合。

?一條機器指令對應若干條微指令序列組成的微程序，機器指令由

.微指令進行解釋并執行。

.⑹程序與微程序的關系

程序由機器指令構成，對用戶程序而言，是為某項任務編制并放在

?主存儲器中，允許修改。

?微程序由微指令構成，一條機器指令對應一段微程序，所以微程序

.用于描述機器指令的。

.微程序是在設計計算機時將它預先編制好，并存入控制存儲器中，

,通常不允許用戶修改。但也有機器向用戶提供了微程序設計能力，允

?許用戶自己編制微程序，擴充所需要的功能。

.(7)主存儲器與控制存儲器的關系

.主存儲器中存放的系統程序和用戶程序，容量很大；

控制存儲器中存放的是對應于機器指令系統的全部微程序，控制實

?現機器的整個指令系統，容量有限，速度比主存快。

湖南科技大學計算機科學叮

二、實現微程序控制的基本原理

，1、控制信號

一

一

序

?序

號

?號控制信號功能控制信號功能

?1PC-AB指令地址送地址總線13+ALU進行加法運算

2ALC-PC轉移地址送PC14—ALU進行減法運算

3PC+1程序計數器加115AALU進行邏輯乘運算

■4imm—ALU立即數或偏移量送ALU16VALU進行邏輯加運算

.5DB-IR取指到指令寄存器17ALU-GRALU運算結果送通用寄存器

6DR—DB數據總線上數送數據寄存器18ALU—DRALU運算結果送數據寄存器

.7DR—DB數據寄存器數據送數據總線19ALU—ARALU運算結果送地址寄存器

.8rsl—*GR寄存器地址送送通用寄存器20AR—AB地寄存器內容送地址總線

?9rs,rd一GR寄存器地址送送通用寄存器21ADS地址總線上地址有效

■10(rsl)->ALU寄存器內容送送ALU22M/IO#訪問存儲器或I/O

.11(rs)-ALU寄存器內容送送ALU23W/R#寫或讀

12DR—ALU數據寄存器內容送ALU

號3組屈HL「機.程可??廣檢

?仍以執行一條加法指令為例，它由四條微指令解釋執行，每條37

.微指令所需的控制信號如下：

.1、取指令：

PC—AB(1);W/R#=O(23);M/IO#=1(22);DB-IR(5);

?PC+1(3)；ADS(21)

?2、計算地址

?rsl->GR(8);(rsl)一ALU(10);disp->ALU(4);(13);

ALU->AR(19)

3、取數

?AR一AB(20);W/R#=0(23);M/IO#=1(22);DB一DR(6)；

.ADS(21)

?4、運算送結果

.rs->GR(9);(rs)-ALU(11);DR->ALU(12);(13);

?ALU->GR(17)

?微指令最簡單的組成形式是將每個控制信號用一個控制位來表

?示。當該位為“1”表示有控制信號；當該位為“0”表示沒有控

.制信號。M/IO#,W/R#則根據是訪問存儲器還是I/O設備，是寫還是

?讀而設置成“1”或“0”。

?本例共有23個控制信號，所以總共有23個控制位，若控存容量

?為4K,則每條微指令還需12位地址來表示下址。

^■^州如觸瀛聞：湖南科技大孽計算機科孽務工?潭"編

38

?-—-控制字段-——?<----------下址字段--------?

12???2324???35

ALU->PC

PC->ABW/R#

則加法指令的4條微指令編碼如下：

1?23為控制字段，24?35為下址字段（略去）。

11111111112222

12345678901234567890123

?取指111110

?算地址11111

?取數

11110

一加法11111

最?魄g湖南科技大學計算機科學叮

39

微程序也可用流程圖來表示，如下圖。

湖南科技大學計算機科學叮

40

2、微程序控制器

微程序控制器如右下圖。

指令寄存器IR操作碼地址碼

形成本條指令

的微程序入口指令譯碼

地址

控制存儲器

微指令寄存器控制字段下址

湖南科技大學計算機科學叮r.f'1,^H

41

3、時序信號及工作脈沖的形成

對于同步控制系統，統一的系統時鐘，是協調各個部件協調工作

的基本手段。合理設計的時標系統，不僅僅可以保證系統工作的協調

和正確，也是系統能否高效工作的基礎。

CLK2經過二分頻得到CLK,CLK分頻得到Tl0T2可從T1反相得至上

見“圖6.12時序信號及工作脈沖”。

指令周期：對于絕大多數情況，一條計算機指令的執行時間，或者

簡單地認為指令周期，指令周期為存儲周期的整數倍。

例如：2個存儲周期（一地址指令）

機器周期：根據指令執行的不同任務，將一個指令周期劃分成幾個時

間段，也稱工作狀態；

以存儲周期為基準確定機器周期。

2個機器周期（標志觸發器）：IF（取指周期）、EX（執行周期）

副節拍：機器周期劃分為若干個相等時間段，每段稱為一個節拍

系統時鐘：一個節拍電位的寬度，所有微操作在一個節拍內完成

節拍一般用具有一定寬度的電位信號表示，稱為節拍電位。

湖南科技大學計算機科學叮

I.42

在計算機系統中，節拍電位通常是具有周期性的，一條指令執

?行結束后，節拍電位在下一條指令執行中會從頭開始；所以節拍

?電位的周期和指令周期是相同的。表示一個劃分成n個相等時間段

一，的指令周期T,有n個節拍電位T。、與指令周期的劃分相對

?應。這樣，將一條指令的微操作序列按時序性要求，分配到各個

.節拍中去執行。節拍電位的順序性保證了微操作的時序性。

指令

周期

ToL_

T12______

T

a1n-1

?一般說來，節拍電位的寬度就是機器的系統時鐘周期，因此,

＞所有微操作都是與計算機系統時鐘信號同步。

湖南科技大學計算機科學叮

I43

.4、指令周期與存儲周期之間關系

.早期的計算機，指令周期通常是存儲周期的整數倍，如兩倍、三

*倍、四倍等，具體的倍數與指令的功能相關。

*一條沒有數據訪存的指令通常指令周期為一個存儲周期，這個存

?儲周期用于取出指令；一條一地址訪存（非存儲器間接訪存尋址）指令

?的指令周期需要兩個存儲周期；如果指令數據需要兩次訪存，則指令

.周期等于三倍存儲周期，依此類推。這中間的主要原因是早期計算機

存儲器的控制器需要由系統控制器擔任，而且存儲器與CPU系統在相

合同的系統時鐘下工作。下圖是一個一地址指令中指令周期與存儲周期

一之間關系圖。

指令周期

<——取指周期（IF）執行周期（EX）——A

ToT1T2T3ToTiT2T3

第一存儲周期第二存儲周期

取指令To訪問存儲器

指令譯碼Ti訪問存儲器結束

運算并保存結果

PC+1T2

送操作數地址送存儲器

T3PC

湖南科技大學計算機科學叮

44

當前計算機系統的指令周期往往與系統存儲器的存儲周期沒

有直接的關系，尤其在使用微處理器的環境中。

目前大多數微處理器和存儲器系統采用獨立時鐘設計，以減少

存儲器和處理器之間的關聯，減少對彼此系統實際設計的相互影

響。但是這并不是說計算機的指令周期與存儲器訪問周期沒有關

系。

由于現代計算機系統都使用了Cache存儲器系統，緩沖了CPU與

系統存儲器之間的時間關系。

計算機指令的執行周期與離CPU最近的Cache存儲器系統（一般

為第一級Cache,Level1cache）的存儲周期的關系與早期計算機與

系統存儲器之間的關系是一樣的，即指令周期為離CPU最近的存

儲器系統的存儲周期的整數倍。

對于工作頻率非常高的微處理器，如工作頻率達200MHz以上，

絕大多數存儲器的工作是無法滿足要求的，微處理器一般采用加

入“等待周期”來完成從存儲器取出數據。當然在存儲器系統和

結構設計中也需要采取相應的措施。

1,■睡i贏.湖南科技大學計算機科學叮

I?5、電路配合中的常見45

?副電路延遲引起的波形畸變

?售機器周期的確定

?一條微指令要完成若干個微操作，不同的微指令要完成的微操作是

一

不同的，所有的微操作都應在一個機器周期內完成。

也就是說機器周期時間應大于或等于執行時間最長的微操作時間。

?時鐘脈沖CLK和工作脈沖CP的標準性

>CP主要作為寄存器和觸發電路的打入脈沖。在控制打入脈沖的機

.器中，總是盡量將CP信號送到控制門的最后一級。

.在傳送CLK的線上或產生打入脈沖的信號線上不允許出現“毛

?刺”，否則將引起誤動作。

-6、微程序控制計算機的工作工程簡單總結

?微程序控制也有其不足之外，其一是速度比組合邏輯控制慢，其

.二是幾乎所有指令處理的速度是一樣的。典型的RISC一般不采用微

程序控制。

而目前的CISC處理器，如Intel的Pentiumn/III等，一般采用混合控

?制邏輯，即常用的簡單指令采用組合邏輯控制實現，如寄存器之間的

.數據傳送指令等，而對于不常用的和復雜的指令則采用微程序控制實

現。采用混合控制邏輯實現計算機處理器，是目前處理器設計中最常

采用的方法。

萬謙?湖南科技大學計算機科學叮

微程序46

主振

控制條件方案的

控制控制器

存儲器

啟停

輸出輸入

設備設備

I