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第5章 中央處理器 本章主要內(nèi)容 CPU的功能和組成 控制器控制原理 指令周期（★★★） 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 硬布線控制器 微程序控制器（★★★） 流水線處理器 5.1 CPU的功能和組成 CPU的功能 CPU的組成 CPU中的主要寄存器 操作控制器 時(shí)序產(chǎn)生器 CPU的基本功能 取出指令并執(zhí)行指令的部件——CPU CPU（ Central Processing Unit） 數(shù)據(jù)加工：算術(shù)/邏輯運(yùn)算；（ALU ） 指令控制：指令執(zhí)行的順序控制;（PC，JMP） 操作控制: 產(chǎn)生各種操作信號(hào);（微操作信號(hào) ） 時(shí)間控制: 控制操作信號(hào)的發(fā)生時(shí)間;（時(shí)序信號(hào)發(fā)生器 ） 包括控制器（CU）和運(yùn)算器（ALU） CPU的組成 運(yùn)算器 算術(shù)運(yùn)算/邏輯運(yùn)算 控制器：指揮計(jì)算機(jī)各部件按指令要求進(jìn)行操作的部件 控制取出、解釋和執(zhí)行指令 從內(nèi)存中取指，并提供下一條指令地址 對(duì)指令進(jìn)行譯碼/測(cè)試，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào) 產(chǎn)生執(zhí)行部件的運(yùn)行所需要的控制信號(hào) 指揮并控制CPU，內(nèi)存和I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送 存儲(chǔ)器與控制器之間的信息流動(dòng)——指令流； 存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之間的信息流動(dòng)——數(shù)據(jù)流。 中斷控制——對(duì)異常情況和外部請(qǐng)求的處理 CPU中的主要寄存器 PC—程序計(jì)數(shù)器：Program Counter AR—地址寄存器：Address Register DR—數(shù)據(jù)緩沖寄存器：Data Register IR—指令寄存器：Instruction Register AC—累加寄存器：Accumulate Count PSW —程序狀態(tài)字：Program Status Word 控制器基本組成 PC (Program Counter)---程序計(jì)數(shù)器 IR (Instruction Register)---指令寄存器 ID (Instruction Decoder)---指令譯碼器 OC (Operate Controller)---操作控制器 TG (Timer Generator) ---時(shí)序發(fā)生器 指令譯碼器？ 對(duì)指令進(jìn)行分段（操作碼、地址碼）譯碼，指出指令的操作方式、尋址方式 為操作控制器提供輸入信號(hào) 操作控制器？ 根據(jù)指令操作碼和地址碼、時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種控制信號(hào)序列 ，建立正確的數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。 硬布線控制器 (時(shí)序邏輯型) (硬件實(shí)現(xiàn)) 微程序控制器 (存儲(chǔ)程序型) (軟件實(shí)現(xiàn)) 數(shù)據(jù)通路—執(zhí)行部件間（寄存器）傳送信息的通路。 時(shí)序產(chǎn)生器？ 產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)(電位，脈沖)； 對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。 主機(jī)基本組成 本章主要內(nèi)容 CPU的功能和組成 控制器控制原理 指令周期（★★★） 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 硬布線控制器 微程序控制器（★★★） 流水線處理器 5.2 指令周期（★★★） 指令周期基本概念 CLA指令周期 ADD指令周期 STA指令周期 NOP指令周期 JMP指令周期 指令周期基本概念 時(shí)鐘周期：T，節(jié)拍脈沖 CPU 周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)間 指令周期：從內(nèi)存取一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)間。 由若干個(gè)CPU周期組成， 一個(gè)CPU周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖） 指令周期基本概念（★★★） 取指令周期 取操作數(shù)周期 （可無(wú)） 執(zhí)行周期 典型指令 CLA指令周期 CLA執(zhí)行過(guò)程的操作 PC→AR PC+1→PC AR →ABUS→RAM→DBUS→DR DR→IR 0→AC ADD指令周期 ADD執(zhí)行過(guò)程的操作 PC→AR PC+1→PC AR →ABUS→RAM→DBUS→DR DR→IR IR(A)→AR→ABUS→RAM →DBUS→DR→ALU ALU→AC [DR+AC→AC] STA 指令周期 STA執(zhí)行過(guò)程的操作 PC→AR PC+1→PC AR →ABUS→RAM→DBUS→DR DR→IR IR(A)→AR→ABUS AC→DR DR→DBUS→RAM NOP指令周期 JMP 21指令周期 JMP執(zhí)行過(guò)程中的操作 PC→AR PC+1→PC AR →ABUS→RAM→DBUS→DR DR→IR IR(A)→PC Next command 方框圖語(yǔ)言 方框圖表示 例 (1)“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作，畫出其指令周期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列，假設(shè)該指令的地址已放入PC中。? (2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，畫出其指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。 公操作 一條指令執(zhí)行完后，CPU所進(jìn)行的一些操作。 對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理（中斷，通道） 若無(wú)外設(shè)請(qǐng)求的處理，CPU則轉(zhuǎn)而取下條指令。 由于取指令是每條指令都有的，所以，取指令也是公操作。 其他指令 LAD R0，（80） ADD R0，（81） JO 75 STA（R1），R0 HALT 主機(jī)基本組成 取指控制信號(hào) 取指控制信號(hào) 取指控制信號(hào) 執(zhí)行指令過(guò)程 執(zhí)行指令過(guò)程 執(zhí)行指令過(guò)程 執(zhí)行指令過(guò)程 執(zhí)行指令過(guò)程 雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路 執(zhí)行指令 單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器 單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器 控制方式 同步控制方式 已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù) 和時(shí)鐘周期數(shù)都是固定不變的。 異步控制方式： 每條指令或操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間 就占用多少時(shí)間。 聯(lián)合控制方式 本章主要內(nèi)容 CPU的功能和組成 控制器控制原理 指令周期（★★★） 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 硬布線控制器 微程序控制器（★★★） 流水線處理器 指令周期基本概念 時(shí)鐘周期：T，節(jié)拍脈沖 CPU 周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)間 指令周期：從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)間。由若干個(gè)CPU周期組成。一個(gè)CPU周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖） 指令周期 指令周期是指取指令、分析指令到執(zhí)行完該指令所需的全部時(shí)間。 指令周期不盡相同：各種指令的操作功能不同，有的簡(jiǎn)單，有的復(fù)雜。 機(jī)器周期 機(jī)器周期通常又稱CPU周期，通常把一條指令劃分為若干個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。 一般的CPU周期有：取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等。所以有： 指令周期=i機(jī)器周期 一般情況下，一條指令所需的最短時(shí)間為兩個(gè)機(jī)器周期：取指周期和執(zhí)行周期。 節(jié)拍 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作; 有的微操作可以同時(shí)執(zhí)行，有的需要按先后次序串行執(zhí)行; 把一個(gè)機(jī)器周期分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱為節(jié)拍電位信號(hào) 節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本操作的時(shí)間，如：CPU完成一次正確的運(yùn)算；寄存器間的一次傳送等。 工作脈沖 在節(jié)拍中執(zhí)行的有些操作需要同步定時(shí)脈沖 如：將穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果打入寄存器，又如周期狀態(tài)切換等 節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，作為各種同步脈沖的來(lái)源； 工作脈沖的寬度只占節(jié)拍電位寬度的1/n，并處于節(jié)拍的末尾（只要能保證所有觸發(fā)器都可靠、穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)就可以了） 多個(gè)脈沖的節(jié)拍常見于某些小型計(jì)算機(jī)中； 在只設(shè)置機(jī)器周期和時(shí)鐘周期的微型機(jī)中，一般不再設(shè)置工作脈沖（因?yàn)闀r(shí)鐘周期既可以作為電位信號(hào)，其前后沿又可以作為脈沖觸發(fā)信號(hào)） 附：三級(jí)時(shí)序 CPU周期（機(jī)器周期） 將指令周期劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作階段，稱為CPU周期。 節(jié)拍電位 CPU 周期包括若干個(gè)完成微操作的節(jié)拍電位。 節(jié)拍脈沖 與節(jié)拍電位相配合完成數(shù)據(jù)加工與傳送。 小型機(jī)的三級(jí)時(shí)序 時(shí)序發(fā)生器-1 時(shí)序信號(hào)的作用和體制 作用：為計(jì)算機(jī)各部分的協(xié)調(diào)工作提供時(shí)序標(biāo)志。 體制:電位-脈沖制 電位-脈沖制 電位-脈沖制是時(shí)序信號(hào)最基本的體制。 當(dāng)實(shí)現(xiàn)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)必須以電位形式加在觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，而數(shù)據(jù)輸入的控制信號(hào)可選用脈沖。 數(shù)據(jù)必須先送到觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，并且表示數(shù)據(jù)的電位一定要保持在控制脈沖的作用下被觸發(fā)器記憶為止，這段時(shí)間較長(zhǎng)，所以數(shù)據(jù)需要用電位表示。 而輸入脈沖的時(shí)間寬度只需要保證數(shù)據(jù)從觸發(fā)器的輸入端穩(wěn)定在輸出端的時(shí)間。 時(shí)序發(fā)生器-2三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)的組成 CPU周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生CPU周期信號(hào)。 *通常，機(jī)器運(yùn)行期間，任一個(gè)時(shí)刻僅處于一個(gè)CPU周期狀態(tài)。 節(jié)拍周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生節(jié)拍電位T1—T4。 *在定長(zhǎng)CPU周期中，每個(gè)CPU周期含有相同的節(jié)拍電位數(shù) 節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生節(jié)拍脈沖信號(hào)P1—P4. *節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖時(shí)間關(guān)系固定。 下圖中，每個(gè)節(jié)拍電位包含一個(gè)脈沖。 時(shí)序發(fā)生器-3 組成與原理 時(shí)鐘源 為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)； 通常由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成 假定此時(shí)時(shí)鐘源輸出50MHz（脈沖周期20ns）的時(shí)鐘信號(hào)。 環(huán)形脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，通常采用循環(huán)移位寄存器形式。 由循環(huán)移位寄存器和譯碼器組成。 環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯 電路說(shuō)明 4個(gè)觸發(fā)器輸入輸出串聯(lián)構(gòu)成循環(huán)移位電路 D觸發(fā)器R/S端分別為Reset和Set C1 C2 C3 時(shí)鐘信號(hào)為上跳沿 C4 時(shí)鐘信號(hào)為下跳沿 循環(huán)移位寄存器工作過(guò)程： 總清信號(hào)CLR*使C4置1，打開與非門3。 Φ1上升邊經(jīng)與非門3反相將C1—C3清“0”。 Φ1*上升邊使C4打入0，關(guān)閉與非門3。 Φ2*的下降邊即Φ2的上升邊使C1—C3打入100。 同理Φ3—Φ4使C1—C3打入110和111。 當(dāng)C3=1時(shí)，Φ4*使C4=1，Φ5又使C1—C3清0。 在Φ6時(shí)又重復(fù)Φ2開始的過(guò)程。 節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯碼 假設(shè)一個(gè)CPU周期中包括4個(gè)等間隔的節(jié)拍信號(hào)T10—T40 節(jié)拍譯碼邏輯： T10= C1·C2， T20= C2·C3 T30= C3 ， T40= C1 機(jī)器運(yùn)行時(shí)，由T10—T40產(chǎn)生T1—T4。 節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯碼 假設(shè)一個(gè)節(jié)拍含一個(gè)節(jié)拍脈沖 節(jié)拍脈沖譯碼邏輯： P1=T1·φ， P2=T2·φ， P3=T3·φ， P4=T4·φ， 時(shí)鐘源頻率50MHz，周期T=20ns，脈沖寬度為10ns。 啟�？刂七壿� 啟停控制邏輯用來(lái)控制原始節(jié)拍脈沖T10~ T40的輸出，產(chǎn)生CPU工作所需的節(jié)拍脈沖T1~ T4。 同理，對(duì)讀/寫時(shí)序邏輯也要加以控制。 對(duì)啟停電路的要求 計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)是隨機(jī)的，要求 計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第一個(gè)節(jié)拍脈沖的前沿開始工作； 在停機(jī)時(shí)，一定要在第四個(gè)節(jié)拍脈沖后沿結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器； 要求第一個(gè)脈沖和最末一個(gè)脈沖是完整的脈沖。 啟�？刂七壿� 啟停電路說(shuō)明 運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器Cr Cr=0—封鎖原始信號(hào) Cr=1—使上述原始信號(hào)變?yōu)镃PU所需的時(shí)序信號(hào) 總清信號(hào)CLR*使Cr=0 啟動(dòng)：?jiǎn)��?dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，在T40*的后沿把Cr打入1； 停機(jī)：停機(jī)信號(hào)為低電平時(shí)，在T40*的后沿把Cr打入0 。 時(shí)序圖 控制器基本控制方式 控制方式：形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法 三種基本控制方式： 同步控制方式 異步控制方式 聯(lián)合控制方式 同步控制方式 每一步操作均由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)來(lái)控制 特點(diǎn)：具有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào) 對(duì)指令周期的控制： 定長(zhǎng)指令周期 不定長(zhǎng)指令周期、定長(zhǎng)CPU周期 變長(zhǎng)CPU周期、定長(zhǎng)節(jié)拍電位 異步控制方式 按實(shí)際需要確定每條指令，每個(gè)操作所需要的時(shí)間，稱為異步控制方式。 做法：由前一微操作執(zhí)行完畢時(shí)產(chǎn)生的“結(jié)束”信號(hào)作為下一微操作的“起始”信號(hào)。 特點(diǎn)：時(shí)間利用率高，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用器件多。 聯(lián)合控制方式 是同步和異步控制方式的結(jié)合。 將各種指令可公共起來(lái)的微操作安排在固定的周期、節(jié)拍中，對(duì)難以公共的微操作信號(hào)，則以執(zhí)行部件的“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束，部分統(tǒng)一，部分區(qū)別對(duì)待。 本章主要內(nèi)容 CPU的功能和組成 控制器控制原理 指令周期（★★★） 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 硬布線控制器 微程序控制器（★★★） 流水線處理器 硬布線控制器Hardwired control -基本原理 由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)，用以產(chǎn)生執(zhí)行指令的一系列微操作信號(hào)； 組成器件：門電路，觸發(fā)器 將控制器看成產(chǎn)生固定時(shí)序控制信號(hào)的邏輯電路 輸入信號(hào)：指令系統(tǒng)，時(shí)序信號(hào)，反饋信號(hào) 輸出信號(hào)：計(jì)算機(jī)所需要的所有的控制信號(hào) 設(shè)計(jì)目標(biāo)：用最少的元件，取得最高速度。 理論基礎(chǔ)：布爾代數(shù)。 硬布線控制器(組合邏輯控制器) 組合邏輯線路的輸入信號(hào) 指令譯碼器的輸出:Im 不同指令操作碼和尋址方式?jīng)Q定應(yīng)執(zhí)行的微操作。 時(shí)序產(chǎn)生器輸出的節(jié)拍電位/節(jié)拍脈沖 :Mi，Tk 使微操作信號(hào)按時(shí)序要求產(chǎn)生。 結(jié)果的反饋信息 :Bj 條件碼（如N、V、C、Z等）影響指令，不同狀態(tài)條件而產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果，即需不同的微操作信號(hào)。 組合邏輯線路的輸出信號(hào) 微操作控制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式： C=ƒ(Im·Mi·Tk·Bj) 例：讀主存信號(hào)C3 ------ (RD) 取指令在M1被激活 或LDA ADD AND M3 C3=M1+M3（LDA+ADD+AND） C3=T2M1+T1M3（LDA+ADD+AND） 硬布線控制器基本原理 微操作控制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式： 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)CPU的結(jié)構(gòu)，畫出所有指令操作流程圖； 找出產(chǎn)生同一微操作控制信號(hào)的條件 編排指令操作時(shí)間表； 即把指令操作流程圖中的微操作落實(shí)到不同的CPU周期和節(jié)拍中。 綜合、化簡(jiǎn)微操作邏輯式，并畫出邏輯控制電路 寫出各微操作控制信號(hào)的布爾表達(dá)式； 化簡(jiǎn)各表達(dá)式； 利用電路或門陣列實(shí)現(xiàn) 硬布線控制器特點(diǎn) 組成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜； 無(wú)規(guī)則； 設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)щy； 不可改變指令系統(tǒng)和指令功能 適用于VLSI 速度快 本章主要內(nèi)容 CPU的功能和組成 控制器控制原理 指令周期（★★★） 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 硬布線控制器 微程序控制器（★★★） 流水線處理器 微程序控制器的基本原理 指令執(zhí)行的階段性：取指令，分析指令，執(zhí)行指令等； 將所需微操作信號(hào)以二進(jìn)制編碼形式存入存儲(chǔ)器； 按序依次讀出執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)指令的功能。 基本概念—微命令和微操作 控制部件與執(zhí)行部件 二者通過(guò)控制線，反饋線聯(lián)系 微命令 控制部件（如CU）通過(guò)控制線向執(zhí)行部件（如ALU、M、GRS等）發(fā)出的各種控制命令. 微操作 執(zhí)行部件接受微命令后進(jìn)行的操作。 基本概念—微命令和微操作 打開或者關(guān)閉控制門的控制信號(hào)為微命令 微命令是控制信號(hào)最小，最基本的單位 微命令帶來(lái)的執(zhí)行部件的動(dòng)作稱為微操作 互斥性微命令： 不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的微命令， 例如：+、-、M 相容性微命令 可能同時(shí)出現(xiàn)的微命令 基本概念—微指令和微程序 微指令——在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。 微程序——由若干條微指令組成的、用以實(shí)現(xiàn)指令功能的程序 微指令的基本格式 操作控制字段用于產(chǎn)生微命令。 順序控制字段用于確定下一條微指令地址。 微指令基本格式舉例 微程序控制概念microprogramming control 一條指令的處理包含許多微操作序列 這些操作可以歸結(jié)為信息傳遞、運(yùn)算 將這些操作所需要的控制信號(hào)以多條微指令表示 執(zhí)行一條微指令就給出一組微操作控制信號(hào) 執(zhí)行一條指令也就是執(zhí)行一段由多條微指令組成的微程序 微指令基本格式 微程序控制概念 將指令系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所需的控制信號(hào)以微指令為單位存儲(chǔ)。微指令中的每一位對(duì)應(yīng)一根控制信號(hào)線 每條指令對(duì)應(yīng)一段微程序 微程序由若干條微指令構(gòu)成 機(jī)器執(zhí)行指令時(shí)逐條取出微指令執(zhí)行，使得相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)定的操作，執(zhí)行完微程序，也就給出了該指令所需要的全部控制信號(hào)，從而完成一條指令的執(zhí)行。 微指令與微程序 微命令 1： LDR1 2： LDR2 3： LDR3 4： R1→X 5： R1→Y 6： R2→X 7： R2→Y 8： DR→X 9： R3→Y 微命令 10： + 11： - 12： M 13： RD 14： LDDR 15： LDIR 16： LDAR 17： PC+1 所有的微命令 1： LDR1 2： LDR2 3： LDR3 4： R1→X 5： R1→Y 6： R2→X 7： R2→Y 8： DR→X 9： R3→Y 微指令格式 微指令格式… 操作控制字段 操作控制字段直接給出多種微操作的控制信號(hào) 順序控制字段 用于控制微程序的執(zhí)行順序 包括判斷邏輯字段(P)和直接地址字段 直接地址字段存放下一條微指令的地址 判斷邏輯非零，則按約定好的規(guī)則，根據(jù)狀態(tài)修正直接地址字段，從而得到下一條微指令的地址 微指令基本格式 微指令周期 執(zhí)行一條微指令和取出下一條微指令所用的時(shí)間，稱為微周期。 微程序控制器組成原理框圖 微程序控制器的框圖說(shuō)明… 控制儲(chǔ)存器CM 存放實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令系統(tǒng)功能的微程序，由高速ROM構(gòu)成。 * ①CM的字長(zhǎng)就是微指令字長(zhǎng)； ②CM是控制器的一部分，位于CPU中 ； ③高速可靠，讀出周期短 。 微指令寄存器MIR 寄存現(xiàn)行微指令。 地址轉(zhuǎn)移邏輯 按要求修改形成下一條微指令的地址。 微地址寄存器μAR 寄存訪問CM的微指令地址。 取指令微程序 取指令 取指令的微指令(簡(jiǎn)稱取指微指令)地址送μAR，并自動(dòng)啟動(dòng)控制存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作，將讀出的微指令送IR，執(zhí)行微指令，讀取指令到IR 執(zhí)行指令微程序 執(zhí)行指令： 根據(jù)IR中指令的功能，產(chǎn)生該指令微程序入口地址，微程序入口地址送入AR，讀CS，讀出的微指令送IR、(下址字段送AR)， 控制字段的微命令控制完成一組微操作 同時(shí)由微地址產(chǎn)生邏輯或微指令下址字段形成下條微指令地址，按取微指令，執(zhí)行微指令過(guò)程重復(fù)執(zhí)行完微程序?qū)崿F(xiàn)指令的功能 執(zhí)行指令微程序… 采用微程序控制的計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程是執(zhí)行微指令序列的過(guò)程。 微指令控制了取指令操作， 多條微指令實(shí)現(xiàn)了指令的功能。 而微指令中的微命令使執(zhí)行部件完成微操作，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程是執(zhí)行程序的過(guò)程，微觀看，是執(zhí)行指令的過(guò)程，再微觀一點(diǎn)看，是執(zhí)行部件進(jìn)行微操作的過(guò)程 微程序存放示意圖 十進(jìn)制加法（例） BCD碼完成十進(jìn)制加法 作加法時(shí)必須校驗(yàn): 兩數(shù)之和大于9，需加6調(diào)整；8+6＝14 8+2＝10 兩數(shù)之和小于9，結(jié)果正確； 3+6＝9 5+2＝7 8+6+6=20 高位進(jìn)位 8+2+6 ＝16>15 高位進(jìn)位 3+6+6＝15 <＝ 15 不產(chǎn)生進(jìn)位 5+2+6＝13 <＝ 15 不產(chǎn)生進(jìn)位 第一條微指令 PC→AR→ABUS→DBUS→DR→IR PC+1 LDAR RD LDDR LDIR PC+1 第二條微指令 R1→X R2→Y X+Y X+Y→R2 R1→X R2→Y + LDR2 第三條微指令 R2→X R3→Y X+Y X+Y→R2 R2→X R3→Y + LDR2 第四條微指令 R2→X R3→Y X-Y X-Y→R2 R2→X R3→Y - LDR2 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系 機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序由若干微指令組成，一個(gè)微指令又包含多個(gè)微操作 機(jī)器指令與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，微指令與控制存儲(chǔ)器有關(guān) 每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令 微指令設(shè)計(jì) 有利于縮短微指令字長(zhǎng)度 有利于減少控制存儲(chǔ)器容量 有利于提高微程序執(zhí)行速度 有利于對(duì)微指令進(jìn)行修改 有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性 微命令編碼 直接表示法 編碼表示法 混合表示法 直接表示方法 微指令中每一位代表一個(gè)微命令 簡(jiǎn)單直觀，便于輸出控制， 字長(zhǎng)太長(zhǎng)，控制存儲(chǔ)器容量大 編碼表示方法 字段直接譯碼法 字長(zhǎng)短，控制存儲(chǔ)器容量小，增加了譯碼電路 注意譯碼時(shí)，需要多保留一個(gè)狀態(tài) 微地址形成方法 計(jì)數(shù)器法 PC 下地址字段法 微指令格式 水平型微指令（一次能并行多個(gè)微操作的指令） 水平型與垂直型微指令比較 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng) 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短 由水平型微指令指令的微程序，微指令字較長(zhǎng)，微程序短，垂直型號(hào)字長(zhǎng)短，微程序長(zhǎng)。 水平型不便于用戶掌握，垂直型與指令相似，易于掌握。 微程序控制器特點(diǎn) 設(shè)計(jì)規(guī)整，設(shè)計(jì)效率高 易于修改、擴(kuò)展指令系統(tǒng)功能； 結(jié)構(gòu)規(guī)整、簡(jiǎn)潔，可靠性高； 速度慢 訪存頻繁 執(zhí)行效率不高 用于速度要求不高、功能較復(fù)雜的機(jī)器中。 特別適用于系列機(jī) 硬布線與微程序控制器比較 硬布線控制器執(zhí)行速度快 微程序控制器每條微指令都需要從控制存儲(chǔ)器中讀取一次，大大影響了速度，硬布線控制取決于電路延遲。 硬布線控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜，代價(jià)昂貴 微程序控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)修改 本章主要內(nèi)容 CPU的功能和組成 控制器控制原理 指令周期（★★★） 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 硬布線控制器 微程序控制器（★★★） 流水線處理器 流水線原理 1.時(shí)間并行 把任務(wù)分成若干子任務(wù)，使子任務(wù)在流水線的各階段并發(fā)地執(zhí)行。--------時(shí)間上并行性。 2.空間并行 資源重復(fù) 多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3.時(shí)間并行+空間并行 時(shí)間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。 奔騰CPU采用超標(biāo)量流水技術(shù)，可在一個(gè)機(jī)器周期同時(shí)執(zhí)行兩條指令。 指令周期細(xì)分 取指令 IF (Instruction Fetch) 指令譯碼 ID (Instruction Decode) 執(zhí)行運(yùn)算 EX (Execution) 結(jié)果寫回 WB (Write Back) 串行執(zhí)行過(guò)程 非流水線時(shí)空?qǐng)D 流水線時(shí)空?qǐng)D 超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D 流水線分類 1.指令流水線 取指---譯碼---取數(shù)---執(zhí)行 2.算術(shù)流水線 加法器， 乘法器， 快速傅里葉變換器 STAR-100------4級(jí) 3.處理機(jī)流水線 由一串級(jí)連的處理機(jī)組成. 每臺(tái)處理機(jī)負(fù)責(zé)某一特定任務(wù). 流水計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)組成 指令部件 指令隊(duì)列 執(zhí)行部件 流水線的相關(guān)沖突 資源相關(guān) 取操作數(shù)與取指令都需要訪問主存， 數(shù)據(jù)相關(guān) 后一條指令的操作數(shù)依賴于前一條指令的執(zhí)行結(jié)果 控制相關(guān) 轉(zhuǎn)移指令使得流水線發(fā)生中斷 延遲轉(zhuǎn)移法 預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移法 本章重點(diǎn)內(nèi)容 CPU的功能（控制器的功能） 指令周期基本概念 五種基本指令的指令周期及其數(shù)據(jù)通路流程 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式基本原理 微程序控制器工作原理 微程序設(shè)計(jì)基本概念 硬布線控制器基本概念 流水線處理器基本原理以及相關(guān)概念 本章容易混淆的一些概念 微命令 微操作 公操作 微指令 微程序 機(jī)器指令 本章容易混淆的一些概念 微命令 控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令 微操作 執(zhí)行部件接受微命令以后所進(jìn)行的操作 公操作 一條指令執(zhí)行完畢以后，CPU所進(jìn)行的操作 本章容易混淆的一些概念 微指令 在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令 微程序: 一條指令均對(duì)應(yīng)一段微程序，微程序固化在控制存儲(chǔ)器中。 機(jī)器指令 本章容易混淆的一些概念 指令周期 CPU周期 機(jī)器周期 節(jié)拍電位， 周期電位， 工作脈沖， 節(jié)拍脈沖 本章容易混淆的一些概念 周期表示時(shí)間段，在邏輯電路中為了識(shí)別時(shí)間段，相關(guān)信號(hào)的電位表示時(shí)間段，如取指令周期電位。 CPU周期=機(jī)器周期，一cpu周期包括多個(gè)節(jié)拍。 節(jié)拍電位（表示節(jié)拍的電位信號(hào)）， 狀態(tài)周期電位（表示周期狀態(tài)的電位信號(hào)）， 工作脈沖=節(jié)拍脈沖 指令周期〉CPU/機(jī)器周期 〉節(jié)拍 時(shí)序圖 Machine Structure 指令流？ 指令流： 在取指令整個(gè)操作過(guò)程中涉及到的信息流動(dòng) ①取出指令：PC→BUS→AR，READ； DR→BUS→IR。 ②完成（PC）+1：PC→ALU+1→BUS→PC。 數(shù)據(jù)流？ 在數(shù)據(jù)通路中流動(dòng)的信息。 主要有三類： ①?gòu)膬?nèi)存讀出數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果送回內(nèi)存。 A→AR，READ，DR→BUS→ALU（加工處理）→內(nèi)存 ②從寄存器讀出數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果送回GRS或內(nèi)存。 Ri→ALU→BUS→GRS或內(nèi)存。 ③從內(nèi)存讀出的內(nèi)容作為訪內(nèi)地址。 A→AR，READ，DR→BUS→AR。 微操作？ 由控制器發(fā)出的控制各部件的最基本操作，是最簡(jiǎn)單的不可再分的操作。a5D紅軟基地

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