組成原理課程第六章(2013版)

1、 第六章第六章 中央處理器中央處理器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理2本章知識(shí)點(diǎn)本章知識(shí)點(diǎn)6.1 CPU6.1 CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)的功能和基本結(jié)構(gòu) CPU的基本功能和常見的CPU基本結(jié)構(gòu)6.2 6.2 指令執(zhí)行的過程指令執(zhí)行的過程 1)數(shù)據(jù)通路的概念及組成 2)指令周期流程圖6.36.3時(shí)序與控制器時(shí)序與控制器6.46.4微程序控制器的工作原理微程序控制器的工作原理 1)微程序控制的基本概念 2)微程序控制器的組成原理 3)微指令的編碼方法 4)微程序設(shè)計(jì)舉例6.56.5硬布線控制器的工作原理硬布線控制器的工作原理 1)硬布線控制器的模型 2)硬布線控制器的基本原理與設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算

2、機(jī)組成原理36.1 CPU6.1 CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)的功能和基本結(jié)構(gòu)(1)(1)指令執(zhí)行順序的控制指令執(zhí)行順序的控制： 控制程序中的指令按事先規(guī)定的順序自動(dòng)地執(zhí)行?？刂瞥绦蛑械闹噶畎词孪纫?guī)定的順序自動(dòng)地執(zhí)行。(2)(2)指令的操作控制：指令的操作控制： 產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的信號(hào)，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的信號(hào)，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運(yùn)行。的操作運(yùn)行。(3)(3)時(shí)間控制：時(shí)間控制： 對(duì)各控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，以便按規(guī)定的時(shí)間順序啟動(dòng)各操作。對(duì)各控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，以便按規(guī)定的時(shí)間順序啟動(dòng)各操作。(4)(4)異常和中斷處理：異常和中斷處理： 處理運(yùn)算中的異常及

3、處理外部設(shè)備的中斷服務(wù)請(qǐng)求等。處理運(yùn)算中的異常及處理外部設(shè)備的中斷服務(wù)請(qǐng)求等。(5) (5) 數(shù)據(jù)加工處理：數(shù)據(jù)加工處理： 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，或?qū)?shù)據(jù)在相關(guān)部件之間傳送。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，或?qū)?shù)據(jù)在相關(guān)部件之間傳送。1.CPU1.CPU的基本功能的基本功能計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理42.CPU2.CPU的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理1)1)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PCPC給出并指示下一條指令的地址給出并指示下一條指令的地址完成順序控制的功能完成順序控制的功能內(nèi)容在取指完成

4、后即可改變內(nèi)容在取指完成后即可改變轉(zhuǎn)移指令直接修改轉(zhuǎn)移指令直接修改PCPC值值計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理7保存當(dāng)前正執(zhí)行的指令保存當(dāng)前正執(zhí)行的指令指令的操作碼字段和尋址方式送譯碼指令的操作碼字段和尋址方式送譯碼2)2)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :指令寄存器指令寄存器IRIR計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理8對(duì)指令的對(duì)指令的OPOP字段和尋址方式譯碼，指出指令的操作方式字段和尋址方式譯碼，指出指令的操作方式譯碼的結(jié)果是找到與該指令相關(guān)的微程序的入口譯碼的結(jié)果是找到與該指令相關(guān)的微程序的入口3)3)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :指令譯

5、碼器指令譯碼器IDID計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理9產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號(hào)產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號(hào) 實(shí)現(xiàn)指令的操作控制功能實(shí)現(xiàn)指令的操作控制功能4)4)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :操作控制器操作控制器OCOC計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 5)5)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行同步對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行同步 實(shí)現(xiàn)控制器的時(shí)間控制功能實(shí)現(xiàn)控制器的時(shí)間控制功能計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理116)6)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩

6、沖寄存器DRDR保存與主存之間交換的數(shù)據(jù)保存與主存之間交換的數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理127)7)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :地址寄存器地址寄存器ARAR存放存放CPU將要訪問的主存單元地址將要訪問的主存單元地址計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理136.2 6.2 指令執(zhí)行的過程指令執(zhí)行的過程1.1.數(shù)據(jù)通路的概念及組成數(shù)據(jù)通路的概念及組成 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路: :數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑；數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑； 數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路中的傳送操作是在控制信號(hào)的控制下進(jìn)行的；數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路中的傳送操作是在控制信號(hào)的控制下進(jìn)行的； 數(shù)據(jù)通路的建立可用總線或?qū)Ｓ?/p>

7、通路兩種方法來構(gòu)建；數(shù)據(jù)通路的建立可用總線或?qū)Ｓ猛穬煞N方法來構(gòu)建； 不同功能的指令及同一指令在執(zhí)行的不同階段的數(shù)據(jù)通路可不同；不同功能的指令及同一指令在執(zhí)行的不同階段的數(shù)據(jù)通路可不同； 數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)直接影響數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)直接影響CPUCPU內(nèi)各種信息的傳送路徑、指令執(zhí)行流程、內(nèi)各種信息的傳送路徑、指令執(zhí)行流程、所需要的微操作控制信號(hào)及其時(shí)序安排和控制器的設(shè)計(jì)；所需要的微操作控制信號(hào)及其時(shí)序安排和控制器的設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理142.2.指令周期流程指令周期流程1)1)程序控制的過程程序控制的過程，本質(zhì)上是由控制器根據(jù)程序所包含的指令序列，本質(zhì)上是由控制器根據(jù)程序所包含的指令序列

8、，逐條執(zhí)行指令的過程。逐條執(zhí)行指令的過程。 2)2)指令周期指令周期一條指令從取出到執(zhí)行完成所需時(shí)間一條指令從取出到執(zhí)行完成所需時(shí)間3)3)指令周期劃分指令周期劃分(1)(1)取指令周期取指令周期: : 根據(jù)根據(jù)PCPC的值取去主的值取去主存儲(chǔ)取指令；存儲(chǔ)取指令； 如何形成后續(xù)指令地址。如何形成后續(xù)指令地址。 (a)(a)順序執(zhí)行指令時(shí)，將順序執(zhí)行指令時(shí)，將PCPC內(nèi)容加當(dāng)內(nèi)容加當(dāng) 前指令所占用的主存單元數(shù)前指令所占用的主存單元數(shù) (b)(b)當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，根據(jù)尋址方式、當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，根據(jù)尋址方式、轉(zhuǎn)移條件、轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址等內(nèi)容計(jì)算轉(zhuǎn)移條件、轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址等內(nèi)容計(jì)算得到。得到。 計(jì)算機(jī)組成原理

9、計(jì)算機(jī)組成原理15(2)(2)譯碼譯碼/ /取操作數(shù)周期取操作數(shù)周期 對(duì)指令寄存器中的操作碼字段進(jìn)行譯對(duì)指令寄存器中的操作碼字段進(jìn)行譯碼并識(shí)別指令類型碼并識(shí)別指令類型 根據(jù)指令地址碼和尋址方式，從寄存根據(jù)指令地址碼和尋址方式，從寄存器或存儲(chǔ)器中讀取操作數(shù)。器或存儲(chǔ)器中讀取操作數(shù)。 不同的尋址方式可能具有不同的取操不同的尋址方式可能具有不同的取操作數(shù)周期。作數(shù)周期。 算術(shù)運(yùn)算類指令大都要求雙操作數(shù)，算術(shù)運(yùn)算類指令大都要求雙操作數(shù)，因此，取操作數(shù)流程要經(jīng)歷兩次，第因此，取操作數(shù)流程要經(jīng)歷兩次，第一次取源操作數(shù)，操作流程由源尋址一次取源操作數(shù)，操作流程由源尋址方式字段確定，第二次取目的操作數(shù)，方式字

10、段確定，第二次取目的操作數(shù)，操作流程由目的尋址字段確定。操作流程由目的尋址字段確定。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理16(3)(3)執(zhí)行周期執(zhí)行周期 控制器向算術(shù)邏輯運(yùn)算單元及數(shù)據(jù)通控制器向算術(shù)邏輯運(yùn)算單元及數(shù)據(jù)通路中的其它相關(guān)部件發(fā)送操作控制命路中的其它相關(guān)部件發(fā)送操作控制命令，完成由指令操作碼規(guī)定的動(dòng)作，令，完成由指令操作碼規(guī)定的動(dòng)作，包括傳送結(jié)果及記錄狀態(tài)信息。包括傳送結(jié)果及記錄狀態(tài)信息。 操作結(jié)果送到哪里由尋址方式確定；操作結(jié)果送到哪里由尋址方式確定； 狀態(tài)信息狀態(tài)信息( (如溢出如溢出) )記錄在記錄在PSWPSW中中; ; 對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)移指令還需在執(zhí)行周期內(nèi)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移指令還需在執(zhí)行周期內(nèi)計(jì)算

11、機(jī)移地址。移地址。 (4)(4)寫回寫回將運(yùn)算結(jié)果寫到結(jié)果寄存器或存儲(chǔ)器。將運(yùn)算結(jié)果寫到結(jié)果寄存器或存儲(chǔ)器。寫回存儲(chǔ)器時(shí)間較長(zhǎng)寫回存儲(chǔ)器時(shí)間較長(zhǎng), ,一般需要多個(gè)時(shí)一般需要多個(gè)時(shí)鐘周期。鐘周期。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理173.3.寄存器級(jí)傳送語言寄存器級(jí)傳送語言RTL(RegisterRTL(Register Transfer Language) Transfer Language)為統(tǒng)一表示指令執(zhí)行流程，采用寄存器描述語言表示指令執(zhí)行過程中為統(tǒng)一表示指令執(zhí)行流程，采用寄存器描述語言表示指令執(zhí)行過程中的操作，使用的操作，使用RTLRTL的規(guī)則如下：的規(guī)則如下：1)1)用用( )( )表示讀

12、取寄存器或主存地址的內(nèi)容，如（表示讀取寄存器或主存地址的內(nèi)容，如（PCPC）表示讀?。┍硎咀x取PCPC寄寄存器中的內(nèi)容；存器中的內(nèi)容；2)2)用用 表示主存單元地址或寄存器堆中寄存器的編號(hào)，則：表示主存單元地址或寄存器堆中寄存器的編號(hào)，則： M6M6表示主存表示主存6 6號(hào)單元，號(hào)單元，(M6)(M6)表示讀取主存表示讀取主存6 6號(hào)單元的數(shù)據(jù)；號(hào)單元的數(shù)據(jù)； R6R6表示寄存器堆中表示寄存器堆中6 6號(hào)寄存器，號(hào)寄存器，(R6)(R6)表示讀取寄存器堆中表示讀取寄存器堆中6 6號(hào)號(hào)寄存器的數(shù)據(jù)；寄存器的數(shù)據(jù)； M(R6)M(R6)表示寄存器堆中表示寄存器堆中6 6寄存器內(nèi)容所指主存單元寄存器

13、內(nèi)容所指主存單元;(M(R6);(M(R6)表示讀取寄存器堆中表示讀取寄存器堆中6 6寄存器內(nèi)容所指主存單元的內(nèi)容。為簡(jiǎn)化對(duì)主寄存器內(nèi)容所指主存單元的內(nèi)容。為簡(jiǎn)化對(duì)主存單元的表示和訪問，將它們分別簡(jiǎn)化成存單元的表示和訪問，將它們分別簡(jiǎn)化成MR6MR6和（和（MR6MR6）。）。3)3)用用“A AB”B”表示數(shù)據(jù)傳送，其中表示數(shù)據(jù)傳送，其中B B為數(shù)據(jù)源，為數(shù)據(jù)源，A A為目的端；為目的端；計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理184.4.指令操作流程指令操作流程: :基于單總線結(jié)構(gòu)的處理器基于單總線結(jié)構(gòu)的處理器 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理19根據(jù)指令周期的概念，任何指令第一個(gè)根據(jù)指令周期的概念，任何

14、指令第一個(gè)CPUCPU周期都是取指周期，取周期都是取指周期，取指周期中指周期中CPUCPU要完成以下三件事：要完成以下三件事：(1)(1)根據(jù)根據(jù)PCPC的內(nèi)容取出指令并送指令寄存器的內(nèi)容取出指令并送指令寄存器IRIR中保存中保存( (本書假定程序本書假定程序首地址已存放在首地址已存放在PCPC中中) )；(2)(2)修改修改PCPC的值；（這里假定計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的值；（這里假定計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)8 8位，采用單字長(zhǎng)指令，主位，采用單字長(zhǎng)指令，主存按字節(jié)編址）；存按字節(jié)編址）；(3)(3)對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼或測(cè)試，以確定指令在執(zhí)行階段將要對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼或測(cè)試，以確定指令在執(zhí)行階段將要具體進(jìn)行何

15、種操作。具體進(jìn)行何種操作。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理20(1)(1) LOAD LOAD 指令周期流程指令周期流程R0 R0 (M6): (M6): 將主存將主存6 6號(hào)單元內(nèi)容送號(hào)單元內(nèi)容送R0, RSR0, RS型指令型指令取指階段的操作取指階段的操作 MAR MAR (PC)(PC) X X (PC) (PC) Z Z ALU ALU PC PC (Z) (Z) MDR MDR (MMAR) (MMAR) IR IR ( MDR) ( MDR) 各操作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)各操作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)PCout =ARinPCout =ARin=1=1XinXin=1=1+1+1Zout=PCinZo

16、ut=PCin=1=1Read=DREinRead=DREin=1=1DRIout=IRinDRIout=IRin=1 =1 (a)(a)取指取指CPUCPU周期用到兩條數(shù)據(jù)通路：周期用到兩條數(shù)據(jù)通路： PC MAR MEM MDR IR PC MAR MEM MDR IR PC X ALU Z PCPC X ALU Z PC(b)(b)執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路：執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路： IRIRA A MAR MEM MDR R0 MAR MEM MDR R0 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理21(1)(1) LOAD LOAD 指令周期流程指令周期流程R0 R0 (M6): (M6): 將主存將

17、主存6 6號(hào)單元內(nèi)容送號(hào)單元內(nèi)容送R0, RSR0, RS型指令型指令執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路：執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路： IRIRA A MAR MEM MDR R0 MAR MEM MDR R0 執(zhí)行階段的操作執(zhí)行階段的操作 MAR MAR (IRA) (IRA) MDR MDR (MMAR) (MMAR) R0 R0 (MDR) (MDR) 各操作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)各操作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)IRout=ARinIRout=ARin=1=1Read=DREinRead=DREin=1=1 DRIout DRIout=R0in=1=R0in=1 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理22(2)(2) MOVE 指令

18、周期流程指令周期流程R1 R1 (IR (IRA A) )：將來自于：將來自于IRIR形式地址字段的立即數(shù)形式地址字段的立即數(shù)1010送送R1R1，RRRR型指令型指令 執(zhí)行階段的操作執(zhí)行階段的操作 R1 R1 (IRA) (IRA) 對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) IRoutIRout=R1in=1=R1in=1 執(zhí)行執(zhí)行CPUCPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：周期用到的數(shù)據(jù)通路： IR R1 IR R1 指令中的立即數(shù)送指令中的立即數(shù)送R1R1。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理23(3)(3) ADD 指令周期流程指令周期流程R0 R0 (R0)+ (R1): (R0)+ (R1): 將將R0R0和和R

19、1R1相加，結(jié)果送相加，結(jié)果送R0R0，RRRR型指令型指令 執(zhí)行階段的操作執(zhí)行階段的操作 X X (R0) (R0) Z Z ALU ALU R0 R0 (Z) (Z) 對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) R0out=XinR0out=Xin=1=1 R1out=1=R1out=1= ADD=1ADD=1 ZoutZout = R0in=1 = R0in=1 執(zhí)行執(zhí)行CPUCPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：周期用到的數(shù)據(jù)通路：R0 X ALU R0 X ALU ；R1 ALUR1 ALU 加數(shù)和被加數(shù)送加數(shù)和被加數(shù)送ALUALU輸入端輸入端 ALU Z R0 ALU Z R0 運(yùn)算結(jié)果經(jīng)運(yùn)算結(jié)果經(jīng)Z Z寫

20、回寄存器寫回寄存器R0R0。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理24(4)(4) STORE 指令周期流程指令周期流程MR2 MR2 (R0): (R0): 將將R0R0內(nèi)容送內(nèi)容送R2R2內(nèi)容所指主存單元保存內(nèi)容所指主存單元保存 ，RSRS型指令型指令 執(zhí)行階段的操作執(zhí)行階段的操作 MAR MAR (R2)(R2) MDR MDR (R0)(R0) MR2MR2(MDR)(MDR) 對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) R2out=ARinR2out=ARin=1=1 R0out=DRIinR0out=DRIin=1=1 DREoutDREout=Write=1=Write=1 執(zhí)行執(zhí)行CPUCPU周期用到

21、的數(shù)據(jù)通路：周期用到的數(shù)據(jù)通路： R2 MAR R2 MAR 傳送地址；傳送地址； R0 MDR MEM R0 MDR MEM 往主存存數(shù)據(jù)。往主存存數(shù)據(jù)。指令的執(zhí)行需要兩個(gè)指令的執(zhí)行需要兩個(gè)CPUCPU周期，執(zhí)行階周期，執(zhí)行階段的第一個(gè)段的第一個(gè)CPUCPU送地址，即將寄存器送地址，即將寄存器R2R2的內(nèi)容的內(nèi)容MARMAR；執(zhí)行階段第二個(gè)；執(zhí)行階段第二個(gè)CPUCPU周期內(nèi)周期內(nèi)將將R0R0的值送的值送MDRMDR，然后存入，然后存入MARMAR指向的內(nèi)指向的內(nèi)存單元存單元 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理25(5)(5) JMP 指令周期流程指令周期流程PC PC (IRA) : (IRA)

22、: 將將10001000送入送入PCPC，實(shí)現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移 執(zhí)行階段的操作執(zhí)行階段的操作 PC PC (IRA) (IRA) 對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) IRout=PCinIRout=PCin=1=1 執(zhí)行執(zhí)行CPUCPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：周期用到的數(shù)據(jù)通路： IRA PC IRA PC 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理266.36.3時(shí)序與控制器時(shí)序與控制器1.1.中央處理器的時(shí)序中央處理器的時(shí)序 過去的計(jì)算機(jī)采用主狀態(tài)周期、節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖三級(jí)時(shí)序體制過去的計(jì)算機(jī)采用主狀態(tài)周期、節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖三級(jí)時(shí)序體制來對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)控制來對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)控制. .

23、主狀態(tài)周期主狀態(tài)周期: :一般對(duì)應(yīng)指令的執(zhí)行時(shí)間一般對(duì)應(yīng)指令的執(zhí)行時(shí)間 節(jié)拍電位節(jié)拍電位: :對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行的不同周期對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行的不同周期, ,如取指周期如取指周期, ,以主存的工作周期為基礎(chǔ)以主存的工作周期為基礎(chǔ) 節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖: :完成一次微操作所需要的時(shí)間完成一次微操作所需要的時(shí)間 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理272.2.啟?？刂齐娐穯⑼？刂齐娐?啟?？刂七壿嫷淖饔檬潜ＷC節(jié)拍和脈沖啟?？刂七壿嫷淖饔檬潜ＷC節(jié)拍和脈沖信號(hào)的完整性。即啟動(dòng)從第一個(gè)信號(hào)的完整性。即啟動(dòng)從第一個(gè)CPUCPU周期周期的第一個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開始工作，停機(jī)在的第一個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開始工作，停機(jī)在一個(gè)一個(gè)CPUCPU周期的

24、最后一個(gè)節(jié)拍脈沖的下降周期的最后一個(gè)節(jié)拍脈沖的下降沿結(jié)束。只有這樣才能保證時(shí)序信號(hào)脈沖沿結(jié)束。只有這樣才能保證時(shí)序信號(hào)脈沖的完整性和指令功能的完整性。的完整性和指令功能的完整性。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理286.4 6.4 微程序控制器的工作原理微程序控制器的工作原理1.1.微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)微程序控制的基本思想微程序控制的基本思想仿照程序設(shè)計(jì)的方法，把完成每條仿照程序設(shè)計(jì)的方法，把完成每條指令指令所需要的操作控制信號(hào)編寫成所需要的操作控制信號(hào)編寫成微指令微指令，存放到一個(gè)只讀存

25、儲(chǔ)器，存放到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器( (控存控存) )中。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微中。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，當(dāng)機(jī)器執(zhí)行程序，當(dāng)機(jī)器執(zhí)行程序程序時(shí)依次讀出每條指令所對(duì)應(yīng)的微指令時(shí)依次讀出每條指令所對(duì)應(yīng)的微指令, ,執(zhí)行每條執(zhí)行每條微指令中規(guī)定的微操作微指令中規(guī)定的微操作, ,從而完成指令的功能從而完成指令的功能, ,重復(fù)這一過程重復(fù)這一過程, ,直到該程直到該程序的所有指令完成序的所有指令完成. . 微程序控制器的設(shè)計(jì)采用了存儲(chǔ)技術(shù)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)，使復(fù)雜的微程序控制器的設(shè)計(jì)采用了存儲(chǔ)技術(shù)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)，使復(fù)雜的控制邏輯得到簡(jiǎn)化，從而推動(dòng)了微程序控制器的廣泛應(yīng)用控制邏輯得到簡(jiǎn)化，從而推動(dòng)了微程序控制器

26、的廣泛應(yīng)用. .計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理29程序程序微指令微指令微程序微程序計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理301)1)微命令和微操作微命令和微操作控制部件與執(zhí)行部件之間的聯(lián)系控制部件與執(zhí)行部件之間的聯(lián)系控制部件控制部件執(zhí)行部件執(zhí)行部件控制線控制線反饋線反饋線微命令微命令控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信號(hào)控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信號(hào)( (打開和關(guān)閉控制門打開和關(guān)閉控制門) )微操作微操作執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作反饋線的作用反饋線的作用向控制部件反饋執(zhí)行的狀態(tài)信息，以便控制部件進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試向控制部件反饋執(zhí)行的狀態(tài)信息，以便控制

27、部件進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理312)2)微操作的分類微操作的分類微操作是計(jì)算機(jī)中最基本的操作，由于數(shù)據(jù)通路、邏輯功微操作是計(jì)算機(jī)中最基本的操作，由于數(shù)據(jù)通路、邏輯功能的關(guān)系，微操作可以分為相容性的和相斥性的微操作：能的關(guān)系，微操作可以分為相容性的和相斥性的微操作：相容性的微操作相容性的微操作能能同時(shí)同時(shí)并行執(zhí)行的微操作并行執(zhí)行的微操作相斥性的微操作相斥性的微操作不能同時(shí)并行執(zhí)行的微操作不能同時(shí)并行執(zhí)行的微操作計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理32圖中相斥性的微操作有：圖中相斥性的微操作有：( + ( + 、 、 M ) ( 4M ) ( 4、 6 6、 8 ) ( 58 ) ( 5、

28、 7 7、 9 )9 )圖中相容性的微操作有：圖中相容性的微操作有：1 1、2 2、3 3(4(4、6 6、8) 8) 與與 (5(5、7 7、9)9)兩組中各取一個(gè)任意組合兩組中各取一個(gè)任意組合計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理331)1)控制存儲(chǔ)器：控制存儲(chǔ)器：存放用來實(shí)現(xiàn)全部指令的所有微程序，是一種只讀存儲(chǔ)器，微程序固化存放用來實(shí)現(xiàn)全部指令的所有微程序，是一種只讀存儲(chǔ)器，微程序固化在其中，其容量取決于機(jī)器指令和每條指令微程序的長(zhǎng)度，字長(zhǎng)取決于在其中，其容量取決于機(jī)器指令和每條指令微程序的長(zhǎng)度，字長(zhǎng)取決于微指令的字長(zhǎng)，也與容量有一定關(guān)系微指令的字長(zhǎng)，也與容量有一定關(guān)系( (! !) )。要求控制

29、存儲(chǔ)器快速。要求控制存儲(chǔ)器快速。2.2.微程序控制器的組成原理微程序控制器的組成原理 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理342)2)微指令寄存器微指令寄存器( ( IRIR) )存放從控存中讀出的微指令存放從控存中讀出的微指令是圖中的哪部分是圖中的哪部分? ?3)3)微地址寄存器微地址寄存器( ( ARAR) )存儲(chǔ)訪問存儲(chǔ)訪問CMCM的微地址的微地址計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理354)4)微地址產(chǎn)生邏輯微地址產(chǎn)生邏輯用于產(chǎn)生后續(xù)微指令地址。能作為后繼微指令地址的有下列形式：用于產(chǎn)生后續(xù)微指令地址。能作為后繼微指令地址的有下列形式：微程序的入口地址微程序的入口地址順序地址順序地址轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址計(jì)算

30、機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理363.3.微指令的的格式與微命令編碼微指令的的格式與微命令編碼 1)1)微指令的格式微指令的格式 操作控制字段是微指令的主體，由若干微命令位組成。控制操作控制字段是微指令的主體，由若干微命令位組成?？刂谱侄沃械拿恳晃煌ǔ１硎疽粋€(gè)特定的微命令，微指令是否含字段中的每一位通常表示一個(gè)特定的微命令，微指令是否含某個(gè)微命令，由該位的狀態(tài)某個(gè)微命令，由該位的狀態(tài)1 1或或0 0決定。決定。 判別測(cè)試字段指出微指令執(zhí)行過程中需要測(cè)試的外部條件，判別測(cè)試字段指出微指令執(zhí)行過程中需要測(cè)試的外部條件，如進(jìn)位、運(yùn)算結(jié)果是否為零等；如進(jìn)位、運(yùn)算結(jié)果是否為零等； 下地址字段給出的地址是下條微

31、指令地址，最終是否按照該下地址字段給出的地址是下條微指令地址，最終是否按照該地址執(zhí)行下一條微指令與是否進(jìn)行條件測(cè)試及測(cè)試條件是否地址執(zhí)行下一條微指令與是否進(jìn)行條件測(cè)試及測(cè)試條件是否成立等有關(guān)。成立等有關(guān)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理37微命令編碼就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法微命令編碼就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法(1)(1)直接表示法直接表示法操作字段的每一位表示一個(gè)微命令操作字段的每一位表示一個(gè)微命令 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 LDLA

32、 LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下下 址址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR LDDR P1 控控制制字字段段 順順序序控控制制 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 簡(jiǎn)單、直觀，簡(jiǎn)單、直觀， 缺點(diǎn)缺點(diǎn): : 微指令字長(zhǎng)、不利于減少控存容量微指令字長(zhǎng)、不利于減少控存容量2)2)微指令的格式微指令的格式計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理38(2)(2)編碼表示法編碼表示法把一組互斥的信號(hào)組成一個(gè)小組，然后通過小組譯碼器譯碼，譯碼輸把一

33、組互斥的信號(hào)組成一個(gè)小組，然后通過小組譯碼器譯碼，譯碼輸出將作為操作控制信號(hào)。每次每個(gè)小組最多只能有一個(gè)有效。出將作為操作控制信號(hào)。每次每個(gè)小組最多只能有一個(gè)有效。譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼字段字段1字段字段2字段字段3P字段字段下地址字段下地址字段微微 命命 令令若某小組有若某小組有4 4個(gè)微命令，則微指令中該字段需要多少位？個(gè)微命令，則微指令中該字段需要多少位？需要需要3 3位位，為什么？為什么？因?yàn)槊孔侄谓?jīng)過譯碼后，要有一個(gè)狀態(tài)表示不使用本組中的微命令。因?yàn)槊孔侄谓?jīng)過譯碼后，要有一個(gè)狀態(tài)表示不使用本組中的微命令。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理39編碼表示法的優(yōu)點(diǎn)編碼表示法的優(yōu)點(diǎn): :

34、大大縮短微指令字的長(zhǎng)度，從而減少控存的容量。大大縮短微指令字的長(zhǎng)度，從而減少控存的容量。編碼表示法的缺點(diǎn)：編碼表示法的缺點(diǎn)：增加的譯碼電路降低了微指令的執(zhí)行速度。增加的譯碼電路降低了微指令的執(zhí)行速度。(3)(3)混合表示法混合表示法綜合前面的直接表示法和編碼表示法綜合前面的直接表示法和編碼表示法. .關(guān)于微命令編碼的結(jié)論關(guān)于微命令編碼的結(jié)論: :目前一般使用字段直接表示法目前一般使用字段直接表示法. .計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理404.4.微程序設(shè)計(jì)舉例微程序設(shè)計(jì)舉例LOADLOAD指令取指周期的操作及控制信號(hào)指令取指周期的操作及控制信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理414.4.微程序設(shè)計(jì)舉例

35、微程序設(shè)計(jì)舉例MOVEMOVE指令取指周期的操作及控制信號(hào)指令取指周期的操作及控制信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理424.4.微程序設(shè)計(jì)舉例微程序設(shè)計(jì)舉例ADD ADD 指令取指周期的操作及控制信號(hào)指令取指周期的操作及控制信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理434.4.微程序設(shè)計(jì)舉例微程序設(shè)計(jì)舉例STORE STORE 指令取指周期的操作及控制信號(hào)指令取指周期的操作及控制信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理444.4.微程序設(shè)計(jì)舉例微程序設(shè)計(jì)舉例JMP JMP 指令取指周期的操作及控制信號(hào)指令取指周期的操作及控制信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理454.4.微程序設(shè)計(jì)舉例微程序設(shè)計(jì)舉例 各指令操作系列順

36、序的安排必須保證指令功能的正確實(shí)現(xiàn)。如取指令階段各指令操作系列順序的安排必須保證指令功能的正確實(shí)現(xiàn)。如取指令階段MAR MAR (PC)(PC)操作一定要在操作一定要在IR IR (MDR)(MDR)之前完成，否則取出出錯(cuò)；之前完成，否則取出出錯(cuò)； 同一節(jié)拍內(nèi)不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的部件向公共總線輸出信息。如取指階同一節(jié)拍內(nèi)不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的部件向公共總線輸出信息。如取指階段段PCoutPCout、ZoutZout和和DRIoutDRIout必須被分別安排在不同的節(jié)拍內(nèi)；必須被分別安排在不同的節(jié)拍內(nèi)； 上述指令微操作序列實(shí)現(xiàn)，重在描述實(shí)現(xiàn)方法，并不是優(yōu)化；上述指令微操作序列實(shí)現(xiàn)，重在

37、描述實(shí)現(xiàn)方法，并不是優(yōu)化； 指令執(zhí)行不同周期所需要的節(jié)拍數(shù)可能不同，上述安排采用了同步控制方法，指令執(zhí)行不同周期所需要的節(jié)拍數(shù)可能不同，上述安排采用了同步控制方法，每個(gè)周期都分配了四個(gè)節(jié)拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空節(jié)拍，沒每個(gè)周期都分配了四個(gè)節(jié)拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空節(jié)拍，沒有任何微操作。有任何微操作。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理465.5.微命令的同步微命令的同步 微程序存放在控存中，每條指令的微程序包含幾條微指令微程序存放在控存中，每條指令的微程序包含幾條微指令( (包括取指包括取指令微指令令微指令) )就表示該指令的執(zhí)行需要幾個(gè)就表示該指令的執(zhí)行需要幾個(gè)CPUCP

38、U周期。周期。 微命令自從控存中取出并送入微指令寄存器后就開始生效，直到新的微命令自從控存中取出并送入微指令寄存器后就開始生效，直到新的微指令送入微指令寄存器微指令送入微指令寄存器( (一個(gè)一個(gè)CPUCPU周期的時(shí)間周期的時(shí)間) ) 一條微指令的若干個(gè)微命令中一條微指令的若干個(gè)微命令中, , 大部分微命令只能在一個(gè)大部分微命令只能在一個(gè)CPUCPU周的某周的某個(gè)個(gè)T T周期有效，必須對(duì)微命令進(jìn)行時(shí)間同步后才能與相應(yīng)執(zhí)行部件的周期有效，必須對(duì)微命令進(jìn)行時(shí)間同步后才能與相應(yīng)執(zhí)行部件的控制端相連?？刂贫讼噙B。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理47 微命令同步的基本方法就是列出每個(gè)微命令的邏輯表達(dá)式，并用相

39、應(yīng)微命令同步的基本方法就是列出每個(gè)微命令的邏輯表達(dá)式，并用相應(yīng)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)表達(dá)式的功能，電路的輸入來自微指令的相關(guān)位和時(shí)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)表達(dá)式的功能，電路的輸入來自微指令的相關(guān)位和時(shí)序信號(hào)（包括節(jié)拍電位或節(jié)拍脈沖），對(duì)應(yīng)邏輯電路的輸出才能與相序信號(hào)（包括節(jié)拍電位或節(jié)拍脈沖），對(duì)應(yīng)邏輯電路的輸出才能與相應(yīng)執(zhí)行部件的控制端相連。應(yīng)執(zhí)行部件的控制端相連。 下面以下面以ZoutZout為例說明微命令的同步方法。為例說明微命令的同步方法。Zout = M取指周期ZoutT2 + ADD M執(zhí)行周期ZoutT3。487、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作過程、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作

40、過程LAD R0，（，（80)ADD R0, (81)JO 75STA (R1), R0000000000000101010101110 10 0000000000010010000001101110 00 0000100100000000000000000000 00 0011000010110000000001101110 00 0100000000000010010000000000 00 0000000000000000000101000000 01 0000000000000000000000000000 00 0111000000000000000000000000 00 0000

41、0000000100100011010001010110011130 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 LDLA LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下下 址址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR LDDR P1 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 49【問【問】一會(huì)兒取機(jī)器指令，一會(huì)兒取一會(huì)兒取機(jī)器指令，一會(huì)兒取微指令，它們之

42、間到底是什么關(guān)系微指令，它們之間到底是什么關(guān)系? ?【解【解】1.一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程這個(gè)微程序是由若干條微指令序列組成的。因此，一序是由若干條微指令序列組成的。因此，一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的序列來實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之，序列來實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之，一條機(jī)器指令所完一條機(jī)器指令所完成的成的 操作劃分成若干條微指令來完成，由微操作劃分成若干條微指令來完成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。 2.從從指令與微指令，程序與微程序，地址與指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址微地址的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來看，前者與

43、的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來看，前者與內(nèi)存儲(chǔ)內(nèi)存儲(chǔ)器器有關(guān)，后者與有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器有關(guān)。與此相關(guān)有關(guān)。與此相關(guān)，也有相對(duì)應(yīng)的硬設(shè)備，請(qǐng)參見，也有相對(duì)應(yīng)的硬設(shè)備，請(qǐng)參見CAI演示。演示。3.我們?cè)谥v述本章我們?cè)谥v述本章5.2節(jié)時(shí)，曾講述了指令與機(jī)節(jié)時(shí)，曾講述了指令與機(jī)器周期概念，并歸納了五條典型指令的指令器周期概念，并歸納了五條典型指令的指令周期周期,并演示了這五條指令的微程序流程圖，并演示了這五條指令的微程序流程圖，每一個(gè)每一個(gè)CPU周期就對(duì)應(yīng)一條微指令。周期就對(duì)應(yīng)一條微指令。這就告這就告訴我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)微程序，也將使我們進(jìn)一步訴我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)微程序，也將使我們進(jìn)一步體驗(yàn)到機(jī)器指令與微指令的關(guān)

44、系。體驗(yàn)到機(jī)器指令與微指令的關(guān)系。 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系機(jī)器指令與微指令的關(guān)系504）應(yīng)用舉例）應(yīng)用舉例例例1 如圖所示的為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，如圖所示的為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存為指令寄存器，器，PC為程序計(jì)數(shù)器為程序計(jì)數(shù)器(具有自動(dòng)增加功能具有自動(dòng)增加功能)，M為主存為主存(受受R/W控控制制)，AR為地址寄存器，為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減由加、減控制信號(hào)決定需要完成何種操作，控制信號(hào)控制信號(hào)決定需要完成何種操作，控制信號(hào)G控制的是一個(gè)門控制的是一個(gè)門電路，另外，線上標(biāo)注有控制信號(hào)，例如電路，另外，線上標(biāo)注有控制信號(hào)，例如y

45、i表示表示y寄存器的輸入寄存器的輸入控制信號(hào)，控制信號(hào)，R10表示寄存器表示寄存器R1的輸出控制信號(hào)，未標(biāo)字符的線為的輸出控制信號(hào)，未標(biāo)字符的線為直通線，不受控制。直通線，不受控制。(1)ADD R2 ，R0 指令完成指令完成 (R0)+(R2) R0 的功能操作，畫出的功能操作，畫出其其指令周期流程圖指令周期流程圖，假設(shè)該指令的地址已經(jīng)放入，假設(shè)該指令的地址已經(jīng)放入PC，并列出相并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。(2) SUB R1 ，R3 指令完成指令完成 (R3)+(R1) R3 的操作，畫出其的操作，畫出其指指令周期流程圖令周期流程圖，并列出相應(yīng)的，并列出相應(yīng)的微操

46、作控制信號(hào)序列微操作控制信號(hào)序列。51IR PCARMDRR0 R1 R2 R3XYALUIROPCODROR0OR3OIRiPCiARiR/WDRiR0iR3ixiyi+_G52PC ARM DRDR IRR2 YR0 XR0+R2 R0(R0)+(R2) R0PC0 , G, ARiR/W = RDR0,G,IRiR20 , G , YiR00 , G , Xi+ , G , R0i計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理536.56.5硬布線控制器的工作原理硬布線控制器的工作原理 1.1.硬布線控制器的模型硬布線控制器的模型1)1)組合邏輯控制單元組合邏輯控制單元 是控制器的核心，產(chǎn)生指令執(zhí)行所需是

47、控制器的核心，產(chǎn)生指令執(zhí)行所需要的控制信號(hào)要的控制信號(hào)( (包括控制電位與打入包括控制電位與打入脈沖脈沖) )，可采用組合邏輯電路或可編，可采用組合邏輯電路或可編程陣列邏輯或程陣列邏輯或ROMROM實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn). . 輸入來自輸入來自: : 指令碼譯碼器的輸出；指令碼譯碼器的輸出； 條件狀態(tài)寄存器的狀態(tài)標(biāo)志信息；條件狀態(tài)寄存器的狀態(tài)標(biāo)志信息； 來自時(shí)序電路的節(jié)拍信號(hào)，包括節(jié)來自時(shí)序電路的節(jié)拍信號(hào)，包括節(jié)拍電位信號(hào)拍電位信號(hào)M1M1MiMi和節(jié)拍脈沖信號(hào)和節(jié)拍脈沖信號(hào)T1T1TmTm。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理541.1.硬布線控制器的模型硬布線控制器的模型2)指令寄存器和指令譯碼器指令寄存器和指令譯碼器3)節(jié)拍電路節(jié)拍電路4)周期電路周期電路5)條件狀態(tài)寄存器條件狀態(tài)寄存器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理552.2.硬布線控制器的基本原理與設(shè)計(jì)方法硬布線控制器的基本原理