第5章中央處理部件

中央處理部(CPU)5.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)5.2控制器的組成5.3微程序控制計(jì)算機(jī)的基本工作原理5.4微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.5控制器的控制方式5.6流水線工作原理第

5章

CPU的組成原理;

掌握在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中各個(gè)硬件部件的作用；了解CPU中各個(gè)部件的操作過程及其實(shí)現(xiàn)方法的原理。掌握程序是如何執(zhí)行的；計(jì)算機(jī)怎樣實(shí)現(xiàn)各條指令的功能；又如何保證逐條指令的連續(xù)執(zhí)行過程。教學(xué)要求控制器的作用、組成；指令的執(zhí)行過程；微程序控制器的工作原理、組成、產(chǎn)生控制信號(hào)的方法；微程序控制器的基本概念、與機(jī)器指令級(jí)的比較。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)第5.1節(jié)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件。中央處理部件：微處理器將運(yùn)算器與控制器集成在一個(gè)芯片上，通常稱之為CPU?？刂破鞯淖饔茫菏菂f(xié)調(diào)并控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件執(zhí)行程序的指令序列。信息處理過程:首先將數(shù)據(jù)和程序輸入計(jì)算存儲(chǔ)器中，然后從“程序入口”開始執(zhí)行該程序,得到所需的結(jié)果后,結(jié)束運(yùn)行.一、基本理論機(jī)器加電時(shí)：RAM和寄存器都處于隨機(jī)狀態(tài),可能會(huì)執(zhí)行一些不該執(zhí)行的操作,為保證正常工作,機(jī)器利用加電產(chǎn)生一個(gè)RESET信號(hào)使計(jì)算機(jī)處于初始狀態(tài),并從ROM的程序入口開始運(yùn)行;先對(duì)各部件進(jìn)行測(cè)試,然而自舉操作系統(tǒng),等候操作員的命令機(jī)器加電方法:可以利用RESET信號(hào)將某值置于程序計(jì)數(shù)器PC中，此即為開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址，也就是固定程序入口地址；也可以直接在指令寄存器中置入一條無條件轉(zhuǎn)移指令(轉(zhuǎn)移到固定程序入口)，然后開始執(zhí)行程序。計(jì)算機(jī)的工作過程：

加電→產(chǎn)生reset信號(hào)→執(zhí)行程序→停機(jī)→停電

程序執(zhí)行過程：計(jì)算機(jī)從程序入口地址開始執(zhí)行該程序的指令序列，是不斷地取指令、分析指令和執(zhí)行指令這樣一個(gè)周而復(fù)始的過程.實(shí)現(xiàn)原理：當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址是放在控制器的程序計(jì)數(shù)器(PC)中的。取指令→分析指令→執(zhí)行指令2．Intel80386結(jié)構(gòu)及外部連線80386包括：指令部件：完成取指及指令譯碼功能；執(zhí)行部件：包括ALU、乘法部件、寄存器等；存儲(chǔ)管理部件：用來確定存儲(chǔ)器地址80386微處理器芯片通過引出端與計(jì)算機(jī)的其它部件連接。各引出端的功能（圖2）1．Intel80386微機(jī)系統(tǒng)以Intel80386微處理器等器件組成的微機(jī)系統(tǒng)為例，80386是32位微處理器。（圖1）圖1Intel80386微機(jī)系統(tǒng)框圖是系統(tǒng)中主要的處理、控制部件機(jī)器加電時(shí)產(chǎn)生reset信號(hào)，計(jì)算機(jī)各個(gè)部件處于初始狀態(tài)。執(zhí)行的第1條指令的地址為0FFFFFFF0H，為一條轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序入口。CLK是CLK2的二分頻時(shí)鐘信號(hào)80386通過總線與存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備交換信息。對(duì)總線的使用需要總線控制邏輯來管理?？焖僭O(shè)備通過DMA方式與主存交換信息。慢速設(shè)備通過中斷方式與主存交換信息。CPU與主存交換信息時(shí)，由于速度不匹配，CPU需要等待，ready信號(hào)是由存儲(chǔ)器發(fā)出的，表明CPU需要的讀寫命令已完成。80287/387協(xié)處理器與80386并行工作，擴(kuò)充了80386的指令系統(tǒng)，主要完成浮點(diǎn)運(yùn)算和高精度整數(shù)運(yùn)算，80386自動(dòng)將取得的協(xié)處理器指令傳給80387。ADS：地址狀態(tài)信號(hào)，表示地址線、總線周期定義信號(hào)已有效，開始總線周期進(jìn)行讀寫。NA：本次讀/寫操作雖未完成，允許送下一周期的地址和讀寫信息，使兩次操作重疊。ready：當(dāng)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備完成操作后發(fā)出的信號(hào)。386接到此信號(hào)后，結(jié)束本周期。BS16：表示被訪問的存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送寬度為16位。PEREQ：協(xié)處理器請(qǐng)求386在存儲(chǔ)器與協(xié)處理器之間傳送一個(gè)數(shù)據(jù)。BUSY：協(xié)處理器忙，不能接收另一個(gè)指令。ERROR:協(xié)處理器出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤主設(shè)備：占用總線的設(shè)備。從設(shè)備：與主設(shè)備通信的設(shè)備。I/O設(shè)備作主設(shè)備時(shí)，發(fā)出hold信號(hào)申請(qǐng)。當(dāng)CPU同意總線請(qǐng)求，可以釋放總線，發(fā)hlda。其余引出端均呈高阻狀態(tài)。INTR為中斷請(qǐng)求信號(hào),NMI不可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào),RESET為總清或復(fù)位信號(hào)在80386與存儲(chǔ)器或I／O設(shè)備之間傳送(讀寫)一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間稱為總線周期。W／R#區(qū)分是寫周期(當(dāng)W／R#為1時(shí))還是讀周期(當(dāng)W／R#為0時(shí))D／C#表示是數(shù)據(jù)周期還是控制(取指)周期M／IO#表示是訪問存儲(chǔ)器還是I／O設(shè)備LOCK#為總線鎖定信號(hào)，當(dāng)它為低電位時(shí)，不允許芯片外部的信號(hào)打斷當(dāng)前總線周期的操作，即CPU不允許讓出總線控制權(quán)。圖2第5.2節(jié)控制器的組成5.2.1控制器的功能1.取指令根據(jù)程序入口地址取出第一條指令2.分析指令(或叫解釋指令,指令譯碼)產(chǎn)生相應(yīng)的操作形成操作數(shù)的地址3.執(zhí)行指令操作命令和操作數(shù)地址形成操作控制信號(hào)序列。通過CPU或I/O設(shè)備執(zhí)行,還包括對(duì)運(yùn)算結(jié)果的處理和下條指令地址的形成。計(jì)算機(jī)不斷重復(fù)順序執(zhí)行上述三種基本操作直到遇到停機(jī)指令或外來的干預(yù)為止。4.控制程序和數(shù)據(jù)的輸入和輸出5.對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求進(jìn)行處理:即異常和中斷的處理?！爸袛嗾?qǐng)求”信號(hào)。待CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令后，響應(yīng)該請(qǐng)求，中止當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷程序。當(dāng)處理完畢后，再返回原程序繼續(xù)運(yùn)行下去。DMA請(qǐng)求信號(hào)。等CPU完成當(dāng)前機(jī)器周期操作后，暫停工作，讓出總線給I／O設(shè)備，在完成I／O設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的傳送數(shù)據(jù)操作后，CPU從暫時(shí)中止的機(jī)器周期開始繼續(xù)執(zhí)行指令。指令周期狀態(tài)圖指令的執(zhí)行過程：取指令，取操作數(shù)，操作數(shù)運(yùn)算，存結(jié)果操作數(shù)，查詢有無中斷請(qǐng)求，中斷處理/不處理，如果不是字符串指令或向量指令則取下一條指令。5.2.2控制器的組成

1.程序計(jì)數(shù)器(PC):存放將要執(zhí)行的下一條指令地址.2.指令寄存器（IR）:存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令.

3.指令譯碼器或操作碼譯碼器:對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào).4.脈沖源及啟停線路:產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖,是機(jī)器周期和工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào),啟停線路保證可靠地送出或封鎖時(shí)鐘脈沖.5.時(shí)序控制信號(hào)形成部件:產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào),并根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整時(shí)序控制信號(hào).

即指令地址寄存器。存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址或下一條指令地址。指令地址形成:

(PC)+1->PC?；?轉(zhuǎn)移指令修改其內(nèi)容用以存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令對(duì)指令寄存器中的操作碼進(jìn)行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是機(jī)器周期和工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)。根據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)返回指令執(zhí)行返回微程序控制器5.2.3指令執(zhí)行過程

1.組成控制器的基本電路

計(jì)算機(jī)中采用的電路，基本上分為兩種類型：一類是具有記憶功能的觸發(fā)器以及由它組成的寄存器、計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)單元等。一類是沒有記憶功能的門電路及由它組成的加法器、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)和各種邏輯電路等。2.指令執(zhí)行過程舉例(1)加法指令的執(zhí)行過程指令格式:

rs，rd，rs1---為通用寄存器地址imm(或disp)---立即數(shù)(或位移量)功能：rd←

(rs)+((rs1)+disp)取指令計(jì)算地址取數(shù)運(yùn)算送結(jié)果操作碼rs,rdrs1Imm(或disp)返回指令執(zhí)行返回指令執(zhí)行返回指令執(zhí)行返回指令執(zhí)行指令操作:①從M中取指送IR，OP譯碼，PC+1

PC→AB;W/R=0,M/IO=1;DB→IR,PC+1;

②計(jì)算操作數(shù)地址((rsl)+disP),將有效地址送AR

(rs1)→GR；(rs1)→ALU;disp→ALU;“+”;ALU→AR③取操作數(shù)((rsl)+disP)：

AR→AB;W/R=0,M/IO=1;DB→DR;④做加法運(yùn)算，結(jié)果送寄存器,設(shè)置標(biāo)志：

(rs)→GR；(rs)→ALU；DR→ALU;“+”;rd→GR；ALU→rd，置狀態(tài)位。(2)條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過程指令功能:根據(jù)狀態(tài)位決定是否轉(zhuǎn)換。條件成立,轉(zhuǎn)移到本條指令所指定的地址,否則順序執(zhí)行下一條指令。完成的操作:此處PC是指本條指令的地址,在上一機(jī)器周期已執(zhí)行PC+1操作,因此對(duì)運(yùn)算進(jìn)行適當(dāng)修正.本條指令只需要兩個(gè)機(jī)器周期;如轉(zhuǎn)移條件成立,在第二機(jī)器周期增加一個(gè)ALU→PC信號(hào);如為相對(duì)轉(zhuǎn)移,則用PC→ALU信號(hào)取代加法指令第二周期中的(rs1)→ALU信號(hào),其他信號(hào)與加法指令的前兩個(gè)機(jī)器周期中的信號(hào)相同.控制器的功能：就是按每條指令的要求產(chǎn)生所需的控制信號(hào),系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)提供完整的無二義性的指令系統(tǒng)說明書.返回

其他指令的控制信號(hào)也按同樣方法分析，根據(jù)每條指令的功能確定所需的機(jī)器周期數(shù)，并得出每個(gè)機(jī)器周期所需要的控制信號(hào)，最后將所有的控制信號(hào)進(jìn)行綜合簡(jiǎn)化?？刂破鞯墓δ芫褪前疵織l指令的要求產(chǎn)生所需的控制信號(hào)。因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供一個(gè)完整的無二義性的指令系統(tǒng)說明書。產(chǎn)生控制信號(hào)一般有微程序控制和硬布線控制兩種方法。第5.3節(jié)微程序控制計(jì)算機(jī)的微操作

完成指令功能的各種基本操作。微指令

由控制器發(fā)出的控制信號(hào)所執(zhí)行的一組微操作。

【例如】加法指令的執(zhí)行可分為：取指、計(jì)算地址、取操作數(shù)和加法運(yùn)算四步，每一步都由一組微操作實(shí)現(xiàn)。微周期

執(zhí)行一條微指令所需要的時(shí)間。微程序

微指令序列的集合。控制存儲(chǔ)器

存放控制信號(hào)和下一地址的存儲(chǔ)器。5.3.1微程序控制的基本概念控制存儲(chǔ)器：存放微程序的存儲(chǔ)器。控制存儲(chǔ)器可以用只讀存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)?？刂拼鎯?chǔ)器的字長(zhǎng)比機(jī)器字長(zhǎng)要長(zhǎng)得多。聯(lián)系:執(zhí)行一條機(jī)器指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲(chǔ)器中的微程序。5.3.2實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理1.微程序控制信號(hào)的編號(hào)和意義返回指令執(zhí)行返回控制信號(hào)【例】加法指令所需的控制信號(hào)它由四條微指令解釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號(hào)是同時(shí)發(fā)出的。每條微指令所需的控制信號(hào)如下：

微指令最簡(jiǎn)單的組成形式：是將每個(gè)控制信號(hào)用一個(gè)控制位來表示，當(dāng)該位為“1”時(shí)，定義為有控制信號(hào)，當(dāng)該位為“0”時(shí)，沒有控制信號(hào)。微程序指令的組織控制存儲(chǔ)器容量為4K字，則每條微指令還需要12位來表示下址?？刂拼鎯?chǔ)器的容量取決于實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)所需的微程序長(zhǎng)度。加法指令的四條微指令編碼，每一小格表示一位(二進(jìn)制)，空格表示0，第24位到第35位為下址。典型運(yùn)算的微程序流程圖取指

PC+12．微程序控制器控制存儲(chǔ)器和微指令寄存器替代了時(shí)序控制信號(hào)形成部件.基本工作原理:指令譯碼部件可用只讀存儲(chǔ)器組成，將操作碼作為只讀存儲(chǔ)器的輸入地址，該單元的內(nèi)容即為相應(yīng)的微指令在控制存儲(chǔ)器中的地址。當(dāng)指令取入IR中以后，根據(jù)操作碼進(jìn)行譯碼，得到相應(yīng)指令的第一條微指令的地址。根據(jù)控制存儲(chǔ)器中的地址從控制存儲(chǔ)器取出微指令，并將它存放在微指令寄存器中?？刂谱侄胃魑坏妮敵鐾ㄟ^連接線直接與受控制的門相連，于是就提供了在本節(jié)所提出的控制信號(hào)。3.微程序控制計(jì)算機(jī)的工作過程

機(jī)器加電后,RESET信號(hào)在PC內(nèi)置入開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址,同時(shí)在微指令寄存器內(nèi)置入一條“取指”微指令,并將其他一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置成初始狀態(tài)。當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值后,自啟動(dòng)機(jī)器工作,產(chǎn)生節(jié)拍電位和時(shí)鐘脈沖.為保證機(jī)器正常工作,開機(jī)后的第一個(gè)機(jī)器周期信號(hào)必須完整,該周期的末尾,產(chǎn)生第一個(gè)工作脈沖CP。然后機(jī)器開始執(zhí)行程序,不斷的取出指令,分析指令,執(zhí)行指令。3.微程序控制計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)現(xiàn)各條指令的微程序是存放在微程序控制器中,當(dāng)前的微指令從微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中,由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送,并進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)遇到停機(jī)指令或外來停機(jī)命令時(shí),應(yīng)該待當(dāng)前這條指令執(zhí)行完,至少在本機(jī)器周期結(jié)束時(shí)再停機(jī).停機(jī)后重新啟動(dòng)要保證機(jī)器繼續(xù)工作且不出任何錯(cuò)誤。停機(jī)與停電停機(jī)時(shí)電壓仍正常,因此寄存器與存儲(chǔ)器仍保持信息不變,重新啟動(dòng)后從程序停頓處繼續(xù)執(zhí)行.停電后,寄存器與存儲(chǔ)器的內(nèi)已消失,加電后RESET信號(hào)重新自舉操作系統(tǒng).某些機(jī)器具有停電后自動(dòng)再啟動(dòng)功能.停電時(shí),依靠后備電源將主存儲(chǔ)器內(nèi)容,PC內(nèi)容(斷點(diǎn)地址)基層單位器內(nèi)容以及狀態(tài)字(例N,Z,V,C)等調(diào)入外存.當(dāng)交流電源恢復(fù)正常時(shí),具有自動(dòng)再啟動(dòng)功能的計(jì)算機(jī)自動(dòng)將外存的內(nèi)容調(diào)入主存,并從斷點(diǎn)繼續(xù)工作.第5.4節(jié)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.4微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.4.1微指令的編譯法5.4.2微程序流的控制5.4.3微指令格式5.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)心的三個(gè)問題：(1)如何縮短微指令字長(zhǎng)；(2)如何減少微程序長(zhǎng)度；(3)如何提高微程序的執(zhí)行速度。

5.4.1微指令的編譯法

(編碼譯碼方法)--控制字段1．直接控制法微指令控制字段中的每一位代表一個(gè)微命令；設(shè)計(jì)微指令時(shí)，是否發(fā)出某個(gè)微命令，只要將控制字段中相應(yīng)位置成“1”或“0”，這樣就可打開或關(guān)閉某個(gè)控制門.

缺點(diǎn)：

控制字段長(zhǎng)，有三四百位控制存儲(chǔ)器容量要大

2.字段直接編譯法

基本概念微周期：一條微指令執(zhí)行所需要的時(shí)間。相容性:同一時(shí)刻或同一機(jī)器周期內(nèi)的微指令分在不同組內(nèi),以便實(shí)行并行操作?；コ庑裕喝绻幸唤M（若干個(gè)）微命令，在每次使用它們的微周期內(nèi)，只有一個(gè)微命令起作用則這若干個(gè)微命令為互斥。

代價(jià)：在微指令寄存器的輸出端，為該字段增加一個(gè)譯碼器，該譯碼器的輸出即為原來的微命令。優(yōu)點(diǎn)：縮短了微指令長(zhǎng)度。把互斥的微命令編為一組（即每一組譯碼器輸出的微操作必須為互斥）對(duì)微命令編碼要留出一個(gè)代碼表示本段不發(fā)微命令；增設(shè)微命令譯碼器；字段長(zhǎng)度n與所能表示的微命令數(shù)m的關(guān)系：

m=2n-1字段長(zhǎng)度互斥微命令數(shù)2位2~33位4~74位8~15【例】當(dāng)字段長(zhǎng)度為3位時(shí)，最多只能表示7個(gè)互斥的微命令，通常代碼000表示不發(fā)微命令。3.字段間接編碼一個(gè)字段的某些微命令由另一個(gè)字段的某些微命令來解釋;字段A受字段B的控制(當(dāng)A=000時(shí)，不產(chǎn)生控制命令）優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)一步減少了指令長(zhǎng)度。缺點(diǎn)：削弱微指令的并行控制能力,譯碼電路較復(fù)雜，譯碼時(shí)間長(zhǎng)?？刂谱侄蜗轮纷侄?.4.2微程序流的控制現(xiàn)行微指令

當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令現(xiàn)行微地址

現(xiàn)行微指令所在的控制存儲(chǔ)器單元的地址后繼微指令

現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，下一條要執(zhí)行的微指令后繼微地址

后繼微指令所在的控制存儲(chǔ)器單元的地址微程序流的控制

當(dāng)前微指令執(zhí)行完畢后，如何控制產(chǎn)生后繼微指令的微地址。1.產(chǎn)生后繼微指令地址的幾種方法

(1)以增量方式產(chǎn)生后繼微地址順序執(zhí)行微指令時(shí),后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量(通常為1);非順序執(zhí)行時(shí),則要產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移微地址.機(jī)器加電后的微程序入口來自專門的硬件電路,控制實(shí)現(xiàn)取指令操作,然后由指令操作碼產(chǎn)生后繼微地址接下去,若順序執(zhí)行,則現(xiàn)行微地址+1產(chǎn)生后繼微地址;

若遇到轉(zhuǎn)移類微指令則由μPC與形成轉(zhuǎn)移微地址的邏輯電路組合成后繼微地址.以增量方式產(chǎn)生后繼地址——順序執(zhí)行微程序操作碼地址碼譯碼器控制地址寄存器(μPC)控制存儲(chǔ)器控制字段轉(zhuǎn)移條件后繼地址+1μPC+1微程序入口μLR以增量方式產(chǎn)生后繼地址

——轉(zhuǎn)移的控制操作碼地址碼譯碼器控制地址寄存器(μPC)控制存儲(chǔ)器控制字段轉(zhuǎn)移條件后繼地址微程序入口邏輯控制轉(zhuǎn)移地址μLR以增量方式產(chǎn)生后繼地址—

“計(jì)數(shù)器”方式的原理圖下址部分很短,只有兩位,起選擇作用，它選擇三個(gè)輸入源作為μPC的輸入:①(μPC)+1→μPC②轉(zhuǎn)移微地址③操作碼譯碼器的輸出.微程序入口是由專門的硬件產(chǎn)生的，不受下址字段控制。（2）增量與下址結(jié)合產(chǎn)生后繼地址微指令的下址字段分成兩部分：轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAF；微程序要轉(zhuǎn)移，將BAF送μPC，否則順序執(zhí)行下一條微指令(μPC+1)。這樣：后繼地址的形成就由轉(zhuǎn)移控制字段BCF控制，并由BCF的具體長(zhǎng)度決定轉(zhuǎn)移地址形成的方式。若BCF為3位，則最多有8種后繼地址的形成方式BCF定義的8條微操作命令。BCF字段的功能①BCF=0,順序執(zhí)行微指令,μPC+1為后繼微地址②BCF=1,條件轉(zhuǎn)移微指令,結(jié)果為0時(shí),將BAF送μPC,否則μPC+1→μPC③BCF=2,條件轉(zhuǎn)移微指令,結(jié)果溢出時(shí),將BAF送μPC,否則μPC+1→μPC④BCF=3,無條件轉(zhuǎn)移微指令,將BAF送μPC⑤BCF=4,測(cè)試循環(huán)微指令,假如CT≠0,表示需要繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)微命令,將循環(huán)入口微地址從BAF送μPC,且CT－1.假如CT=0,表示循環(huán)結(jié)束,后繼微地址為μPC+1.⑥BCF=5,轉(zhuǎn)微子程序微命令,把微子程序入口地址從BAF送μPC,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移.但轉(zhuǎn)移前要把該條微指令的下一地址μPC+1送入返回寄存器RR之中⑦BCF=6,返回微指令,把RR中的返回微地址送入μPC,從而實(shí)現(xiàn)微子程序返回到原來的微程序。⑧BCF=7,操作碼產(chǎn)生后繼微地址。產(chǎn)生后繼微地址的微命令下址產(chǎn)生的增量與下址字段方式(3)多路轉(zhuǎn)移一條微指令存在多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的情況稱為多路轉(zhuǎn)移。根據(jù)操作碼產(chǎn)生后繼微地址。不同的操作碼產(chǎn)生不同的微地址。用MapROM實(shí)現(xiàn)。根據(jù)某些硬件狀態(tài)產(chǎn)生后繼微地址①標(biāo)志位②計(jì)數(shù)器狀態(tài)③數(shù)據(jù)通路狀態(tài)多個(gè)測(cè)試位，形成不同的后繼地址?！纠纭坑?個(gè)測(cè)試位，則可以形成4路轉(zhuǎn)移地址。4個(gè)轉(zhuǎn)移地址可以用微地址的最低2位實(shí)現(xiàn)。(4)微中斷微中斷請(qǐng)求微中斷請(qǐng)求信號(hào)是由程序中斷請(qǐng)求信號(hào)引起的.微中斷響應(yīng)出現(xiàn)微中斷請(qǐng)求信號(hào)后，一般在完成現(xiàn)行指令的微程序后再響應(yīng),取微中斷程序的入口地址送μPC。微中斷處理微中斷處理程序的入口地址是已經(jīng)事先安排好的.微中斷返回微中斷請(qǐng)求處理完后再返回原來被中斷的程序（新的后繼地址)1.水平型微指令格式控制信號(hào)條件字段后繼地址ADS#,W/IO#,C/D#,PA->AB,ALU->PC,PC+1,DB->IR,DB->DR,…...微指令的格式分成兩類：水平型和垂直型微指令。

5.4.3微指令格式1.水平型微指令在一條微指令中定義，并執(zhí)行多個(gè)并行操作微指令。采用直接控制法，字段編譯法(直接或間接)垂直型微指令格式微指令操作碼條件碼地址碼譯碼器ADS#,W/IO#,C/D#,PA->AB,ALU->PC,PC+1,DB->IR,DB->DR,…...2.垂直型微指令特點(diǎn)在微指令中設(shè)置微操作碼字段、條件碼和微地址字段。一條微指令只要求能控制實(shí)現(xiàn)一/二種操作。格式類似于指令，有微操作碼字段?！九e例】

微指令的字長(zhǎng)為16位，一微操作碼字段有3位斗8條微指令。【舉例】垂直微指令⑴RR傳送型

功能:把源寄存器數(shù)據(jù)送目標(biāo)寄存器

⑵運(yùn)算控制型

功能:選擇ALU的左,右兩輸入端的信息,并將結(jié)果送入暫存器中。⑶移位控制型功能:將寄存器中的數(shù)據(jù)按指定的移位方式進(jìn)行移位⑷訪問主存型功能:將存儲(chǔ)器中一個(gè)單元的信息送入寄存器或?qū)⒓拇嫫髦械臄?shù)據(jù)送往存儲(chǔ)器⑸無條件轉(zhuǎn)移型

功能:實(shí)現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)微子程序功能

⑹條件轉(zhuǎn)移型功能:根據(jù)測(cè)試對(duì)象的狀態(tài)決定轉(zhuǎn)移到D所指定的微地址單元,還是順序執(zhí)行下一條微指令。3.水平型與垂直型微指令的比較水平型微指令并行操作能力強(qiáng),效率高,靈活性強(qiáng);垂直型微指令則差.水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短;垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng).水平型微指令解釋指令的微程序,具有微指令字比較長(zhǎng),但微程序短的特點(diǎn);垂直型微指令則相反,微指令字比較短而微程序長(zhǎng).水平型微指令用戶難以掌握而垂直型微指令與指令比較相似相對(duì)來說比較容易掌握.水平型微指令與機(jī)器指令差別很大,一般需要對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)通路,時(shí)序系統(tǒng)以及微命令很精通才能進(jìn)行設(shè)計(jì).5.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和

動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)1.微程序控制存儲(chǔ)器構(gòu)成ROM(只讀方式使用)RAM開機(jī)時(shí)需從外設(shè)將微程序調(diào)入RAM中.可以修改微程序可以修改指令系統(tǒng)可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).ROM+RAMROM中存放固定的指令RAM中存放需要擴(kuò)充或修改的指令2.控制存儲(chǔ)器的操作執(zhí)行一條微指令的基本過程:第一步取微指令,垂直型微指令還應(yīng)包括微操作碼的譯碼時(shí)間;第二步執(zhí)行微指令所規(guī)定的各個(gè)操作.操作方式串行方式：取微指令操作與執(zhí)行微指令操作是串行的并行方式(流水線方式)：執(zhí)行本條微指令操作與取下一條微指令操作在時(shí)間上是重疊的流水線微程序控制存儲(chǔ)器控制字段控制字段動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)需要可寫控制存儲(chǔ)器(WCS)的支持,這種存儲(chǔ)器或稱為用戶控制存儲(chǔ)器(UCS)設(shè)想機(jī)器能夠根據(jù)用戶的要求改變微程序計(jì)算機(jī)能更靈活,更有效地適應(yīng)于各種不同的應(yīng)用目標(biāo)可以獲得軟件兼容性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配備多套微程序,它們實(shí)現(xiàn)不同的指令系統(tǒng),需要可寫控制存儲(chǔ)器(WCS)或用戶控制存儲(chǔ)器（UCS）限制用戶必須對(duì)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成非常熟悉3.動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)第5.5節(jié)控制器的控制方式控制方式:形成控制不同微操作的時(shí)序控制信號(hào)的方法.分類:

同步控制方式；異步控制方式；聯(lián)合控制方式；人工控制。5.5控制器的控制方式1.同步控制指令執(zhí)行所需的機(jī)器周期數(shù)和節(jié)拍數(shù)均固定不變[例如]加法指令為4個(gè)機(jī)器周期，轉(zhuǎn)移指令為2個(gè)機(jī)器周期。每個(gè)機(jī)器周期分成兩拍，在固定頻率的脈沖作用下形成節(jié)拍和機(jī)器周期。方法一:采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期或節(jié)拍指令的各個(gè)工作步驟所需的時(shí)間是確定的

方法二:采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期指令的各個(gè)工作步驟所需的時(shí)間不確定.可以將大多數(shù)微操作安排在較短的機(jī)器周期之內(nèi)完成，較為繁瑣微操作則采用延長(zhǎng)機(jī)器周期或增加節(jié)拍來解決。

[例如]DRAM的刷新操作使得訪存操作的時(shí)機(jī)不確定方法三:中央控制與局部控制相結(jié)合中央控制:將大多數(shù)指令安排在一個(gè)統(tǒng)一的短周期里完成;局部控制:將少數(shù)復(fù)雜指令中的某些微操作另行處理.

2.異步控制控制信號(hào)發(fā)出微操作信號(hào)后，等待相關(guān)部件發(fā)回應(yīng)答信號(hào)后再開始新的微操作;每個(gè)指令、每個(gè)微操作需要多少時(shí)間就占多少時(shí)間;這種方式形成的微操作沒有固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。3.聯(lián)合控制同步控制和異步控制方式的結(jié)合。同步控制:大部分指令操作在一個(gè)固定的機(jī)器周期內(nèi)，并在同步時(shí)序信號(hào)的控制下進(jìn)行。異步控制:而對(duì)那些時(shí)間難以確定的少量指令微操作則以執(zhí)行部件回送“回答”信號(hào)作為本次微操作的結(jié)束。

4.人工控制用于調(diào)機(jī)和軟件開發(fā)而設(shè)置一些開關(guān)或按鍵來人工控制。（1）reset鍵當(dāng)計(jì)算機(jī)處于死鎖或無法繼續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，可按此鍵。機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)按此鍵可以破壞機(jī)器內(nèi)的某些狀態(tài).如果沒有此鍵，通過停電再加電的方法重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī).（2）連續(xù)或單條轉(zhuǎn)換開關(guān)連續(xù)運(yùn)行是指計(jì)算機(jī)按正常速度執(zhí)行程序，單條是每執(zhí)行一條指令后計(jì)算機(jī)自動(dòng)停機(jī)。機(jī)器工作之前將此開關(guān)設(shè)置好，機(jī)器就按照此模式工作。在調(diào)試硬件或調(diào)試程序可以觀察每條指令的執(zhí)行結(jié)果。（3）符合停機(jī)在機(jī)器內(nèi)部設(shè)置一組開關(guān)，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，假如訪問存儲(chǔ)器的地址與所設(shè)置的開關(guān)值相等時(shí)，機(jī)器停止運(yùn)行，稱地址符合停機(jī)；假如是指令地址和開關(guān)值符合，稱為程序斷點(diǎn)。第5.6節(jié)流水線工作原理5.6流水線工作原理【例如】加法指令共有4個(gè)機(jī)器周期:取指、計(jì)算地址、取數(shù)、執(zhí)行。取指、取數(shù)機(jī)器周期中，訪問M，運(yùn)算器不工作；計(jì)算地址和加法運(yùn)算周期，運(yùn)算器工作，M不工作。提高機(jī)器處理能力的途徑：1）提高期間的性能:包括速度、集成度、可靠性、價(jià)格等;2）改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，開發(fā)系統(tǒng)的并行性;并行性指多個(gè)事件在同一時(shí)間段發(fā)生，在時(shí)間上存在重疊；通過合理調(diào)度，讓所有的部件都工作起來，可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和效率。指令流水是一項(xiàng)重要的技術(shù),流水線結(jié)構(gòu)最先在大型機(jī)中采用，如今已經(jīng)推廣到小型機(jī)、微型機(jī)中。1.流水線基本工作原理(一)指令的串行執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序的順序串行執(zhí)行，是指一條指令執(zhí)行完后才開始下一條指令，如果一條指令需要4個(gè)周期，過程如下：取指1計(jì)算地址1取操作數(shù)1計(jì)算存結(jié)果1取指2計(jì)算地址2…

下標(biāo)1--第1條指令，下標(biāo)2--第2條指令?！纠坑?jì)算機(jī)中只有指令部件I，執(zhí)行部件E。I完成取指和譯碼，E完成執(zhí)行和存結(jié)果?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，譯碼速度很快，尤其是RISC機(jī)，指令譯碼的時(shí)間忽略了。執(zhí)行過程如下：I1E1I2E2…程序串行執(zhí)行，控制簡(jiǎn)單，但是機(jī)器各部分利用率不高。I1E1I2E2…I3E3指令二級(jí)流水可以大大提高CPU的處理速度，但并不是成倍增加。1）指令的執(zhí)行時(shí)間一般大于取指時(shí)間；2）當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，必須等到本指令執(zhí)行結(jié)束后才能知道下一條指令的地址。(二)指令的重疊執(zhí)行如果將兩條指令或若干條指令在時(shí)間上重疊起來（即指令流水），執(zhí)行過程如下：兩條指令重疊執(zhí)行取指1計(jì)算地址1取操作數(shù)1計(jì)算存結(jié)果1取指2計(jì)算地址2取操作數(shù)2計(jì)算存結(jié)果2取指3計(jì)算地址3取操作數(shù)3計(jì)算存結(jié)果3取指4計(jì)算地址4取操作數(shù)4計(jì)算存結(jié)果44條指令重疊執(zhí)行如果每個(gè)部件完成操作所需的時(shí)間為T，每條指令執(zhí)行的時(shí)間為2T。因此，每隔T時(shí)間就能到一條指令的處理結(jié)果。相當(dāng)于處理器的速度提高一倍。4條指令重疊執(zhí)行時(shí)，將一條指令分為4段。若每段的執(zhí)行時(shí)間為t,執(zhí)行一條指令的時(shí)間為4t，每隔t時(shí)間就能得到一條指令的處理結(jié)果，平均處理速度提高4倍。在多段流水線中，開始流水線為空，最高的處理速率要在流水線裝滿的條件下才能達(dá)到。T應(yīng)該選擇所有部件中執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的,目的是保證所有的功能段的執(zhí)行時(shí)間差別不要太大。為了使得所有的部件不會(huì)等待太長(zhǎng)時(shí)間而影響效率，可能將較短處理時(shí)間的功能段合并成一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的功能段，或者將一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的功能段分解為幾個(gè)較短時(shí)間的功能段。2.運(yùn)算操作流水線算術(shù)運(yùn)算也可采用流水線?！纠纭扛↑c(diǎn)加法運(yùn)算可以分為“對(duì)階”、“尾數(shù)加”、“結(jié)果規(guī)格化”三段。每一段設(shè)置專門的邏輯電路完成制定操作，輸出結(jié)果放在鎖存器中，作為下一段的輸入。操作數(shù)輸入對(duì)階部件鎖存器尾數(shù)加部件鎖存器規(guī)格化部件鎖存器結(jié)果輸出對(duì)階尾數(shù)加規(guī)格化第一段第二段第三段3.流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題流水線要保證高效運(yùn)行，就需要流水充滿。由于程序編譯原因或者存儲(chǔ)器無法連續(xù)提供流動(dòng)所需的指令和數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流水線不能連續(xù)工作。【例如】4級(jí)流水線中，如果第2條指令的操作數(shù)地址是第1條指令的處理結(jié)果，那么第2條指令的取操作數(shù)比須等待t時(shí)間才能進(jìn)行。否則取得的結(jié)果是錯(cuò)誤的，這種情況稱為數(shù)據(jù)相關(guān)。取指1計(jì)算地址1取操作數(shù)1計(jì)算存結(jié)果1取指2計(jì)算地址2------取操作數(shù)2計(jì)算存結(jié)果2取指3------計(jì)算地址3取操作數(shù)3計(jì)算存結(jié)果3

根據(jù)數(shù)據(jù)存放在寄存器中還是存儲(chǔ)器中，稱為寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)或存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)相關(guān)。為解決這一問題，設(shè)置相關(guān)的專用通路。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，指令2的取操作數(shù)不去存儲(chǔ)器中去操作數(shù)，而是直接通過專用通路得到操作數(shù)。取指1計(jì)算地址1取操作數(shù)1計(jì)算存結(jié)果1取指2計(jì)算地址2取操作數(shù)2計(jì)算存結(jié)果2

數(shù)據(jù)不相關(guān)時(shí)，仍去寄存器或存儲(chǔ)器中取操作數(shù)，增加了控制的復(fù)雜性。由于計(jì)算機(jī)中的指令較為復(fù)雜，條件各異，執(zhí)行時(shí)間和流水級(jí)數(shù)不同，相關(guān)情況各異，不可避免的條件產(chǎn)生的流水線不能連續(xù)的情況，稱為流水線阻塞或產(chǎn)生“空泡”。兩級(jí)流水線不會(huì)有數(shù)據(jù)相關(guān)問題。4.響應(yīng)流水線性能的因素

（1）訪存沖突避免方法：設(shè)置兩個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)分別放置指令和數(shù)據(jù)采用預(yù)取指令技術(shù)——設(shè)置預(yù)指令隊(duì)列，在執(zhí)行指令過程中利用存儲(chǔ)器空閑時(shí)間取下一條指令，只要預(yù)指令隊(duì)列有空，就可以取下一條指令。4.響應(yīng)流水線性能的因素

（2）相關(guān)問題指程序中相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得指令流出現(xiàn)停頓?？刂葡嚓P(guān)當(dāng)一條指令需要等到前一條指令（或前幾條指令）作出轉(zhuǎn)移方向的決定后才能進(jìn)入流水線，即產(chǎn)生控制相關(guān)。數(shù)據(jù)相關(guān)指幾條指令共用了同一個(gè)存儲(chǔ)單元（或寄存器）的內(nèi)容時(shí)所發(fā)生的關(guān)聯(lián)?？梢圆扇∨月芳夹g(shù)部分解決。數(shù)據(jù)相關(guān)主要有讀—寫相關(guān)、寫—讀相關(guān)和寫—寫相關(guān)。

5.程序轉(zhuǎn)移對(duì)流水線的影響

(1)轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令進(jìn)入流水線后到確定下一條指令地址之前，流水線不能繼續(xù)處理后面的指令而處于等待狀態(tài)，只有當(dāng)它流出流水線時(shí)，才能知道是否轉(zhuǎn)移以及需要轉(zhuǎn)移時(shí)下一條指令的地址,從而影響流水線的效率。

解決方法

:“猜測(cè)法”

即選擇轉(zhuǎn)移分支中之一執(zhí)行，繼續(xù)執(zhí)行后面的指令;如果猜測(cè)正確，流水線可以繼續(xù)進(jìn)行下去；如果猜錯(cuò)，要返回分支點(diǎn)，而且要保證分支后進(jìn)行的操作不會(huì)破壞原有的現(xiàn)場(chǎng)，否則將發(fā)生錯(cuò)誤。

(2)中斷服務(wù)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，流水線中已經(jīng)存在了幾條指令。如何“斷流”是流水線設(shè)計(jì)需要考慮的問題。解決方法:如是I/O中斷請(qǐng)求，可以讓流水線中的指令全部完成，新指令按中斷處理程序處取。如果是地址錯(cuò)、存儲(chǔ)器錯(cuò)、運(yùn)算錯(cuò)而中斷時(shí)，假如是由第i條指令發(fā)生的，對(duì)于已進(jìn)入流水線的第i+1條、第i+2條、第i+3條、…是不應(yīng)該再執(zhí)行的。

流水線機(jī)器處理中斷的方法：不精確斷點(diǎn)法：未進(jìn)入流水線的后續(xù)指令不允許進(jìn)入，已在流水線中的指令執(zhí)行完畢后，進(jìn)入中斷處理程序。精確斷點(diǎn)法：不等待流水線中的指令執(zhí)行完畢就轉(zhuǎn)入中斷處理程序。練習(xí)一、填空題1.目前的CPU包括__1__、__2__和cache.2.中央處理器(CPU)的四個(gè)主要功能是:__1__、__2__、__3__、__4__.3.CPU中,保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器為__1__,保存下一條指令地址的寄存器為__2__,保存CPU訪存地址的寄存器為__3__.4.CPU從主存取出一條指令并執(zhí)行該指令的時(shí)間叫做__1__,他常用若干個(gè)__2__來表示,而后者又包含若干個(gè)__3__.5.運(yùn)算器進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來指揮的,所以他是____部件.答案:1.控制器;運(yùn)算器2.指令控制;操作控制;時(shí)間控制;數(shù)據(jù)加工3.指令寄存器IR;程序計(jì)數(shù)器;內(nèi)存地址寄存器4.指令周期;機(jī)器周期;時(shí)鐘周期5.執(zhí)行6.在程序執(zhí)行過程中,控制器控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行總是處于__1__、分析指令和__2__的循環(huán)之中.7.順序執(zhí)行的PC的值__1__,遇到轉(zhuǎn)移和調(diào)用指令時(shí),后繼指令的地址(即PC的內(nèi)容)是從指令寄存器中的__2__取得的.8.CPU中用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令并為指令譯碼器提供信息的部件是____.9.在微程序控制中,計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令的過程就是執(zhí)行一個(gè)確定的____的過程.10.微程序控制器的核心部件是存儲(chǔ)微程序的__1__,它一般用__2__構(gòu)成的.答案:6.取指令;執(zhí)行指令7.自動(dòng)加1;地址字段8指令寄存器IR9.微指令程序10.控制存儲(chǔ)器;只讀存儲(chǔ)器11.于數(shù)據(jù)通路之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,微操作可以分為__1__和__2__兩種.答案:1.相容性2.互斥性

12.微程序入口地址是__1__根據(jù)指令的__2__產(chǎn)生的.答案:1.譯碼器2.操作碼

13.微指令的格式可分為__1__微指令和__2__指令格式.答案:1.水平型2.垂直型14.任何指令周期的第一步必定是____周期.答案:取指

15.計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令的周期可以是__1__,也可以是__2__的,前者指的是在一個(gè)周期中含有的節(jié)拍數(shù)相同.答案:1.相同2.不同16.一條機(jī)器指令的執(zhí)行可以與一段微指令構(gòu)成的__1__相對(duì)應(yīng).微指令可由一系列__2__組成.答案:1.微程序2.微命令17.在同一微周期中__1__的微命令,稱之為互斥的微指令;在同一微周期中__2__的微指令,稱之為相容的微命令.顯然,__3__不能放在一起譯碼.答案