第6章 中央處理部件CPU

微程序控制技術(shù)微程序概念控制存儲(chǔ)器及其組織微程序控制基本原理微程序的設(shè)計(jì)微指令的編碼技術(shù)微指令的后繼地址產(chǎn)生微指令格式動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)、毫微程序設(shè)計(jì)概念1第6章中央處理部件CPU(2)微指令與微程序微指令：由同時(shí)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)。這一組能同時(shí)執(zhí)行的微操作就構(gòu)成一條微指令。微程序：一組微指令的集合。這樣：程序由一組指令組成指令由一個(gè)微程序?qū)崿F(xiàn)微程序由一組微指令實(shí)現(xiàn)微指令由一組微操作實(shí)現(xiàn)2第6章中央處理部件CPU(2)Wilkes模型微程序設(shè)計(jì)思想，最初是由英國(guó)劍橋大學(xué)的M.V.Wilkes于1951年提出。核心部分是連接有二極管的一個(gè)陣列。3第6章中央處理部件CPU(2)控制器存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器（ControlMemory）：簡(jiǎn)稱控存，用于存放微程序的存儲(chǔ)器。控制存儲(chǔ)器與主存儲(chǔ)器都是存儲(chǔ)器，但由于其所處的位置和存放的內(nèi)容不一致，故用不同的名稱表示。前者存放微程序，后者存放系統(tǒng)程序和用戶程序。進(jìn)一步講，前者存放的是機(jī)器的指令集中每一條指令所對(duì)應(yīng)的一個(gè)微程序的集合；而后者則存放的是機(jī)器指令和數(shù)據(jù)。執(zhí)行一條指令就是執(zhí)行一段存放在控制存儲(chǔ)器中的微程序。4第6章中央處理部件CPU(2)控制存儲(chǔ)器的組織公共子程序中斷處理子程序ADD微程序SUB微程序…...JMP微程序轉(zhuǎn)移至取指或中斷入口微指令1微指令2………...5第6章中央處理部件CPU(2)微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖控制地址寄存器：存放控存地址；控制緩沖寄存器：存放讀出的微指令，因此也稱微指令寄存器（

IR）。順序邏輯控制地址寄存器控制存儲(chǔ)器（CM/CS）控制緩沖寄存器讀6第6章中央處理部件CPU(2)微程序控制器的功能結(jié)構(gòu)圖指令寄存器IR指令譯碼器控制地址寄存器控制存儲(chǔ)器（CM/CS）控制緩沖寄存器微指令譯碼器順序邏輯讀下一地址控制信號(hào)至CPU內(nèi)部或系統(tǒng)總線ALU標(biāo)志時(shí)鐘信號(hào)7第6章中央處理部件CPU(2)微程序控制的基本原理微操作（控制信號(hào)）的編碼以加法指令為例：(rs)+((rs1)+disp)=>rd從M中取指=〉IR：

(PC)->AB;(PC)+1=>PC;ADS#、W/R#、M/IO#；

(Ready#；)DB->IR。計(jì)算操作數(shù)地址，將得到的有效地址=〉A(chǔ)R:(rs1)->GR,(rs1)->ALU；disp->ALU；“+”；

ALU->AR。取操作數(shù)：AR->AB；ADS#、W/R#、M/IO#；(Ready#；)DB->DR。做加法：(rs)->GR,(rs)->ALU；DR->ALU;“+”；rd->GR,ALU->rd。(并置運(yùn)算結(jié)果N，Z，V，C。)8第6章中央處理部件CPU(2)控制器中各信號(hào)的位置圖9第6章中央處理部件CPU(2)控制器所要控制的基本控制信號(hào)23個(gè)10第6章中央處理部件CPU(2)微指令的組織將每個(gè)控制信號(hào)用1bit表示，當(dāng)該位為1時(shí)，表示有控制信號(hào)；為0時(shí)，表示無控制信號(hào)。對(duì)M/IO#、W/R#，則當(dāng)該位為1時(shí)，分別表示訪問存儲(chǔ)器和寫；當(dāng)該位為0時(shí)，分別表示IO訪問和讀。每條微指令執(zhí)行完后，需要給出下條微指令執(zhí)行的地址。微指令格式：微操作序列（碼）后繼地址11第6章中央處理部件CPU(2)加法指令的微指令編碼12第6章中央處理部件CPU(2)微程序流程圖13第6章中央處理部件CPU(2)微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)操作碼地址碼來自Cache/主存IR指令譯碼控制存儲(chǔ)器控制字段下址微指令寄存器

IR形成微程序入口地址

op14第6章中央處理部件CPU(2)微指令編碼直接編碼直接編碼（directencoding)直接控制法（水平型微指令）字段直接編譯法譯碼器1譯碼器2譯碼器3譯碼器4……..……..微操作微操作微操作微操作IR后繼地址15第6章中央處理部件CPU(2)微指令編碼間接編碼間接編碼（indirectencoding)字段間接編碼譯碼器1譯碼器2譯碼器3譯碼器4……..……..微操作微操作微操作IR后繼地址譯碼12微操作常數(shù)源字段E編碼16第6章中央處理部件CPU(2)互斥互斥：如果有若干個(gè)（一組）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。微周期：一條微指令執(zhí)行所需要的時(shí)間。在字段直接編碼的微指令中，每一組譯碼器輸出的微操作必須為互斥。因此，若字段域?yàn)?位，則最多能表示7個(gè)互斥的位操作控制信號(hào)（通常000表示不發(fā)微命令）。17第6章中央處理部件CPU(2)后繼地址的產(chǎn)生方式（1）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18第6章中央處理部件CPU(2)續(xù)前以增量方式產(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19第6章中央處理部件CPU(2)后繼地址的產(chǎn)生方式（2）增量與下址結(jié)合產(chǎn)生后繼地址BCF：轉(zhuǎn)移控制字段；BAF：轉(zhuǎn)移地址字段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。后繼地址BCFBAF20第6章中央處理部件CPU(2)21第6章中央處理部件CPU(2)22第6章中央處理部件CPU(2)后繼地址的產(chǎn)生方式（3）多路轉(zhuǎn)移從操作碼>控存地址。不同的操作碼產(chǎn)生不同的微地址。用MapROM實(shí)現(xiàn)。多個(gè)測(cè)試位，形成不同的后繼地址。例如，有2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)。微中斷發(fā)現(xiàn)有微中斷請(qǐng)求時(shí)，在完成當(dāng)前微指令執(zhí)行后，取微中斷程序的入口地址送μPC。23第6章中央處理部件CPU(2)微指令的格式水平型微指令：對(duì)應(yīng)CPU內(nèi)部控制線和每一條系統(tǒng)總線控制線指令中都有相應(yīng)的1位，同時(shí)還有一個(gè)指示轉(zhuǎn)移發(fā)生條件的條件字段和轉(zhuǎn)移目的地址字段。垂直型微指令：在微指令中設(shè)置微操作碼字段、條件碼和微地址字段，微操作碼字段通過微指令譯碼器翻譯出微操作。24第6章中央處理部件CPU(2)續(xù)前水平型微指令格式垂直型微指令格式控制信號(hào)條件字段后繼地址微指令操作碼條件碼地址碼ADS#,W/IO#,C/D#,PA->AB,ALU->PC,PC+1,DB->IR,DB->DR,…...譯碼器ADS#,W/IO#,C/D#,PA->AB,ALU->PC,PC+1,DB->IR,DB->DR,…...25第6章中央處理部件CPU(2)常用的垂直型微指令類型RR傳送型微指令運(yùn)算控制類微指令移位控制型微指令訪問主存型微指令條件轉(zhuǎn)移型微指令無條件轉(zhuǎn)移型微指令其他26第6章中央處理部件CPU(2)動(dòng)態(tài)微程序靜態(tài)微程序?qū)?yīng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令只有一組微程序，而且這一組微程序設(shè)計(jì)好之后，一般無須改變而且也不好改變，這種微程序稱為靜態(tài)微程序。動(dòng)態(tài)微程序可以通過改變微指令和微程序來改變機(jī)器的指令系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)微程序的控存被稱為可寫控制存儲(chǔ)器（WCS）或用戶控制存儲(chǔ)器（UCS）27第6章中央處理部件CPU(2)串行微程序控制器微指令控制節(jié)拍脈沖28第6章中央處理部件CPU(2)并行微程序控制器微指令控制節(jié)拍脈沖29第6章中央處理部件CPU(2)毫微程序概念用于解釋微程序的一種微程序。微程序設(shè)計(jì)語言30第6章中央處理部件CPU(2)用AM2900系列芯片構(gòu)成一個(gè)微程序控制的CPU（控制器+運(yùn)算器）R0~R11：通用寄存器；R12：堆棧寄存器SP；R13：程序計(jì)數(shù)器PC，指向下一條指令；R14：程序計(jì)數(shù)器PC*，指向當(dāng)前指令；R15：中斷寄存器。微程序順序器（Microsequencer)用于控制產(chǎn)生下一條微指令的地址。字長(zhǎng)12位，可尋址4K字。31第6章中央處理部件CPU(2)AM2901的內(nèi)部結(jié)構(gòu)32第6章中央處理部件CPU(2)AM2910引腳說明D11~D0：外部數(shù)據(jù)輸入線（字長(zhǎng)12位）；I3~I0：4位構(gòu)成16條命令，確定下一條微指令的地址；CC：條件輸入，低有效，表示測(cè)試條件為真；CCEN：CC允許信號(hào)，低有效，表示CC有效。RLD：為低電平表示裝入D11~D0作為微地址；CT：為高時(shí)，則μPC<-Y+1，為低時(shí)，則μPC<-Y；OE：為低時(shí)，允許Y輸出；Y11~Y0：一條微指令的地址（字長(zhǎng)12位）；FULL：微堆棧滿；PL，MAP，VECT：三個(gè)使能信號(hào)，用于決定輸入D的來源。33第6章中央處理部件CPU(2)16條后繼微地址控制命令表34第6章中央處理部件CPU(2)機(jī)器指令的設(shè)計(jì)—7條指令例子ADD，SUB，MOVADD：(Rd)+(Rs)->Rd;SUB：(Rd)-(Rs)->Rd;MOV：(Rs)->RdMUL(R1)*(Rs)->R0R1CALL,JMPAddress->PCJPCDCD表示條件碼，成立，則轉(zhuǎn)移，Address->PC；否則PC+1->PCOPCODEXXRdRs1510987430OPCODEXXXXXRs1510987430OPCODEXXXXXXXX1510987430AddressOPCODECDXXXXXX1510987430Address35第6章中央處理部件CPU(2)模型機(jī)的微指令格式微指令字長(zhǎng)56位，后繼地址字長(zhǎng)8位（可直接尋址256字），控制字段42位，6位備用。W55~W48：微指令轉(zhuǎn)移地址或寄存器/計(jì)數(shù)器的初值，尋址范圍0~255W43~W41：AM2901的CC條件選擇字段SCC，用于測(cè)試的條件有：C、Z、N、V（條件轉(zhuǎn)移指令的條件碼，中斷請(qǐng)求，微指令選擇測(cè)試條件W40~W39：AM2901的寄存器堆A，B地址選擇信號(hào)。W40=1，則W27~W24表示A寄存器地址；W39=1，則W27~W24表示B寄存器地址。若W40=1或W39=0，則表示W(wǎng)27~W24無效。W19W18：AM2901最低進(jìn)位輸入控制字段SCn（加法進(jìn)位，減法借位，執(zhí)行加1指令），一般情況為0。W17W15：程序狀態(tài)碼選擇字段SST，用于選擇保存于狀態(tài)寄存器STR中的運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)（Z、C、V、N）。W14W13：AM2901移位輸入控制字段SSH（選擇RAM0，RAM3，Q0，Q3）W11=0，Y輸出到數(shù)據(jù)總線；W11=1，Y為高阻態(tài)。AM1901的4個(gè)數(shù)據(jù)輸入選擇IR,AR,MDR,STR的打入控制脈沖選通信號(hào)。36第6章中央處理部件CPU(2)編制微程序假設(shè)7條指令通過MAPROM映射后得到微程序的入口地址。指令微程序入口地址ADDRd,RsKSUBRd,RsK+1MOVRd,RsK+2