礦大計算機體系結(jié)構(gòu)5

第五章中央處理器CPU的功能和組成指令周期時序產(chǎn)生器微程序控制器及其設(shè)計技術(shù)硬布線控制器、傳統(tǒng)CPU的結(jié)構(gòu)流水CPU、RISCCPU、多媒體CPU等本章主要討論：運算器控制器數(shù)據(jù)通路與外部的連接指令的執(zhí)行過程CPU組成CPU工作原理5.1CPU的功能和組成指令控制：程序的順序控制。操作控制：管理并產(chǎn)生每條指令的操作信號，并把它們送到相應(yīng)部件，控制這些部件按要求進(jìn)行動作。

時間控制：對各種操作實施時間上的定時。數(shù)據(jù)加工：對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算處理。5.1.1CPU的功能5.1.2CPU的基本組成傳統(tǒng)CPU由運算器和控制器組成。

由ALU、AC、DR和PSW組成；是數(shù)據(jù)加工處理部件；在控制器的指揮下運行。

運算器：運算器的主要功能：

?執(zhí)行算術(shù)運算；

?執(zhí)行邏輯運算，并進(jìn)行邏輯測試。定點運算器的結(jié)構(gòu)：

?單總線結(jié)構(gòu)的運算器

?雙總線結(jié)構(gòu)的運算器

?三總線結(jié)構(gòu)的運算器控制器：

組成：PC、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、時序產(chǎn)生器和操作控制器；

作用：

“決策機構(gòu)”，協(xié)調(diào)和指揮整個系統(tǒng)的操作。

功能：（1）取指令，并指出下一條指令的位置。（2）對指令譯碼或測試，產(chǎn)生相應(yīng)操作控制信號，以啟動規(guī)定的動作。

（3）指揮并控制CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動的方向。

組合邏輯控制器原理控制器組成微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW

時序IR地址形成PCθD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW

時序IR地址形成PCθD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器1.微命令發(fā)生器功能：產(chǎn)生全機所需的各種微命令控制最基本的操作(微操作)的命令電位型脈沖型操作控制器（微命令發(fā)生器）分類：（1）組合邏輯型

常規(guī)控制器或硬布線控制器，采用組合邏輯技術(shù)實現(xiàn)。優(yōu)點：速度快；

缺點：設(shè)計、調(diào)試、維修困難，難實現(xiàn)設(shè)計自動化。（2）存儲邏輯型

微程序控制器，采用存儲邏輯來實現(xiàn)，即微操作信號代碼化，使得每條指令轉(zhuǎn)化為一段微程序并存入一個專門的存儲器中。微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR優(yōu)點：設(shè)計規(guī)整、調(diào)試、維修以及更改、擴充指令方便，易于設(shè)計自動化。缺點：指令執(zhí)行速度比組合邏輯型慢。入口地址1PLAIR入口地址2（3）結(jié)合型

PLA控制器，組合兩者優(yōu)點，盡量克服兩者的缺點，是一種較有前途的方法。微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW

時序IR地址形成PCθD尋來自M送M或ALU+1送M2.指令計數(shù)器PC功能：指示指令在M中的位置。PC+1順序執(zhí)行：PC先+1，再用轉(zhuǎn)移地址修改PC微命令發(fā)生器PC轉(zhuǎn)移執(zhí)行：3.指令寄存器IR功能：存放現(xiàn)行指令。決定操作性質(zhì)操作碼字段操作數(shù)地址轉(zhuǎn)移地址PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW

時序IR地址形成θD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIR地址碼字段譯碼器微命令發(fā)生器地址形成部件尋D4.狀態(tài)寄存器PSW功能：指示程序運行方式，反映程序運行結(jié)果。例.某機的PSWPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW

時序IR地址形成θD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW工作方式

優(yōu)先級

T

NZVC1512118765432105.時序線路功能：控制操作時間和操作時刻。PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...PSW

時序IR地址形成θD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW

時序振蕩器分頻器時鐘脈沖工作脈沖時鐘周期(節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令,控制操作時間段產(chǎn)生脈沖型微命令，控制定時操作5.2指令周期指令周期的基本概念CLA指令的指令周期ADD指令的指令周期STA指令的指令周期NOP指令和JMP指令的指令周期用方框圖語言表示指令周期5.2.1指令周期的基本概念指令周期：取出并執(zhí)行一條指令的時間。

注：各種指令功能變化多樣，其指令周期亦不盡相同。CPU周期|機器周期（工作周期）：

常用從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定機器周期。時鐘周期|節(jié)拍電位|T周期

處理操作的最基本單位。指令周期、CPU周期、時鐘周期間的關(guān)系：八進(jìn)制地址八進(jìn)制內(nèi)容助記符020021022023024…030031…040250000030030021031000000014021…000006000040…存和數(shù)單元

CLAADD30STA40NOPJMP21

數(shù)據(jù)執(zhí)行指令階段5.2.2CLA指令的指令周期是一條非訪內(nèi)存指令，需要兩個CPU周期。取指令PC+1對指令譯碼執(zhí)行指令開始一個CPU周期一個CPU周期取指令階段取下條指令PC+11.取指令階段PCAR；(PC)+1PC；ARABUS；所選內(nèi)存單元20的內(nèi)容DBUSDR；DRIR；IR中的操作碼被譯碼或測試；CPU識別出是指令CLA。(AR)=20(PC)=21(DR)=(IR)=CLA=2500002.執(zhí)行指令階段1)操作控制器送一控制信號給ALU；2)ALU響應(yīng)該控制信號，將AC內(nèi)容清零；(AC)=0開始5.2.3ADD指令的指令周期

是訪內(nèi)存取數(shù)并執(zhí)行加法的指令，需三個CPU周期。取指令PC+1對指令譯碼送操作數(shù)地址執(zhí)行加操作一個CPU周期一個CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段取出操作數(shù)一個CPU周期取下條指令PC+1？1.取指令階段PCAR；(PC)+1PC；ARABUS；內(nèi)存單元21的內(nèi)容DBUSDR；DRIR；IR中操作碼被譯碼或測試；CPU識別出是ADD指令。(AR)=21(PC)=22(DR)=(IR)=ADD30=0300302.執(zhí)行指令階段⒈送操作數(shù)地址

將IR中的地址碼部分（30）裝入AR。⒉兩操作數(shù)相加

⑴把AR中的操作數(shù)地址30發(fā)送到ABUS上;⑵由存儲單元30中讀出操作數(shù)6，經(jīng)DBUS送到DR;⑶執(zhí)行加操作：由DR來的操作數(shù)6送到ALU的一輸入端，AC內(nèi)的另一個操作數(shù)0送到ALU的另一端，將兩數(shù)相加，產(chǎn)生運算結(jié)果0+6=6，并把結(jié)果送回AC。(AR)=30(AC)=65.2.4STA指令的指令周期是一條訪內(nèi)存的存數(shù)指令，需三個CPU周期。取指令PC+1對指令譯碼送操作數(shù)地址執(zhí)行寫操作開始一個CPU周期一個CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段送操作數(shù)取下條指令PC+1一個CPU周期2.執(zhí)行指令階段⒈送操作數(shù)地址

將IR中的地址碼部分的D(40)裝入AR。⒉存儲和數(shù)

將AC中的內(nèi)容送到DR，然后再存入所選定的存儲單元（40）中。

⑴把AC中的內(nèi)容6傳送到DR；⑵將AR的內(nèi)容40發(fā)送到ABUS；⑶把DR的內(nèi)容6發(fā)送到DBUS上；⑷DBUS上的數(shù)6寫入到選中的存儲單元40中。(AR)=40(M40)=6(DR)=6(AC)=6開始取指令PC+1對指令譯碼不執(zhí)行任何操作取下條指令PC+1一個CPU周期一個CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段5.2.5NOP和JMP指令的指令周期NOP是一條空操作指令，但也需兩個CPU周期。JMP是程序控制指令，無條件地改變程序執(zhí)行順序。取指令PC+1對指令譯碼送轉(zhuǎn)移地址取下條指令PC+1開始一個CPU周期一個CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段復(fù)習(xí)CPU的功能：指令控制、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)加工CPU的基本組成：運算器+控制器運算器：ALU、AC、DR、PSW控制器：PC、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、時序產(chǎn)生器、操作控制器指令周期:取出并執(zhí)行一條指令的時間CPU周期：從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間時鐘周期：處理操作的最基本單位CLA、ADD、STA、NOP、JMP指令的執(zhí)行過程5.2.6用方框圖語言表示指令周期方框：代表一個CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作；菱形：表示某種判別或測試，在時間上不單占一個CPU周期，而是依附于緊接它的前面一個方框的CPU周期；箭頭：表示CPU執(zhí)行順序；‘~’：公操作符號，表示一條指令執(zhí)行完畢后，CPU所開始執(zhí)行的一些操作——如中斷處理、通道處理等，其中取指令也可認(rèn)為是公操作?！纠肯聢D為雙總線結(jié)構(gòu)機器的數(shù)據(jù)通路，線上標(biāo)有小圈表示有控制信號，例中yi中表示y寄存器的輸入控制信號，IRo為IR寄存器的輸出控制信號，未標(biāo)注小圈的線為直通線，不受控制。（1）“ADDR2,R0”指令完成(R0)+(R2)—>R0

的功能操作，畫出其指令周期流程圖，假設(shè)該指令的地址已放入PC中。并列出相應(yīng)的微操作控制信號序列。IRPCARMDRR0R1R2R3XYALUIRiIRoPCiARiR/WDRiR0iR3ixiyiDROR0OR3OGPCO+A總線B總線PC→ARPC+1M→DRDR→IRR2→YR0→XX+Y→R0取指執(zhí)行PCo,G,ARiR/W=RDRo,G,IRiR2o,G,YiR0o,G,Xi+,G,R0i5.3.1時序信號的作用和體制功能：控制操作時間和操作時刻。

是CPU中的時間標(biāo)志。計算機就是按照時序信號準(zhǔn)確、迅速、有條不紊指揮各個部件協(xié)同工作。

當(dāng)實現(xiàn)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)加在觸發(fā)器的電位輸入端，而打入數(shù)據(jù)的控制信號加在觸發(fā)器的時鐘輸入端。基本體制：電位-脈沖制。所有的操作都按節(jié)拍進(jìn)行，持續(xù)時間為一個節(jié)拍的稱為節(jié)拍電位。在節(jié)拍電位有效期間產(chǎn)生的脈沖稱為節(jié)拍脈沖。一個節(jié)拍電位中可產(chǎn)生多個節(jié)拍脈沖。5.3時序產(chǎn)生器和控制方式m1節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖m2圖5-3-1節(jié)拍信息硬布線控制器：主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級體制微程序控制器：節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級體制振蕩器分頻器時鐘脈沖工作脈沖機器周期(節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令，控制操作時間段產(chǎn)生脈沖型微命令，控制定時操作修改PC控制分步操作時間取出指令●

時序關(guān)系：晶振輸出工作周期1工作周期2工作周期3時鐘T1工作脈沖P時鐘T2指令周期控制不同階段操作時間對微操作定時取指執(zhí)行取數(shù)打入IR打入PC5.3.2時序信號產(chǎn)生器

一般由時鐘源、環(huán)行脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯、啟停控制邏輯等組成。啟?？刂七壿嫻?jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯環(huán)行脈沖發(fā)生器時鐘脈沖源MREQ′IORQ′RD′WE′IORQ°MERQ°RD°WE°T1°T2°T3°T4°啟動停機IORQMERQRDWET1T2T3T4φ1、時鐘源（主時鐘）通常由石英晶體震蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成。作用：提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時鐘脈沖信號，為整個機器提供基準(zhǔn)信號。

時鐘源在機器上電后立即開始產(chǎn)生具有一定占空比的時鐘脈沖序列，直到關(guān)電源為止，中間不允許有任何間斷。2、環(huán)形脈沖發(fā)生器（節(jié)拍信號發(fā)生器）

產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過譯碼電路產(chǎn)生最后所需要的節(jié)拍脈沖。3、節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯根據(jù)環(huán)形脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，通過與門和與非門電路產(chǎn)生節(jié)拍。同時和微程序控制器中產(chǎn)生的讀/寫/對內(nèi)存/對I/O設(shè)備等操作信號融合，實現(xiàn)對內(nèi)存和外設(shè)的讀寫操作。注：時序信號還不是微操作信號，而只是協(xié)調(diào)各部件工作的同步信號。4、啟?？刂七壿嫺鶕?jù)計算機的需要，可靠地開放和封鎖脈沖，控制時序信號的發(fā)生和停止，實現(xiàn)對整個機器的正確啟動與停止。必須保證啟動時輸出的第一個脈沖和停止時輸出的最后一個脈沖都是完整的脈沖。功能表RSCPDQQ01××0110××101100111110維持阻塞D型觸發(fā)器DCPQQSR邏輯圖S為置1端R為置0端控制不同操作序列時序信號的方法。

已定的指令在執(zhí)行時所需的機器周期和時鐘周期數(shù)都是固定不變的。（1）采用完全統(tǒng)一的機器周期執(zhí)行各種不同的指令；一刀切（2）采用不定長機器周期；（3）中央控制與局部控制相結(jié)合。1.同步控制方式(固定時序控制方式)特點：

有明顯時序劃分，時鐘周期固定，各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴(yán)格同步定時控制。5.3.3控制方式

時序關(guān)系簡單，時序劃分規(guī)整，控制不復(fù)雜；控制邏輯易于集中，容易實現(xiàn)，便于管理。應(yīng)用場合：

用于CPU和設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作(各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較近)。優(yōu)點：缺點：

時間安排不合理，會造成簡單指令較多的空閑時間，影響指令執(zhí)行速度，不利于發(fā)揮計算機高速運算的潛力。發(fā)/接接/發(fā)主從總線例:異步傳送操作●主設(shè)備：申請并掌握總線權(quán)的設(shè)備?！駨脑O(shè)備：響應(yīng)主設(shè)備請求的設(shè)備。2.異步控制方式（可變時序控制方式）各項操作按需安排時間，不受統(tǒng)一時序控制。特點：無統(tǒng)一時鐘周期劃分，各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步應(yīng)答方式。操作流程：主設(shè)備獲得總線控制權(quán)主設(shè)備詢問從設(shè)備主設(shè)備發(fā)送/接收數(shù)據(jù)主設(shè)備釋放總線控制權(quán)從設(shè)備準(zhǔn)備好？YN主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線斷開異步控制方式（可變時序控制方式）

優(yōu)點：

時間安排緊湊、合理、效率高；缺點：

控制復(fù)雜，不容易實現(xiàn)。應(yīng)用場合：

用于異步總線操作(各掛接部件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠(yuǎn))。3.聯(lián)合控制方式

特點：

同步方式引入異步應(yīng)答。大部分操作安排在固定的機器周期中，對某些時間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號作為本次操作的結(jié)束。優(yōu)點：

不浪費很多時間，控制上又不是很復(fù)雜。

由英國CambridgeUniversity的M.V.Wilkes教授于1951年在文章“TheBestWaytoDesignanAutomaticCalculateMachine”中首次提出來的，這個模型稱為Wilkes模型。Wilkes模型不但給出了現(xiàn)在使用的微程序控制器的基本概念，而且它們的工作原理相同，結(jié)構(gòu)也基本一致。5.4微程序控制器

微程序設(shè)計技術(shù)

仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號編成所謂的“微指令”，存放到一個只讀存儲器里。當(dāng)機器運行時，一條又一條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機所需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。微程序控制器的基本思想利用軟件方法來設(shè)計硬件的一門技術(shù)?；舅枷胍肓顺绦蚣夹g(shù)，使設(shè)計規(guī)整；1.若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作；2.若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令；3.微程序事先存放在控制存儲器CM(ControlMemory)中，執(zhí)行機器指令時再取出。引入了存儲邏輯，使功能易于擴展。基本術(shù)語

微命令：微命令是微操作的控制信號，而微操作是微命令的操作內(nèi)容。

一條指令的功能是通過執(zhí)行一系列操作控制步完成的；這些控制步中的基本操作稱為微操作。

微指令：可以同時執(zhí)行的一組微命令組成一條微指令，完成一個基本運算或傳送功能。也將微指令稱作控制字（CW），其中每一位代表一個微命令。

微程序：完成指定任務(wù)的微指令序列稱為微程序。一條機器指令其功能可由一段微程序解釋完成。機器指令-微程序-微指令-微命令組成原理1.主要部件（1）控制存儲器CM功能：微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR存放微程序。CM屬于CPU，不屬于主存儲器。（2）微指令寄存器μIR功能：微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR存放現(xiàn)行微指令。微命令字段：提供一步操作所需的微命令。微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。提供微地址的給定部分。(微操作控制字段)(順序控制字段)（3）微地址形成電路功能：微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR提供兩類微地址。微程序入口地址：由機器指令操作碼形成。后續(xù)微地址：由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運行狀態(tài)等形成。2.工作過程（1）取機器指令CM取指微指令μIR微命令字段譯碼器微命令主存機器指令I(lǐng)R微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR取指微指令控制存儲器取指微指令微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列控制存儲器微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列（2）轉(zhuǎn)微程序入口IR操作碼微地址形成電路入口μAR微命令字段CM首條微指令（3）執(zhí)行首條微指令μIRμIR譯碼器微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR取指微指令控制存儲器取指微指令微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列IR控制存儲器微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列微地址形成電路IR微地址寄存器微地址形成電路控制存儲器微地址寄存器微命令字段微地址字段控制存儲器微命令字段微地址字段微命令操作部件（4）取后續(xù)微指令微地址字段現(xiàn)行微地址運行狀態(tài)微地址形成電路后續(xù)微地址μARCM后續(xù)微指令μIR微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址形成電路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成電路微地址寄存器（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址形成電路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成電路微地址寄存器（6）返回微程序執(zhí)行完，返回CM(存放取指微指令的固定單元)。微指令：在機器的一個CPU周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。是CM中的一個單元的內(nèi)容，即控制字。2.微指令和微程序注：微指令給出的控制信號都是節(jié)拍電位信號，它們的持續(xù)時間為一個CPU周期，有時根據(jù)實際電路需要，還要對某些微命令信號加入時間控制。一條微指令由操作控制和順序控制兩大部分組成。（1）操作控制部分又稱“微操作碼字段”，用來發(fā)出管理和指揮全機工作的控制信號，其中每一位都表示一個微命令。（2）順序控制部分又稱“微地址碼字段”，用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址；微程序：一條機器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的，這個微指令序列通常叫做微程序。

微地址：微指令在控制存儲器中的單元地址。微指令在執(zhí)行時同樣也需要進(jìn)行微指令尋址，而且在決定后繼微指令地址時，需要判別測試標(biāo)志位的配合。機器指令-微程序-微指令-微命令微指令是控制存儲器中的一個存儲單元的內(nèi)容，即控制字。微程序控制器基本思想1.若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作；2.若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令；3.微程序事先存放在控制存儲器CM(ControlMemory)中，執(zhí)行機器指令時再取出。復(fù)習(xí)用方框圖語言表示指令周期：方框：代表一個CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作菱形：表示某種判別或測試‘~’

：公操作符號，表示一條指令執(zhí)行完畢后，CPU所開始執(zhí)行的一些操作復(fù)習(xí)時序信號產(chǎn)生器時鐘源、環(huán)行脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯、啟?？刂七壿嬑⒊绦蚩刂破?.若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作；2.若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令；3.微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機器指令時再取出。4.

微程序舉例

以“十進(jìn)制加法”指令為例來理解微程序控制的過程；從一個簡單的控制模型中，得出微程序控制的主要思想及大概過程。第一條微指令第二條微指令010100100

10000000001001010001

001

10000000010000010001

001

00100000000000000000

000

000

11111100000第三條微指令第四條微指令PC->AR->ABUSDBUS->DR->IR,PC+1P1P2R1+R2->R2R2+R3->R2R2-R3->R2RDCy=10000000010101001000000010000Cy=0總結(jié)：微程序控制器的工作過程實質(zhì)就是：在微程序控制器的控制下，計算機執(zhí)行機器指令的過程。具體可分為：（1）執(zhí)行取指令的公操作

機器開始運行時，自動地將取指微程序的入口微地址送入

AR，并從

CM中讀出微指令，送往

IR，當(dāng)取指微程序執(zhí)行完以后，從主存中取出的機器指令就已經(jīng)存入IR中了。（2）由機器指令的操作碼字段OP通過“地址轉(zhuǎn)移邏輯”產(chǎn)生出該機器指令所對應(yīng)的微程序的入口微地址，并送入

AR。（3）從

CM中逐條取出相應(yīng)的微指令并執(zhí)行之。（4）執(zhí)行完對應(yīng)于一條機器指令的一段微程序之后，又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)第（1）步，以完成取下一條機器指令的公操作。讀微指令T1T2T3T4T1T2T3T4CPU周期CPU周期微指令周期執(zhí)行微指令

為了保證整個機器控制信號的同步，可以將一個微指令周期時間設(shè)計得恰好和CPU周期時間相等。圖5.25CPU周期與微指令周期的關(guān)系5.

微程序時序安排用統(tǒng)一微指令周期控制各條微指令執(zhí)行

P微指令周期

微指令打入μIR控制數(shù)據(jù)通路操作結(jié)果打入目的地，讀取后續(xù)微指令后續(xù)微地址打入μARCPU周期6.

機器指令與微指令的關(guān)系

（1）一條機器指令對應(yīng)一段微程序，此微程序是由若干條微指令序列組成的。（2）指令、程序、地址對應(yīng)于內(nèi)存儲器；微指令、微程序、微地址對應(yīng)于控制存儲器。（3）一個CPU周期對應(yīng)于一條微指令指令周期。方框圖就是微程序流程圖。微程序——解釋一條機器指令的微指令的集合。微操作、微命令、微指令、微程序、機器指令5.4.2微程序設(shè)計技術(shù)微程序的關(guān)鍵：如何確定微指令的結(jié)構(gòu)。（1）有利于縮短微指令字長度；（2）有利于減小控制存儲器的容量；（3）有利于提高微程序的執(zhí)行速度；（4）有利于對微指令的修改；（5）有利于微程序設(shè)計的靈活性；設(shè)計微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)是：微程序設(shè)計：設(shè)計與各條機器指令相對應(yīng)的微程序的過程。1.微指令格式(P155)（1）垂直型微指令優(yōu)點：一條微指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。缺點：微程序長，執(zhí)行速度慢；工作效率低。（2）水平型微指令一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。優(yōu)點：缺點：微指令長，編寫微程序較麻煩。微程序短，執(zhí)行速度快。（3）混合型微指令微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行操作。例.長城203微指令A(yù)IBIZOAOPMOPKKST

3333444運算器輸入控制運算器輸出控制操作類型控制訪M、I/O控制常數(shù)輔助操作2.編碼方法（1）直接控制法例.某微指令微命令按位給出。不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；信息的表示效率低。C0RW111C0=0進(jìn)位初值為01進(jìn)位初值為1R=0不讀1讀0不寫1寫W=微指令中通常只有個別位采用直接控制法。（2）分段直接編譯法例.對加法器輸入端進(jìn)行控制。微命令由字段編碼直接給出。000不發(fā)命令微指令中設(shè)置AI字段，控制加法器的輸入選擇。加法器ABR、CD、ER、CD、FAI3010CA100FB…001RA010CA011DB011DB？微命令分組原則：同類操作中互斥的微命令放同一字段。不能同時出現(xiàn)CD微操作分類：相容性～：在同時或同一CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行。相斥性～：在同時或同一CPU周期內(nèi)不能并行執(zhí)行。操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段，B輸入端的控制命令放BI字段。加法器ABR、CD、ER、CD、F000不發(fā)命令010CA100EA001RA011DACDAIBI33010CA000不發(fā)命令010CB100FB001RB011DB011DBAI：BI：一條微指令能同時提供若干微命令，便于組織各種操作。編碼較簡單；3.微地址形成方式（1）增量方式以順序執(zhí)行為主，輔以各種常規(guī)轉(zhuǎn)移方式。順序：現(xiàn)行微地址+1。跳步：現(xiàn)行微地址+2。無條件轉(zhuǎn)移：現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址。條件轉(zhuǎn)移：現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址和轉(zhuǎn)移條件。微指令給定后續(xù)微地址高位部分（2）多路轉(zhuǎn)移方式(斷定方式)由直接給定和測試斷定相結(jié)合形成微地址。

給定部分?jǐn)喽l件指明后續(xù)微地址低位部分的形成方式例.微指令

D（給定）

A（條件）2位位數(shù)可變微地址10位，約定：A=0110微地址低4位為操作碼，D給定高位；微地址低3位為機器指令目的尋址方式微地址低3位為機器指令源尋址方式6711編碼，D給定高位；編碼，D給定高位。74.

動態(tài)微程序設(shè)計（1）靜態(tài)微程序設(shè)計：對應(yīng)于一臺計算機的指令系統(tǒng)只有一套微程序，該微程序設(shè)計好之后，一般無須改變而且也不便于改變。（2）動態(tài)微程序設(shè)計：采用E2PROM作為CM，可以通過改變微指令和微程序來改變機器的指令系統(tǒng)，因此可以在一臺機器上實現(xiàn)不同類型的指令系統(tǒng)。

由于動態(tài)微程序設(shè)計技術(shù)要求對計算機結(jié)構(gòu)和組成非常熟悉，所以這類微程序方案的改變一般只能由計算機設(shè)計人員完成。

微程序設(shè)計分類：5.7.1并行處理技術(shù)

并行性的兩種含義：

1）同時性：兩個以上事件在同一時刻發(fā)生；

2）并發(fā)性：兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。

1）時間并行：時間重疊，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。

2）空間并行：資源重復(fù)，以“數(shù)量取勝”來提高計算機的處理速度。當(dāng)前的空間并行主要體現(xiàn)在多CPU和多計算機系統(tǒng)，在單處理機系統(tǒng)中也得到廣泛的應(yīng)用。5.7流水性CPU3）時間+空間并行：時間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。5.7.2流水CPU的結(jié)構(gòu)1、流水計算機的系統(tǒng)組成組成：指令部件、指令隊列、執(zhí)行部件。程序和數(shù)據(jù)存放在主存中：主存采用多體交叉存儲器，CPU與主存之間添加一個高速cache來彌補兩者速度差異。流水計算機組成原理示意圖

1）指令部件本身構(gòu)成一個流水線：取指令、指令譯碼、計算操作數(shù)地址、取操作數(shù)等幾個過程段組成；

2）指令隊列：一個FIFO的寄存器隊列，用來存放經(jīng)過譯碼的指令和取來的數(shù)據(jù)，也是一條流水線；

3）執(zhí)行部件：具有多個算術(shù)邏輯運算部件，這些部件本身又用流水線方式構(gòu)成，一般采用的實現(xiàn)方法：①將執(zhí)行部件分為定點執(zhí)行部件和浮點執(zhí)行部件兩個可并行執(zhí)行部分，分別處理定點運算指令和浮點運算指令；②在浮點執(zhí)行部件中，又有浮點加法部件和浮點乘/除部件，它們可同時執(zhí)行不同的指令；③浮點運算部件都以流水線方式工作。復(fù)習(xí)微程序控制器的組成：控制存儲器、微指令寄存器、微地址形成電路微程序控制器的工作過程：（1）執(zhí)行取指令的公操作（2）由機器指令的操作碼字段OP通過“微地址形成電路”產(chǎn)生出該機器指令所對應(yīng)的微程序的入口微地址，并送入

AR。（3）從

CM中逐條取出相應(yīng)的微指令并執(zhí)行之。（4）執(zhí)行完對應(yīng)于一條機器指令的一段微程序之后，又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)第（1）步，以完成取下一條機器指令的公操作。復(fù)習(xí)微指令格式：垂直型微指令、水平型微指令、混合型微指令微命令編碼方法：直接控制法、分段直接編譯法微地址形成方式：增量方式、多路轉(zhuǎn)移方式2.流水CPU的時空圖入IFS1IDS2EXS3WBS4一個指令流水線過程段為了實現(xiàn)流水，首先把輸入的任務(wù)分割為一系列子任務(wù)，并使各子任務(wù)在流水線的各個階段并發(fā)地執(zhí)行，當(dāng)任務(wù)連續(xù)不斷地輸入流水線時，在流水線的輸出端便連續(xù)不斷地吐出執(zhí)行結(jié)果，從而實現(xiàn)子任務(wù)級的并行性。

出流水中指令級并行性的進(jìn)一步開發(fā)1、超標(biāo)量方法每個時鐘周期內(nèi)能啟動n條指令單發(fā)射與多發(fā)射單發(fā)射，一個時鐘周期內(nèi)，從存儲器內(nèi)只取出一條指令。多發(fā)射，一個時鐘周期內(nèi)，從存儲器內(nèi)取出多條指令。(Pentium)I1IFIDEXWRI2IFIDEXWRI3IFIDEXWRI1IFIDEXWRI2IFIDEXWRI3IFIDEXWRI4IFIDEXWRI5IFIDEXWRI6IFIDEXWRI7IFIDEXWRI8IFIDEXWRI9IFIDEXWR0123456T取指譯碼執(zhí)行寫回每拍啟動3條指令，并行度=3超級標(biāo)量機超標(biāo)量計算機的原理：配置多個功能部件,多個譯碼器，寄存器端口，總線，能同時執(zhí)行多個操作。以一條長指令實現(xiàn)多個操作的并行執(zhí)行，減少存儲器訪問2、超長指令字計算機（VLIW）0123456T3個操作每拍啟動一條長指令，執(zhí)行3個操作，相當(dāng)于3條指令，并行度=3超長指令字計算機（VLIW）的原理結(jié)構(gòu)3、超級流水方法

原理：超流水結(jié)構(gòu)是把每一個流水級（一個周期）分成多個（例如3個）子流水級，而在每一個子流水級中取出的仍只有一條指令，但總的來看，在一個周期內(nèi)取出了三條指令。每1/2拍啟動一條指令，并行度=2超級流水線的原理結(jié)構(gòu)圖0123456超流水線處理機：在一個基本時鐘周期內(nèi)能夠分時發(fā)射多條指令的處理機。3.流水線分類（1）指令流水線

指令步驟的并行，將指令流的處理過程劃分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行、寫回等幾個并行處理的過程段。（2）算術(shù)流水線

運算操作步驟的并行，如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等。（3）處理機流水線

宏流水線，指程序步驟的并行；由一串級聯(lián)的處理機構(gòu)成流水線的各個過程段，每臺處理機負(fù)責(zé)某一特定的任務(wù)。5.7.3流水線中主要問題1.資源相關(guān)：

多條指令進(jìn)入流水線后在同一機器時鐘周期內(nèi)爭用同一個功能部件所發(fā)生的沖突。解決方法：

1）后繼指令停頓一拍后再啟動。

2）增加相應(yīng)資源。兩條指令同時訪存造成資源相關(guān)MEMEXIDIF指令i+4WBMEMEXIDIF指令i+3WBMEMEXIDIF指令i+2WBMEMEXIDIF指令i+1WBMEMEXIDIFLoad指令87654321時鐘指令沖突取指譯碼執(zhí)行訪存寫回例：EXIDIF指令i+4MEMEXIDIF停頓指令i+3WBMEMEXIDIF指令i+2WBMEMEXIDIF指令i+1WBMEMEXIDIFLoad指令87654321時鐘指令9WBMEM使i+3指令停頓一拍進(jìn)入流水線，以解決訪存相關(guān)或重復(fù)設(shè)置一個存儲器解決方法：例：有i和j兩條指令，i指令在前，j指令在后，則三種不同類型的數(shù)據(jù)相關(guān)的含義為：RAW讀寫(先寫后讀)-指令j試圖在指令i寫入寄存器前就讀出該寄存器內(nèi)容，這樣，指令j就會錯誤地讀出該寄存器舊的內(nèi)容。（寫讀相關(guān)）i:R1+R2->R3j:R3*R4->R52、數(shù)據(jù)相關(guān)沖突WAR寫讀(先讀后寫)-指令j試圖在指令i讀出寄存器之前就寫入該寄存器，這樣，指令i就錯誤地讀得該寄存器新的內(nèi)容。（讀寫相關(guān)）i:R3*R4->R5j:R1+R2->R3WAW寫寫(先寫后寫)-指令j試圖在指令i寫寄存器之前就寫入該寄存器，這樣，兩次寫的先后次序被顛倒，就會錯誤地使由指令i寫入的值成為該寄存器內(nèi)容。（寫寫相關(guān)）i:R1*R2->R3j:R4+R5->R3例1：如果流水線要執(zhí)行以下的兩條指令

X1=X2+X3X4=X1-X5這是一個典型的先寫后讀（RAW）相關(guān)。例2：結(jié)果寄存器的沖突

X6=X1+X2X6=X4*X5這是個先寫后寫相關(guān)，兩條指令都要用X6存放結(jié)果，此時第二條指令也要等待第一條指令完成后才能寫。例3：一條指令要把結(jié)果存放到上一條指令存放操作數(shù)的寄存器中時發(fā)生的沖突。

X5=X4*X3X4=X0+X6這是個先讀后寫相關(guān)。如果這兩條指令接連地送到乘法功能部件和加法功能部件中，由于加法比乘法快得多，第二條的結(jié)果X4先產(chǎn)生，但必須等待第一條指令做完后才能送X4。解決辦法主要用軟件和硬件技術(shù)：時間推后法旁路技術(shù)或相關(guān)專用通路技術(shù)例子：流水執(zhí)行和相關(guān)（資源相關(guān)）有四段流水線：IF(取指令),ID(譯碼,取數(shù)),EX(執(zhí)行),WR(寫回)PC值指令流水各段

n:loadAIFIDEXWRn+1:loadBIFIDEXWRn+2:addA,BIF

ID

氣泡EXWRn+3:storeCIFID氣泡EXWRn+4:jumpKIFIDEXWRn+5:loadE停頓停頓停頓……n+6………停頓…………K:IFIDEX例子中有資源相關(guān)、有控制轉(zhuǎn)移相關(guān)，這將影響流水線的指標(biāo)。IF

ID

EX

MEM

WB

IF

ID

EX

MEM

WB

IF

ID

EX

MEM

WB

IF

ID

EX

MEM

WB

IF

ID

EX

MEM

WB

ADDR1,R2,R3SUBR4,R1,R5ANDR6,R1,R7ORR8,R1,R9XORR10,R1,R11定向傳遞R1值旁路技術(shù)或相關(guān)專用通路技術(shù)：定向傳遞原理：設(shè)置若干運算結(jié)果緩沖寄存器，暫時保留運算結(jié)果，便于后續(xù)指令直接使用，稱為“向前”或定向傳送技術(shù)。（2）轉(zhuǎn)移預(yù)測法：用硬件方法實現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為來預(yù)測將來的行為。通過使用轉(zhuǎn)移取和順序取兩路指令預(yù)取隊列以及目標(biāo)指令cache，可將轉(zhuǎn)移預(yù)測提前到取指階段進(jìn)行，以獲得良好的效果。解決方法：（1）延遲轉(zhuǎn)移法：由編譯程序重排指令序列來實現(xiàn)。基本思想是“先執(zhí)行再轉(zhuǎn)移”；在不轉(zhuǎn)移時，使延遲的時間得到有效利用。3.控制相關(guān)

由轉(zhuǎn)移指令引起。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果，可能為順序取下條指令；也可能轉(zhuǎn)移到目標(biāo)地址取指令，從而使流水線斷流。5.8RISCCPU

5.8.1RISCCPU的特點

RISC的三個要素是：

(1)一個有限的簡單的指令集；

(2)CPU配備大量的通用寄存器；

(3)強調(diào)對指令流水線的優(yōu)化?；谌氐腞ISC機器的特征是：(1)使用等長指令，目前的典型長度是4個字節(jié)。(2)尋址方式少且簡單，一般為2—3種，最多不超過4種，絕不出現(xiàn)存儲器間接尋址方式。(3)只有取數(shù)指令、存數(shù)指令訪問存儲器。指令中最多出現(xiàn)RS型指令，絕不出現(xiàn)SS型指令。(4)指令集中的指令數(shù)目一般少于100種，指令格式一般少于4種。(5)指令功能簡單，控制器多采用硬布線方式，以期更快的執(zhí)行速度。(6)平均而言，所有指令的執(zhí)行時間為一個處理時鐘周期。(7)指令格式中用于指派整數(shù)寄存器的個數(shù)不少于32個，用于指派浮點數(shù)寄存器的個數(shù)不少于16個。(8)強調(diào)通用寄存器資源的優(yōu)化使用。(9)支持指令流水并強調(diào)指令流水的優(yōu)化使用。(10)RlSC技術(shù)的復(fù)雜性在于它的編譯程序，因此軟件系統(tǒng)開發(fā)時間比CISC機器長。

RISC與CISC的主要特征對比比較內(nèi)容CISCRISC指令系統(tǒng)復(fù)雜，龐大簡單，精簡指令數(shù)目一般大于200一般小于100指令格式一般大于4一般小于4尋址方式一般大于4一般小于4指令字長不固定等長可訪存指令不加限制只有LOAD/STORE指令各種指令使用頻率相差很大相差不大各種指令執(zhí)行時間相差很大絕大多數(shù)在一個周期內(nèi)完成優(yōu)化編譯實現(xiàn)很難較容易程序源代碼長度較短較長控制器實現(xiàn)方式絕大多數(shù)為微程序控制絕大多數(shù)微硬布線控制軟件系統(tǒng)開發(fā)時間較短較長1145.9多媒體CPU多媒體概念指利用計算機來綜合、集成地處理文字、圖形、圖像、聲音、視頻、動畫等媒體，從而形成的一種全新的信息傳播和處理的計算機技術(shù)。主要特征：信息表示的數(shù)字化處理的集成性系統(tǒng)的交互性115主要技術(shù)問題壓縮和解壓縮技術(shù)靜態(tài)640*480的256色圖象約占640*480*1B=307200B＝300K640*480的24Bit彩色圖象約占640*480B*3=921600B=900K動態(tài)每秒鐘30楨（播放256色）則每秒鐘處理300K*30=9M，而ISA總線的傳輸率只有5MBPS結(jié)論：多媒體信息量大，給信息處理和傳輸帶來了困難5.9.1多媒體技術(shù)的主要問題116解決方法：壓縮技術(shù)JPEG（JointPhotographicExpertsGroupMPEG（MovingPicturegroup）軟件技術(shù)多媒體OS多媒體處理軟件硬件技術(shù)MMX（多媒體擴展技術(shù)）動態(tài)執(zhí)行技術(shù)117MMX（多媒體擴展技術(shù)）MMX是Intel為增強處理器的多媒體能力而提出的解決方案，增設(shè)57條多媒體指令。這些指令是為高效地處理視頻、聲音和圖形數(shù)據(jù)而專門設(shè)計的Intel使用SIMD(單指令流，多數(shù)據(jù)流)過程來實現(xiàn)這些多媒體指令。5.9.2MMX技術(shù)118多媒體和通信應(yīng)用中經(jīng)常使用重復(fù)運行的循環(huán)，這些循環(huán)只占程序代碼的10%或更少，卻要占用多達(dá)90%的執(zhí)行時間。SIMD允許一條指令在多個數(shù)據(jù)上進(jìn)行相同的操作。循環(huán)是打亂CPU內(nèi)部流水線，降低CPU執(zhí)行效率的一個重要因素。MMX指令，減少了循環(huán)，能大大提高原來存在大量計算性循環(huán)的視頻、聲音和圖象等多媒體應(yīng)用的性能。119MMX一次可以計算64位數(shù)據(jù)，而Intel處理器上的通用寄存器是32位的，因此它借用浮點運算器