第04章-中央處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第4章中央處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1CPU的基本結(jié)構(gòu)4.2CPU中的主要寄存器4.3控制器的結(jié)構(gòu)4.4組合邏輯控制器設(shè)計(jì)4.5

微程序控制器設(shè)計(jì)4.6

流水線工作原理4.7

典型的處理器設(shè)計(jì)習(xí)題4第4章

中央處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)60年代早期，計(jì)算機(jī)行業(yè)開始使用中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)這個(gè)術(shù)語，做成單片集成電路的CPU通常又稱為微處理器(Microprocessor，MPU)。（1）運(yùn)算器

運(yùn)算器（ArithmeticUnit，AU）是數(shù)據(jù)加工處理部件，其核心部件是算術(shù)邏輯單元（ArithmeticLogicalUnit，ALU）。（2）控制器

控制器（Controlunit，CU）是控制部件，完成對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的協(xié)調(diào)與指揮。（3）寄存器可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有程序計(jì)數(shù)器(PC)和指令寄存器(IR)；在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，寄存器有累加器(ACC)。4.1CPU的基本結(jié)構(gòu)4.2.1用戶可見寄存器（1）通用寄存器（GeneralRegister，GR）

通用寄存器是那些可以根據(jù)自己的意愿使用的寄存器，修改他們的值通常不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行造成很大的影響。（2）數(shù)據(jù)寄存器（DataRegister，DR）

又稱數(shù)據(jù)緩沖寄存器，存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型），用以彌補(bǔ)CPU和主存、外設(shè)之間操作速度上的差異。4.2CPU中的主要寄存器（3）地址寄存器（AddressRegister，AR）用來保存CPU當(dāng)前所訪問的主存單元的地址。（4）條件碼寄存器（ConditionCodeRegister，CCR）條件碼寄存器又名狀態(tài)寄存器，用來存放兩類信息：一類是體現(xiàn)當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)果的各種狀態(tài)信息（條件碼），如有無進(jìn)位（CF位）、有無溢出（OV位）、結(jié)果正負(fù)（SF位）、結(jié)果是否為零（ZF位）、奇偶標(biāo)志位（P位）等。4.2.2控制和狀態(tài)寄存器（1）程序計(jì)數(shù)器（ProgramCounter，PC）

程序計(jì)數(shù)器用來指出下一條指令在主存儲(chǔ)器中的地址，作為控制寄存器，又稱指令計(jì)數(shù)器、指令地址寄存器。（2）程序狀態(tài)字寄存器（ProgramStatusWord，PSW）

又稱為程序狀態(tài)寄存器(ProgramStateRegister，PSR)，用來存放各類控制信息，如：方向標(biāo)志(DF)、允許中斷(IF)、跟蹤標(biāo)志或陷井標(biāo)志(TF)等，這些標(biāo)志位通常用1位觸發(fā)器來保存。在很多計(jì)算機(jī)上，PSW還能保存各種條件碼CCR，如AF、CF、OF、PF、SF、ZF等。在有些機(jī)器中PSW被稱為標(biāo)志寄存器(FlagRegister，F(xiàn)R)。（3）指令寄存器（InstructionRegister，IR）

指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。4.3.1指令執(zhí)行的基本步驟（1）取指令（2）分析指令（3）執(zhí)行指令

4.3控制器的結(jié)構(gòu)取指階段取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行周期（取指、分析）（執(zhí)行指令）指令周期取指周期指令周期取指周期執(zhí)行周期指令周期取指周期執(zhí)行周期指令周期…NOPADDmemMULmem

具有間接尋址的指令周期往往會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間。

圖4.3具有間接尋址的指令周期

另外，控制器還會(huì)檢查有無中斷請(qǐng)求，若無，則形成下一條指令地址，轉(zhuǎn)入下一條指令的執(zhí)行過程。圖4.4帶有中斷周期的指令周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期中斷周期

（2）中斷周期的信息流在中斷周期內(nèi)需將程序斷點(diǎn)（在PC中）保存起來，通常把斷點(diǎn)存入堆棧。具體描述為：CU控制，(SP)?1→SP→MAR→地址線；CU發(fā)出寫存儲(chǔ)器命令；PC→MDR→數(shù)據(jù)線→存儲(chǔ)器；CU將向量地址（硬件向量法）或中斷識(shí)別程序入口地址（軟件查詢法）→PC。4.3.2控制器的組成圖4.6控制器的基本組成框圖4.3.3時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式1時(shí)序系統(tǒng)主狀態(tài)周期(指令周期)：由若干個(gè)節(jié)拍周期組成，常用一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間來表示。節(jié)拍：一個(gè)機(jī)器周期(CPU周期)可以等分成若干個(gè)更小的時(shí)間區(qū)間，即節(jié)拍，一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)。一個(gè)節(jié)拍電位信號(hào)可以控制一個(gè)或幾個(gè)微操作的執(zhí)行，其寬度取決于CPU完成一個(gè)基本操作的時(shí)間。脈沖：一個(gè)節(jié)拍電位內(nèi)可以設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)節(jié)拍脈沖。節(jié)拍脈沖(時(shí)鐘周期)表示更小的時(shí)間單位。節(jié)拍是一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間區(qū)間，而節(jié)拍的切換也需要設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖以完成同步定時(shí)。一個(gè)節(jié)拍電位往往包括幾個(gè)節(jié)拍脈沖，用于寄存器的復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。（1）硬布線控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。圖4.7主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖（2）微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)則一般采用節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。圖4.8節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖圖4.9時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器2控制方式（1）同步控制方式

任何指令的運(yùn)行或指令中各個(gè)微操作的執(zhí)行，均由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間內(nèi)完成。圖4.10同步控制方式（2）異步控制方式

沒有統(tǒng)一的同步信號(hào)，采用問答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào)，將前一操作的回答信號(hào)作為下一操作的啟動(dòng)信號(hào)。圖4.11異步控制方式（3）聯(lián)合控制方式

同步控制和異步控制相結(jié)合的方式，又稱準(zhǔn)同步方式。聯(lián)合控制方式通常的設(shè)計(jì)思想：在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式；在功能部件之間采用異步方式。例如，對(duì)可以統(tǒng)一的微操作采用同步控制，對(duì)難以統(tǒng)一的微操作采用異步控制。

實(shí)際上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒有完全采用同步或完全采用異步的控制方式，大多數(shù)都采用聯(lián)合控制方式。4.4.1組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)原理4.4組合邏輯控制器設(shè)計(jì)（1）硬連線（Hard-wired）控制器圖4.12硬連線控制器

早期設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制器的一種方法。把控制部件看作為產(chǎn)生專門固定時(shí)序控制信號(hào)的邏輯電路，以使用最少門電路和取得最高操作速度為設(shè)計(jì)目標(biāo)。（2）門陣列（GateArray）控制器

門陣列控制器則使用大規(guī)模的與門、或門等可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevice，PLD)來實(shí)現(xiàn)上述隨機(jī)邏輯，從而克服了前者的缺點(diǎn)。典型的門陣列器件包括：可編程邏輯陣列(ProgrammableLogicArray，PLA)、可編程陣列邏輯(ProgrammableArrayLogic，PAL)、復(fù)雜可編程邏輯器件(ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field－ProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)等。4.4.2方框圖語言與指令流程分析/數(shù)據(jù)通路分析

指令流程：指令的操作過程。

數(shù)據(jù)通路：信息傳送的基本路徑。矩形方框菱形箭頭波浪線圖4.13方框圖語言基本元素矩形方框代表一個(gè)CPU周期，矩形方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。菱形通常用來表示某種判別或測試，不過時(shí)間上不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。指向方框圖的箭頭表示對(duì)其輸入信號(hào)；從方框圖出來的箭頭表示輸出。波浪線（有時(shí)候使用直線）表示開始公操作。圖4.14某主機(jī)框圖圖4.15某單總線計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)IDIRPCR0R1MARMDRTEMPYZIRoutIRinPCoutPCinR0outR0inR1outR1inMARinMARoutMDRinTEMPoutTEMPinYin0→YZoutSUBAND1→CinZin主存ReadWrite…ADD【例4.5】

分析圖4.19雙總線結(jié)構(gòu)的CPU中，總線連接器G可將總線B的信息直接傳到F總線，其控制信號(hào)為Gon。設(shè)ALU的功能有：F＝A+B(ADD)，F(xiàn)＝A-B(SUB)，F(xiàn)＝A+1(INC)，F(xiàn)＝A-1(DEC)，F(xiàn)＝A求指令SUBX(R0),(R7)+的指令流程和控制信號(hào)。IDIRPCR0R1MARMDRTEMPYGIR→BPC→BR0→BR1→BF→MARMAR→BTEMP→BF→YADDSUBA主存ReadWrite…R7R7→BABUSDBUSINCDECBGonF→TEMPF→MDRF→R7F→R1F→R0F→PCF→IRFB表4.2指令流分析圖4.20某雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器4.4.3

MIPS的單周期設(shè)計(jì)方案（1）基本構(gòu)件

ALUOp(兩位)：ALU控制器的輸入有兩組，一組是ALUOp，另一組是指令中最低6位的funct字段(即IR[5:0])。

ALUSrcB(兩位)：選擇ALU第二個(gè)操作數(shù)的來源。ALUSrcB=00時(shí)，選擇寄存器組的讀出端RD2；ALUSrcB=01時(shí)，選擇由指令低16位經(jīng)符號(hào)位擴(kuò)展的結(jié)果；ALUSrcB=10時(shí)，選擇指令低16位做符號(hào)位擴(kuò)展后再左移兩位的結(jié)果。表4.3ALU控制器的輸入/輸出之間的真值表圖4.23模型機(jī)的單周期數(shù)據(jù)通路根據(jù)真值表，列出各輸出信號(hào)的表達(dá)式。例如：4.4.4

MIPS的多周期設(shè)計(jì)方案解決上述問題的方法：采用多周期方案對(duì)圖4.23進(jìn)行改造增設(shè)臨時(shí)寄存器存放該部件產(chǎn)生且下一個(gè)時(shí)鐘周期要用的結(jié)果。IR（指令寄存器）——存放從指令存儲(chǔ)器讀出的指令；LMD——存放從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀出的數(shù)據(jù)；訪存讀取的數(shù)據(jù)來不及在同一個(gè)時(shí)鐘周期中寫入寄存器組。A和B——分別存放從寄存器組讀出的兩個(gè)數(shù)據(jù)；ALUo——存放ALU的運(yùn)算結(jié)果；cond（1位）——存放判0部件“=0？”的結(jié)果。圖4.24模型機(jī)多周期實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)通路表4.5MIPS指令的多周期操作周期名稱R類指令Op=“R類”存儲(chǔ)器訪問指令Op=“l(fā)w”或Op=“sw”分支指令Op=“beqz”取指令（IF）操作：IR

IM[PC]PC+4控制信號(hào)：IRWrite=1指令譯碼/讀寄存器（ID）操作：A

Regs[rs]B

Regs[rt]Imm

（IR[15:0]按符號(hào)位擴(kuò)展為32位數(shù)）控制信號(hào)：不需要執(zhí)行/有效地址計(jì)算（EX）操作：ALUo

AfunctB控制信號(hào)：ALUSrcA=1ALUSrcB=00ALUOp=10操作：ALUo

A+Imm控制信號(hào)：ALUSrcA=1ALUSrcB=01ALUOp=00操作：ALUo

PC+Imm<<2）cond

（A==0）控制信號(hào)：ALUSrcA=0ALUSrcB=10ALUOp=00周期名稱R類指令Op=“R類”存儲(chǔ)器訪問指令Op=“l(fā)w”或Op=“sw”分支指令Op=“beqz”存儲(chǔ)器訪問/R類和分支指令完成（MEM）操作：

Regs[rd]

ALUo控制信號(hào)：DMtoReg=0RegDst=1RegWrite=1load指令：操作：LMDDM[ALUo]控制信號(hào)：DMRead=1store指令：操作：

DM[ALUo]

B控制信號(hào)：DMWrite=1操作：

If(cond&Branch)

PC

ALUoelsePCPC+4控制信號(hào)：Branch=1 PCWrite=1寫回（WB）操作：load指令：Regs[rt]

LMD控制信號(hào)：DMtoReg=1RegDst=0RegWrite=14.4.5

MIPS控制器的設(shè)計(jì)[例4.7]MIPS處理機(jī)指令系統(tǒng)如表4.6所示，試使用方框圖語言設(shè)計(jì)其CPU狀態(tài)圖。圖4.29MIPS總狀態(tài)圖

根據(jù)上述邏輯表達(dá)式和圖4.29，可以得到各控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。使用指令譯碼器和一個(gè)計(jì)數(shù)器及其譯碼器來形成各狀態(tài)的時(shí)序。4.5.1微程序控制器的設(shè)計(jì)原理4.5微程序控制器設(shè)計(jì)微指令(microinstruction)

在一個(gè)CPU周期中，共同實(shí)現(xiàn)某一操作功能的微命令的集合構(gòu)成一條微指令。微命令(microorder)

是微程序控制器通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的微操作控制信號(hào)。例如，模型機(jī)中的PC→BUS1、R0→BUS1、CPIR。微操作(microoperation)

由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本操作，其定義可大可小。微地址(microaddress)

是微指令存放于控存中的地址。微周期(microperiod)

指從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令，并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時(shí)間，一般為一個(gè)時(shí)鐘周期。圖4.324.5.2微程序控制器的組成44增量圖4.33某CPU4.5.3微程序控制器設(shè)計(jì)步驟（1）設(shè)計(jì)微程序

設(shè)計(jì)微程序，就是確定微程序流程圖，也就是控制算法流程圖。微程序流程圖中的一條微指令，相當(dāng)于ASM流程圖中的一個(gè)狀態(tài)。（2）確定微指令格式和執(zhí)行方式

根據(jù)機(jī)器的微命令、微控制信號(hào)等具體情況決定是采用水平微指令格式還是垂直微指令格式，微指令是串行方式執(zhí)行還是并行方式執(zhí)行等。（3）編制微程序（4）寫入程序?qū)⒍M(jìn)制表示的全部微程序?qū)懭肟刂拼鎯?chǔ)器（E2PROM中）。（5）設(shè)計(jì)硬件電路

包括微地址寄存器、微命令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三部分。4.5.4微指令的編譯方法

通用的微指令編譯方法有：（1）直接控制法（不譯法）

微指令操作控制字段的每一位都直接表示一個(gè)微命令，該位為“1”，表示執(zhí)行這個(gè)微命令，為“0”表示不執(zhí)行該微命令。由于這種方法不需譯碼，所以也稱不譯法。（2）最短編碼法將所有的微命令進(jìn)行統(tǒng)一編碼，每條微指令只定義一個(gè)微命令。（3）字段直接編碼法將微指令操作控制字段劃分為若干個(gè)子字段，每個(gè)子字段的所有微命令進(jìn)行統(tǒng)一編碼。因此在這種方法中，不同的子字段的不同編碼，表示不同的微命令。（4）字段間接編碼法字段間接編碼法：指一個(gè)字段的某一編碼的意義由另一字段的編碼來定義。也就是一個(gè)字段的編碼不能直接獨(dú)立地定義微命令，它必須與其它字段的編碼聯(lián)合定義。（5）常數(shù)源字段的設(shè)置在微指令字中，通常還設(shè)置一個(gè)常數(shù)源字段，如同指令字中的立即數(shù)一樣，用來提供某些常數(shù)，如給計(jì)數(shù)器置初值，為某些數(shù)據(jù)提供修改量，配合形成微程序轉(zhuǎn)移微地址等。除上述幾種編碼方法之外，還有其它一些方法。如分類編碼法：將機(jī)器指令根據(jù)操作類型分為幾類，如算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、訪主存指令、I/O指令及其它指令，不同的指令可以采用不同的微指令格式。在實(shí)際機(jī)器中，微指令往往采用幾種編碼方法。4.5.5微程序的順序控制方式微程序的初始微地址(微程序的入口地址)：微程序中第一條微指令所對(duì)應(yīng)的控存單元地址?，F(xiàn)行微指令：微程序執(zhí)行過程中，當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令?，F(xiàn)行微地址：現(xiàn)行微指令所在控存單元的微地址。后繼微指令：現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，要執(zhí)行的下一條微指令。后繼微地址：后繼微指令所在控存單元的微地址。（1）初始微地址的形成機(jī)器指令從主存取到IR以后，要由機(jī)器指令操作碼轉(zhuǎn)換為該指令所對(duì)應(yīng)的微程序入口地址，即形成初始微地址。

初始微地址的幾種形成方式：一級(jí)功能轉(zhuǎn)移一級(jí)功能轉(zhuǎn)移：根據(jù)指令操作碼，直接轉(zhuǎn)移到相應(yīng)微程序的入口，即指令操作碼直接參與形成微程序的入口地址。

二級(jí)功能轉(zhuǎn)移

如果機(jī)器指令的操作碼的位數(shù)和位置不固定，則需采用二級(jí)功能轉(zhuǎn)移。用PLA電路實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)移

將指令操作碼作為可編程邏輯陣列PLA的輸入，PLA的輸出就是相應(yīng)微程序入口地址。這種方法對(duì)于變長度、變位置的操作碼尤為有效，而且轉(zhuǎn)移速度較快。[例4.10]設(shè)有I0、I1、…、I7共8條指令，其操作碼分別為000、001、…、111，對(duì)應(yīng)的微程序入口地址分別為020H、031H、…、146H?？捎肞LA實(shí)現(xiàn)微程序入口地址的尋址。（2）后繼微地址的形成

每條微指令執(zhí)行完畢，都要根據(jù)要求形成后繼微地址，以保證微程序的正常執(zhí)行。主要有兩種基本類型：增量方式和斷定方式。增量方式

微地址的控制方式與程序地址控制方式相似，也有順序執(zhí)行、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)子之分。增量方式的特點(diǎn)是：簡單，編制微程序容易，但不能實(shí)現(xiàn)多路轉(zhuǎn)移。當(dāng)需多路轉(zhuǎn)移時(shí)，通常采用斷定方式。斷定方式后繼微地址可由設(shè)計(jì)者指定或由設(shè)計(jì)者指定的測試判定字段控制產(chǎn)生。采用斷定方式可以實(shí)現(xiàn)快速多路轉(zhuǎn)移，適合于功能轉(zhuǎn)移的需要。缺點(diǎn)是編制微程序時(shí)，地址安排比較復(fù)雜，微程序執(zhí)行順序不直觀。在實(shí)際機(jī)器中，往往增量方式與斷定方式混合使用。[例4.11]某機(jī)的微指令格式和判定條件如下：

μIR表4.7A、B為兩個(gè)判定條件OCF微地址高位ABA

斷定微地址低位B斷定微地址低位000→μMAR1000→μMAR0011→μMAR1011→μMAR010C→μMAR110V→μMAR011Z→μMAR111S→μMAR0圖4.39某微程序流程圖表4.7微指令的地址分配圖4.40微地址形成電路4.5.6微指令的執(zhí)行方式（1）串行執(zhí)行方式

在一條微指令取出并執(zhí)行完畢后，才能取下一條微指令。（2）并行執(zhí)行方式

將取指令操作和執(zhí)行微指令操作重疊起來。4.5.7微指令格式的設(shè)計(jì)方法（1）水平型微指令水平型微指令一般由控制字段、判別測試字段和下地址字段等3部分組成。①微指令字較長，定義的微命令較多。②微指令中微操作并行能力強(qiáng)。③微指令編碼簡單。④編制的微程序短，效率高，微程序的執(zhí)行速度快。⑤所需控制存儲(chǔ)器的縱向容量小。⑥微指令字比較長，增加了控制存儲(chǔ)器的橫向容量。⑦微指令長，定義的微命令多，使微程序編制困難、復(fù)雜，也不易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化?？刂谱侄?/p>

判別測試字段

下地址字段

（2）垂直型微指令一次只能控制信息從源部件到目的部件的一、兩種信息傳送過程。

垂直型微指令的特點(diǎn)：①微指令字短，一般為10～20位左右，使控制存儲(chǔ)器的橫向容量少。②微指令直觀、規(guī)整、易于編制微程序，易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。③微指令字的微操作并行能力弱，一條微指令定義的微操作少，編制的微程序長，要求控存的縱向容量大。④微指令編碼復(fù)雜，微操作碼字段需經(jīng)過完全譯碼產(chǎn)生微命令，微指令的各個(gè)二進(jìn)制位與數(shù)據(jù)通路的各個(gè)控制點(diǎn)之間不存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，執(zhí)行速度較慢、效率較低。圖4.43毫微程序控制器（3）毫微程序

毫微程序的設(shè)計(jì)思想：將水平和垂直兩種微程序設(shè)計(jì)結(jié)合起來。

毫微程序控制器中有兩個(gè)控制存儲(chǔ)器：微程序控制存儲(chǔ)器(μCM)，用于存放垂直微程序；毫微程序控制存儲(chǔ)器(nCM)，用于存放毫微程序。

4.5.8微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用固件技術(shù)的發(fā)展

固件(firmware)：是具有軟件功能的硬件，即存放于只讀存儲(chǔ)器中的各類微程序。微程序仿真

微程序仿真：指用一臺(tái)計(jì)算機(jī)的微程序解釋執(zhí)行另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，使本來不兼容的計(jì)算機(jī)之間具有程序兼容的能力。【例4.14】

按照?qǐng)D4.44所示的數(shù)據(jù)通路，所有26個(gè)控制信號(hào)均標(biāo)注在各子系統(tǒng)的側(cè)面，假定測試判別字段有2位，下址字段共4位。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)微指令格式及微程序控制器的基本方案。圖4.44數(shù)據(jù)通路圖4.45微指令格式4.6.1指令的執(zhí)行方式

根據(jù)各條指令之間的銜接關(guān)系，指令的執(zhí)行可分為順序、重疊、流水三種方式。對(duì)于指令的執(zhí)行，可有幾種控制方式：順序方式、重疊方式、先行控制。（1）順序方式所謂順序方式是指各條指令之間是順序串行執(zhí)行的。（2）重疊方式指前一條指令的解釋執(zhí)行完成之前，就開始下一條指令的解釋執(zhí)行。圖4.48(a)和(b)分別示出了兩種不同的重疊情況。4.6流水線工作原理圖4.47順序方式圖4.48重疊方式流水方式是重疊方式的進(jìn)一步發(fā)展，采用類似生產(chǎn)流水線方式控制指令的解釋執(zhí)行。t0t0t0t0t0t0t0(a)一次重疊方式(b)二次重疊方式主存存儲(chǔ)器控制器先行指令棧先行讀數(shù)棧指令分析器后行寫數(shù)棧運(yùn)算控制器運(yùn)算器取指讀數(shù)寫數(shù)先行操作棧通用寄存器組通道（3）先行控制時(shí)間0t1t2t3t4t5t6t7t8t9

t10

t11

t12

空間指令執(zhí)行

指令分析111222

取指(a)順序執(zhí)行 (b)一次重疊時(shí)間0t1t2t3t4t5t6t7t8t9

t10t11t12

空間指令執(zhí)行

指令分析111222

取指時(shí)間0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10

t11

t12

空間指令執(zhí)行

指令分析111222

取指333(c)二次重疊(d)先行控制圖4.51四種方式工作時(shí)的時(shí)空?qǐng)D時(shí)間0t1t2t3t4t5t6t7t8t9

t10t11t12

空間指令執(zhí)行

指令分析111222

取指3334.6.2流水線的分類（1）按處理級(jí)別分類

操作部件級(jí)流水線是將復(fù)雜的運(yùn)算過程組成流水線工作方式；指令級(jí)流水線則將指令的整個(gè)執(zhí)行過程分為若干個(gè)子過程；處理機(jī)級(jí)流水線是一條宏流水線。（2）按功能分類

單功能流水線只完成一種功能，如乘法流水線。多功能流水線可完成兩種以上功能，控制也更復(fù)雜。（3）按工作方式分類

靜態(tài)流水線在同一時(shí)間內(nèi)只能以一種方式工作。動(dòng)態(tài)流水線則允許在同一時(shí)間內(nèi)將不同的功能段組合成具有多種功能的流水子集。（4）按流水線結(jié)構(gòu)分類

線性流水線規(guī)定流水線的每個(gè)功能段在處理流水任務(wù)時(shí)，最多只經(jīng)過一次，沒有反饋回路。非線性流水線則允許流水線的功能段可以通過反饋回路多次被使用。4.6.3線性流水線的性能（1）流水線時(shí)空?qǐng)D圖4.54流水線時(shí)空?qǐng)D取指譯碼執(zhí)行訪存寫回輸入輸出s1s2s3s4s5IFIDEXMEMWB（2）流水線主要指標(biāo)1）吞吐率(TP)吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線能完成的指令數(shù)、任務(wù)數(shù)和輸出結(jié)果數(shù)量。2）加速比(SP)加速比是指采用流水線后的工作速度與等效的順序串行方式的工作速度之比。3）效率(η)