第五章中央处理器PPT讲稿.ppt

第五章中央处理器第1页，共131页，编辑于2022年，星期三第5章 中央处理器 5.1 CPU5.1 CPU的组成和功能的组成和功能5.7 5.7 流水流水CPUCPU5.25.2 指令周期指令周期5.8 RISC CPU5.8 RISC CPU5.3 5.3 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式5 5.4.4 微程序控制器微程序控制器5.5 5.5 硬布线控制器硬布线控制器5.6 5.6 传统传统CPUCPU第2页，共131页，编辑于2022年，星期三5.1CPU的功能和组成的功能和组成 当当代代主主流流计计算算机机所所遵遵循循的的仍仍然然是是冯冯.诺诺依依曼曼的的“存存储储程序、程序控制程序、程序控制”思想思想 程程序序告告诉诉计计算算机机：应应该该逐逐步步执执行行什什么么操操作作；在在什什么地方找到用来操作的数据，结果存到何处么地方找到用来操作的数据，结果存到何处等等 中中央央处处理理器器是是控控制制计计算算机机自自动动完完成成取取出出指指令令和和执执行行指指令令任任务务的的部部件件。它它是是计计算算机机的的核核心心部部件件，通通常简称为常简称为CPU（CentralProcessingUnit）第3页，共131页，编辑于2022年，星期三5.1.1CPU的功能的功能 指令控制指令控制 保证机器按程序规定的顺序取出执行保证机器按程序规定的顺序取出执行 操作控制操作控制 CPUCPU产产生生每每条条指指令令所所对对应应的的操操作作信信号号，并并把把各各种种操操作作信信号号送送往往相相应应的的部部件件，从从而而控控制制这这些些部部件件按按指指令令的的要要求求进进行动作行动作 时间控制时间控制 对各种操作的实施时间进行定时对各种操作的实施时间进行定时 数据加工数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理对数据进行算术运算和逻辑运算处理第4页，共131页，编辑于2022年，星期三5.1.2 CPU5.1.2 CPU的基本组成的基本组成 控制器控制器完成对整个计算机系统操作的完成对整个计算机系统操作的协调与指挥协调与指挥。(1)(1)控控制制机机器器从从内内存存中中取取出出一一条条指指令令，并并指指出出下下一一条条指指令令在内存中的位置；在内存中的位置；(2)(2)对对指指令令进进行行译译码码，并并产产生生相相应应的的操操作作控控制制信信号号，送送往往相应的部件，启动规定的动作；相应的部件，启动规定的动作；(3)(3)指指挥挥并并控控制制CPUCPU、内内存存与与输输入入/输输出出（I/OI/O）设设备备之之间数据间数据流动的方向流动的方向 运运算算器器是是数数据据加加工工处处理理部部件件，所所进进行行的的全全部部操操作作由由控控制制器器发出的控制信号指挥发出的控制信号指挥(1)(1)执行所有的算术运算；执行所有的算术运算；(2)(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试第5页，共131页，编辑于2022年，星期三算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC存储器存储器 I/OCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态状态反馈反馈取指取指控制控制执行执行控制控制ccccc缓冲寄存器缓冲寄存器DRCPUCPU的基本模型的基本模型第6页，共131页，编辑于2022年，星期三5.1.35.1.3CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器 1.1.数据缓冲寄存器（数据缓冲寄存器（DRDR）暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字2.2.指令寄存器（指令寄存器（IRIR）保存当前正在执行的一条指令保存当前正在执行的一条指令3.3.程序计数器（程序计数器（PCPC）确定下一条指令的地址确定下一条指令的地址4.4.地址寄存器（地址寄存器（ARAR）1.1.保存当前保存当前CPUCPU所访问的内存单元的地址所访问的内存单元的地址5.5.累加寄存器（累加寄存器（ACAC）最常使用的一个通用寄存器最常使用的一个通用寄存器6.6.状态条件寄存器（状态条件寄存器（PSWPSW）保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码第7页，共131页，编辑于2022年，星期三5.1.4 5.1.4 操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器 操作控制器操作控制器在各寄存器之间建立在各寄存器之间建立数据通路数据通路（传送信息的通路）（传送信息的通路）操操作作控控制制器器的的功功能能:就就是是根根据据指指令令操操作作码码和和时时序序信信号号，产产生生各各种种操操作作控控制制信信号号，以以便便正正确确地地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制1.硬布线控制器硬布线控制器2.微程序控制器微程序控制器时序产生器时序产生器产生并发出计算机所需要的时序控制信号产生并发出计算机所需要的时序控制信号第8页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2指令周期指令周期读取指令读取指令指令地址送入主存地址寄存器指令地址送入主存地址寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器分析指令分析指令按指令规定内容执行指令按指令规定内容执行指令不同指令的操作步骤数不同指令的操作步骤数和具体操作内容差异很大和具体操作内容差异很大检查有无中断请求检查有无中断请求若无，则转入下一条指令的执行过程若无，则转入下一条指令的执行过程形形成成下下一一条条指指令令地地址址指令的执行过程指令的执行过程取指令执行指令第9页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 指令周期的基本概念指令周期的基本概念 指指令令周周期期:CPUCPU从从内内存存取取出出一一条条指指令令并并执执行行完完这条指令的时间总和这条指令的时间总和 CPUCPU周周期期:又又称称机机器器周周期期（总总线线周周期期），CPUCPU访访问问内内存存所所花花的的时时间间较较长长，因因此此用用CPUCPU从从内内存存读读取取一一条条指指令令字字的的所所需需的的最最短时间来定义短时间来定义 时时钟钟周周期期:通通常常称称为为节节拍拍脉脉冲冲或或T T周周期期。一一个个CPUCPU周周期包含若干个时钟周期期包含若干个时钟周期T T 相互关系相互关系：1 1个指令周期个指令周期=若干个若干个CPUCPU周期周期 1 1个个CPUCPU周期周期=若干若干T T周期周期 取指时间执行指令时间取指时间执行指令时间第10页，共131页，编辑于2022年，星期三指令周期指令周期 CPU CPU周期周期 时钟周期时钟周期第11页，共131页，编辑于2022年，星期三020 020 CLACLA；累加器清；累加器清0 0021 021 ADD 30ADD 30；（；（ACAC）+（3030）ACAC022 022 STA 40STA 40；（；（ACAC）(40)(40)023 023 NOPNOP；空操作空操作024 024 JMP 21JMP 21；21 21 PC PC 030 000 006030 000 006;数据数据 040 040 存和数存和数;数据数据5 5条典型指令构成的简单程序条典型指令构成的简单程序第12页，共131页，编辑于2022年，星期三一个一个CPU周期周期一个一个CPU周期周期取指令阶段取指令阶段执行指令阶段执行指令阶段开始开始取指令取指令PC+1对指令对指令译码译码执行指令执行指令取下条指取下条指令令PC+15.2.2 CLA指令的指令周期指令的指令周期第13页，共131页，编辑于2022年，星期三取出取出CLA指令指令算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态反状态反馈馈取指控取指控制制执行控执行控制制cccc+10000202021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021第14页，共131页，编辑于2022年，星期三算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态反状态反馈馈取指控取指控制制执行控执行控制制cccc+12021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000 020CLACLA000 021000 000执行执行CLA指令指令第15页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.3ADD指令的指令周期 一个CPU周期 一个CPU周期取指令阶段取指令阶段执行指令阶段执行指令阶段开始开始取指令取指令PC+1对指令对指令译码译码送操作送操作数地址数地址取下条指取下条指令令PC+1取出操取出操作数作数执行加执行加操作操作一个CPU周期第16页，共131页，编辑于2022年，星期三算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+12021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000 021ADDADD 30000 021000 022000 030000 0060+6=6000 006取出并执行取出并执行ADD指令指令第17页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.4STA指令的指令周期指令的指令周期第18页，共131页，编辑于2022年，星期三算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态反状态反馈馈取指控取指控制制执行控执行控制制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000 022STASTA 40000 022000 023000 040000 006000 006000006取出并执行取出并执行STA指令指令第19页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.5NOP指令和指令和JMP指令的指令周期指令的指令周期第20页，共131页，编辑于2022年，星期三算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态状态反馈反馈取指控取指控制制执行控执行控制制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000 024JMP 21JMP 21000 024000 021000 006000006000 025000 021取出并执行取出并执行JMP指令指令第21页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.7用方框图语言表示指令周期n用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期n在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指令周期。一条指令的指令周期。n一个方框代表一个一个方框代表一个CPU周期，方框中的内容表周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制。示数据通路的操作或某种控制。n一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时间一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时间它依附于它前面一个方框的它依附于它前面一个方框的CPU周期，而不单独占周期，而不单独占用一个用一个CPU周期。周期。n符号符号“”代表一个公操作。代表一个公操作。第22页，共131页，编辑于2022年，星期三PCARABUSDBUSDRIRPC+1译码或测试译码或测试0ACIRARIRARIRPCPCARARABUSDBUSDRRDALUALUACARABUSACDRDRDBUSCLAADD STAJMPNOP第23页，共131页，编辑于2022年，星期三指令周期n小结：小结：n各类信息的传送路径各类信息的传送路径n指令：指令：M-DR-DBUS-IRn地址：地址：PC-ABUS-AR-（取决于寻址方式）（取决于寻址方式）n数据：数据：n寄存器寄存器-寄存器寄存器总线直接传送总线直接传送n寄存器寄存器-存储器存储器Ri-DBUS-DR-Mn存储器存储器-寄存器寄存器M-DR-BUS-Ri第24页，共131页，编辑于2022年，星期三n例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄为指令寄存器，存器，PC为程序计数器为程序计数器(具有自增功能具有自增功能)，M为主存为主存(受受R/W信号控制信号控制)，AR为地址寄存器，为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，为数据缓冲寄存器，ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中例中yi表示表示y寄存器的输入控制信号，寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器为寄存器R1的的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。n1.“ADDR2，R0”指令完成（指令完成（R0）+（R2）R0功能操作。假设功能操作。假设该指令的地址已放入该指令的地址已放入PC中。中。n2.“SUBR1，R3”指令完成（指令完成（R3）-（R1）R3的功能操作。的功能操作。第25页，共131页，编辑于2022年，星期三IRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiA总线总线B总线总线G+-R/W第26页，共131页，编辑于2022年，星期三PCARMDRDRIRR2YR0XR0+R2R0PCARMDRDRIRR3YR1XR3+R1R3PC0，G，ARiDR0，G，IRiR20，G，YiR00，G，Xi+，G，R0i R/W=RR3o，G，YiR1o，G，Xi-，G，R3i第27页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2续 CPU模型第28页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.2续 MOV指令的指令周期n取指周期n执行周期第29页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.2MOV指令的指令周期指令的指令周期-取指取指程序计数器程序计数器PC中装入第一条指令地址中装入第一条指令地址101（八进制）；（八进制）；PC的内容被放到指令地址总线的内容被放到指令地址总线ABUS（I）上，对指存进行译码，并启动读命令；）上，对指存进行译码，并启动读命令；从从101号地址读出的号地址读出的MOV指令通过指令总线指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器装入指令寄存器IR；程序计数器内容加程序计数器内容加1，变成，变成102，为取下一条指令做好准备；，为取下一条指令做好准备；指令寄存器中的操作码（指令寄存器中的操作码（OP）被译码；）被译码；CPU识别出是识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。指令，至此，取指周期即告结束。WR/RD第30页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.2MOV指令的指令周期指令的指令周期-执行执行操作控制器（操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选）作源寄存器，选择择R0作目标寄存器；作目标寄存器；OC送出控制信号到送出控制信号到ALU，指定，指定ALU做传送操作；做传送操作；OC送出控制信号，打开送出控制信号，打开ALU输出三态门，将输出三态门，将ALU输出送到数据总线输出送到数据总线DBUS上。注意，上。注意，任何时候任何时候DBUS上只能有一个数据。上只能有一个数据。OC送出控制信号，将送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；）；OC送出控制信号，将送出控制信号，将DR中的数据中的数据10打入到目标寄存器打入到目标寄存器R0，R0的内容由的内容由00变为变为10。至此，至此，MOV指令执行结束。指令执行结束。第31页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.3续LAD指令的指令周期n取指周期n执行周期第32页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.3续LAD指令的指令周期第33页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.4续ADD指令的指令周期第34页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.4ADD指令的指令周期指令的指令周期第35页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.5续STO指令的指令周期第36页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.5STO指令的指令周期指令的指令周期第37页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.6JMP指令的指令周期第38页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.6JMP指令的指令周期指令的指令周期第39页，共131页，编辑于2022年，星期三5.2.7续方框图表示指令周期取指执行第40页，共131页，编辑于2022年，星期三5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢是怎样识别出它们是数据还是指令呢?从时间上来说从时间上来说:取指令事件发生在指令周期的第一个取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在周期中，即发生在“取指令取指令”阶段，而取数据事件发阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在周期中，即发生在“执行执行指令指令”阶段。阶段。从空间上来说从空间上来说:如果取出的代码是指令，那么一定经如果取出的代码是指令，那么一定经DR送往指令寄存器送往指令寄存器IR，如果取出的代码是数据，那么一定，如果取出的代码是数据，那么一定送往送往运算器运算器。时间控制对计算机来说是非常重要的！时间控制对计算机来说是非常重要的！思考思考第41页，共131页，编辑于2022年，星期三5.3.1时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制 n时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制n计算机的协调动作需要时间标志，而时间计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。标志则是用时序信号来体现的。n操作控制器发出的各种控制信号都是时间操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。的函数。n组成计算机硬件的器件特性决定了时序信组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位号最基本的体制是电位-脉冲制。脉冲制。第42页，共131页，编辑于2022年，星期三n常用的操作控制器有两种：常用的操作控制器有两种：n硬布线控制器硬布线控制器n微程序控制器微程序控制器 第43页，共131页，编辑于2022年，星期三n硬布线控制器中硬布线控制器中n时序信号采用主状态周期时序信号采用主状态周期节拍电位节拍电位节拍脉冲节拍脉冲三级体制。三级体制。第44页，共131页，编辑于2022年，星期三n主状态周期（指令周期）：包含若干个主状态周期（指令周期）：包含若干个节拍周期，可以用一个触发器的状态持节拍周期，可以用一个触发器的状态持续时间来表示。续时间来表示。n节拍电位（机器周期）：表示一个节拍电位（机器周期）：表示一个CPU周期的时间，包含若干个节拍脉冲，表周期的时间，包含若干个节拍脉冲，表示较大的时间单位。示较大的时间单位。n节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时间单位。间单位。第45页，共131页，编辑于2022年，星期三节拍脉冲节拍电位1主状态周期主状态周期节拍电位2主状态周期主状态周期-节拍电位节拍电位-节拍脉冲节拍脉冲第46页，共131页，编辑于2022年，星期三n微程序控制中微程序控制中n时序信号采用节拍电位时序信号采用节拍电位节拍脉冲二级体节拍脉冲二级体制。制。触发器触发器数据，电位数据，电位控制信号，脉冲控制信号，脉冲 数据准备好后，以电位的方式送触发器（可执行保存），数据准备好后，以电位的方式送触发器（可执行保存），当控制信号来到后进用一个脉冲信号即可把数据装入触发器。当控制信号来到后进用一个脉冲信号即可把数据装入触发器。第47页，共131页，编辑于2022年，星期三n微程序控制器时序信号产生器的组成微程序控制器时序信号产生器的组成n时钟源时钟源n环形脉冲发生器环形脉冲发生器n节拍脉冲和读节拍脉冲和读/写时序的译码写时序的译码n启停控制逻辑启停控制逻辑第48页，共131页，编辑于2022年，星期三数据准备好后，以电位的方式送触发器数据准备好后，以电位的方式送触发器控制信号来到后，用一个脉冲信号把数据装入触发器控制信号来到后，用一个脉冲信号把数据装入触发器数据：电位数据：电位控制信号：脉冲控制信号：脉冲节拍电位节拍电位-节拍脉冲节拍脉冲第49页，共131页，编辑于2022年，星期三 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4MERQIORQRDWR提提供供频频率率稳稳定定且且电电平平匹匹配配的的方波时钟脉冲信号方波时钟脉冲信号由石英晶体振荡器组成由石英晶体振荡器组成产产生生一一组组有有序序的的间间隔隔相相等等或不等的脉冲序列或不等的脉冲序列启动停机5.3.2时序信号产生器 启停控制逻辑启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器环形脉冲发生器时钟脉冲源时钟脉冲源第50页，共131页，编辑于2022年，星期三n控制方式控制方式n同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。_采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。这意味这采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。这意味这所有指令周期具有相同的节拍电位和相同的节拍脉冲数。所有指令周期具有相同的节拍电位和相同的节拍脉冲数。_采用不定长的机器周期。采用不定长的机器周期。_中央控制和局部控制相结合。中央控制和局部控制相结合。n中央控制：就是将大部分指令安排在固定的机器周期完成。中央控制：就是将大部分指令安排在固定的机器周期完成。n局部控制：对少数复杂的指令采用另外的时序进行定时。局部控制：对少数复杂的指令采用另外的时序进行定时。第51页，共131页，编辑于2022年，星期三同步控制方式：同步控制方式：时钟时钟微操作信号微操作信号1微操作信号微操作信号2第52页，共131页，编辑于2022年，星期三n异步控制方式：异步控制方式：n每条指令、每个操作控制信号需要多每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。这意味着每条指少时间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成。组成。第53页，共131页，编辑于2022年，星期三n异步控制方式异步控制方式命令1命令2操作信号1回答1操作信号2回答2命令3第54页，共131页，编辑于2022年，星期三n联合控制方式：联合控制方式：n将同步控制方式和异步控制方式相结将同步控制方式和异步控制方式相结合的方式。合的方式。n情况（情况（1）大部分操作序列安排在固定大部分操作序列安排在固定的机器周的机器周期中，对某些时间难以确定的操期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的作则以执行部件的“回答回答”信号作为本次信号作为本次操作的结束；操作的结束；n情况（情况（2）机器周期的节拍脉冲数固定，机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。但是各条指令周期的机器周期数不固定。第55页，共131页，编辑于2022年，星期三小 结n控制器的组成：控制器的组成：n指令部件指令部件n程序计数器程序计数器PCn指令寄存器指令寄存器n指令译码器指令译码器n时序部件时序部件n脉冲源及启停逻辑脉冲源及启停逻辑n时序信号形成部件时序信号形成部件n控制方式控制方式第56页，共131页，编辑于2022年，星期三5.4微程序控制器n发展n微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的MVWilkes教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的，当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的元件。n到1964年，IBM公司在IBM 360系列机上成功地采用了微程序设计技术。n20世纪70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。n目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。第57页，共131页，编辑于2022年，星期三n微程序控制器的基本思想：微程序控制器的基本思想：n将微操作控制信号按一定规则进行信将微操作控制信号按一定规则进行信息编码（代码化）形成控制字（微指令），息编码（代码化）形成控制字（微指令），一条机器指令对应一段一条机器指令对应一段“程序程序”，该程序，该程序存放在控制存储器中，因为存放在控制存储器中，因为“程序程序”的指的指令结果是实现一条机器指令的功能，所以令结果是实现一条机器指令的功能，所以称为称为“指令的微程序指令的微程序”。第58页，共131页，编辑于2022年，星期三n1）、微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作微命令，它是构成控制序列的最小单位。n例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉冲等。n微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。n2）、微操作：是微命令的操作过程。n微命令和微操作是一一对应的。n微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。n微操作是执行部件中最基本的操作。微命令和微操作第59页，共131页，编辑于2022年，星期三n 由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容的和互斥的两种：n互斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的微操作。可以编码n相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操作。必须各占一位n举一个例子看一下：见下图第60页，共131页，编辑于2022年，星期三ALUR1R2R3Cy+-MDR468579123第61页，共131页，编辑于2022年，星期三2、微指令和微程序微指令和微程序n3）、微指令：把在同一CPU周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一条微指令（Microinstruction）。n它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中n一条微指令通常至少包含两大部分信息：n操作控制字段，又称微操作码字段，用以产生某一步操作所需的各个微操作控制信号。n某位为1，表明发微指令n微指令发出的控制信号都是节拍电位信号，持续时间为一个CPU周期n微命令信号还要引入时间控制n顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控制产生下一条要执行的微指令地址。第62页，共131页，编辑于2022年，星期三微指令的格式：微指令的格式：4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y+M-RDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制第63页，共131页，编辑于2022年，星期三程序机器指令机器指令1机器指令机器指令2机器指令机器指令i机器指令机器指令n.微指令微指令2微指令微指令1微指令微指令i微指令微指令n.微程序n4）微程序：一条机器指令的功能是用许）微程序：一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列称为微程序。微指令序列称为微程序。第64页，共131页，编辑于2022年，星期三微命令微命令指令系统指令系统 指令系统所有指令，指令微程序指令系统所有指令，指令微程序微程序若干微指令，微指令一组微命令微程序若干微指令，微指令一组微命令微命令微命令微操作微操作第65页，共131页，编辑于2022年，星期三3、微程序控制器原理图控制存储器控制存储器地址译码地址译码微地址寄存器微地址寄存器OPP字段字段 控制字段控制字段地址转移地址转移逻辑逻辑状态条件状态条件指令寄存器指令寄存器微命令微命令信号信号 第66页，共131页，编辑于2022年，星期三n1）控制存储器：）控制存储器：n用来存放实现全部指令系统的微程序。是一种高速存储用来存放实现全部指令系统的微程序。是一种高速存储器。器。n微地址：微地址：n人们常把全部指令的控制字存放在一个高速存储人们常把全部指令的控制字存放在一个高速存储器中，即控制存储器中（简称控存），控存的一个单器中，即控制存储器中（简称控存），控存的一个单元的内容即控制字代表了某一个节拍的一组微操作控元的内容即控制字代表了某一个节拍的一组微操作控制信号的信息，而把控存单元的地址称为制信号的信息，而把控存单元的地址称为“微地址微地址”。第67页，共131页，编辑于2022年，星期三n2）微指令寄存器：）微指令寄存器：包括：微地址寄存器和微命令寄存器两部分。包括：微地址寄存器和微命令寄存器两部分。n用来存放由控制存储器读出的一条微用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。指令信息。n3）微地址转移逻辑：）微地址转移逻辑：n自动完成修改微地址的任务。自动完成修改微地址的任务。第68页，共131页，编辑于2022年，星期三微程序控制器工作过程n 微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制下，计算机执行机器指令的过程。器的控制下，计算机执行机器指令的过程。n从控存中取出一段从控存中取出一段“取机器指令取机器指令”用的微程序，称用的微程序，称为取指微程序，这是一段公用的微操作，其首址通常放为取指微程序，这是一段公用的微操作，其首址通常放在在“0”号微地址单元。该微程序完成从主存中读取机号微地址单元。该微程序完成从主存中读取机器指令并送往指令寄存器。器指令并送往指令寄存器。n机器指令操作码通过微地址形成部件，产生对应的微程序机器指令操作码通过微地址形成部件，产生对应的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。入口地址，并送入微地址寄存器。n逐条取出对应的微指令，每一条微指令提供一个微命令逐条取出对应的微指令，每一条微指令提供一个微命令序列，控制有关的微操作。序列，控制有关的微操作。n执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到取指执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到取指微程序的入口，以便取出下一条机器指令。不断重复，直至程微程序的入口，以便取出下一条机器指令。不断重复，直至程序执行完毕。序执行完毕。第69页，共131页，编辑于2022年，星期三4、微程序举例n举例：举例：“十进制加法十进制加法”指令的微程指令的微程序控制的过程。序控制的过程。n十进制加法十进制加法”指令的功能是用指令的功能是用BCD码来完成十进制数的加法运算。码来完成十进制数的加法运算。在十进制运算时，当相加二数之和大在十进制运算时，当相加二数之和大于于9时，便产生进位，要进行加时，便产生进位，要进行加6修正；修正；当相加二数之和小于等于当相加二数之和小于等于9时，结果是时，结果是正确的。正确的。第70页，共131页，编辑于2022年，星期三n 假定数假定数a和和b已存放在已存放在R1和和R2两寄存器两寄存器中，数中，数6存放在存放在R3寄存器中。寄存器中。n算法要求先进行算法要求先进行a+b+6运算，然后判运算，然后判断结果有无进位；当进位标志断结果有无进位；当进位标志Cy=1不减不减6，当，当Cy=0，减，减6，从而可以获得正确的结，从而可以获得正确的结果。果。第71页，共131页，编辑于2022年，星期三n用BCD码完成A+B运算n1、A=1000B=1001 10001000+1001+10011000110001有进位，有进位，修正为：修正为：1000110001+0110+0110 10111 101112 2、A=0110 B=1000A=0110 B=1000A+B+6=1 0100 A+B+6=1 0100 有进位，正确有进位，正确3 3、A+B+6=1101 A+B+6=1101 无进位，错误，修正无进位，错误，修正:11011101-0110-0110 0111 0111第72页，共131页，编辑于2022年，星期三PCAR ABUSDBUS DR IR，PC+1P1R1+R2 R2R2+R3 R2R2-R3 R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图第73页，共131页，编辑于2022年，星期三第一条微指令第一条微指令0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y +M -RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制操操作作控控制制字字段段有有五五个个微微命命令令：第第1616位位发发出出LDAR,LDAR,将将PCPC内内容容送送到到地地址址寄寄存存器器ARAR；第第1313位位发发出出RDRD，第第1414位位发发出出LDDRLDDR，于于是是内内存存执执行行读读操操作作，从从内内存存取取出出“十十进进制制加加法法”指指令令放放到到DRDR中中，第第1515位位发发出出LDIRLDIR，将将DRDR中中的的指指令令再再送送到到指指令令寄寄存存器器IRIR中中，第第1717位位发发出出PC+1PC+1微微命命令令，是是程程序计数器加序计数器加1 1，做好取下一条机器指令的准备。，做好取下一条机器指令的准备。第74页，共131页，编辑于2022年，星期三第二条微指令第二条微指令0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y +M -RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制第75页，共131页，编辑于2022年，星期三第三条微指令第三条微指令0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y +M -RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控