第五章 中央处理器-3.ppt

5.4.2 微程序设计技术微程序设计技术设计微指令的结构应当追求的目标：设计微指令的结构应当追求的目标：有利于缩短微指令的长度有利于缩短微指令的长度有利于缩小控制存储器的容量有利于缩小控制存储器的容量有利于提高微程序的执行速度有利于提高微程序的执行速度有利于对微指令的修改有利于对微指令的修改有利于提高微程序设计的灵活性有利于提高微程序设计的灵活性1、微命令的编码、微命令的编码编码有三种方法：直接表示法编码有三种方法：直接表示法/编码表示法编码表示法/混合表示法混合表示法（1）直接表示法：）直接表示法：操作控制字段中的各位分别可以直接控制计算机，不需要进行译码。操作控制字段中的各位分别可以直接控制计算机，不需要进行译码。操作控制字段采用的表示方法操作控制字段采用的表示方法后继微地址判断条件uA0uA1uA2uA3uA4uA5P0P1P2P3INTSINTCLDIRLDPCM4PC_ADDPC_INCLDIARLDAR1AR1_INCM3LDERIAR_BUS#SW_BUS#RS_BUS#ALU_BUSLRWCEL#WRDLDDR1M1S0S1S2111213141516171819202122232425262728293031323334 微指令格式举例35TJ直接表示法举例直接表示法举例该位为该位为“1”表示这个微命令有效，为表示这个微命令有效，为“0”表示这个微命令无效。表示这个微命令无效。操作控制字段的每一个独立的二进制位代表一个微命令操作控制字段的每一个独立的二进制位代表一个微命令直接表示法特点：直接表示法特点：这种方法结构简单直观，其输出直接用于控制。这种方法结构简单直观，其输出直接用于控制。但是微指令字太长，因而使控制存储器容量大。但是微指令字太长，因而使控制存储器容量大。编码表示法特点：编码表示法特点：（2）编码表示法：）编码表示法：将操作控制字段分为若干个小组将操作控制字段分为若干个小组,每组信号由互斥的微命令信号组成，然后每组信号由互斥的微命令信号组成，然后通过小组译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。通过小组译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。使指令字大大缩短，但增加了译码电路，使微程序的执行速度减慢使指令字大大缩短，但增加了译码电路，使微程序的执行速度减慢（3）混合表示法：）混合表示法：一个字段的某些编码不能独立地定义某些微命令，一个字段的某些编码不能独立地定义某些微命令，而需要与其他字段的编码来联合定义。而需要与其他字段的编码来联合定义。将前两种结合在一起，兼顾两者特点。将前两种结合在一起，兼顾两者特点。后继微地址形成方法后继微地址形成方法（1）计数器的方式）计数器的方式方法：方法：微程序顺序执行时，其后继微地址就是现行微地址加上一个增量微程序顺序执行时，其后继微地址就是现行微地址加上一个增量1。当微程序遇到转移或转子程序时，当微程序遇到转移或转子程序时，通过转移方式形成下一条微地址。通过转移方式形成下一条微地址。在微程序控制器中也有一个微程序计数器在微程序控制器中也有一个微程序计数器PC特点：特点：优点是简单、易于掌握，编制微程序容易。优点是简单、易于掌握，编制微程序容易。缺点是这种方式不能实现两路以上的并行微程序转移，缺点是这种方式不能实现两路以上的并行微程序转移，因而不利于提高微程序的执行速度。因而不利于提高微程序的执行速度。一般情况下都是将微地址寄存器一般情况下都是将微地址寄存器MAR作为作为PC2、微指令地址的形成方式、微指令地址的形成方式入口地址：每条机器指令对应一段微程序，如何确定下一条微指令的地址入口地址：每条机器指令对应一段微程序，如何确定下一条微指令的地址问题？问题？（2）多路转移的方式：一条微指令具有多个转移分支的能力成为多路转移。）多路转移的方式：一条微指令具有多个转移分支的能力成为多路转移。在多路转移方式中，当在多路转移方式中，当微程序微程序不产生分支不产生分支时，时，后继微地址直接由后继微地址直接由微指微指令的顺序字段给出令的顺序字段给出。出。出现现分支分支时，根据时，根据状态信状态信息息来选择其中一个微地来选择其中一个微地址。状态条件有址。状态条件有N位，位，可实现可实现2n路转移。路转移。【例例2】微地址寄存器有微地址寄存器有6位位(A5-A0)(1)执行执行“取指取指”微指令后，微程序按微指令后，微程序按IR的的OP字段字段(IR3-IR0)进行进行16路分路分支；支；(2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志执行条件转移指令微程序时，按进位标志C的状态进行的状态进行2路分支；路分支；请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。(3)执行控制台指令微程序时，按执行控制台指令微程序时，按IR4，IR5的状态进行的状态进行4路分支。路分支。现有三种情况：现有三种情况：当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端S将其置将其置“1”按所给设计条件，微程序有三种判别测试，分别为按所给设计条件，微程序有三种判别测试，分别为P1，P2，P3。(1)用用P1和和IR3-IR0修改修改A3-A0；(2)用用P2和和C修改修改A0；(3)用用P3和和IR5，IR4修改修改A5，A4。另外还要考虑时间因素另外还要考虑时间因素T4(假设假设CPU周期最后一个节拍脉冲周期最后一个节拍脉冲)A5=P3IR5T4A4=P3IR4T4A3=P1IR3T4A2=P1IR2T4A1=P1IR1T4A0=P1IR0T4+P2CT4由于从触发器强置端修改，故前由于从触发器强置端修改，故前5个表达式可用个表达式可用“与非与非”门实现门实现最后一个用最后一个用“与或非与或非”门实现门实现故转移逻辑表达式如下：故转移逻辑表达式如下：由于修改由于修改A5-A0内容具有很大灵活性，现分配如下：内容具有很大灵活性，现分配如下：控制字段控制字段判别测试字段判别测试字段下地址字段下地址字段微指令格式分为两类：水平型微指令和垂直型微指令微指令格式分为两类：水平型微指令和垂直型微指令（1）水平型微指令）水平型微指令水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。水平型微指令特点：水平型微指令特点：优点：优点：微指令字较长，速度越快。微指令字较长，速度越快。微指令中的微操作有高度的并行性。微指令中的微操作有高度的并行性。微指令译码简单。微指令译码简单。控制存储器的纵向容量小，灵活性强。控制存储器的纵向容量小，灵活性强。缺点：缺点：微指令字比较长，明显地增加了控制存储器的横向容量。微指令字比较长，明显地增加了控制存储器的横向容量。水平微指令与机器指令差别很大水平微指令与机器指令差别很大,一般要熟悉机器结构、数据通路、时序系一般要熟悉机器结构、数据通路、时序系统以及指令执行过程的人才能进行微程序设计统以及指令执行过程的人才能进行微程序设计,这对用户来说是很困难的。这对用户来说是很困难的。3、微指令格式、微指令格式（2）垂直型微指令：）垂直型微指令：设置微操作码字段，采用操作码编译法，由微操作码规定微设置微操作码字段，采用操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能指令的功能寄存器寄存器寄存器传送型微指令寄存器传送型微指令001左输入源编址左输入源编址右输入源编址右输入源编址ALU运算控制型微指令运算控制型微指令把源寄存器数据送目标寄存器。把源寄存器数据送目标寄存器。13-15位为微操作码，源寄存器和目标寄存器编位为微操作码，源寄存器和目标寄存器编址各址各5位，可指定位，可指定31个寄存器。个寄存器。选择选择ALU的左、右两输入源信息，按的左、右两输入源信息，按ALU字段所指定的运算功能（字段所指定的运算功能（8种）进行处种）进行处理，并将结果送入暂存器中。左右输入源编址可指定理，并将结果送入暂存器中。左右输入源编址可指定31种信息源之一。种信息源之一。010寄存器编址寄存器编址存储器编址存储器编址读写读写其他其他011D测试条件测试条件访问主存微指令访问主存微指令条件转移微指令条件转移微指令其功能是将主存中一个单元的信息送入寄存器或将寄存器的数据送往主存。存其功能是将主存中一个单元的信息送入寄存器或将寄存器的数据送往主存。存储器编址是指按规定的寻址方式进行编址。储器编址是指按规定的寻址方式进行编址。其功能是根据测试对象的状态决定是转移到其功能是根据测试对象的状态决定是转移到D所指定的微地址单元，还是顺序执所指定的微地址单元，还是顺序执行下一条微指令。行下一条微指令。水平型微指令和垂直型微指令的比较水平型微指令和垂直型微指令的比较(1)水平型微指令并行操作能力强水平型微指令并行操作能力强,效率高效率高,灵活性强灵活性强,垂直型微指令则较差垂直型微指令则较差(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似相对来说，比较容易掌握相对来说，比较容易掌握垂直型微指令则相反。垂直型微指令则相反。4、动态微程序设计、动态微程序设计一台计算机的机器指令只有一组微程序，这一组微程序设计好之后，一般无一台计算机的机器指令只有一组微程序，这一组微程序设计好之后，一般无须改变而且也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计须改变而且也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计采用采用EPROM作为控制存储器，可以通过改变微指令和微程序来改变机器作为控制存储器，可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。1、基本思想、基本思想5.5 硬连线控制器硬连线控制器 硬连线控制器，是由基本逻辑电路组成的，对指令中的硬连线控制器，是由基本逻辑电路组成的，对指令中的操操作码作码进行进行译码译码，并产生相应的时序并产生相应的时序控制信号控制信号的部件，又称组合的部件，又称组合逻辑控制器。逻辑控制器。逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络。形逻辑网络。微微硬连线控制器结构方框图硬连线控制器结构方框图逻辑网络的输入信号来源有三逻辑网络的输入信号来源有三个：个：来自指令操作码译码器的输来自指令操作码译码器的输出出Im来自执行部件的反馈信息来自执行部件的反馈信息Bj来自时序产生器的时序信号，来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号包括节拍电位信号M和节拍脉和节拍脉冲信号冲信号T。逻辑网络的输出信号就是微操作控制信号，它用来对执行部件逻辑网络的输出信号就是微操作控制信号，它用来对执行部件进行控制。进行控制。结构复杂，设计、调试困难，与微程序控制相比，硬连线控结构复杂，设计、调试困难，与微程序控制相比，硬连线控制速度较快。制速度较快。2、指令的执行流程、指令的执行流程M1M2M3Mi为节拍电位为节拍电位ARABUS(D)节拍电位节拍电位硬件连线控制器的指令周期流程图硬件连线控制器的指令周期流程图3、微操作控制信号产生、微操作控制信号产生在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重复使用。在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重复使用。在硬连线控制器中在硬连线控制器中设计微操作控制信号的方法和过程是设计微操作控制信号的方法和过程是根据所有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作信号的所有条件，与根据所有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作信号的所有条件，与适当的节拍电位和节拍脉冲组合适当的节拍电位和节拍脉冲组合,从而写出其布尔代数表达式并进行简化，从而写出其布尔代数表达式并进行简化，然后用门电路或可编程器件来实现。然后用门电路或可编程器件来实现。某一微操作控制信号由布尔代数表达式描述的输出函数产生。即由门电路和某一微操作控制信号由布尔代数表达式描述的输出函数产生。即由门电路和触发器构成的复杂时序控制逻辑电路产生。触发器构成的复杂时序控制逻辑电路产生。总结总结微命令微命令微操作微操作微指令微指令微周期微周期微程序微程序：构成控制信号的最小单位，即微操作控制信号，例如打开或：构成控制信号的最小单位，即微操作控制信号，例如打开或关闭某个控制门的电位信号。关闭某个控制门的电位信号。：执行部件接受微命令后所进行的最基本的操作。体现在动作：执行部件接受微命令后所进行的最基本的操作。体现在动作过程。过程。：若干个微命令的组合。用来产生一组控制信号，以便控制执：若干个微命令的组合。用来产生一组控制信号，以便控制执行相应的一步操作。行相应的一步操作。：从控制存储器读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时：从控制存储器读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时 间。间。：由微指令组成的程序。：由微指令组成的程序。5.6.1 Intel 80885.6 传统传统CPU（扩充知识面）（扩充知识面）5.7 流水流水CPU（自学）（自学）5.7.1并行处理技术并行处理技术5.7.2流水流水CPU的结构的结构5.7.3流水线中的主要问题流水线中的主要问题5.7.4 Pentium CPU习题习题 1，2P140页页用硬件控制的运算器用硬件控制的运算器在在4位全加器的基础上，设计由信号与开关控制输入的运算器。该设计中的两个加位全加器的基础上，设计由信号与开关控制输入的运算器。该设计中的两个加数分别由两个数分别由两个4位锁存器输出。此锁存器为高电平有效。其控制端用与门将开关和位锁存器输出。此锁存器为高电平有效。其控制端用与门将开关和脉冲信号相连。即在脉冲信号相连。即在开关和脉冲信号同时存在的情况下输入数值开关和脉冲信号同时存在的情况下输入数值。其输出端也用四。其输出端也用四位锁存器控制，同时也用开关与脉冲信号控制，高电平有效输出数值。位锁存器控制，同时也用开关与脉冲信号控制，高电平有效输出数值。C3C2C1d1C3C2C1K4K3K2K1K0L10L11L13L14L1273272628575655545376543K9K8K10LED12LED11LED10LED9LED8011000010000110100001000101010001100100cic0