第五章 中央处理器 (2).ppt

12/29/2022 10:24 PM1 第五章第五章 中央处理器中央处理器12/29/2022 10:24 PM2第五章第五章 中央处理器中央处理器 CPUCPU的功能和组成的功能和组成 (掌握掌握)指令周期（掌握）指令周期（掌握）时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式(理解理解)微程序控制器（掌握）微程序控制器（掌握）微程序设计技术（掌握）微程序设计技术（掌握）硬布线控制器硬布线控制器(理解理解)CPUCPU的新技术的新技术(理解理解)教学要求教学要求课堂上注意听讲、重要的是理解课堂外一定要看书复习或预习、完成作业12/29/2022 10:24 PM35.1 CPU5.1 CPU的功能和组成的功能和组成什么是CPU？所所谓谓中中央央处处理理器器是是控控制制计计算算机机来来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。它它是是计计算机的核心部件，通常简称为算机的核心部件，通常简称为CPU。CPU的基本组成 中央处理器由两个主要部分中央处理器由两个主要部分控制器控制器和和运算器组成运算器组成。12/29/2022 10:24 PM4控制器 由由程程序序计计数数器器(PC)(PC)、指指令令寄寄存存器器(IR)(IR)、指指令令译译码码器器、时时序序产产生生器器和和操操作作控控制制器器组组成成，它它是是发发布布命命令令的的“决决策策机机构构”，即即完完成成协协调调和和指指挥挥整整个个计计算算机机系统的操作。系统的操作。控制器的主要功能有：控制器的主要功能有：1.1.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或或测测试试，并并产产生生相相应应的的控控制制信信号。号。3.3.输输出出相相应应的的控控制制信信号号，指指挥挥并并控控制制CPUCPU，内内存存和和I/OI/O之间的数据流动的方向。之间的数据流动的方向。12/29/2022 10:24 PM5运算器 由由算术逻辑单位（算术逻辑单位（ALUALU）、）、累加寄存器（累加寄存器（ACAC）、）、数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器(DR)(DR)和状态条件寄存器和状态条件寄存器(PSW)(PSW)组成，组成，它是数据加工处理部件。它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。，所以它是执行部件。运算器的主要功能：运算器的主要功能：1.1.执行所有的执行所有的算术运算算术运算。2.2.执行所有的执行所有的逻辑运算逻辑运算，并进行，并进行逻辑测试逻辑测试。12/29/2022 10:24 PM6612/29/2022 10:24 PM7CPU的功能和组成的功能和组成CPUCPU的主要寄存器的主要寄存器1.1.累加寄存器累加寄存器ACAC 累加寄存器累加寄存器ACAC通常简称为累加器，它的功能是：当运通常简称为累加器，它的功能是：当运算器的算术逻辑单元（算器的算术逻辑单元（ALUALU）执行全部算术和逻辑运算时，执行全部算术和逻辑运算时，为为ALUALU提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放ALUALU运算的运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。2.2.指令寄存器指令寄存器IRIR 指指令令寄寄存存器器用用来来保保存存当当前前正正在在执执行行的的一一条条指指令令。存存放放从从内内存存中中取取出出的的指指令令；其其中中指指令令的的操操作作码码送送到到指指令令译译码码器器，译码后输出控制信号。译码后输出控制信号。12/29/2022 10:24 PM83.程序计数器程序计数器PC 程序计数器中存放的是下一条指令在内存中的地址。程序计数器中存放的是下一条指令在内存中的地址。若程序顺序执行：若程序顺序执行：PC PC PC+1 PC+1；若程序有跳转：若程序有跳转：PCPCPC+PC+偏偏移地址。移地址。4.状态条件寄存器状态条件寄存器PSW 5.5.状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的试的结果建立的各种条件码内容结果建立的各种条件码内容，同时状态条件寄存器还保存，同时状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息，以便使中断和系统工作状态等信息，以便使CPUCPU和系统能及时了解机器和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各由各种状态条件标志拼凑而成种状态条件标志拼凑而成的寄存器的寄存器。O 溢出溢出 D 方向方向 I 中断允许中断允许 T 追踪追踪 S 符号符号 Z 零零 A 辅助进位辅助进位 P 奇偶奇偶 C 进位进位 O D I T S Z A P C12/29/2022 10:24 PM9CPU的功能和组成的功能和组成5.地址寄存器地址寄存器AR 地址寄存器用来保存当前地址寄存器用来保存当前CPUCPU所访问的内存单元的地所访问的内存单元的地址。由于在内存和址。由于在内存和CPUCPU之间存在着操作速度上的差别，所之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。写操作完成为止。6.缓冲寄存器缓冲寄存器DR 缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在缓冲寄存器中。字时，也暂时将它们存放在缓冲寄存器中。12/29/2022 10:24 PM10CPUCPU的功能的功能（4）数据加工：）数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，这是理。完成数据的加工处理，这是CPU的根本的任务。的根本的任务。（1）指令控制）指令控制：程序是指令的有序集合，保证机器：程序是指令的有序集合，保证机器按规定的顺序执行程序。按规定的顺序执行程序。（2）操作控制：）操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指管理并产生由内存取出的每条指 令的操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，令的操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。从而控制这些部件按指令的要求进行动作。（3）时间控制：）时间控制：对各种操作实施时间上的控制，计算对各种操作实施时间上的控制，计算机中各种指令的操作信号均受到时间的严格控制。机中各种指令的操作信号均受到时间的严格控制。12/29/2022 10:24 PM115.2 指令周期指令周期程序的执行过程：程序的执行过程：冯冯.诺依曼诺依曼结构的计算机执行程序的顺序：结构的计算机执行程序的顺序：1.1.从程序首地址开始。从程序首地址开始。2.2.分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令的地址。的地址。3.3.自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令。令。12/29/2022 10:24 PM12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成下一条指令地址指令的执行过程指令的执行过程12/29/2022 10:24 PM13指令周期的基本概念指令周期的基本概念1.1.指令周期：指令周期：CPUCPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列每取出并执行一条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需用的时间通常叫做一个的操作，这一系列操作所需用的时间通常叫做一个指令指令周期周期。2.2.机器周期：机器周期也称为机器周期：机器周期也称为CPUCPU周期周期。通常用内存中读取。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定一个指令字的最短时间来规定CPUCPU周期。指令周期常常用周期。指令周期常常用若干个若干个CPUCPU周期数来表示，周期数来表示，3.3.时钟周期：一个时钟周期：一个CPUCPU周期时间又包含有若干个周期时间又包含有若干个时钟周期时钟周期（通常称为（通常称为节拍脉冲或节拍脉冲或T T周期周期，它是处理操作的最基本单，它是处理操作的最基本单位）。这些时钟周期的总和则规定了一个位）。这些时钟周期的总和则规定了一个CPUCPU周期的时间周期的时间宽度。宽度。12/29/2022 10:24 PM14指令周期指令周期指令周期指令周期T周期周期CPU周期周期CPU周期周期T1T2T3T4（取取指令指令）（执行指令执行指令）取指令执行指令12/29/2022 10:24 PM1515l取指周期 l执行周期5.2.2 MOV指令的指令周期指令的指令周期12/29/2022 10:24 PM165.2.2 MOV指令的指令周期指令的指令周期取指取指12/29/2022 10:24 PM175.2.2 MOV指令的指令周期指令的指令周期执行行12/29/2022 10:24 PM18l取指周期 l执行周期12/29/2022 10:24 PM1912/29/2022 10:24 PM2012/29/2022 10:24 PM215.2.5 ADD指令的指令周期指令的指令周期12/29/2022 10:24 PM2212/29/2022 10:24 PM235.2.5 STO指令的指令周期指令的指令周期12/29/2022 10:24 PM245.2.6 JMP指令的指令周期指令的指令周期12/29/2022 10:24 PM255.2.6 JMP指令的指令周期指令的指令周期12/29/2022 10:24 PM265.2.7 用方框用方框图语言表示指令周期言表示指令周期l引入目的主要是为了教学目的（控制器设计）l方法：l指令系统设计（模型机的五指令系统）l方框按CPU周期 l方框内内容数据通路操作或控制操作 l菱形符号判别或测试 l公操作 l前边所讲述的5种操作的框图描述 l 12/29/2022 10:24 PM275.2.7 用方框用方框图语言表示指令周期言表示指令周期取指执行12/29/2022 10:24 PM28例：例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，如图所示为双总线结构机器的数据通路，IRIR为指为指令寄存器，令寄存器，PCPC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 M为主存为主存(受受R/WR/W信号控制信号控制)，ARAR为地址寄存器，为地址寄存器，DRDR为数据缓冲寄为数据缓冲寄存器，存器，ALUALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号制信号G G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈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，例中表示有控制信号，例中y yi i表示表示y y寄存器的输入控制信号寄存器的输入控制信号，R R1o1o为寄存器为寄存器R1R1的输出控制信号，未标字符的线为直通的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。线，不受控制。1.“ADD R1.“ADD R2 2，R R0 0”指令完成（指令完成（R R0 0）+（R R2 2）R R0 0功能操作。假功能操作。假设该指令的地址已放入设该指令的地址已放入PCPC中。中。2.“SUB R2.“SUB R1 1，R R3 3”指令完成（指令完成（R R3 3）-（R R1 1）R R3 3的功能操作。的功能操作。12/29/2022 10:24 PM29微操作信号微操作信号12/29/2022 10:24 PM305.2.7 用方框用方框图语言表示指言表示指令周期令周期ALU0ALU012/29/2022 10:24 PM31操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器1.1.数据通路：数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路称通常把许多寄存器之间传送信息的通路称为为“数据通路数据通路”。2.2.操作控制器操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种根据指令操作码和时序信号，产生各种操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的操作。行指令的操作。3.3.时序产生器：时序产生器：因为计算机高速地进行工作，每一个动因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。作用，就是对各种操作实施时间上的控制。12/29/2022 10:24 PM32时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制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。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。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号最基本的体制是电位电位-脉冲制脉冲制。12/29/2022 10:24 PM33根据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型存储逻辑结合型三种。三种。1.1.硬布线控制器硬布线控制器 是采用时序逻辑技术来实现的；是采用时序逻辑技术来实现的；2.2.微程序控制器微程序控制器是采用存储逻辑来实现的；是采用存储逻辑来实现的；3.3.前两种方式的组合前两种方式的组合 12/29/2022 10:24 PM34时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式硬布线控制器中硬布线控制器中时序信号采用时序信号采用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 三级体制。三级体制。12/29/2022 10:24 PM35时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式主主状态周期（指令周期）：状态周期（指令周期）：包含若干个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。节拍电位（机器周期）：节拍电位（机器周期）：表示一个表示一个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。节拍脉冲（时钟周期）：节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时表示较小的时间单位。间单位。12/29/2022 10:24 PM3612/29/2022 10:24 PM37微程序控制中微程序控制中时序信号采用时序信号采用节拍电位节拍电位节拍脉冲节拍脉冲二级体制。二级体制。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。12/29/2022 10:24 PM3812/29/2022 10:24 PM39时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式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时钟源时钟源环形脉冲发生器环形脉冲发生器节拍脉冲和读节拍脉冲和读/写时序的译码写时序的译码启停控制逻辑启停控制逻辑12/29/2022 10:24 PM40时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式启停控制逻辑节拍脉冲和对时序译码逻辑环形脉冲发生器 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4MERQIORQRDWR时钟脉冲源时钟脉冲源时钟脉冲源环形脉冲发生器环形脉冲发生器 节拍脉冲和对时序译码逻辑节拍脉冲和对时序译码逻辑启停控制逻辑启停控制逻辑用来为环形脉冲发生器提供频率稳用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。有石英晶体振荡器组成。有石英晶体振荡器组成。产生一组有序产生一组有序的间隔相等或的间隔相等或不等的脉冲序不等的脉冲序列。通常采用列。通常采用循环移位寄存循环移位寄存器。器。12/29/2022 10:24 PM41环形脉冲发生器12/29/2022 10:24 PM42节拍电位与节拍脉冲时序关系图12/29/2022 10:24 PM4312/29/2022 10:24 PM4412/29/2022 10:24 PM45时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式控制方式控制方式同步控制方式：同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执在任何情况下，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行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。变的。采用完全统一的机器周期采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。这意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。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。中央控制：就是将大部分中央控制：就是将大部分指令指令安排在固定的机器周期完成。安排在固定的机器周期完成。局部控制：对少数复杂的局部控制：对少数复杂的指令指令采用另外的时序进行定时。采用另外的时序进行定时。12/29/2022 10:24 PM46时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式同步控制方式：同步控制方式：时钟时钟微微操作信号操作信号1微微操作信号操作信号212/29/2022 10:24 PM47时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式异步控制方式：异步控制方式：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。12/29/2022 10:24 PM48时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式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312/29/2022 10:24 PM49时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式联合控制方式：联合控制方式：将同步控制方式和异步控制方式相结合的方将同步控制方式和异步控制方式相结合的方式。式。情况（情况（1 1）大部分操作序列安排在固定的机器周大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的的“回答回答”信号作为本次操作的结束；信号作为本次操作的结束；情况（情况（2 2）机器周期的节拍脉冲数固定，但是各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。条指令周期的机器周期数不固定。12/29/2022 10:24 PM50小小 结结控制器的组成：控制器的组成：指令部件指令部件程序计数器程序计数器PCPC指令寄存器指令寄存器指令译码器指令译码器时序部件时序部件脉冲源及启停逻辑脉冲源及启停逻辑时序信号形成部件时序信号形成部件控制方式控制方式12/29/2022 10:24 PM51小结小结程序计数器程序计数器PC地址形成部件地址形成部件操作码操作码 地址码地址码译码译码微微操作操作信号形成信号形成节拍发生器节拍发生器时钟源时钟源中断控制逻辑中断控制逻辑状态寄存器状态寄存器微微操作信号操作信号I/O信息信息控制台信息控制台信息+1送送AR12/29/2022 10:24 PM52微微程序控制器程序控制器基本概念基本概念 组成组成 工作过程工作过程 微程序举例微程序举例 微程序设计技术微程序设计技术 微程序控制器的设计方法微程序控制器的设计方法12/29/2022 10:24 PM53微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微命令微命令微操作微操作微指令微指令微程序微程序控制存储器控制存储器微地址微地址12/29/2022 10:24 PM54微微程序控制器程序控制器基本概念基本概念微微程序控制器的基本思想：程序控制器的基本思想：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”。12/29/2022 10:24 PM55微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微微命令：命令：控制部件通过控制线向执行部控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制件发出各种控制命令，通常把这种控制命令称为微命令。命令称为微命令。微操作：微操作：执行部件接受微命令后所进行执行部件接受微命令后所进行的操作，称为微操作。的操作，称为微操作。12/29/2022 10:24 PM56微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微微指令：指令：在机器的一个在机器的一个CPUCPU周期中，一组周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。成一条微指令。微程序：微程序：微指令序列为微程序。微指令序列为微程序。12/29/2022 10:24 PM57微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念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12/29/2022 10:24 PM58微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念控制存储器：控制存储器：用来存放实现全部指令系统的微程序。是一用来存放实现全部指令系统的微程序。是一种高速存储器。种高速存储器。微地址：微地址：人们常把全部指令的控制字存放在一个高速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），控存存储器中，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制信号的信息，而把控存单元的地一组微操作控制信号的信息，而把控存单元的地址称为址称为“微地址微地址”。12/29/2022 10:24 PM59微微程序控制器程序控制器组成组成微指令寄存器：微指令寄存器：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。微地址转移逻辑：微地址转移逻辑：自动完成修改微地址的任务。自动完成修改微地址的任务。12/29/2022 10:24 PM60微微程序控制器原理框图程序控制器原理框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微命令命令信号信号 12/29/2022 10:24 PM61 微程序控制器的工作过程微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器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。的控制下，计算机执行机器指令的过程。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，称为用的微程序，称为取指微程序取指微程序，这是一段公用的微操作，其首址通常放在，这是一段公用的微操作，其首址通常放在“0”0”号微地址单元。该微程序完成从主存中读取机器指号微地址单元。该微程序完成从主存中读取机器指令并送往指令寄存器。令并送往指令寄存器。机器指令操作码通过微地址形成部件，产生对应的微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。程序入口地址，并送入微地址寄存器。逐条取出对应的微指令，逐条取出对应的微指令，每一条微指令提供一个微命每一条微指令提供一个微命令序列令序列，控制有关的微操作。，控制有关的微操作。执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到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，取指微程序的入口，以便取出下一条机器指令。不断重复，直至程序执行完毕。直至程序执行完毕。12/29/2022 10:24 PM62微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例ALUR1R2R3Cy+-MDR46857912312/29/2022 10:24 PM63例：例：R1=3 R2=5 R1+R2-R3R1=3 R2=5 R1+R2-R31 1、控、控4=14=1，R1-R1-多路开关多路开关-X-X 控控7=17=1，R2-R2-多路开关多路开关-Y-Y2 2、控、控+=1+=1，ALUALU完成完成3+53+53 3、控、控3=1 3+5-R33=1 3+5-R312/29/2022 10:24 PM64微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例微指令的格式：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+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12/29/2022 10:24 PM65微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例举例：举例：“十进制加法十进制加法”指令的微程序指令的微程序控制的过程。控制的过程。十进制加法十进制加法”指令的功能是用指令的功能是用BCDBCD码来码来完成十进制数的加法运算。在十进制运算完成十进制数的加法运算。在十进制运算时，当相加二数之和大于时，当相加二数之和大于9 9时，便产生进位，时，便产生进位，要进行要进行加加6 6修正；当相加二数之和小于等于修正；当相加二数之和小于等于9 9时，结果是正确时，结果是正确的。的。12/29/2022 10:24 PM66微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例 假定数假定数a a和和b b已存放已存放在在R1R1和和R2R2两寄存器中，两寄存器中，数数6 6存放在存放在R3R3寄存器中。寄存器中。算法要求先进行算法要求先进行a+b+6a+b+6运算，然后判断运算，然后判断结果有无进位；当进位标志结果有无进位；当进位标志Cy=1Cy=1不减不减6 6，当，当Cy=0Cy=0，减，减6 6，从而可以获得正确的结果。，从而可以获得正确的结果。12/29/2022 10:24 PM67用BCD码完成A+B运算1 1、A=1000 B=1001A=1000 B=1001 10001000+1001+10011000110001有进位，有进位，修正为：修正为：1000110001+01100110 10111 101112 2、A=0110 B=1000A=0110 B=1000A+B+6=1 0100 A+B+6=1 0100 有进位有进位，正确，正确3 3、A+B+6=1101 A+B+6=1101 无进位无进位，错误，修正，错误，修正:11011101-0110-0110 0111 011112/29/2022 10:24 PM68PCAR ABUSDBUS DR IR，PC+1P1R1+R2 R2R2+R3 R2R2-R3 R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图12/29/2022 10:24 PM69微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例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LDARLDAR,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微命令，是程序计数器加微命令，是程序计数器加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。12/29/2022 10:24 PM70PCAR ABUSDBUS DR IR，PC+1P1R1+R2 R2R2+R3 R2R2-R3 R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图12/29/2022 10:24 PM71微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例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12/29/2022 10:24 PM72PCAR ABUSDBUS DR IR，PC+1P1R1+R2 R2R2+R3 R2R2-R3 R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图12/29/2022 10:24 PM73微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例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制顺序控制顺序控制12/29/2022 10:24 PM74PCAR ABUSDBUS DR IR，PC+1P1R1+R2 R2R2+R3 R2R2-R3 R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图12/29/2022 10:24 PM75微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例第四条微指令第四条微指令0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 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12/29/2022 10:24 PM76PCAR ABUSDBUS DR IR，PC+1P1R1+R2 R2R2+R3 R2R2-R3 R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图 以以上上是是由由四四条条微微指指令令序序列列组组成成的的简简单单微微程程序序，从从这这个个简简单单的的控控制制模模型型中中，我我们们就就可可以以看看到到为为程程序序控控制制的的主主要要思思想想及及大大概概过程。过程。12/29/2022 10:24 PM77CPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系微微指令周期：指令周期：读出微指令的时间加上执行读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。如：该条微指令的时间。如：T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4T4T4执行微指令执行微指令 微指令周期微指令周期CPU周期周期CPU周期周期 读读微指令微指令 在在T4T4节拍脉冲期间（节拍脉冲期间（200ns200ns）:取微指令；在取微指令；在T1T1的上升的上升沿：微指令已经取好，在沿：微指令已经取好，在T1T3T1T3期间（期间（600ns600ns）：）：执行微操执行微操作。所以：在一个作。所以：在一个CPUCPU周期内（周期内（800ns800ns）：）：取址指令：占取址指令：占1/4CPU1/4CPU周期；执行微指令：占周期；执行微指令：占3/4CPU3/4CPU周期。周期。12/29/2022 10:24 PM78机器指令和微指令的关系：机器指令和微指令的关系：程序计数器程序计数器pc地址寄存器地址寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器指令寄存器指令寄存器微微地址寄存器地址寄存器微微指令寄存器指令寄存器主存储器主存储器控制存储器控制存储器微微命令命令地址译码器地址译码器地址译码地址译码+1+112/29/2022 10:24 PM79取机器指令，取微指令，它们之间是什么关系取机器指令，取微指令，它们之间是什么关系?1.1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。2.2.从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系来看，址的一一对应关系来看，前者与内存储器有关，前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。后者与控制存储器有关。3.3.每一个每一个CPUCPU周期对应一条微指令。周期对应一条微指令。例：设某计算机运算器框图如下图例：设某计算机运算器框图如下图A A所示，其中所示，其中ALUALU为为1616位的位的加法器加法器(高电平工作高电平工作)，SASA，SBSB为为1616位暂存器。位暂存器。4 4个通用寄存个通用寄存器由器由D D触发器组成，触发器组成，Q Q端输出，其读、写控制功能见下表。端输出，其读、写控制功能见下表。机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见图机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见图（b)b)。其中其中读读ROMROM是从控存中读出一条微指令时间，为是从控存中读出一条微指令时间，为1s1s；ALUALU工作是加法器做加法运算工作是加法器做加法运算，为，为500ns500ns；m m1 1是是读寄存器时间，为读寄存器时间，为500ns500ns；m m2 2是写寄存器的工作脉冲宽是写寄存器的工作脉冲宽度，为度，为100ns100ns。微指令字长微指令字长1212位，微指令格式如下：位，