計(jì)算機(jī)組成原理課件-CPU

1、第5章 中央處理器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 2 本章主要內(nèi)容o CPU的功能和組成o 控制器控制原理o 指令周期（）o 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式o 硬布線控制器o 微程序控制器（）o 流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 3 5.1 CPU的功能和組成o CPU的功能o CPU的組成o CPU中的主要寄存器o 操作控制器o 時(shí)序產(chǎn)生器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 4 CPU的基本功能o 取出指令并執(zhí)行指令的部件CPUo CPU（ Central Processing Unit）n數(shù)據(jù)加工：算術(shù)/邏輯運(yùn)算；（ALU ）n指令控制：指令執(zhí)行的順序控制;（PC，JMP）n操作控制: 產(chǎn)生

2、各種操作信號(hào);（微操作信號(hào) ）n時(shí)間控制: 控制操作信號(hào)的發(fā)生時(shí)間;（時(shí)序信號(hào)發(fā)生器 ）o 包括控制器（CU）和運(yùn)算器（ALU） 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 5 CPU的組成o運(yùn)算器n算術(shù)運(yùn)算/邏輯運(yùn)算o控制器：指揮計(jì)算機(jī)各部件按指令要求進(jìn)行操作的部件 n控制取出、解釋和執(zhí)行指令o從內(nèi)存中取指，并提供下一條指令地址o對(duì)指令進(jìn)行譯碼/測(cè)試,產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)o產(chǎn)生執(zhí)行部件的運(yùn)行所需要的控制信號(hào)n指揮并控制CPU,內(nèi)存和I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送o存儲(chǔ)器與控制器之間的信息流動(dòng)指令流；o存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之間的信息流動(dòng)數(shù)據(jù)流。n中斷控制對(duì)異常情況和外部請(qǐng)求的處理計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 6 典型計(jì)算

3、機(jī)主機(jī)框圖 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 7 CPU中的主要寄存器o PC程序計(jì)數(shù)器：Program Countero AR地址寄存器：Address Register o DR數(shù)據(jù)緩沖寄存器：Data Register o IR指令寄存器：Instruction Register o AC累加寄存器：Accumulate Count o PSW 程序狀態(tài)字：Program Status Word計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 8 控制器基本組成o PC (Program Counter)-程序計(jì)數(shù)器o IR (Instruction Register)-指令寄存器o ID (Instruction

4、 Decoder)-指令譯碼器o OC (Operate Controller)-操作控制器o TG (Timer Generator) -時(shí)序發(fā)生器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 9 指令譯碼器？o 對(duì)指令進(jìn)行分段（操作碼、地址碼）譯碼，指出指令的操作方式、尋址方式o 為操作控制器提供輸入信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 10 操作控制器？o 根據(jù)指令操作碼和地址碼、時(shí)序信號(hào),產(chǎn)生各種控制信號(hào)序列 ,建立正確的數(shù)據(jù)通路,從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。n 硬布線控制器 (時(shí)序邏輯型) (硬件實(shí)現(xiàn))n 微程序控制器 (存儲(chǔ)程序型) (軟件實(shí)現(xiàn))o 數(shù)據(jù)通路執(zhí)行部件間（寄存器）傳送信息的通路。計(jì)算機(jī)組

5、成原理 Slide 11 時(shí)序產(chǎn)生器？o 產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)(電位,脈沖)；o 對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。ALU運(yùn)算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YCLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 004000 00620212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 004000 00620212223243040ALUADD AX,BXPSWAX=2BX=4CXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YAX=6CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000

6、 004000 00620212223243040ALUADD AX,30PSWAX=2BX=4CXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YAX=6DR=4CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計(jì)數(shù)器PCAR地址寄存器ARDR緩沖寄存器DRAC累加器ACIR指令寄存器IR操作控制器OC時(shí)序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUSCPU基本結(jié)構(gòu)PSWPSWCPU主機(jī)基本組成計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 17 本章主要內(nèi)容o CPU的功能和組成o 控制器控制

7、原理o 指令周期（）o 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式o 硬布線控制器o 微程序控制器（）o 流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 18 5.2 指令周期（）o 指令周期基本概念o CLA指令周期o ADD指令周期o STA指令周期o NOP指令周期o JMP指令周期計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 19 指令周期基本概念o時(shí)鐘周期：T,節(jié)拍脈沖oCPU 周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)間p指令周期：從內(nèi)存取一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)間。u由若干個(gè)CPU周期組成，u一個(gè)CPU周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖） T周期T1T2T3T4T1T2T3T4機(jī)器周期（取指令）指令周期機(jī)器周期（執(zhí)行指令）

8、將指令周期劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作階段。 例如：取指令周期（IF），取（源、目的）操作數(shù)周期（SOF、DOF），執(zhí)行周期（EXE）等。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 20 指令周期基本概念（）o 取指令周期o 取操作數(shù)周期 （可無）o 執(zhí)行周期 取指令PC+1執(zhí)行指令開始計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 21 典型指令程序：程序： 助記符助記符 機(jī)器指令機(jī)器指令 地址地址 CLA 250 000 020 ADD 30 030 030 021 STA 40 020 040 022 NOP 000 000 023 JMP 21 140 021 024 數(shù)數(shù) 000 006 030 據(jù)據(jù) 000 040 0

9、31 和數(shù)和數(shù) 040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 22 CLA指令周期 取指令PC+1指令譯碼執(zhí)行指令取下條指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始將累加器AC清0DRCLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALUAC000 020ARCLAIR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000 020CLA

10、000000000CLA指令000 021+1PCARABUSRAMDBUSDRIRPC+1計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 24 CLA執(zhí)行過程的操作o PCARo PC+1PCo AR ABUSRAMDBUSDRo DRIRo 0ACAC計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 25 ADD指令周期取指令PC+1指令譯碼取操作數(shù)取下條指令PC+1取指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始送操作數(shù)地址執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期執(zhí)行加法操作ADD 30；(AC)+(30)AC取操作數(shù)周期CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 02

11、1000 020ADD 30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000 021ADD 30000000000ADD指令000 022+1PCARABUSRAMDBUSDRIRPC+1CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 021000 021ADD 30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000

12、 030ADD 30000000000ADD指令000 022+1000 006IRARABUSRAMDBUSDRALUALUAC006計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 28 ADD執(zhí)行過程的操作o PCARo PC+1PCo AR ABUSRAMDBUSDRo DRIR o IR(A)ARABUSRAMo DBUSDRALUo ALUAC DR+ACAC計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 29 STA 指令周期取指令PC+1指令譯碼送操作數(shù)取下條指令PC+1取指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始送操作數(shù)地址執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期執(zhí)行寫存操作STA 40;（AC）（40）CLACLAADD 30ST

13、A 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 021000 030ADD 30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000 040STA 40STA指令000 023+1000 004000 006000 006000 006IR(A)ARABUSACDRDRDBUSRAM計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 31 STA執(zhí)行過程的操作o PCARo PC+1PCo AR ABUSRAMDBUSDRo DRIR o IR(A)ARABUSo ACD

14、Ro DRDBUSRAM計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 32 NOP指令周期取指令PC+1指令譯碼空操作等待一個(gè)周期取下條指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 33 JMP 21指令周期取指令PC+1指令譯碼送轉(zhuǎn)移地址取下條指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 025000 024JMP 21CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR

15、執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000 021JMP 21JMP 21指令000 021+1000 006000 006000 022IRPCNext command計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 35 JMP執(zhí)行過程中的操作o PCARo PC+1PCo AR ABUSRAMDBUSDRo DRIR o IR(A)PCo Next command計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 36 方框圖語言 在進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用方框圖語言方框圖語言來表示一條指令的指令周期。p 方框： 代表一個(gè)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。 u菱形： 通常用來表示某種判別或測(cè)試，在

16、時(shí)間上它依附于 緊接它的前面一個(gè)方框的CPU周期，而不單獨(dú)占用 一個(gè)CPU周期。方框圖表示0ACIR(A)ARIR(A)ARIR(A)PCARRAMACDRDRDBUSCLAADDSTAJMPNOP取指令執(zhí)行指令下一條指令譯碼測(cè)試公操作PCARRAMDBUSDRIRPC+1ARRAMDBUSDR DRALUDR+ACAC計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 38 例(1)“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作，畫出其指令周期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列，假設(shè)該指令的地址已放入PC中。 (2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)R3的操作，畫出其指令期流程圖，

17、并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 39 PC-ARM-DRDR-IRR2-YR0-XR0+R2-R0PC-ARM-DRDR-IRR3-YR1-XR3-R1-R3取指操作取指操作計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 40 公操作o 一條指令執(zhí)行完后，CPU所進(jìn)行的一些操作。o 對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理（中斷，通道）o 若無外設(shè)請(qǐng)求的處理，CPU則轉(zhuǎn)而取下條指令。o 由于取指令是每條指令都有的，所以，取指令也是公操作。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 41 其他指令o LAD R0，（80）o ADD R0，（81）o JO 75o STA（R1），R0o HALT主機(jī)基本組成取指控制信號(hào)PCA

18、RPCBUSLDAR取指控制信號(hào)READ MEMARABUSRDLDDR取指控制信號(hào)DRBUSLDIRDRIR執(zhí)行指令過程o ADD R0 ADD R0，（，（8181）執(zhí)行指令過程o ADD R0 ADD R0，（，（8181）執(zhí)行指令過程LAD R0LAD R0，（，（8080）執(zhí)行指令過程oJO 75JO 75執(zhí)行指令過程oSTA（R1），R0 開始 PCAR MMDR DRIR RD PC1 IR(A)AR RD MMDR DRR0 R0LA IR(A)AR RD MMDR DRLB ADD ALUR0 R1AR R0DR WR IR(A)PC 溢出 LAD ADD STA JO N

19、Y M1 M2 M3 M4 IRIRiPCARR0R1R2R3MDRXGYPCiARiDRiIRoPCoARoRWDRoR0oR0iR3oR3iXiYiA總線B總線+-雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路IRIRiPCARR0R1R2R3MDRXYPCiARiDRiIRoPCoARoRWDRoR0oR0iR3oR3iXiYiA總線B總線+-執(zhí)行指令GADD R0,R2IRIRiPCARR0R1R2R3MDRXYPCiARiDRiIRoPCoARoRWDRoR0oR0iR3oR3iXiYiGA總線B總線+-單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器IRIRPCARR0R1R2R3MDRXYPCARDRRWR0R3XYA總線+-單總線結(jié)

20、構(gòu)機(jī)器操作控制器取指周期T3周期T4周期T2周期T1執(zhí)行PCAR譯碼測(cè)試MDRDRIRR2YR0XR0+R2R0PCo,G,ARiRW=RDRo,G,IRiR2o,G,YiR0o,G,Xi+, G, R0iCPU周期控制方式o 同步控制方式 已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù) 和時(shí)鐘周期數(shù)都是固定不變的。o 異步控制方式： 每條指令或操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間 就占用多少時(shí)間。o 聯(lián)合控制方式計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 57 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 58 本章主要內(nèi)容o CPU的功能和組成o 控制器控制原理o 指令周期（）o 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式o 硬布線控制器o 微程序控制器（）o 流水線

21、處理器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 59 指令周期基本概念o時(shí)鐘周期：T,節(jié)拍脈沖oCPU 周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)間o指令周期：從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)間。由若干個(gè)CPU周期組成。一個(gè)CPU周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖） T周期T1T2T3T4T1T2T3T4機(jī)器周期（取指令）指令周期機(jī)器周期（執(zhí)行指令）計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 60 指令周期 o 指令周期是指取指令、分析指令到執(zhí)行完該指令所需的全部時(shí)間。o 指令周期不盡相同：各種指令的操作功能不同，有的簡(jiǎn)單，有的復(fù)雜。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 61 機(jī)器周期o 機(jī)器周期通常又稱CPU周期，通常把一條

22、指令劃分為若干個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。o 一般的CPU周期有：取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等。所以有： 指令周期=i機(jī)器周期o 一般情況下，一條指令所需的最短時(shí)間為兩個(gè)機(jī)器周期：取指周期和執(zhí)行周期。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 62 節(jié)拍o 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作;o 有的微操作可以同時(shí)執(zhí)行，有的需要按先后次序串行執(zhí)行;o 把一個(gè)機(jī)器周期分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱為節(jié)拍電位信號(hào)節(jié)拍的寬度取決于節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本操作的時(shí)間，完成一次基本操作的時(shí)間，如：如：CPU完成一次正確的運(yùn)算；寄存器間的一次完成一次正確的運(yùn)算

23、；寄存器間的一次傳送等。傳送等。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 63 工作脈沖o 在節(jié)拍中執(zhí)行的有些操作需要同步定時(shí)脈沖如：將穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果打入寄存器，又如周期狀態(tài)切換等o 節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，作為各種同步脈沖的來源；p 工作脈沖的寬度只占節(jié)拍電位寬度的1/n，并處于節(jié)拍的末尾（只要能保證所有觸發(fā)器都可靠、穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)就可以了）o多個(gè)脈沖的節(jié)拍常見于某些小型計(jì)算機(jī)中； 在只設(shè)置機(jī)器周期和時(shí)鐘周期的微型機(jī)中，一般不再設(shè)置工作脈沖（因?yàn)闀r(shí)鐘周期既可以作為電位信號(hào)，其前后沿又可以作為脈沖觸發(fā)信號(hào)）計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 64 附：三級(jí)時(shí)序o CPU周期（機(jī)器周期） 將指令周期劃分為若干個(gè)相對(duì)

24、獨(dú)立的操作階段，稱為CPU周期。o 節(jié)拍電位CPU 周期包括若干個(gè)完成微操作的節(jié)拍電位。o 節(jié)拍脈沖與節(jié)拍電位相配合完成數(shù)據(jù)加工與傳送。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 65 小型機(jī)的三級(jí)時(shí)序典型機(jī)器三級(jí)的時(shí)序體制說明：FETCH取指周期W0，W1節(jié)拍m工作脈沖m*預(yù)置脈沖mRC外設(shè)工作脈沖微型機(jī)與小型機(jī)不同，常采用兩級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，此時(shí)節(jié)拍就是脈沖，被稱之為時(shí)鐘周期或T狀態(tài)，為計(jì)時(shí)最小單位。W0FETCHmRCW1m*m計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 66 時(shí)序發(fā)生器-1 時(shí)序信號(hào)的作用和體制o 作用：為計(jì)算機(jī)各部分的協(xié)調(diào)工作提供時(shí)序標(biāo)志。o 體制:電位-脈沖制 Q QCP D計(jì)算機(jī)組成原理 Slide

25、67 電位-脈沖制o 電位-脈沖制是時(shí)序信號(hào)最基本的體制。o 當(dāng)實(shí)現(xiàn)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)必須以電位電位形式加在觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，而數(shù)據(jù)輸入的控制信號(hào)可選用脈沖。o 數(shù)據(jù)必須先送到觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，并且表示數(shù)據(jù)的電位一定要保持在控制脈沖的作用下被觸發(fā)器記憶為止，這段時(shí)間較長(zhǎng)，所以數(shù)據(jù)需要用電位表示。o 而輸入脈沖的時(shí)間寬度只需要保證數(shù)據(jù)從觸發(fā)器的輸入端穩(wěn)定在輸出端的時(shí)間。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 68 時(shí)序發(fā)生器-2三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)的組成 CPU周期信號(hào)發(fā)生器三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)組成框圖取指周期晶 振S啟動(dòng)取數(shù)周期執(zhí)行周期節(jié)拍周期信號(hào)發(fā)生器T1T2Tn節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器P1P2PnRQ停止計(jì)算

26、機(jī)組成原理 Slide 69 o CPU周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生CPU周期信號(hào)。 *通常，機(jī)器運(yùn)行期間，任一個(gè)時(shí)刻僅處于一個(gè)CPU周期狀態(tài)。o 節(jié)拍周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生節(jié)拍電位T1T4。*在定長(zhǎng)CPU周期中，每個(gè)CPU周期含有相同的節(jié)拍電位數(shù) o 節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生節(jié)拍脈沖信號(hào)P1P4. *節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖時(shí)間關(guān)系固定。 下圖中，每個(gè)節(jié)拍電位包含一個(gè)脈沖。時(shí)間利用率高，控制較復(fù)雜 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 70 時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘脈沖計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 71 時(shí)序發(fā)生器-3 組成與原理 啟?？刂七壿?啟動(dòng) 節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序產(chǎn)生邏輯 脈沖發(fā)生器 時(shí)鐘源 停機(jī) RD WE T1 T2

27、 T3 T4 RD WE RD0 WE0 T1 0 T2 0 T3 0 T4 0 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 72 時(shí)鐘源時(shí)鐘源o 為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)；o 通常由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成o 假定此時(shí)時(shí)鐘源輸出50MHz（脈沖周期20ns）的時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 73 環(huán)形脈沖發(fā)生器環(huán)形脈沖發(fā)生器p 產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，通常采用循環(huán)移位寄存器形式。p 由循環(huán)移位寄存器和譯碼器組成。 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 74 環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯& 脈沖時(shí)鐘源 RD T4 0 T1 0 RD0 T2

28、 0 T3 0 WE0 WE R 5VSCLR& & & & & Q D Q C1 3 2 Q D Q C4 Q D Q C3 1 ff Q D Q C2 f計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 75 電路說明o 4個(gè)觸發(fā)器輸入輸出串聯(lián)構(gòu)成循環(huán)移位電路o D觸發(fā)器R/S端分別為Reset和Seto C1 C2 C3 時(shí)鐘信號(hào)為上跳沿o C4 時(shí)鐘信號(hào)為下跳沿計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 76 循環(huán)移位寄存器工作過程： o總清信號(hào)CLR*使C4置1，打開與非門3。o1上升邊經(jīng)與非門3反相將C1C3清“0”。o1*上升邊使C4打入0，關(guān)閉與非門3。o2*的下降邊即2的上

29、升邊使C1C3打入100。o同理34使C1C3打入110和111。o當(dāng)C3=1時(shí)，4*使C4=1，5又使C1C3清0。o在6時(shí)又重復(fù)2開始的過程。脈沖時(shí)鐘源 R 5VSCLRQ D Q C1 3 2 Q D Q C4 Q D Q C3 1 f f Q D Q C2 0001上跳沿1111下跳沿1110上跳沿0110上跳沿0010上跳沿0000下跳沿0001CLR 上跳沿C3C2C1C4ffn C4只有在下降延變化，C1-3只有在上升沿變化n C4為0時(shí) 與門2通，3不通；否則，相反n 2通時(shí)，C1-3狀態(tài)遷移計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 78 節(jié)拍脈沖和讀節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯碼寫時(shí)序的譯碼o

30、 假設(shè)一個(gè)CPU周期中包括4個(gè)等間隔的節(jié)拍信號(hào)T10T40o 節(jié)拍譯碼邏輯： T10= C1C2， T20= C2C3 T30= C3 ， T40= C1 機(jī)器運(yùn)行時(shí)，由T10T40產(chǎn)生T1T4。 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 79 節(jié)拍脈沖和讀節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯碼寫時(shí)序的譯碼o 假設(shè)一個(gè)節(jié)拍含一個(gè)節(jié)拍脈沖o 節(jié)拍脈沖譯碼邏輯： P1=T1， P2=T2， P3=T3， P4=T4， 10430332022101CTCTCCTCCTEWCWEDRCRD3020時(shí)鐘源頻率50MHz，周期T=20ns，脈沖寬度為10ns。 12345678910C4C1C2C3T4T3T2T1CPU周期CPU

31、周期與節(jié)拍電位的關(guān)系圖 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 82 啟停控制邏輯o 啟?？刂七壿嬘脕砜刂圃脊?jié)拍脈沖T10 T40的輸出，產(chǎn)生CPU工作所需的節(jié)拍脈沖T1 T4。o 同理，對(duì)讀/寫時(shí)序邏輯也要加以控制。 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 83 對(duì)啟停電路的要求p 計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)是隨機(jī)的，要求p 計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第一個(gè)節(jié)拍脈沖的前沿開始工作；p 在停機(jī)時(shí)，一定要在第四個(gè)節(jié)拍脈沖后沿結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器；p 要求第一個(gè)脈沖和最末一個(gè)脈沖是完整的脈沖。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 84 啟?？刂七壿?T1 Q D Cr Q R 啟動(dòng) 停機(jī) CLR & T4& T4 0 T1

32、0 RD & RD0 T3& T3 0 WE & WE0 T2 & T2 0 T4 0 & & 運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器CrRS觸發(fā)器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 85 啟停電路說明o運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器CrnCr=0封鎖原始信號(hào)nCr=1使上述原始信號(hào)變?yōu)镃PU所需的時(shí)序信號(hào)o總清信號(hào)CLR*使Cr=0o啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，在T40*的后沿把Cr打入1；o停機(jī)：停機(jī)信號(hào)為低電平時(shí)，在T40*的后沿把Cr打入0 。LDAR RD M LDDRLDIRPC+1T1T2T3T4CPU周期取指執(zhí)行CPU周期時(shí)序圖狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖LDAR RD M LD

33、DRLDIRPC+1T1T2T3T4CPU周期取指CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖LDARRD MLDDRLDIR PC+1LDAR RD M LDDRLDIRPC+1T2T3T4CPU周期取指T1CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖LDARLDAR=lDAR*T1RD=RD*T2LDAR RD M LDDRLDIRPC+1CPU周期取指CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍脈沖LDARRD MLDDRLDIR PC+1LDARRDLDDRLDIR計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 90 控制器基本控制方式 o控制方式：形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法o三種基本控制方式： 同步控制方式 異步控制方式

34、聯(lián)合控制方式計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 91 同步控制方式 o 每一步操作均由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)來控制o 特點(diǎn)：具有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)o 對(duì)指令周期的控制：n 定長(zhǎng)指令周期n 不定長(zhǎng)指令周期、定長(zhǎng)CPU周期n 變長(zhǎng)CPU周期、定長(zhǎng)節(jié)拍電位含義：每條指令含有相同的CPU周期數(shù)，每個(gè)CPU周期含有相同的節(jié)拍電位。特點(diǎn)：時(shí)序簡(jiǎn)單，但時(shí)間利用率低含義：按指令需要確定CPU周期，但每個(gè)CPU周期時(shí)間相同。特點(diǎn)：時(shí)間利用率較高 含義：指令周期和CPU周期不固定，但CPU周期含有的節(jié)拍電位按需要確定 特點(diǎn)：時(shí)間利用率高，但控制電路復(fù)雜 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 92 異步控制方式 o 按實(shí)際需要確定每條指令，每個(gè)

35、操作所需要的時(shí)間，稱為異步控制方式。o 做法：由前一微操作執(zhí)行完畢時(shí)產(chǎn)生的“結(jié)束”信號(hào)作為下一微操作的“起始”信號(hào)。o 特點(diǎn)：時(shí)間利用率高，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用器件多。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 93 聯(lián)合控制方式 o 是同步和異步控制方式的結(jié)合。o 將各種指令可公共起來的微操作安排在固定的周期、節(jié)拍中，對(duì)難以公共的微操作信號(hào)，則以執(zhí)行部件的“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束，部分統(tǒng)一，部分區(qū)別對(duì)待。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 94 本章主要內(nèi)容o CPU的功能和組成o 控制器控制原理o 指令周期（）o 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式o 硬布線控制器o 微程序控制器（）o 流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理 Slid

36、e 95 硬布線控制器Hardwired control -基本原理o 由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)，用以產(chǎn)生執(zhí)行指令的一系列微操作信號(hào)；n 組成器件：門電路，觸發(fā)器n 將控制器看成產(chǎn)生固定時(shí)序控制信號(hào)的邏輯電路n 輸入信號(hào)：指令系統(tǒng)，時(shí)序信號(hào)，反饋信號(hào)n 輸出信號(hào)：計(jì)算機(jī)所需要的所有的控制信號(hào)n 設(shè)計(jì)目標(biāo)：用最少的元件，取得最高速度。n 理論基礎(chǔ)：布爾代數(shù)。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 96 硬布線控制器(組合邏輯控制器)組合邏輯線路指令譯碼器節(jié)拍電位/脈沖發(fā)生器微操作控制信號(hào)指令寄存器IR結(jié)果反饋信息M1MiT1TkI1ImC1CnB1Bj啟動(dòng)/停止時(shí)鐘/復(fù)位計(jì)算機(jī)組成原理 Slide

37、 97 組合邏輯線路的輸入信號(hào)o 指令譯碼器的輸出:Im 不同指令操作碼和尋址方式?jīng)Q定應(yīng)執(zhí)行的微操作。o 時(shí)序產(chǎn)生器輸出的節(jié)拍電位/節(jié)拍脈沖 :Mi，Tk 使微操作信號(hào)按時(shí)序要求產(chǎn)生。 o 結(jié)果的反饋信息 :Bj 條件碼（如N、V、C、Z等）影響指令，不同狀態(tài)條件而產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果，即需不同的微操作信號(hào)。0ACIRARIRARIRPCPCARRDDBUSDR DRALUDR+ACACRDACDRDRDBUSCLAADDLDAJMPNOP取指令公操作啟動(dòng)M1M2M3LDAR T1RD T2LDDR T3LDIR T4PCARRAMDBUSDRIRPC+1計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 99 組合邏

38、輯線路的輸出信號(hào)微操作控制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式： C=C= (I (ImmMMi iT Tk kB Bj j) ) 例：讀主存信號(hào)C3 - (RD) 取指令在M1被激活 或LDA ADD AND M3 C3=MC3=M1 1+M+M3 3（LDA+ADD+ANDLDA+ADD+AND） C3=C3=T T2 2MM1 1+ +T T1 1MM3 3（LDA+ADD+ANDLDA+ADD+AND）計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 100 硬布線控制器基本原理微操作控制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式： immjkinIBTMC)(計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 101 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟 o根據(jù)CPU的結(jié)構(gòu),畫出所有指

39、令操作流程圖；o找出產(chǎn)生同一微操作控制信號(hào)的條件o編排指令操作時(shí)間表； 即把指令操作流程圖中的微操作落實(shí)到不同的CPU周期和節(jié)拍中。 o綜合、化簡(jiǎn)微操作邏輯式，并畫出邏輯控制電路寫出各微操作控制信號(hào)的布爾表達(dá)式；化簡(jiǎn)各表達(dá)式；利用電路或門陣列實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 102 硬布線控制器特點(diǎn)o 組成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜； o 無規(guī)則；o 設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)щy；o 不可改變指令系統(tǒng)和指令功能o 適用于VLSIo 速度快計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 103 本章主要內(nèi)容o CPU的功能和組成o 控制器控制原理o 指令周期（）o 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式o 硬布線控制器o 微程序控制器（）o 流水線處理器計(jì)算機(jī)組成

40、原理 Slide 104 微程序控制器的基本原理 o 指令執(zhí)行的階段性：取指令，分析指令，執(zhí)行指令等；o 將所需微操作信號(hào)以二進(jìn)制編碼形式存入存儲(chǔ)器；o 按序依次讀出執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)指令的功能。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 105 基本概念微命令和微操作o 控制部件與執(zhí)行部件 二者通過控制線，反饋線聯(lián)系o 微命令 控制部件（如CU）通過控制線向執(zhí)行部件（如ALU、M、GRS等）發(fā)出的各種控制命令.o 微操作 執(zhí)行部件接受微命令后進(jìn)行的操作。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 106 基本概念微命令和微操作o 打開或者關(guān)閉控制門的控制信號(hào)為微命令o 微命令是控制信號(hào)最小，最基本的單位o 微命令帶來的執(zhí)行部件

41、的動(dòng)作稱為微操作o 互斥性微命令： o 相容性微命令 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 107 基本概念微指令和微程序o 微指令在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。o 微程序由若干條微指令組成的、用以實(shí)現(xiàn)指令功能的程序 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 108 微指令的基本格式 o 操作控制字段用于產(chǎn)生微命令。o 順序控制字段用于確定下一條微指令地址。P字段下址字段操作控制順序控制計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 109 微指令基本格式舉例 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2

42、9 30 LDLA LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下 址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR LDDR P1 控制字段 順序控制 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 110 微程序控制概念microprogramming controlo 一條指令的處理包含許多微操作序列o 這些操作可以歸結(jié)為信息傳遞、運(yùn)算o 將這些操作所需要的控制信號(hào)以多條微指令表示o 執(zhí)行一條微指令就給出一組微操作控制信號(hào)o 執(zhí)行一條指令也就是

43、執(zhí)行一段由多條微指令組成的微程序計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 111 微指令基本格式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 LDLA LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下 址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR LDDR P1 控制字段 順序控制 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 112 微程序控

44、制概念o 將指令系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所需的控制信號(hào)以微指令為單位存儲(chǔ)。微指令中的每一位對(duì)應(yīng)一根控制信號(hào)線o 每條指令對(duì)應(yīng)一段微程序o 微程序由若干條微指令構(gòu)成o 機(jī)器執(zhí)行指令時(shí)逐條取出微指令執(zhí)行，使得相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)定的操作，執(zhí)行完微程序，也就給出了該指令所需要的全部控制信號(hào)，從而完成一條指令的執(zhí)行。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 113 微指令與微程序 微指令 1 2 3 4 5 6 7 8 9 實(shí)現(xiàn)加法指令的微程序 實(shí)現(xiàn)存數(shù)指令的微程序 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移指令的微程序 實(shí)現(xiàn)第 n 條指令的微程序 ALU運(yùn)算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YCLAADD

45、30STA 40NOPJMP 21000 004000 00620212223243040ALU簡(jiǎn)單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖Cy操作數(shù)X操作數(shù)Y左路開關(guān)選擇R1R2R3DR123468579-M+微命令o 1： LDR1 o 2： LDR2o 3： LDR3o 4： R1Xo 5： R1Yo 6： R2Xo 7： R2Yo 8： DRXo 9： R3YALUCy操作數(shù)X操作數(shù)YR1R2R3DR123468975-M+微命令o 10： +o 11： -o 12： Mo 13： RDo 14： LDDRo 15： LDIRo 16： LDARo 17： PC+1ALUCy操作數(shù)X操作數(shù)YR1R2R3DR1

46、23468579-M+計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 118 所有的微命令o 1： LDR1 o 2： LDR2o 3： LDR3o 4： R1Xo 5： R1Yo 6： R2Xo 7： R2Yo 8： DRXo 9： R3Yo 10： +o 11： -o 12： Mo 13： RDo 14： LDDRo 15： LDIRo 16： LDARo 17： PC+1計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 119 微指令格式.123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23操作控制順序控制LDR1LDR2LDR3R1XR1YR2XR2YDRXR3Y+M-RDLD

47、DRLDIRLDARPC+1P1 P2直接地址計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 120 微指令格式o 操作控制字段n 操作控制字段直接給出多種微操作的控制信號(hào)o 順序控制字段n 用于控制微程序的執(zhí)行順序n 包括判斷邏輯字段(P)和直接地址字段n 直接地址字段存放下一條微指令的地址n 判斷邏輯非零，則按約定好的規(guī)則，根據(jù)狀態(tài)修正直接地址字段，從而得到下一條微指令的地址計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 121 微指令基本格式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 LDLA LDR1 LD

48、PC BUS IR(A) WE P2 下 址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR LDDR P1 控制字段 順序控制 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 122 控制字段測(cè)試字段下址字段 微指令周期 微取指令 微取指令 執(zhí)行微指令 執(zhí)行微指令 T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4 微指令周期 微指令周期 o 執(zhí)行一條微指令和取出下一條微指令所用的時(shí)間，稱為微周期。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 123 取第i條(a) 串行執(zhí)行方式

49、第i微指令周期執(zhí)行第i條取第i+1條執(zhí)行第i+1條第i+1微指令周期取第i條(b) 并行執(zhí)行方式第i微指令周期執(zhí)行第i條取第i+2條執(zhí)行第i+2條第i+1微指令周期取第i+1條執(zhí)行第i+1條第i+2微指令周期第i+3微指令周期計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 124 微程序控制器組成原理框圖控制存儲(chǔ)器地址譯碼微地址寄存器OP地址轉(zhuǎn)移邏輯P字段控制字段微命令信號(hào)微命令寄存器指令寄存器IR狀態(tài)條件AR IR 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 125 微程序控制器的框圖說明o控制儲(chǔ)存器CM 存放實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令系統(tǒng)功能的微程序，由高速ROM構(gòu)成。 * CM的字長(zhǎng)就是微指令字長(zhǎng)； CM是控制器的一部分,位于CPU中

50、； 高速可靠,讀出周期短 。o微指令寄存器MIR 寄存現(xiàn)行微指令。o地址轉(zhuǎn)移邏輯 按要求修改形成下一條微指令的地址。o微地址寄存器AR 寄存訪問CM的微指令地址。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 126 取指令微程序o 取指令o 取指令的微指令(簡(jiǎn)稱取指微指令)地址送AR，并自動(dòng)啟動(dòng)控制存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作，將讀出的微指令送IR，執(zhí)行微指令,讀取指令到IR計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 127 執(zhí)行指令微程序o 執(zhí)行指令：o 根據(jù)IR中指令的功能，產(chǎn)生該指令微程序入口地址，微程序入口地址送入AR，讀CS，讀出的微指令送IR、(下址字段送AR)，o 控制字段的微命令控制完成一組微操作o 同時(shí)由微地址產(chǎn)生邏輯或

51、微指令下址字段形成下條微指令地址，按取微指令，執(zhí)行微指令過程重復(fù)執(zhí)行完微程序?qū)崿F(xiàn)指令的功能計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 128 執(zhí)行指令微程序o 采用微程序控制的計(jì)算機(jī)的工作過程是執(zhí)行微指令序列的過程。o 微指令控制了取指令操作，o 多條微指令實(shí)現(xiàn)了指令的功能。o 而微指令中的微命令使執(zhí)行部件完成微操作，計(jì)算機(jī)的工作過程是執(zhí)行程序的過程，微觀看，是執(zhí)行指令的過程，再微觀一點(diǎn)看，是執(zhí)行部件進(jìn)行微操作的過程 計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 129 微程序存放示意圖下址字段地址1000XXXX0111XXXX0110XXXX0101XXXX0100XXXX0011XXXX0010XXXX0001XXXX0

52、000操作控制字段HALT64STA (R1) ，R063JO 7562ADD R0，(81)61LAD R0，(80)60控制存儲(chǔ)器CS取指微指令加法微程序取數(shù)微程序存數(shù)微程序轉(zhuǎn)移微程序0000000001100000000000110010主存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 130 十進(jìn)制加法（例）o BCD碼完成十進(jìn)制加法o 作加法時(shí)必須校驗(yàn):n兩數(shù)之和大于9，需加6調(diào)整；8+614 8+210n兩數(shù)之和小于9，結(jié)果正確； 3+69 5+27o 8+6+6=20 高位進(jìn)位o 8+2+6 1615 高位進(jìn)位o 3+6+615 15 不產(chǎn)生進(jìn)位o 5+2+613 15 不產(chǎn)生進(jìn)位PCARRAM

53、DBUSDRIR PC+1P1R1+R2R2R2+R3R2R2-R3R2P2Cy=1Cy=0R3=6計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 132 第一條微指令o PCARABUSDBUSDRIRo PC+1o LDAR RD LDDR LDIR PC+100000000000011111123456789 10 11 12 13 14 15 16 171018 19000020 21 22 23RDLDDRLDIRLDARPC+1P1直接地址計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 133 第二條微指令o R1X R2Y X+Y X+YR2o R1X R2Y + LDR201010010010000000123456

54、789 10 11 12 13 14 15 16 170018 19100120 21 22 23LDR2 R1X+直接地址R2Y計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 134 01000100110000000123456789 10 11 12 13 14 15 16 170118 19000020 21 22 23LDR2R2XR3Y+P2直接地址o R2X R3Y X+Y X+YR2o R2X R3Y + LDR2第三條微指令計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 135 01000100100100000123456789 10 11 12 13 14 15 16 170018 19000020 21 22

55、 23LDR2R2XR3Y-P1 P2直接地址o R2X R3Y X-Y X-YR2o R2X R3Y - LDR2第四條微指令計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 136 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系o 機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序由若干微指令組成，一個(gè)微指令又包含多個(gè)微操作o 機(jī)器指令與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，微指令與控制存儲(chǔ)器有關(guān)o 每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 137 微指令設(shè)計(jì)o 有利于縮短微指令字長(zhǎng)度o 有利于減少控制存儲(chǔ)器容量o 有利于提高微程序執(zhí)行速度o 有利于對(duì)微指令進(jìn)行修改o 有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 138 微命令編碼o 直接表示法o

56、 編碼表示法o 混合表示法計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 139 直接表示方法o 微指令中每一位代表一個(gè)微命令o 簡(jiǎn)單直觀，便于輸出控制，o 字長(zhǎng)太長(zhǎng)，控制存儲(chǔ)器容量大.123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23操作控制順序控制LDR1LDR2LDR3R1XR3YR2XR2YDRXR1Y+M-RDLDDRLDIRLDARPC+1P1 P2直接地址計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 140 編碼表示方法o 字段直接譯碼法o 字長(zhǎng)短，控制存儲(chǔ)器容量小，增加了譯碼電路o 注意譯碼時(shí)，需要多保留一個(gè)狀態(tài).123456789 10 11 12 13 14

57、15 16 17 18 19 20 21 22 23操作控制順序控制直接地址譯碼.譯碼.譯碼.微命令P1 P2 Pn計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 141 微地址形成方法o 計(jì)數(shù)器法 PCo 下地址字段法計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 142 微指令格式o 水平型微指令（一次能并行多個(gè)微操作的指令）控制字段判別測(cè)試字段下地址字段000原寄存器目的寄存器其他001左輸入源編址 右輸入源編址ALU010寄存器編址存儲(chǔ)器編址讀寫其他011測(cè)試條件o 垂直型微指令寄存器數(shù)據(jù)傳送型運(yùn)算控制型訪問主存型條件轉(zhuǎn)移型計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 143 水平型與垂直型微指令比較o 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈

58、活性強(qiáng)o 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短o 由水平型微指令指令的微程序，微指令字較長(zhǎng)，微程序短，垂直型號(hào)字長(zhǎng)短，微程序長(zhǎng)。o 水平型不便于用戶掌握，垂直型與指令相似，易于掌握。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 144 微程序控制器特點(diǎn)o 設(shè)計(jì)規(guī)整，設(shè)計(jì)效率高o 易于修改、擴(kuò)展指令系統(tǒng)功能；o 結(jié)構(gòu)規(guī)整、簡(jiǎn)潔，可靠性高；o 速度慢n訪存頻繁o 執(zhí)行效率不高o 用于速度要求不高、功能較復(fù)雜的機(jī)器中。n特別適用于系列機(jī)計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 145 硬布線與微程序控制器比較o 硬布線控制器執(zhí)行速度快n 微程序控制器每條微指令都需要從控制存儲(chǔ)器中讀取一次，大大影響了速度，硬布線控制取決于電路延遲。o

59、硬布線控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜，代價(jià)昂貴o 微程序控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)修改計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 146 本章主要內(nèi)容o CPU的功能和組成o 控制器控制原理o 指令周期（）o 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式o 硬布線控制器o 微程序控制器（）o 流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 147 流水線原理1.時(shí)間并行 把任務(wù)分成若干子任務(wù)，使子任務(wù)在流水線的各階段并發(fā)地執(zhí)行。-時(shí)間上并行性。2.空間并行 資源重復(fù) 多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3.時(shí)間并行+空間并行 時(shí)間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。 奔騰CPU采用超標(biāo)量流水技術(shù)，可在一個(gè)機(jī)器周期同時(shí)執(zhí)行兩條指令。計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 148 指令周期細(xì)分

60、o 取指令 IF (Instruction Fetch)o 指令譯碼 ID (Instruction Decode)o 執(zhí)行運(yùn)算 EX (Execution)o 結(jié)果寫回 WB (Write Back)計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 149 串行執(zhí)行過程IFIDEXWB計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 150 非流水線時(shí)空?qǐng)DI1時(shí)間時(shí)間T TI1I1I1IFIDEXWB空間空間S SI2I2I2I2I1I2計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 151 流水線時(shí)空?qǐng)DI1時(shí)間時(shí)間T TI1I1I1IFIDEXWB空間空間S SI2I2I2I2I1I3I3I3I3I4I4I4I4I5I5I5I5I6I6I7I8I7I6I2I3I4I5計(jì)算機(jī)組成原理 Slide 152 超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D時(shí)間時(shí)間T TIFIDEXWB空間空間