第06章_中央處理器

1、1第第6章章 中央處理器中央處理器6.1 控制器的基本組成和基本原理控制器的基本組成和基本原理6.2 指令的執(zhí)行過(guò)程指令的執(zhí)行過(guò)程 6.3 微程序控制器微程序控制器(CISC)6.4 硬布線(xiàn)控制器硬布線(xiàn)控制器(RISC)6.5 控制器的控制方式控制器的控制方式6.6 CPU的工作原理的工作原理指令的執(zhí)行過(guò)程指令的執(zhí)行過(guò)程(1)微處理器的構(gòu)成微處理器的構(gòu)成F運(yùn)算器運(yùn)算器(ALU第二、三章第二、三章)F控制器控制器(2)核心內(nèi)容核心內(nèi)容F程序是如何執(zhí)行的程序是如何執(zhí)行的F計(jì)算機(jī)是怎么樣實(shí)現(xiàn)各條指令的功能計(jì)算機(jī)是怎么樣實(shí)現(xiàn)各條指令的功能F如何保證指令的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程。如何保證指令的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程。(3)

2、控制器的結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)F功能和基本組成功能和基本組成F控制器結(jié)構(gòu)控制器結(jié)構(gòu)(硬布線(xiàn)和微程序硬布線(xiàn)和微程序)F時(shí)序控制和指令執(zhí)行過(guò)程時(shí)序控制和指令執(zhí)行過(guò)程3取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線(xiàn)管理總線(xiàn)管理處理異常情況和特殊請(qǐng)求處理異常情況和特殊請(qǐng)求（1） 控制器的功能控制器的功能（2）運(yùn)算器的功能）運(yùn)算器的功能實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令控制指令控制操作控制操作控制時(shí)間控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)CPU的功能的功

3、能4（1 1）指令控制：）指令控制：程序是指令的有序集合，保證機(jī)器按規(guī)定的程序是指令的有序集合，保證機(jī)器按規(guī)定的順序執(zhí)行程序。順序執(zhí)行程序。（2 2）操作控制：）操作控制：CPUCPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號(hào)，并把各種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件信號(hào)，并把各種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。（3 3）時(shí)間控制：）時(shí)間控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制，計(jì)算機(jī)中各對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制，計(jì)算機(jī)中各種指令的操作信號(hào)均受到時(shí)間的嚴(yán)格控制。種指令的操作信號(hào)均受到時(shí)間的嚴(yán)格控制。（4 4

4、）處理中斷：）處理中斷：處理機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中的異常情況（如掉電、處理機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中的異常情況（如掉電、運(yùn)算結(jié)果溢出）和特殊請(qǐng)求（中斷、運(yùn)算結(jié)果溢出）和特殊請(qǐng)求（中斷、DMADMA）等。）等。6.1.1 控制器的功能控制器的功能5CPU的基本組成的基本組成運(yùn)算器運(yùn)算器cachecache控制器控制器6CPU的基本組成的基本組成中央處理器中央處理器CPU=運(yùn)算器運(yùn)算器+控制器控制器+cache1 1、運(yùn)算器、運(yùn)算器由由算術(shù)邏輯單位（算術(shù)邏輯單位（ALUALU）、累加寄存器（）、累加寄存器（ACAC）、數(shù)據(jù)緩沖）、數(shù)據(jù)緩沖寄存器寄存器(DR)(DR)和狀態(tài)條件寄存器和狀態(tài)條件寄存器(PSW)(PS

5、W)組成，它是數(shù)據(jù)加組成，它是數(shù)據(jù)加工處理部件。工處理部件。運(yùn)算器的主要功能：運(yùn)算器的主要功能：u執(zhí)行所有的執(zhí)行所有的算術(shù)算術(shù)運(yùn)算。運(yùn)算。u執(zhí)行所有的執(zhí)行所有的邏輯邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試。運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試。7控制器工作過(guò)程控制器工作過(guò)程（1 1）取指令）取指令PCPC地址地址M M指令指令I(lǐng)RIR、譯碼、譯碼PC+1PC+1PCPC（2 2）取數(shù)）取數(shù)按尋址方式，或從寄存器取數(shù)，或從存儲(chǔ)器取數(shù)。按尋址方式，或從寄存器取數(shù)，或從存儲(chǔ)器取數(shù)。（3 3）執(zhí)行）執(zhí)行按操作碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。按操作碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。8控制器組成：程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、數(shù)據(jù)緩沖器、地址控制器組成：程序計(jì)數(shù)器

6、、指令寄存器、數(shù)據(jù)緩沖器、地址寄存器、通用寄存器、狀態(tài)寄存器、寄存器、通用寄存器、狀態(tài)寄存器、時(shí)序發(fā)生器、指令譯碼時(shí)序發(fā)生器、指令譯碼器、總線(xiàn)（數(shù)據(jù)通路）器、總線(xiàn)（數(shù)據(jù)通路）6.1.2 控制器的基本組成控制器的基本組成 1.程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC：指令計(jì)數(shù)器：指令計(jì)數(shù)器u作用：存放下一條指令在內(nèi)存中的地址。作用：存放下一條指令在內(nèi)存中的地址。 u若程序順序執(zhí)行：若程序順序執(zhí)行：PC PC PC+1 PC+1；u若程序有跳轉(zhuǎn)：若程序有跳轉(zhuǎn)：PCPCPC+PC+偏移地址。偏移地址。2.2.指令寄存器指令寄存器IRIRu作用：存放作用：存放從存儲(chǔ)器中取出的待執(zhí)行的指令從存儲(chǔ)器中取出的待執(zhí)行的指令。

7、在執(zhí)行該指令在執(zhí)行該指令的過(guò)程中，指令寄存器的內(nèi)容不允許發(fā)生變化，的過(guò)程中，指令寄存器的內(nèi)容不允許發(fā)生變化，以保證實(shí)現(xiàn)指以保證實(shí)現(xiàn)指令的全部功能。令的全部功能。3.3. 地址寄存器地址寄存器MARMAR作用：保存當(dāng)前作用：保存當(dāng)前CPUCPU所訪問(wèn)的內(nèi)存單元的地址。由于在內(nèi)存所訪問(wèn)的內(nèi)存單元的地址。由于在內(nèi)存和和CPUCPU之間存在著操作之間存在著操作速度上的差別速度上的差別，所以必須使用地址寄，所以必須使用地址寄存器來(lái)保持地址信息，直到內(nèi)存的讀存器來(lái)保持地址信息，直到內(nèi)存的讀/ /寫(xiě)操作完成為止。寫(xiě)操作完成為止。 4.4.數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDRMDR作用：暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的

8、一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字；作用：暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字；5.指令譯碼器指令譯碼器ID(Instruction Decoder) u暫存在指令寄存器中的指令只有在其操作碼部分經(jīng)譯暫存在指令寄存器中的指令只有在其操作碼部分經(jīng)譯碼后才能識(shí)別出是一條什么樣的指令。碼后才能識(shí)別出是一條什么樣的指令。u譯碼器經(jīng)過(guò)對(duì)指令進(jìn)行分析和解釋?zhuān)a(chǎn)生相應(yīng)譯碼器經(jīng)過(guò)對(duì)指令進(jìn)行分析和解釋?zhuān)a(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)提供給時(shí)序控制信號(hào)形成部件。的控制信號(hào)提供給時(shí)序控制信號(hào)形成部件。6.機(jī)器周期、工作節(jié)拍、脈沖及啟停控制線(xiàn)路機(jī)器周期、工作節(jié)拍、脈沖及啟?？刂凭€(xiàn)路 由脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的由脈沖源

9、產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖。時(shí)鐘脈沖。u時(shí)鐘周期：時(shí)鐘周期：一個(gè)一個(gè)CPUCPU周期時(shí)間又包含有若干個(gè)時(shí)鐘周期（通周期時(shí)間又包含有若干個(gè)時(shí)鐘周期（通常稱(chēng)為節(jié)拍脈沖或常稱(chēng)為節(jié)拍脈沖或T T周期，它是處理操作的最基本單位）。這周期，它是處理操作的最基本單位）。這些時(shí)鐘周期的總和則規(guī)定了一個(gè)些時(shí)鐘周期的總和則規(guī)定了一個(gè)CPUCPU周期的時(shí)間寬度。周期的時(shí)間寬度。u總線(xiàn)周期：總線(xiàn)周期：通常用從內(nèi)存中通過(guò)總線(xiàn)完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需通常用從內(nèi)存中通過(guò)總線(xiàn)完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間。也稱(chēng)為要的時(shí)間。也稱(chēng)為機(jī)器周期或機(jī)器周期或CPU周期周期。一個(gè)指令周期包括若干個(gè)指令周期。一個(gè)指令周期包括若

10、干個(gè)指令周期。u指令周期：指令周期：CPU每取出并執(zhí)行一條指令，都要完成一系列的每取出并執(zhí)行一條指令，都要完成一系列的操作，這一系列操作所需用的時(shí)間通常叫做一個(gè)指令周期。操作，這一系列操作所需用的時(shí)間通常叫做一個(gè)指令周期。7.時(shí)序控制信號(hào)形成部件時(shí)序控制信號(hào)形成部件 時(shí)序控制信號(hào)形成部件又稱(chēng)時(shí)序控制信號(hào)形成部件又稱(chēng)微操作信號(hào)發(fā)生器微操作信號(hào)發(fā)生器，真，真正控制各部件工作的微操作信號(hào)是由指令部件提供正控制各部件工作的微操作信號(hào)是由指令部件提供的操作信號(hào)、時(shí)序部件提供的時(shí)序信號(hào)、被控制功的操作信號(hào)、時(shí)序部件提供的時(shí)序信號(hào)、被控制功能部件所反饋的狀態(tài)及條件綜合形成的。能部件所反饋的狀態(tài)及條件綜合形成

11、的。12一、一、 指令周期的基本概念指令周期的基本概念1 . 指令周期指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間完成一條指令完成一條指令執(zhí)行執(zhí)行取指、分析取指、分析取指階段取指階段取指周期取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行階段執(zhí)行周期執(zhí)行周期（取指、分析）（取指、分析）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期6.1.3 控制器的時(shí)序系統(tǒng)控制器的時(shí)序系統(tǒng)132. 每條指令的指令周期不同每條指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期 執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期NOP JMP XADD mem MUL mem取指周期取指周

12、期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期14 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)要完成若干個(gè)微操作，這一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)要完成若干個(gè)微操作，這些微操作有的可以同時(shí)進(jìn)行，有的則按先些微操作有的可以同時(shí)進(jìn)行，有的則按先后次序串行執(zhí)行。每個(gè)微操作都需要一定后次序串行執(zhí)行。每個(gè)微操作都需要一定的時(shí)間，的時(shí)間，因此需要將一個(gè)機(jī)器周期分為若因此需要將一個(gè)機(jī)器周期分為若干相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)干相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍。節(jié)拍。一般節(jié)拍用一個(gè)電平信號(hào)寬度表示，一般節(jié)拍用一個(gè)電平信號(hào)寬度表示，稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍電位。稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍電位。二、節(jié)拍電位和工作脈沖節(jié)拍電位和工作脈沖15節(jié)拍與工作脈沖的配合節(jié)拍與工作脈沖的配合 1

13、6指令執(zhí)行的基本過(guò)程指令執(zhí)行的基本過(guò)程1取指令取指令2分析指令分析指令 (1) 指令譯碼指令譯碼 (2) 計(jì)算操作數(shù)的有效地址計(jì)算操作數(shù)的有效地址 (3) 取操作數(shù)取操作數(shù)3執(zhí)行指令執(zhí)行指令17指令執(zhí)行的微操作序列指令執(zhí)行的微操作序列 CPU的數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)通路 5.5 基址寄存器的內(nèi)容為基址寄存器的內(nèi)容為2000H，變址寄存器內(nèi)容，變址寄存器內(nèi)容03A0H，指令的地址碼部，指令的地址碼部分是分是003FH，當(dāng)前正在執(zhí)行的指令所在地址為，當(dāng)前正在執(zhí)行的指令所在地址為2B00H，下一條指令所在地址，下一條指令所在地址為為2B02H。（1）請(qǐng)求出變址編址和基址尋址兩種情況的訪問(wèn)有效地址。）請(qǐng)求出變

14、址編址和基址尋址兩種情況的訪問(wèn)有效地址。（2）設(shè)變址編址用于取指令，相對(duì)編址用于轉(zhuǎn)移指令，存儲(chǔ)器內(nèi)存放的內(nèi)）設(shè)變址編址用于取指令，相對(duì)編址用于轉(zhuǎn)移指令，存儲(chǔ)器內(nèi)存放的內(nèi)容如下：容如下： 地址地址 內(nèi)容內(nèi)容 003FH 2300H 03DFH 2450H 203FH 2500H 23DFH 2800H 2B00H 063FH 請(qǐng)寫(xiě)出從存儲(chǔ)器中所取得的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)移地址。請(qǐng)寫(xiě)出從存儲(chǔ)器中所取得的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)移地址。(3) 若采用直接編址，請(qǐng)寫(xiě)出從存儲(chǔ)器中取出的數(shù)。若采用直接編址，請(qǐng)寫(xiě)出從存儲(chǔ)器中取出的數(shù)。解解: 1) 變址編址：變址編址： EA = 03A0H + 003FH= 03DFH 基址變址尋

15、址：基址變址尋址： EA = 2000H + 03A0H + 003FH= 23DFH 2) 基址尋址基址尋址: EA = 2000H + 3FH= 203FH(3) EA = A=003FH操作數(shù)操作數(shù) = （003FH）= 2300H（2）變址編址：操作數(shù)變址編址：操作數(shù) =2450 ( 2800H)相對(duì)尋址：轉(zhuǎn)移地址相對(duì)尋址：轉(zhuǎn)移地址 = 2B00H+003FH=2B3FH5.7 某機(jī)器字長(zhǎng)某機(jī)器字長(zhǎng)16位，存儲(chǔ)按字編址，訪問(wèn)內(nèi)存指令格式如下：位，存儲(chǔ)按字編址，訪問(wèn)內(nèi)存指令格式如下：其中其中OP為操作碼，為操作碼，M為尋址方式，為尋址方式，A為形式地址，設(shè)為形式地址，設(shè)PC和和RX分別為

16、程序計(jì)分別為程序計(jì)數(shù)器和變址寄存器，字長(zhǎng)數(shù)器和變址寄存器，字長(zhǎng)16位，問(wèn)：位，問(wèn)：（1）該指令能定義多少種指令？）該指令能定義多少種指令？（2）下表各種尋址方式的尋址范圍為多少？）下表各種尋址方式的尋址范圍為多少？（3）計(jì)算下表各種尋址方式的有效地址）計(jì)算下表各種尋址方式的有效地址E的計(jì)算公式。的計(jì)算公式。15 11 10 8 7 0 OP M A解解：（：（1）操作碼共操作碼共5位，指令有位，指令有25=32種種 尋址方式尋址方式有效地址的計(jì)算公式有效地址的計(jì)算公式尋址范圍尋址范圍立即尋址立即尋址無(wú)無(wú)直接尋址直接尋址EA=A間接尋址間接尋址EA=(A)變址尋址變址尋址EA=(RX)+A相對(duì)尋

17、址相對(duì)尋址EA=（PC）+A（補(bǔ)碼）1227782016201620820206.1.4 控制器的實(shí)現(xiàn)方法控制器的實(shí)現(xiàn)方法 控制器的輸入是機(jī)器的指令代碼，輸出控制器的輸入是機(jī)器的指令代碼，輸出是微操作控制信號(hào)。是微操作控制信號(hào)?？刂破鞯暮诵氖俏⒉倏刂破鞯暮诵氖俏⒉僮餍盘?hào)發(fā)生器，它是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。作信號(hào)發(fā)生器，它是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同，控根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同，控制器分類(lèi)：制器分類(lèi)：（1）硬布線(xiàn)控制器）硬布線(xiàn)控制器（2）微程序控制器）微程序控制器211. 硬布線(xiàn)控制器硬布線(xiàn)控制器 F定義：硬布線(xiàn)控制器又稱(chēng)為定義：硬布線(xiàn)控制器又稱(chēng)為組合邏輯控制器組合邏輯

18、控制器，它是以，它是以組合組合邏輯電路來(lái)構(gòu)成微操作控制信號(hào)發(fā)生器邏輯電路來(lái)構(gòu)成微操作控制信號(hào)發(fā)生器。它的控制方式是編。它的控制方式是編排各個(gè)指令的微操作表，綜合并化簡(jiǎn)微操作表，用組合邏輯排各個(gè)指令的微操作表，綜合并化簡(jiǎn)微操作表，用組合邏輯進(jìn)行控制。進(jìn)行控制。F實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：VLSI，PLAF優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：速度快速度快。F缺點(diǎn)：微操作控制信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)不規(guī)整，使得設(shè)計(jì)、缺點(diǎn)：微操作控制信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)不規(guī)整，使得設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較困難。調(diào)試、維修較困難。F應(yīng)用：應(yīng)用：RISC機(jī)為了追求高速度，一般采用硬布線(xiàn)控制機(jī)為了追求高速度，一般采用硬布線(xiàn)控制。 222. 微程序控制器微程序控制器F定義：微程序

19、控制器用定義：微程序控制器用軟件方法產(chǎn)生和組織微操作控制信軟件方法產(chǎn)生和組織微操作控制信號(hào)號(hào)，用，用存儲(chǔ)邏輯控制取代組合邏輯控制存儲(chǔ)邏輯控制取代組合邏輯控制。它是將指令用微指。它是將指令用微指令編制成微程序存放在控制存儲(chǔ)器中。令編制成微程序存放在控制存儲(chǔ)器中。F實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：ROMF優(yōu)點(diǎn)：具有設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令方優(yōu)點(diǎn)：具有設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令方便。便。F缺點(diǎn)：由于增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器，所以指令執(zhí)行速度比缺點(diǎn)：由于增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器，所以指令執(zhí)行速度比硬布線(xiàn)控制器慢。硬布線(xiàn)控制器慢。F應(yīng)用：應(yīng)用：CISC機(jī)一般采用微程序控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)一般采用微程序控制器實(shí)現(xiàn)。

20、 23一、微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生一、微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生1951 英國(guó)劍橋大學(xué)教授英國(guó)劍橋大學(xué)教授 Wilkes 完成完成一條機(jī)器指令一條機(jī)器指令微操作命令微操作命令 1微操作命令微操作命令 2微操作命令微操作命令 n微指令微指令 110100000微指令微指令 n微程序微程序00010010存儲(chǔ)邏輯存儲(chǔ)邏輯一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序存入存入 ROM6.3 微程序控制器微程序控制器 246.3 微程序控制器微程序控制器 6.3.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念1.微命令與微操作微命令與微操作微命令微命令：構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。通常是指那些直接作用于部件

21、：構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。通常是指那些直接作用于部件或控制門(mén)電路的命令。又稱(chēng)為微信號(hào)?；蚩刂崎T(mén)電路的命令。又稱(chēng)為微信號(hào)。例如打開(kāi)或關(guān)閉某傳送通路的電位命令，或是對(duì)觸發(fā)器或寄存器進(jìn)行同例如打開(kāi)或關(guān)閉某傳送通路的電位命令，或是對(duì)觸發(fā)器或寄存器進(jìn)行同步打入、置位、復(fù)位的控制脈沖步打入、置位、復(fù)位的控制脈沖微操作微操作：控制器中執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。：控制器中執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。u相容性的微操作：相容性的微操作：在一個(gè)微指令周期中可以并行執(zhí)行的操作。在一個(gè)微指令周期中可以并行執(zhí)行的操作。u互斥性的微操作：互斥性的微操作：在一個(gè)微指令周期中不可以并行執(zhí)行的操作在一個(gè)微指令周

22、期中不可以并行執(zhí)行的操作采用采用存儲(chǔ)邏輯存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序并存入一個(gè)專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)器令轉(zhuǎn)化成為一段微程序并存入一個(gè)專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)器(控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器)中，微操中，微操作控制信號(hào)由微指令產(chǎn)生。作控制信號(hào)由微指令產(chǎn)生。256.3.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念2.微指令、微地址和微程序微指令、微地址和微程序微指令微指令：在機(jī)器的一個(gè)節(jié)拍中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微：在機(jī)器的一個(gè)節(jié)拍中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令，或者說(shuō)，控制存儲(chǔ)器中每個(gè)單元存放的微命令信息組命令，或者說(shuō)，控制存儲(chǔ)器

23、中每個(gè)單元存放的微命令信息組成一條微指令。成一條微指令。一條微指令由操作控制字段和順序控制字段一條微指令由操作控制字段和順序控制字段組成。組成。操作控制字段用來(lái)發(fā)出管理和指揮計(jì)算機(jī)工作的控制操作控制字段用來(lái)發(fā)出管理和指揮計(jì)算機(jī)工作的控制信號(hào)。順序控制字段又稱(chēng)為下址字段，它用來(lái)控制產(chǎn)生下一信號(hào)。順序控制字段又稱(chēng)為下址字段，它用來(lái)控制產(chǎn)生下一條微指令的地址。條微指令的地址。一條微指令包括一個(gè)或多個(gè)微操作。一條微指令包括一個(gè)或多個(gè)微操作。微地址：微地址：微指令的地址，是指存放微指令的存儲(chǔ)器單元的地微指令的地址，是指存放微指令的存儲(chǔ)器單元的地址。址。微程序微程序：由微指令組成的序列稱(chēng)為微程序，一個(gè)微程

24、序的功：由微指令組成的序列稱(chēng)為微程序，一個(gè)微程序的功能對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令的功能。能對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令的功能。26 3.機(jī)器指令與微指令機(jī)器指令與微指令機(jī)器指令指提供給使用者編成的基本單位，每一條指令可以完成一個(gè)獨(dú)立的機(jī)器指令指提供給使用者編成的基本單位，每一條指令可以完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作。算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作。一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一組微指令組成的微程序一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一組微指令組成的微程序?？梢?jiàn)，一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)多條。可見(jiàn)，一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)多條微指令，而一條微指令可為多個(gè)機(jī)器指令服務(wù)。微指令，而一條微指令可為多個(gè)機(jī)器指令服務(wù)。6.3.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念程程序

25、序機(jī)器指令機(jī)器指令1機(jī)器指令機(jī)器指令2機(jī)器指令機(jī)器指令i機(jī)器指令機(jī)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.微微程程序序276.3.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念4.控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CM(Control Memory)是微程序控制器的核心部件。是微程序控制器的核心部件。 CM屬于屬于CPU，不屬于主存儲(chǔ)器。，不屬于主存儲(chǔ)器。用于存放全部指令的所有微程序，采用只讀存儲(chǔ)器用于存放全部指令的所有微程序，采用只讀存儲(chǔ)器ROM結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(固化固化)?？刂拼鎯?chǔ)器的字長(zhǎng)等于微指令的長(zhǎng)度，其總?cè)萘?。控制存?chǔ)器的字長(zhǎng)等于微指令的長(zhǎng)度，其總?cè)萘繘Q定于所有微程序的總長(zhǎng)度。決

26、定于所有微程序的總長(zhǎng)度。一般計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)是固定的，一般計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)是固定的，所以實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)的微程序也是固定的。所以實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)的微程序也是固定的。5. 微周期微周期從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的一組微命令所從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的一組微命令所需的全部時(shí)間稱(chēng)為微指令周期，簡(jiǎn)稱(chēng)微周期。一個(gè)微周期可需的全部時(shí)間稱(chēng)為微指令周期，簡(jiǎn)稱(chēng)微周期。一個(gè)微周期可以是一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間，也可以是一個(gè)節(jié)拍周期時(shí)間。以是一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間，也可以是一個(gè)節(jié)拍周期時(shí)間。286.3.2 實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理 1微程序?qū)崿F(xiàn)加法指令微程序?qū)崿F(xiàn)加法指令 用微程序?qū)崿F(xiàn)加法指令

27、。在所述的微操作序列用微程序?qū)崿F(xiàn)加法指令。在所述的微操作序列中的每一個(gè)微操作控制信號(hào)就是一個(gè)微命令，組中的每一個(gè)微操作控制信號(hào)就是一個(gè)微命令，組合這些微命令即為微指令。合這些微命令即為微指令。取指令周期取指令周期計(jì)算有效地址周期計(jì)算有效地址周期取操作數(shù)周期取操作數(shù)周期加法運(yùn)算周期加法運(yùn)算周期序號(hào)序號(hào)為名為名功能功能序號(hào)序號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)功能功能1PCAB指令地址送地址總線(xiàn)指令地址送地址總線(xiàn)13(PC)ALU2ALUPC轉(zhuǎn)移地址送轉(zhuǎn)移地址送PCPC14+ALUALU進(jìn)行加法運(yùn)算進(jìn)行加法運(yùn)算3PC+1程序計(jì)數(shù)器加程序計(jì)數(shù)器加1 115-ALUALU進(jìn)行減法運(yùn)算進(jìn)行減法運(yùn)算4imm(disp)AL

28、U立即數(shù)或位移量送立即數(shù)或位移量送ALUALU16ALUALU進(jìn)行邏輯乘運(yùn)算進(jìn)行邏輯乘運(yùn)算5DBIR取指到指令寄存器取指到指令寄存器17ALUALU進(jìn)行邏輯加運(yùn)算進(jìn)行邏輯加運(yùn)算6DBDR數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器18ALUGRALUALU運(yùn)算結(jié)果送通用寄存器運(yùn)算結(jié)果送通用寄存器7（DR）DB數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線(xiàn)19ALUDRALUALU運(yùn)算結(jié)果送數(shù)據(jù)寄存器運(yùn)算結(jié)果送數(shù)據(jù)寄存器8RS1GR寄存器地址送通用寄存器寄存器地址送通用寄存器20ALUARALUALU計(jì)算得的有效地址送地址寄存器計(jì)算得的有效地址送地址寄存器9RS/RDGR寄

29、存器地址送通用寄存器寄存器地址送通用寄存器21ARAB地址寄存器內(nèi)容送地址總線(xiàn)地址寄存器內(nèi)容送地址總線(xiàn)10(RS1)ALU寄存器內(nèi)容送寄存器內(nèi)容送ALUALU22ADS地址總線(xiàn)上地址有效地址總線(xiàn)上地址有效11(RS)ALU寄存器內(nèi)容送寄存器內(nèi)容送ALUALU23M/IO訪問(wèn)存儲(chǔ)器或訪問(wèn)存儲(chǔ)器或I/OI/O12DRALU數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容送數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容送ALUALU24W/R寫(xiě)或讀寫(xiě)或讀微命令的編號(hào)及含義微命令的編號(hào)及含義301. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)IR+1 目的：取指令目的：取指令取指周期的微命令

30、：取指周期的微命令：1、3、5、22、23、24312. 間址周期數(shù)據(jù)流間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)PCIR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器MDR目的：獲得目的：獲得EA323 . 中斷周期數(shù)據(jù)流中斷周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)PC存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器目的：保護(hù)斷點(diǎn)目的：保護(hù)斷點(diǎn)33加法指令對(duì)應(yīng)微命令的編號(hào)加法指令對(duì)應(yīng)微命令的編號(hào)1.取指周期的微命令：取指周期的微命令：1、3、5、22、23、24。2.計(jì)算有效地址周期的微命令：計(jì)算有效地址周期的微命令：4、8、10、14、20。3.取數(shù)周期的微命令：取數(shù)周期的微命

31、令：6、21、22、23、24。4.加運(yùn)算周期的微命令：加運(yùn)算周期的微命令：9、11、12、14、18。34微指令格式微指令格式 微指令由微指令由操作控制字段和順序控制字段操作控制字段和順序控制字段組成。組成。操作控制字段操作控制字段的位數(shù)由微命令的個(gè)數(shù)決定。用的位數(shù)由微命令的個(gè)數(shù)決定。用1位表示一位表示一個(gè)微命令，當(dāng)該位信息為個(gè)微命令，當(dāng)該位信息為“1”時(shí)，表示發(fā)出該微命令，而時(shí)，表示發(fā)出該微命令，而該位信息為該位信息為“0”時(shí)，表示不發(fā)出該微命令；時(shí)，表示不發(fā)出該微命令；順序控制字段順序控制字段是直接給出下一條要執(zhí)行微指令的微地址。是直接給出下一條要執(zhí)行微指令的微地址。微指令是放在微指令是

32、放在CM，所以該字段由，所以該字段由CM的容量來(lái)決定。假設(shè)的容量來(lái)決定。假設(shè)CM為為4K字，則需要設(shè)置字，則需要設(shè)置12位來(lái)表示下一條微指令的地址。位來(lái)表示下一條微指令的地址。35取機(jī)器指令，取微指令，它們之間是什么關(guān)系取機(jī)器指令，取微指令，它們之間是什么關(guān)系? ?1.1.一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由若干條微一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由若干條微指令序列組成的。因此，指令序列組成的。因此，一條機(jī)器指令的功能是由若干條微一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之，一條機(jī)器指令所完成的簡(jiǎn)言之，一條機(jī)器指令所完成的操作劃分成若干條微

33、指令來(lái)完成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。操作劃分成若干條微指令來(lái)完成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。 2.2.從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對(duì)從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，前者與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器有關(guān)。應(yīng)關(guān)系來(lái)看，前者與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器有關(guān)。3. 3. 每一個(gè)每一個(gè)CPUCPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令周期對(duì)應(yīng)一條微指令。已知某計(jì)算機(jī)有已知某計(jì)算機(jī)有80條指令，平均每條指令由條指令，平均每條指令由12條微指令組成，條微指令組成，其中有一條取指微指令是所有指令公用的，設(shè)微指令長(zhǎng)度為其中有一條取指微指令是所有指令公用的，設(shè)微指令長(zhǎng)度為32位

34、。請(qǐng)算出控制存儲(chǔ)器容量。位。請(qǐng)算出控制存儲(chǔ)器容量。解：微指令所占的單元總數(shù)解：微指令所占的單元總數(shù)=(1+8011)32=88132所以控制存儲(chǔ)器容量可選所以控制存儲(chǔ)器容量可選1K3237四條微指令的編碼四條微指令的編碼 (1) 取指微指令取指微指令： 操作控制位操作控制位 下址位下址位 101010000000000000000110 ； (2) 計(jì)算有效地址微指令：計(jì)算有效地址微指令： 操作控制位操作控制位 下址位下址位 000100010100010000010000 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0； (3) 取數(shù)微指令：取數(shù)微指令： 操作控制位操作控制位 下址位下址位

35、000001000000000000001110 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1； (4) 加運(yùn)算微指令：加運(yùn)算微指令： 操作控制位操作控制位 下址位下址位 000000001011010001000000 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0。工作原理工作原理LDA XADD YSTA Z主存主存STP用戶(hù)程序用戶(hù)程序控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序?qū)?yīng)對(duì)應(yīng) LDA 操操作的微程序作的微程序?qū)?yīng)對(duì)應(yīng) ADD 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) STA 操操作的微程序作的微程序K+1

36、K+2MKK+2K+1392微程序控制器的基本工作原理微程序控制器的基本工作原理微程序控制器主要包括微程序控制器主要包括控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CM、微指令寄存器、微指令寄存器IR、微地址形成部件、微地址寄存器、微地址形成部件、微地址寄存器MAR等部分。等部分。微程序控制器的基本組成微程序控制器的基本組成（1 1）控制存儲(chǔ)器）控制存儲(chǔ)器(CM)(CM)。u是微程序控制器的核心部件，用來(lái)存放微程序。是微程序控制器的核心部件，用來(lái)存放微程序。uCMCM屬于屬于CPUCPU，不屬于主存儲(chǔ)器。，不屬于主存儲(chǔ)器。u其性能其性能( (包括容量、速度、可靠性等包括容量、速度、可靠性等) )與計(jì)算機(jī)的性能密與計(jì)算

37、機(jī)的性能密切相關(guān)。切相關(guān)?？刂拼鎯?chǔ)器控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器（2 2）微指令寄存器）微指令寄存器 IRIR用來(lái)存放從用來(lái)存放從CMCM取出的正在執(zhí)行的微指令。取出的正在執(zhí)行的微指令。微指令寄存器微指令寄存器 IR微命令字段：微命令字段：提供一步操作所需的微命令。提供一步操作所需的微命令。微地址字段：微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。指明后續(xù)微地址的形成方式。( (微操作控制字段微操作控制字段) )( (順序控制字段順序控制字段) )控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器微指令寄存器微指令寄存器 IR（3 3）地址轉(zhuǎn)移邏輯（地址形成部件）地址轉(zhuǎn)移邏輯（地址形成部件）用來(lái)產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址，以保證

38、微指令的連續(xù)執(zhí)行。用來(lái)產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址，以保證微指令的連續(xù)執(zhí)行。地址轉(zhuǎn)地址轉(zhuǎn)移邏輯移邏輯微程序入口地址：微程序入口地址：由機(jī)器指令由機(jī)器指令操作碼操作碼形成。形成。后續(xù)微地址：后續(xù)微地址：由由微地址字段微地址字段、現(xiàn)行微地址現(xiàn)行微地址、運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)等形成。等形成。微地址微地址寄存器寄存器工作過(guò)程工作過(guò)程（1 1）取機(jī)器指令）取機(jī)器指令CMCM取指取指微指令微指令I(lǐng)RIR微命令字段微命令字段譯碼器譯碼器微命令微命令機(jī)器指令機(jī)器指令I(lǐng)RIR主存主存這是一段公用的微操作，這是一段公用的微操作，其首址通常放在其首址通常放在CMCM的的“0”0”號(hào)微地址單元。該微程序號(hào)微地址單元。該微程序

39、完成從主存中讀取機(jī)器指完成從主存中讀取機(jī)器指令并送往指令寄存器。令并送往指令寄存器。（2 2）轉(zhuǎn)微程序入口）轉(zhuǎn)微程序入口IRIR操作碼操作碼微地址形成微地址形成電路電路入口入口ARAR微命令字段微命令字段CMCM首條微指令首條微指令（3 3）執(zhí)行首條微指令）執(zhí)行首條微指令I(lǐng)RIRIRIR譯碼器譯碼器微命令微命令操作部件操作部件（4 4）取后續(xù)微指令）取后續(xù)微指令微地址字段微地址字段現(xiàn)行微地址現(xiàn)行微地址運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)微地址形成微地址形成電路電路后續(xù)微地址后續(xù)微地址ARARCMCM后續(xù)微指令后續(xù)微指令I(lǐng)RIR（5 5）執(zhí)行后續(xù)微指令）執(zhí)行后續(xù)微指令同（同（3 3）（6 6）返回）返回執(zhí)行完對(duì)應(yīng)于

40、一條機(jī)器指令的一段微程序后，返回到取指微執(zhí)行完對(duì)應(yīng)于一條機(jī)器指令的一段微程序后，返回到取指微程序的入口，以便取出下一條機(jī)器指令。不斷重復(fù)，直至程程序的入口，以便取出下一條機(jī)器指令。不斷重復(fù)，直至程序執(zhí)行完畢。序執(zhí)行完畢。47進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)注意的三個(gè)問(wèn)題：進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)注意的三個(gè)問(wèn)題： （1）微指令字長(zhǎng)盡可能短）微指令字長(zhǎng)盡可能短 （2）微程序長(zhǎng)度盡可能短）微程序長(zhǎng)度盡可能短 （3）提高微程序的執(zhí)行速度）提高微程序的執(zhí)行速度全部微指令存在全部微指令存在 CM 中中，程序執(zhí)行過(guò)程中，程序執(zhí)行過(guò)程中 只需讀出只需讀出關(guān)鍵關(guān)鍵 微指令的微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令操作控制字段如何形成微

41、操作命令 微指令的微指令的 后繼地址如何形成后繼地址如何形成6.3.3 微指令編碼法微指令編碼法微指令由微指令由操作控制字段和下址字段操作控制字段和下址字段組成。組成。48控制字字段的編碼法控制字字段的編碼法控制字字段的編碼方法：控制字字段的編碼方法：u直接編碼（直接控制）方式直接編碼（直接控制）方式u字段直接編碼方式字段直接編碼方式u字段間接編碼方式字段間接編碼方式u常數(shù)源字段常數(shù)源字段E491直接控制法直接控制法 在微指令的操作控制字段中，在微指令的操作控制字段中， 每一位代表一個(gè)微操作命令每一位代表一個(gè)微操作命令下地址下地址控制信號(hào)控制信號(hào)操作控制操作控制某位為某位為 “1” 表示該控制

42、信號(hào)有效表示該控制信號(hào)有效直接控制法簡(jiǎn)單直觀，輸出直接用于控制，并行性強(qiáng)，速度直接控制法簡(jiǎn)單直觀，輸出直接用于控制，并行性強(qiáng)，速度快。但微指令字很長(zhǎng)，使控制存儲(chǔ)器字單元位數(shù)很長(zhǎng)?？?。但微指令字很長(zhǎng)，使控制存儲(chǔ)器字單元位數(shù)很長(zhǎng)。502字段直接編碼法字段直接編碼法譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼下地址下地址操作控制操作控制控制信號(hào)控制信號(hào)縮短縮短 了微指令了微指令 字長(zhǎng)字長(zhǎng)，增加增加 了譯碼了譯碼 時(shí)間時(shí)間微程序執(zhí)行速度較慢微程序執(zhí)行速度較慢顯式編碼顯式編碼選出選出互斥的微命令互斥的微命令，并將這些微命令編成一組，成為微指，并將這些微命令編成一組，成為微指令字的一個(gè)字段，用二進(jìn)制編碼來(lái)表示，字段增加一個(gè)譯

43、令字的一個(gè)字段，用二進(jìn)制編碼來(lái)表示，字段增加一個(gè)譯碼器，該譯碼器的輸出即為原來(lái)的微命令。碼器，該譯碼器的輸出即為原來(lái)的微命令。例如，某機(jī)器指令系統(tǒng)總共需要例如，某機(jī)器指令系統(tǒng)總共需要256256個(gè)微命令，采用直接個(gè)微命令，采用直接控制法，微指令的操作控制字段需（控制法，微指令的操作控制字段需（ ）位。）位。采用字段直接編碼法，將采用字段直接編碼法，將1616個(gè)微命令合成一段，共個(gè)微命令合成一段，共1616段，段，每個(gè)字段經(jīng)一個(gè)譯碼器輸出，可獲得每個(gè)字段經(jīng)一個(gè)譯碼器輸出，可獲得256256個(gè)微命令。微指?jìng)€(gè)微命令。微指令的操作控制字段僅（令的操作控制字段僅（ ）位。）位。注意：注意：1.1.每個(gè)小

44、字段包含的信息位不能太多，一般不超過(guò)每個(gè)小字段包含的信息位不能太多，一般不超過(guò)6 6位，否位，否則將增加譯碼線(xiàn)路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。則將增加譯碼線(xiàn)路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。2.2.一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出，表示本字段不發(fā)出任何微命令。因此當(dāng)某字段的長(zhǎng)度為三位時(shí)，最多只能任何微命令。因此當(dāng)某字段的長(zhǎng)度為三位時(shí)，最多只能表示七個(gè)互斥的微命令，表示七個(gè)互斥的微命令，通常用通常用000000表示不操作。表示不操作。例題：已知某運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它具有例題：已知某運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它具有+(加加)、-(減減)、M(傳送傳送)三種操作。三種

45、操作。(1)指出相斥性微操作。指出相斥性微操作。(2)設(shè)計(jì)適合此運(yùn)算器的微指令格式。設(shè)計(jì)適合此運(yùn)算器的微指令格式。533字段間接編碼法字段間接編碼法字段間接編譯法是在字段直接編碼法的基礎(chǔ)上，字段間接編譯法是在字段直接編碼法的基礎(chǔ)上，用來(lái)進(jìn)一用來(lái)進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)的方法步縮短微指令字長(zhǎng)的方法。間接編碼的含義是，一個(gè)字段。間接編碼的含義是，一個(gè)字段的某些編碼不能獨(dú)立地定義某些微命令，而需要與其他字的某些編碼不能獨(dú)立地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來(lái)聯(lián)合定義，因此又稱(chēng)為隱式編碼或多重定義編段的編碼來(lái)聯(lián)合定義，因此又稱(chēng)為隱式編碼或多重定義編碼方法。碼方法。字段字段 1字段字段 2譯碼譯碼譯碼

46、譯碼譯碼譯碼操作控制操作控制控制信號(hào)控制信號(hào)字段字段 n 下地址下地址控制信號(hào)控制信號(hào)縮短縮短 了微指令了微指令 字長(zhǎng)字長(zhǎng)，增加增加 了譯碼了譯碼 時(shí)間時(shí)間544常數(shù)源字段常數(shù)源字段E在微指令中，一般設(shè)有一個(gè)常數(shù)源字段在微指令中，一般設(shè)有一個(gè)常數(shù)源字段E。E字段一般僅有字段一般僅有幾位，用來(lái)給某些部件發(fā)送常數(shù)。該常數(shù)有時(shí)作為操作數(shù)幾位，用來(lái)給某些部件發(fā)送常數(shù)。該常數(shù)有時(shí)作為操作數(shù)送入微指令送入微指令A(yù)LU運(yùn)算；有時(shí)作為計(jì)算器初值，用來(lái)控制微運(yùn)算；有時(shí)作為計(jì)算器初值，用來(lái)控制微程序的循環(huán)次數(shù)等。程序的循環(huán)次數(shù)等。5 5、混合編碼法、混合編碼法這種方法是把這種方法是把直接表示法直接表示法與與字段編

47、碼法字段編碼法混合使用，以便能混合使用，以便能綜合考慮指令字長(zhǎng)、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要綜合考慮指令字長(zhǎng)、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。求。556.3.4 微程序流的控制微程序流的控制 當(dāng)前微指令執(zhí)行完畢后，怎樣控制產(chǎn)生后繼微指令的微地址。當(dāng)前微指令執(zhí)行完畢后，怎樣控制產(chǎn)生后繼微指令的微地址。包括指令操作碼譯碼器產(chǎn)生后繼微地址和每條微指令執(zhí)行完包括指令操作碼譯碼器產(chǎn)生后繼微地址和每條微指令執(zhí)行完畢后如何形成后繼微地址，其中由指令操作碼譯碼器產(chǎn)生后畢后如何形成后繼微地址，其中由指令操作碼譯碼器產(chǎn)生后繼微地址就是指令所對(duì)應(yīng)的微程序在控存中的入口地址。繼微地址就是指令所對(duì)應(yīng)的微程序在控

48、存中的入口地址。p微程序入口地址的形成：微程序入口地址的形成：每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，當(dāng)執(zhí)行公用的取指微程序從主存中取出機(jī)器指令之后，由指當(dāng)執(zhí)行公用的取指微程序從主存中取出機(jī)器指令之后，由指令的操作碼字段得到相應(yīng)微程序的入口地址。令的操作碼字段得到相應(yīng)微程序的入口地址。 p后繼微地址的形成：后繼微地址的形成：獲得微程序的入口地址之后，可以開(kāi)獲得微程序的入口地址之后，可以開(kāi)始執(zhí)行微程序，每條微指令執(zhí)行完畢需要根據(jù)要求來(lái)形成后始執(zhí)行微程序，每條微指令執(zhí)行完畢需要根據(jù)要求來(lái)形成后繼微地址。繼微地址。561微程序入口地址的形成微程序入口地址的形成1 1、入口地址形成：如

49、果機(jī)器指令操作碼字段的位數(shù)和位置固、入口地址形成：如果機(jī)器指令操作碼字段的位數(shù)和位置固定，可以直接使操作碼與微程序入口地址的部分位相對(duì)應(yīng)。定，可以直接使操作碼與微程序入口地址的部分位相對(duì)應(yīng)。572后繼微地址的形成后繼微地址的形成 獲得微程序的入口地址之后，可以開(kāi)始執(zhí)行微程序，每獲得微程序的入口地址之后，可以開(kāi)始執(zhí)行微程序，每條微指令執(zhí)行完畢需要根據(jù)要求來(lái)形成后繼微地址。后繼條微指令執(zhí)行完畢需要根據(jù)要求來(lái)形成后繼微地址。后繼微地址的形成方法對(duì)微程序編制的靈活性影響很大。微地址的形成方法對(duì)微程序編制的靈活性影響很大。 (1) 有增量方式（計(jì)數(shù)器方式）有增量方式（計(jì)數(shù)器方式） (2) 增量與下址字段

50、結(jié)合方式增量與下址字段結(jié)合方式 (3) 多路轉(zhuǎn)移方式多路轉(zhuǎn)移方式 . 58(1) 增量方式（計(jì)數(shù)器方式）增量方式（計(jì)數(shù)器方式） p順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼微地址由順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼微地址由微程序計(jì)數(shù)器微程序計(jì)數(shù)器PC加上一加上一個(gè)增量個(gè)增量(通常為通常為1)形成的形成的；p當(dāng)微程序遇到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子程序時(shí)，由微指令的轉(zhuǎn)移地址段當(dāng)微程序遇到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子程序時(shí)，由微指令的轉(zhuǎn)移地址段來(lái)形成轉(zhuǎn)移微地址。來(lái)形成轉(zhuǎn)移微地址。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：微指令字較短，微指令字較短，便于編寫(xiě)微程序，后繼便于編寫(xiě)微程序，后繼微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；易于掌握。單；易于掌握。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：這種方式不能實(shí)這種方式不能實(shí)

51、現(xiàn)兩路以上的并行微程現(xiàn)兩路以上的并行微程序轉(zhuǎn)移，因而不利于提序轉(zhuǎn)移，因而不利于提高微程序的執(zhí)行速度。高微程序的執(zhí)行速度。而微程序的主要特點(diǎn)是而微程序的主要特點(diǎn)是存在大量的分支。存在大量的分支。59(2) 增量與下址字段結(jié)合方式增量與下址字段結(jié)合方式將微指令的下址字段將微指令的下址字段分成兩部分：分成兩部分： 轉(zhuǎn)移控制字段轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段和轉(zhuǎn)移地址字段BAF，當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，將轉(zhuǎn)移時(shí)，將BAF送送PC ，否則順序執(zhí)行，否則順序執(zhí)行下一條微指令下一條微指令(PC )+l60(3) 多路轉(zhuǎn)移方式多路轉(zhuǎn)移方式 一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力稱(chēng)為一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分

52、支的能力稱(chēng)為多路轉(zhuǎn)移多路轉(zhuǎn)移。又稱(chēng)為。又稱(chēng)為斷定方式，這是一種直接給定與測(cè)試斷定相結(jié)合的方式，其斷定方式，這是一種直接給定與測(cè)試斷定相結(jié)合的方式，其順序控制字段一般由非測(cè)試段和測(cè)試段組成。順序控制字段一般由非測(cè)試段和測(cè)試段組成。當(dāng)微程序不產(chǎn)生分支時(shí)，后繼微地址直接由微指令的順序控當(dāng)微程序不產(chǎn)生分支時(shí)，后繼微地址直接由微指令的順序控制字段給出；制字段給出；當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，有若干當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，有若干“后選后選”微地址可供選擇：即微地址可供選擇：即按順序控制字段的按順序控制字段的“判別測(cè)試判別測(cè)試”標(biāo)志和標(biāo)志和“狀態(tài)條件狀態(tài)條件”信息來(lái)信息來(lái)選擇其中一個(gè)微地址。選擇其中一個(gè)微地址?！盃顟B(tài)條

53、件狀態(tài)條件”有有n位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)微位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)微程序程序2的的n次方路轉(zhuǎn)移，涉及微地址寄存器的次方路轉(zhuǎn)移，涉及微地址寄存器的n位位 。多路轉(zhuǎn)移方式的特點(diǎn)是：多路轉(zhuǎn)移方式的特點(diǎn)是：能以較短的順序控制字段配合，實(shí)能以較短的順序控制字段配合，實(shí)現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快，但轉(zhuǎn)移地址邏輯需現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快，但轉(zhuǎn)移地址邏輯需要用組合邏輯方法設(shè)計(jì)。要用組合邏輯方法設(shè)計(jì)。616.3.5 微指令格式及執(zhí)行方式微指令格式及執(zhí)行方式1、微指令的格式：、微指令的格式：p水平型微指令：水平型微指令：一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令。的微指令。p垂

54、直型微指令：垂直型微指令：一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。2、微指令的執(zhí)行方式：、微指令的執(zhí)行方式：p串行方式：串行方式：取微指令和執(zhí)行微指令兩個(gè)過(guò)程是順序進(jìn)行取微指令和執(zhí)行微指令兩個(gè)過(guò)程是順序進(jìn)行的。該方式的微周期較長(zhǎng)，但控制簡(jiǎn)單，形成后繼微地址的。該方式的微周期較長(zhǎng)，但控制簡(jiǎn)單，形成后繼微地址所用的硬件設(shè)備較少。所用的硬件設(shè)備較少。p并行方式：并行方式：執(zhí)行當(dāng)前微指令的同時(shí)，可以預(yù)取下一條微執(zhí)行當(dāng)前微指令的同時(shí)，可以預(yù)取下一條微指令。縮短了微周期。指令?？s短了微周期。62(1) 水平型微指令水平型微指令定義：一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令。定

55、義：一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令。如采用直接控制法、字段編碼法的微指令如采用直接控制法、字段編碼法的微指令優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：u微指令字較長(zhǎng)，速度越快。微指令字較長(zhǎng)，速度越快。u微指令中的微操作有高度的并行性。一條微指令能控制微指令中的微操作有高度的并行性。一條微指令能控制數(shù)據(jù)通路中多個(gè)功能部件并行操作。數(shù)據(jù)通路中多個(gè)功能部件并行操作。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：u微指令字比較長(zhǎng)，明顯地增加了控制存儲(chǔ)器的橫向容量。微指令字比較長(zhǎng)，明顯地增加了控制存儲(chǔ)器的橫向容量。u水平微指令與機(jī)器指令差別很大，一般要熟悉機(jī)器結(jié)構(gòu)、水平微指令與機(jī)器指令差別很大，一般要熟悉機(jī)器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時(shí)序系統(tǒng)以及指令執(zhí)行過(guò)程的人才

56、能進(jìn)行微程數(shù)據(jù)通路、時(shí)序系統(tǒng)以及指令執(zhí)行過(guò)程的人才能進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)，這對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是很困難的。序設(shè)計(jì)，這對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是很困難的。63(2) 垂直型微指令垂直型微指令一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。在微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用為操作碼編譯法（在微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用為操作碼編譯法（類(lèi)類(lèi)似機(jī)器指令操作碼似機(jī)器指令操作碼 的方式），由操作碼規(guī)定為微指令的功的方式），由操作碼規(guī)定為微指令的功能，在一條微指令中能，在一條微指令中只有一、兩個(gè)微操作命令稱(chēng)為垂直型只有一、兩個(gè)微操作命令稱(chēng)為垂直型微指令。微指令。在在微指令中設(shè)置有微操作碼字段微指令中設(shè)置有微操作碼字

57、段，采用微操作碼編譯法，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱(chēng)為垂直型微指令。其特由微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱(chēng)為垂直型微指令。其特點(diǎn)是不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)微指令的并行控制功能，通常點(diǎn)是不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)微指令的并行控制功能，通常一條微指令一條微指令只要求能控制實(shí)現(xiàn)一種微操作。只要求能控制實(shí)現(xiàn)一種微操作。64兩種微指令的比較兩種微指令的比較1. 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)，垂水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)，垂直型微指令則差。直型微指令則差。2. 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微指令執(zhí)水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)。行時(shí)間長(zhǎng)。3. 水

58、平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字比較長(zhǎng)，水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字比較長(zhǎng)，但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反，微指令字比但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反，微指令字比較短而微程序長(zhǎng)。較短而微程序長(zhǎng)。4. 水平型微指令與機(jī)器指令差別大，用戶(hù)難以掌握，而垂水平型微指令與機(jī)器指令差別大，用戶(hù)難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較容易理解。直型微指令與指令比較相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較容易理解。65水平微指令與垂直微指令比較水平微指令與垂直微指令比較水平微指令水平微指令垂直微指令垂直微指令能力能力效率效率靈活性靈活性高高強(qiáng)強(qiáng)低低弱弱速度速度執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間快快短短

59、慢慢長(zhǎng)長(zhǎng)字長(zhǎng)字長(zhǎng)長(zhǎng)長(zhǎng)短短掌握難度掌握難度難難容易容易662. 微指令的執(zhí)行方式微指令的執(zhí)行方式1) 串行方式串行方式取微指令和執(zhí)行微指令兩個(gè)過(guò)程是順序進(jìn)行的。該方式的微周期較取微指令和執(zhí)行微指令兩個(gè)過(guò)程是順序進(jìn)行的。該方式的微周期較長(zhǎng)，但控制簡(jiǎn)單，形成后繼微地址所用的硬件設(shè)備較少。長(zhǎng)，但控制簡(jiǎn)單，形成后繼微地址所用的硬件設(shè)備較少。2) 并行方式并行方式執(zhí)行當(dāng)前微指令的同時(shí)，可以預(yù)取下一條微指令?？s短了微周期。執(zhí)行當(dāng)前微指令的同時(shí)，可以預(yù)取下一條微指令?？s短了微周期。取第取第 i+1 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i 條微指令條微指令取第取第 i 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i+1 條微指令條

60、微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i 條微指令條微指令取第取第 i 條微指令條微指令取第取第 i+1 條微指令條微指令 執(zhí)行第執(zhí)行第 i+1 條微指令條微指令取第取第 i+2 條微指令條微指令 執(zhí)行第執(zhí)行第 i+2 條微指令條微指令67一、微程序概念一、微程序概念1、微命令，微操作，微指令，微程序，微地址，微周期，控制存儲(chǔ)器、微命令，微操作，微指令，微程序，微地址，微周期，控制存儲(chǔ)器2、機(jī)器指令與微指令的區(qū)別、機(jī)器指令與微指令的區(qū)別3、微周期和機(jī)器周期的區(qū)別、微周期和機(jī)器周期的區(qū)別二、微程序控制器的組成二、微程序控制器的組成1、四個(gè)：控制存儲(chǔ)器、四個(gè)：控制存儲(chǔ)器CM，微指令寄存器，微地址形成部件，微地址寄，