K12第5章中央處理器1

第5章中央處理器（CPU）5.1控制器的基本概念5.2時序系統(tǒng)與控制方式5.3指令的執(zhí)行過程5.4微程序控制原理5.5微程序設(shè)計舉例5.6硬布線控制器5.7流水線處理技術(shù)15.1控制器的基本概念5.1.1控制器的功能5.1.2控制器的基本組成5.1.3控制器的實現(xiàn)方法控制器是計算機的控制和指揮中心，它負責對指令進行譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號，指揮和協(xié)調(diào)計算機各部件工作。25.1.1控制器的功能1）操作控制功能2）指令順序控制功能3）時序控制功能4）對異常和某些請求的處理功能（1）異常（2）中斷（3）DMA請求或其它主控設(shè)備的總線請求35.1.2控制器的組成41）指令部件（1）程序計數(shù)器PCPC是用來提供下一條要執(zhí)行的指令的地址在程序順序執(zhí)行時，由PC自動增1功能提供下一條指令的地址。（2）指令寄存器IRIR用來存放當前從主存中取出的指令。指令存放于IR中，直到被下一條取出的指令所取代。5（3）指令譯碼器IDID的功能是對存放IR中的操作碼進行譯碼。經(jīng)ID輸出的一系列控制電位反映該指令的操作性質(zhì)。（4）地址形成部件地址形成部件的功能是根據(jù)指令的尋址方式，形成有效地址。有效地址地址寄存器AR(操作數(shù)的地址)有效地址PC(跳轉(zhuǎn)的目標地址)62）時序部件時序部件是用來產(chǎn)生機器中的各種時序信號，對各種操作實施時間上的控制。（1）脈沖源脈沖源是機器的主頻信號，為機器提供時間基準。它由外接高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，具有一定占空比。例如：占空比1/37（2）啟停線路開放和封鎖脈沖，控制時序信號的發(fā)生和停止；保證起動時輸出的第一個脈沖和停止時的最后一個脈沖都是完整的。（3）節(jié)拍信號發(fā)生器節(jié)拍信號分為節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位：用于控制數(shù)據(jù)通路中代碼的傳送或數(shù)據(jù)的運算。節(jié)拍脈沖(工作脈沖）：用于寄存器接收代碼的選通信號。83）微操作信號發(fā)生器（時序控制信號形成部件）根據(jù)指令操作碼譯碼結(jié)果和時序信號及狀態(tài)標志，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行指令的控制。通常把許多寄存器之間傳送信息的通路，稱為“數(shù)據(jù)通路”。4）中斷控制邏輯中斷控制邏輯是用來控制中斷處理的硬件邏輯，對于某些外部中斷的處理，需要外部中斷邏輯配合完成。95.1.3控制器的實現(xiàn)方法硬布線控制器根據(jù)譯出的指令各字段的含義，并結(jié)合當前工作狀態(tài)及時序信號，由組合邏輯電路形成微操作控制信號。微程序控制器以存儲邏輯取代組合邏輯，根據(jù)指令操作碼的譯碼轉(zhuǎn)向控制存儲器取出對應的微程序，由微指令提供微操作控制信號。105.2時序系統(tǒng)與控制方式5.2.1時序系統(tǒng)5.2.2時序控制方式115.2.1時序系統(tǒng)計算機的協(xié)調(diào)動作需要時間標志，而時間標志是用時序信號來體現(xiàn)的。1）指令周期和機器周期（1）指令周期完成一條指令所有操作所需要的時間，稱為指令周期。指令周期通常用若干機器周期(CPU周期)表示。指令周期長短不同。12（2）機器周期為了便于對執(zhí)行時間各不相同的指令進行控制，一般根據(jù)指令的操作性質(zhì)和控制功能，將各指令分成一些基本操作，每一條指令由若干個不同的基本操作組成，對每一個基本操作規(guī)定一個基本時間稱為機器周期。不同機器周期完成不同的操作。在時序系統(tǒng)中設(shè)置一組周期狀態(tài)觸發(fā)器，以標志不同的機器周期。任一時序只允許其中的一個觸發(fā)器為1，以表明CPU當前所處的機器周期。132）節(jié)拍電位和工作脈沖（1）節(jié)拍電位一個機器周期內(nèi)要完成若干個微操作，這些微操作有的可以同時進行，有的則按先后次序串行執(zhí)行。每個微操作都需要一定的時間，因此需要將一個機器周期分為若干相等的時間段，每一個時間段，用一個電平信號寬度對應，稱為節(jié)拍電位。節(jié)拍電位作為開門/關(guān)門控制信號。14（2）工作脈沖用于同步觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)。如：運算結(jié)果打入、周期切換。一個節(jié)拍內(nèi)可以設(shè)置一個或幾個工作脈沖。工作脈沖一般處于節(jié)拍后部（節(jié)拍脈沖）。若機器周期由時鐘組成，脈沖的前沿將運算結(jié)果打入寄存器，后沿實現(xiàn)周期切換。時鐘電位作為開門/關(guān)門控制信號。15節(jié)拍電位和工作脈沖配合關(guān)系163）總線周期完成一次總線操作所需的時間稱為總線周期?？偩€周期與機器周期的區(qū)別在于總線周期是根據(jù)要求出現(xiàn)的。例如：8086基本的總線周期174）多級時序系統(tǒng)

（1）三級時序信號間的關(guān)系這些時序信號將參與形成各種微操作命令。機器周期節(jié)拍工作脈沖18（2）時鐘周期的時序系統(tǒng)

195.2.2時序控制方式CPU的控制方式包含時序控制方式和指令執(zhí)行控制方式。形成控制不同操作序列的時序信號的方法，稱為時序控制方式，其實質(zhì)反映了時序信號的定時方式。1）同步控制方式固定時序控制。受事先確定的時序信號所控制。每個時序信號的結(jié)束意味一個微操作的完成，隨即開始進行后繼的微操作。20同步控制方式可選取的三種方案：（1）定長機器周期（2）不定長機器周期。（3）中央控制與局部控制結(jié)合。同步控制方式的特點設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)影響指令的執(zhí)行速度212）異步控制方式每條指令、每個操作控制信號需要多少時間就占用多少時間。當控制器發(fā)出某一操作控制信號后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)回“回答”信號，再開始新的操作。沒有統(tǒng)一的時鐘，各功能部件擁有各自的時序信號。異步控制方式的特點沒有時間上的浪費，提高了機器的效率；分散控制，比較復雜。223）聯(lián)合控制方式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。大部分操作序列安排在固定的機器周期中，對某些時間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號作為本次操作的結(jié)束。例如CPU訪問主存時，依靠其送來的“READY”信號作為讀／寫周期的結(jié)束。常用：部件內(nèi)同步，部件間異步235.3指令的執(zhí)行過程5.3.1CPU的基本功能元素5.3.2指令執(zhí)行的基本過程5.3.3指令執(zhí)行的微操作序列24…5.3.1CPU的基本功能元素邏輯函數(shù)啟動信號二進制

存儲位元讀寫1）門實現(xiàn)邏輯功能，采用電位控制數(shù)據(jù)流，無記憶功能2）存儲位元存儲一位數(shù)據(jù)的元件，采用脈沖打入數(shù)據(jù)，有記憶功能25例如：265.3.2指令執(zhí)行的基本過程CPU的工作過程就是執(zhí)行指令序列的過程。1）取指令2）分析指令

（1）指令譯碼產(chǎn)生微操作控制信號

（2）計算操作數(shù)的有效地址

（3）取操作數(shù)對于分頁式或分段式存儲器結(jié)構(gòu)需要將有效地址與段或頁基址組合形成物理地址送主存取出操作數(shù)。3）執(zhí)行指令4）響應中斷或DMA請求27PC285.3.3指令執(zhí)行的微操作序列從指令的微操作序列說明一條指令的執(zhí)行過程。微操作序列是與CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路密切相關(guān)。指令格式加法指令完成的功能：

((rs1)+disp)+(rs)rd(rd、rs為同一R）設(shè)加法指令采用四個機器周期(每個機器周期包含T1、T2）：

取指、計算有效地址、取數(shù)、運算及送結(jié)果操作碼rs、rdrs1（源1）Imm（disp）2930311）取指PCAB訪存控制命令

ADS=1（T1周期）、M/IO=1、W/R=0DBIRPC+12）計算有效地址送AR，即(rs1)+dispARrs1GR、(rs1)ALU、disp

ALU“+”ALUAR323）取數(shù)ARAB訪存控制命令

ADS=1（T1周期)、M/IO=1、W/R=0DBDR4）運算及送結(jié)果、置狀態(tài)標志rs、rdGR、(rs)ALU、DRALU“+”ALUGR、置N、Z、V、C標志33JCA1）取指(PC)AB訪存控制命令

ADS=1（T1周期）、M/IO=1、W/R=0DBIR(PC)+12）分析執(zhí)行Ifc=0thenendIfc=1thenPCALU、dispALU“+”ALUPC345.4微程序控制原理5.4.1微程序控制的基本概念5.4.2實現(xiàn)微程序控制的基本原理5.4.3微指令編碼法5.4.4微程序流的控制5.4.5微指令格式及執(zhí)行方式5.4.6微程序設(shè)計技術(shù)的應用355.4.1微程序控制的基本概念1）微命令和微操作控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，通常把這種控制命令叫做微命令，它構(gòu)成控制序列的最小單位。執(zhí)行部件接受微命令后所進行的操作，稱為微操作，它是最基本的、不可再分解的操作。相容性的微操作：指在同一個微周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作。（相容性微命令)互斥性的微操作：指不能在同一個微周期內(nèi)并行執(zhí)行的操作。（互斥性微命令）362）微指令和微地址在一個微周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令（控制字）。微指令組成操作控制字段：用來發(fā)出管理和指揮全機工作的工作信號。位信息為“1”時，表示發(fā)出微命令；位信息為“0”時，表示不發(fā)微命令。順序控制字段（下址字段）：用來控制產(chǎn)生下一條微指令的地址。微指令存放在控制存儲器中，存放微指令的控制存儲器的單元地址稱為微地址。373）微周期（機器周期或節(jié)拍）從控存中讀取一條微指令并執(zhí)行相應的一組微命令所需的全部時間4）微程序

一條機器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的，這個微指令序列稱為微程序。38微程序控制計算機涉及兩個層次傳統(tǒng)機器層:機器指令工作程序主存儲器微程序?qū)樱何⒅噶钗⒊绦蚩刂拼鎯ζ?95.4.2實現(xiàn)微程序控制的基本原理1）微程序?qū)崿F(xiàn)加法指令設(shè)ALU能進行+、-、、四種運算40加法指令對應控制信號的序號用4個機器周期完成，每個機器周期用一條微指令產(chǎn)生微操作命令。取指微指令的微命令序號：

1、3、5、21、22、23計算有效地址微指令的微命令序號：

4、8、10、13、19取數(shù)微指令的微命令序號：

6、20、21、22、23運算及送結(jié)果微指令的微命令序號：

9、11、12、13、1741微指令格式12…2324…35操作控制字段順序控制字段(PC)ABALUPCW/R設(shè)控存容量為4K字42微程序流程圖的表示432）微程序控制器基本工作原理44工作過程:執(zhí)行取指公共操作（0#單元開始）形成微程序入口地址MAR從CM中取微指令I(lǐng)R：產(chǎn)生一組微命令控制有關(guān)操作,通過微地址形成部件形成下址下址MAR重復3）、4）直到機器指令的微程序執(zhí)行完畢。返回到取指微程序的入口，重復上述過程，直到整個程序執(zhí)行完畢。453）時序信號的形成（1）二分頻電路及節(jié)拍電位、工作脈沖的產(chǎn)生CP＝T2·CLK·CLK246（2）打入脈沖的形成方法一：控制信號“與”CP47

方法二：直接用CP48（3）特殊控制信號的產(chǎn)生例如：ADS49（4）訪存需要等待的處理方法505.4.3微指令編碼法微指令編碼是指對操作控制字段的編碼。實質(zhì)：在微指令中如何組織微命令。典型的微指令編譯法有:1）直接控制法2）最短字長編碼法3）字段直接編碼法4）字段間接編碼法5）常數(shù)源字段E511）直接控制法操作控制字段中的每一位代表一個微命令。優(yōu)點：簡單直觀，其輸出直接用于控制，并行性強，速度快。缺點：微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大。522）最短字長編碼法所有微命令統(tǒng)一編碼，每條微指令只定義一個微命令。Llog2n優(yōu)點：微指令字最短。缺點：譯碼復雜，不能充分利用硬件的并行性，微程序長，速度慢，對要求同時動作的組和性微操作無法實現(xiàn)。533）字段直接編碼法把一組互斥性的微命令信號組成一個字段，然后通過字段譯碼器對每一個微命令信號進行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號。54優(yōu)點：用較少的二進制信息位表示較多的微命令信號。缺點：使微程序的執(zhí)行速度減慢。例如：3位二進制位譯碼后可表示7個微命令，4位二進期位譯碼后可表示15個微命令。55例題：某運算器數(shù)據(jù)通路如圖。

①指出哪些微操作是互斥的，哪些是相容的。

②分別用直接控制法和字段直接編譯法設(shè)計適合該運算器的微指令格式中的操作控制字段。解：①互斥微操作：IRA、R1A、R2A、R3A互斥；R1B、R2B、R3B互斥；+、-、M互斥。相容微操作：A選通門的任一個微操作與B選通門的任一個微操作相容；LDR1、LDR2、LDR3相容。5657②直接控制法操作控制字段：58字段直接編碼法操作控制字段ALUBUSLDR1LDR2LDR31232111

00無

01+10-11M

000無

001IRA010R1A011R2A100R3A00無01R1B10R2B11R3B594）字段間接編碼法一個字段的某些編碼不獨立地定義某些微命令，而與其他字段聯(lián)合定義。60例如：有一ALU，它能完成8種不同的算術(shù)運算和8種不同的移位運算，用1位字段指示是算術(shù)運算還是移位運算，3位字段指示是8種操作中的某一種。5）常數(shù)源字段E通常把直接控制法與字段編碼法相混合使用，以便能綜合考慮微指令字長、靈活性和執(zhí)行微程序速度等方面的要求。目標：減少微指令字長，增強微操作的并行性。615.4.4微程序流的控制1）微程序入口地址的形成OP微程序入口地址一級功能轉(zhuǎn)換——機器指令的OP位數(shù)、位置固定（定長、定位置）二級功能轉(zhuǎn)換——同類機器指令的OP位數(shù)、位置固定，不同類機器指令的OP位數(shù)、位置不固定MAPROM——機器指令的OP位數(shù)、位置不固定（變長、變位置）62采用映像存儲器MAPROM（2716)63（1）增量與下址字段結(jié)合方式微指令順序控制部分分成：轉(zhuǎn)移控制字段BCF轉(zhuǎn)移地址字段BAF當微程序轉(zhuǎn)移時，將BAF送微程序計數(shù)器(μPC)，否則順序執(zhí)行下一條微指令(μPC加1)。2）后繼微地址的形成

6465（2）多路轉(zhuǎn)移方式（斷定方式）一條微指令具有多個轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。當微程序不產(chǎn)生分支時，后繼微地址直接由微指令的下址字段給出；當微程序出現(xiàn)分支時，有若干“后選”微地址可供選擇。下址字段由兩部分組成：非測試段：由設(shè)計者指定，一般為微地址的高位。測試段：根據(jù)有關(guān)狀態(tài)位的測試確定后繼微地址，一般為微地址低位部分。66測試段有1位標志，可實現(xiàn)微程序2路轉(zhuǎn)移；測試段有2位標志，可實現(xiàn)微程序4路轉(zhuǎn)移。①實現(xiàn)兩路轉(zhuǎn)移②實現(xiàn)四路轉(zhuǎn)移③實現(xiàn)三路轉(zhuǎn)移673）微程序定序器Am291068I3—I0功能2無條件轉(zhuǎn)至微程序入口（/MAP=0）。3若/CC=0，則下條微指令地址來自當前微指令的下址字段（/PL=0）；若/CC=1，則順序執(zhí)行（來自PC）。4進棧且條件裝入計數(shù)器。把下條微指令的地址壓入微堆棧，若/CC=0，則把當前微指令的下址字段內(nèi)容裝入計數(shù)器，然后順序執(zhí)行。8重復循環(huán)。

前提：已使用4號命令，循環(huán)首址壓入微堆棧，循環(huán)次數(shù)裝入計數(shù)器。若R/C0，則R/C減1，微堆棧棧頂?shù)膬?nèi)容作為下條微指令的地址。若R/C=0，則（SP）-1SP（彈棧），順序執(zhí)行下條微指令。14無條件順序執(zhí)行（來自PC）。153路轉(zhuǎn)移。前提同8號。F、D（/PL=0）、PC若R/C0，則R/C減1：

若/CC=0，彈棧，選擇PC；若/CC=1，選擇F（棧頂）。若R/C=0，彈棧：

若/CC=0，選擇PC；若/CC=1，后繼微指令地址來自當前微指令的地址字段。695.4.5微指令格式及執(zhí)行方式1）微指令格式水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令，稱為水平型微指令。垂直型微指令控制字段的設(shè)置采用編碼法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。垂直型微指令的結(jié)構(gòu)類似于機器指令的結(jié)構(gòu)。它有操作碼，在一條微指令中只有1-2個微操作命令，每條微指令的功能簡單。它是采用較長的微程序結(jié)構(gòu)去換取較短的微指令結(jié)構(gòu)。70

（3）水平與垂直的比較:水平特征垂直特征不編碼高度編碼控制字段多位微指令字較短高度并行并行能力差硬件細節(jié)觀點硬件總體觀點編程困難編程容易很少或沒有控制邏輯復雜的控制邏輯