計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課件 第5章 控制器

第5章控制器運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)與外部的連接指令的執(zhí)行過(guò)程,微命令序列的形成CPU邏輯組成CPU工作原理本章主要討論運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)與外部的連接本章將回答如下問(wèn)題：CPU由哪些部件組成?各部件之間如何交換信息?CPU如何建立與外部的連接?CPU如何形成微命令序列,來(lái)控制指令的執(zhí)行?1.從寄存器傳送級(jí)分析指令的分步執(zhí)行流程.2.從微操作控制級(jí)闡述寄存器傳送的具體實(shí)現(xiàn).主要內(nèi)容：5.1控制器的功能、組成及類型5.2時(shí)序控制與信息傳送5.3指令的執(zhí)行流程5.4組合邏輯控制器5.5微程序控制器5.6IntelCPU內(nèi)部組成的發(fā)展（自學(xué)）第5章控制器5.1控制器的功能、組成及類型5.1.1控制器的功能5.1.2控制器的組成5.1.3控制器分類指令控制操作控制時(shí)間控制5.1.2控制器的組成

寄存器

寄存器微命令產(chǎn)生部件運(yùn)算器控制器運(yùn)算部件時(shí)序系統(tǒng)CPU的基本組成控制器的組成微命令產(chǎn)生部件指令寄存器IR數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR地址寄存器MAR程序計(jì)數(shù)器PC時(shí)序系統(tǒng)主存I/O接口運(yùn)算器微命令序列條件數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線指令譯碼器ID地址形成部件可斷控制邏輯控制器1.指令寄存器IR(1)作用：用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令?？刂破鞲鶕?jù)其內(nèi)容（操作碼以及地址信息）產(chǎn)生所需要的各種微命令。(2)構(gòu)成形式：為了提高計(jì)算機(jī)的處理速度，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般將指令寄存器擴(kuò)充為指令隊(duì)列（指令棧），形成了指令流水線處理方式.指令流水線：一次預(yù)取多條指令，增加指令間執(zhí)行的銜接速度和并行處理能力。2.程序計(jì)數(shù)器PC也叫指令計(jì)數(shù)器或指令指針。(1)作用：指示指令在存儲(chǔ)器中的存放位置。①程序順序執(zhí)行時(shí)，每當(dāng)從主存中取出一條指令后，PC內(nèi)容就自動(dòng)增量計(jì)數(shù)，指向下一條指令。②程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，將轉(zhuǎn)移地址送入PC，使其指向轉(zhuǎn)移目的地的指令地址。(2)作用機(jī)制：3.地址寄存器MAR(1)作用：暫時(shí)存儲(chǔ)CPU所要訪問(wèn)的主存單元地址。①CPU取指令時(shí)，先將PC的內(nèi)容送入MAR，再由MAR將指令的存放地址送往主存譯碼。②CPU存取數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)的存放地址先送到MAR，再送往主存進(jìn)行地址譯碼。PCMARM，譯碼數(shù)據(jù)存放地址MARM，譯碼(2)作用機(jī)制4.數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR(1)作用：存放CPU與主存之間交換的數(shù)據(jù)。(2)作用機(jī)制CPU寫(xiě)入主存時(shí)：數(shù)據(jù)MDRM單元譯碼,尋址寫(xiě)入從主存中讀出時(shí)：主存數(shù)據(jù)MDR某R譯碼,尋址讀出5.1.3控制器的類型微命令發(fā)生器指令譯碼器譯碼輸出微命令序列時(shí)序信號(hào)各部件狀態(tài)反饋信號(hào)根據(jù)微命令序列的產(chǎn)生方式，控制器分為：

（1）組合邏輯型控制器（2）存儲(chǔ)邏輯型控制器（也稱微程序控制器）把指令轉(zhuǎn)化為微命令序列，以控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息的傳送5.2時(shí)序控制與信息傳送5.2.1時(shí)序系統(tǒng)的組成5.2.2時(shí)序控制方式5.2.3數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)5.2.4信息傳送及其微命令設(shè)置5.2.5信息傳送控制方式5.2.1時(shí)序系統(tǒng)的組成工作周期信號(hào)發(fā)生器時(shí)鐘周期信號(hào)發(fā)生器工作脈沖信號(hào)發(fā)生器&晶體振蕩器SQR啟動(dòng)停止取指周期取數(shù)周期執(zhí)行周期T0TnP0Pn圖4-2時(shí)序系統(tǒng)組成框圖時(shí)序信號(hào)舉例案例分析【例5-1】設(shè)A機(jī)器的主頻為8MHz，每個(gè)機(jī)器周期包含4個(gè)時(shí)鐘周期，且該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機(jī)機(jī)器周期為多少μs，平均指令執(zhí)行時(shí)間為多少μs，每個(gè)指令周期含幾個(gè)機(jī)器周期？解：根據(jù)A機(jī)器的主頻為8MHz，得時(shí)鐘周期為1/8M=0.125（μs）。（1）機(jī)器周期=0.125×4=0.5（μs）.（2）平均指令執(zhí)行時(shí)間是1÷0.4M=2.5（μs）。（3）每個(gè)指令周期含2.5÷0.5=5個(gè)機(jī)器周期。5.2.2時(shí)序控制方式基本概念：(1)時(shí)序信號(hào)：就是在微命令邏輯中引入的時(shí)間標(biāo)志（可以是周期、節(jié)拍或者脈沖信號(hào)），以保證計(jì)算機(jī)的操作能在不同的時(shí)間段中有序完成。(2)時(shí)序控制方式：指計(jì)算機(jī)的操作與時(shí)序信號(hào)之間的關(guān)系，包括：同步控制方式異步控制方式聯(lián)合控制方式(了解）1.同步控制方式(1)定義：指各步操作受統(tǒng)一時(shí)序信號(hào)的控制。這種方式，操作時(shí)間被劃分為許多長(zhǎng)度固定的時(shí)間段，一個(gè)時(shí)間段為一個(gè)節(jié)拍（時(shí)鐘周期），每個(gè)時(shí)鐘周期完成一定的操作。(2)特點(diǎn)有明顯的時(shí)序時(shí)間的劃分；時(shí)鐘周期是基本的時(shí)序單位；時(shí)鐘周期時(shí)間固定，各指令必須在規(guī)定的時(shí)鐘周期內(nèi)完成。(3)同步控制的實(shí)現(xiàn)通過(guò)同步定時(shí)脈沖實(shí)現(xiàn)同步控制(4)適應(yīng)場(chǎng)合：由于控制方式簡(jiǎn)單、時(shí)間安排不靈活，因而適應(yīng)于速度差異不大的部件，如CPU內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、或連接部件速度相近時(shí)的系統(tǒng)總線操作。思考：由誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)產(chǎn)生這種同步時(shí)序信號(hào)？同步控制舉例設(shè)運(yùn)算器的核心為SN74181，采用單總線分立寄存器結(jié)構(gòu)，若在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行R0=R0+R1，則主要同步控制脈沖信號(hào)如右圖所示。主頻MS3S2S1S0R0→AR1→B移位器DMCPR02.異步控制方式(1)定義：指各步操作不受統(tǒng)一時(shí)序信號(hào)（如時(shí)鐘周期）的約束，而根據(jù)實(shí)際需要安排不同的時(shí)間。(2)特點(diǎn)：無(wú)統(tǒng)一時(shí)鐘周期劃分，信息交換采用異步應(yīng)答方式。異步應(yīng)答過(guò)程包括申請(qǐng)、響應(yīng)、詢問(wèn)和回答。(3)應(yīng)答過(guò)程中的主從設(shè)備主設(shè)備申請(qǐng)并掌握總線控制權(quán)；從設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備要求，不能掌握總線控制權(quán)。應(yīng)答過(guò)程由主設(shè)備啟動(dòng)。(4)適應(yīng)場(chǎng)合：由于控制方式復(fù)雜，只能用于速度差異較大，傳送時(shí)間不確定，傳送距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。3.聯(lián)合控制方式在實(shí)際應(yīng)用中，聯(lián)合使用同步控制和異步控制：(1)不同指令安排不同的時(shí)鐘周期數(shù)需時(shí)最短的指令只占用一個(gè)時(shí)鐘周期需時(shí)較長(zhǎng)的指令可占用多個(gè)時(shí)鐘周期(2)總線周期中允許插入延長(zhǎng)周期在時(shí)鐘周期結(jié)束之前，如果傳送操作未完成，必需延長(zhǎng)總線周期(3)同步方式中引入異步應(yīng)答通過(guò)發(fā)出請(qǐng)求、響應(yīng)、釋放脈沖實(shí)現(xiàn)總線權(quán)的轉(zhuǎn)移5.2.3數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)1．單組內(nèi)總線、分立寄存器結(jié)構(gòu)2．單組內(nèi)總線、集成寄存器結(jié)構(gòu)3．多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)1.單組內(nèi)總線、分立寄存器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：使用單向數(shù)據(jù)總線連接寄存器和ALU；ALU既是運(yùn)算部件，也是數(shù)據(jù)傳送中心；移位器只能向內(nèi)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，不能從內(nèi)總線直接接收；寄存器只能從內(nèi)總線上接收數(shù)據(jù)，而不能直接向內(nèi)總線發(fā)送移位器選擇器A選擇器BALUR0…RnR0…RnR0Rn…思考：怎樣才能把寄存器R0中的數(shù)據(jù)傳送到R1中？?jī)?nèi)總線案例介紹：一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)2.單組內(nèi)總線、集成寄存器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：使用雙向數(shù)據(jù)總線連接寄存器與ALUALU與各個(gè)R通過(guò)內(nèi)總線既可送出數(shù)據(jù)，又可接收數(shù)據(jù)；一個(gè)節(jié)拍只能完成一種基本的數(shù)據(jù)通路操作，CPU速度較低移位器暫存器C暫存器DALURn…R0內(nèi)總線思考：能否把暫存器改為選擇器？為什么？3.多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)(1)特點(diǎn)一個(gè)節(jié)拍中可以并行地實(shí)現(xiàn)幾種數(shù)據(jù)通路操作，因此CPU速度較高(2)應(yīng)用與發(fā)展設(shè)置指令棧（稱為指令隊(duì)列），以便預(yù)取若干條指令；設(shè)置操作數(shù)棧；設(shè)置專用ROM（稱為控制存儲(chǔ)器）以存放微程序；設(shè)置片內(nèi)高速Cache5.2.4信息傳送及其微命令設(shè)置包括指令、操作數(shù)、地址等信息1．指令信息的傳送M→數(shù)據(jù)總線→IR 2．?dāng)?shù)據(jù)信息的傳送（1）寄存器Ri與寄存器Rj之間Ri→選擇器A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→Rj（2）主存與寄存器之間主存M向寄存器Ri傳送M→數(shù)據(jù)總線→MDR→選擇器B→ALU→移位器→內(nèi)總線→Ri寄存器Ri向主存M傳送Ri→選擇器A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→MDR→數(shù)據(jù)總線→M（3）寄存器與外設(shè)之間寄存器Ri向外設(shè)傳送Ri→選擇器A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→MDR→數(shù)據(jù)總線→I/O接口外設(shè)向寄存器Ri傳送I/O接口→數(shù)據(jù)總線→MDR→選擇器B→ALU→移位器→內(nèi)總線→Ri（4）主存單元之間S1：M→數(shù)據(jù)總線→MDR→選擇器B→ALU→移位器→內(nèi)總線→CS2：C→A/B→ALU→移位器→內(nèi)總線→MDR→數(shù)據(jù)總線→M（5）主存與外設(shè)之間CPU執(zhí)行通用傳送指令方式：M←→數(shù)據(jù)總線←→MDR←→數(shù)據(jù)總線←→I/O接口DMA控制器控制方式：M←→數(shù)據(jù)總線←→I/O接口I/O接口3.地址信息的傳送（1）指令地址PC→選擇器A→ALU→移位器→內(nèi)總線→MAR（2）順序執(zhí)行的后續(xù)指令地址PC→選擇器A→ALU→移位器→內(nèi)總線→PCC0=1↗(3）轉(zhuǎn)移地址寄存器尋址：Ri→選擇器A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→PC寄存器間址：S1:Ri→選擇器A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→MAR→地址總線→M；S2:M→數(shù)據(jù)總線→MDR→選擇器B→ALU→移位器內(nèi)總線→PC（4）操作數(shù)地址寄存器間址：Ri→A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→MAR變址尋址：設(shè)指令字長(zhǎng)為2個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)S1:PC→A→ALU→移位器→內(nèi)總線→MAR→地址總線→M→數(shù)據(jù)總線→MDR→B→ALU→移位器→內(nèi)總線→CS2:Rb→A→ALU→移位器→內(nèi)總線→MARC→B↗獲得形式地址計(jì)算有效地址課堂練習(xí)設(shè)MOV指令的源操作數(shù)為寄存器間接尋址，請(qǐng)寫(xiě)出讀取源操作數(shù)的所有信息的傳送過(guò)程。注意，設(shè)寄存器為Ri4.微命令設(shè)置①輸入選擇微命令，如：R0經(jīng)A送入ALU：R0→A；暫存器C經(jīng)B送入ALU：C→B；……。②功能選擇微命令，如：工作方式選擇S0~S3；算/邏模式選擇M；……。③

移位器功能選擇，如：直傳DM、左移、右移……。④

結(jié)果分配，如：打入脈沖命令CPR0、CPMDR、CPPSW……(1)有關(guān)數(shù)據(jù)通路操作的微命令4.微命令設(shè)置EMAR：將MAR中的內(nèi)容送入地址總線的地址使能信號(hào)R/W：控制數(shù)據(jù)傳送方向的讀寫(xiě)信號(hào)SMDR：將主從中取出的數(shù)據(jù)置入MDR中的置入命令；……(2)有關(guān)訪存操作所需微命令案例分析【例5-2】設(shè)MOV指令的源操作數(shù)為寄存器間接尋址，設(shè)寄存器為Ri，請(qǐng)分析讀取源操作數(shù)的信息傳送過(guò)程。解：因?yàn)樵床僮鲾?shù)為寄存器間接尋址，因此其信息過(guò)程首先是將Ri的內(nèi)容送入地址寄存器MAR，然后從內(nèi)存讀出源操作數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線進(jìn)入CPU內(nèi)的暫存器C。詳細(xì)過(guò)程如下：第一步：Ri→數(shù)據(jù)選擇器A或B→ALU→移位器→內(nèi)總線→MAR第二步：M(主存)→數(shù)據(jù)總線→MDR→數(shù)據(jù)選擇器B→ALU→移位器→內(nèi)總線→C5.2.5信息傳送控制方式信息傳送控制方式直接程序傳送方式DMA方式開(kāi)中斷啟動(dòng)外設(shè)中斷請(qǐng)求返回中斷服務(wù)程序程序中斷控制方式的程序組織程序中斷方式DMA初始化啟動(dòng)外設(shè)中斷請(qǐng)求返回結(jié)束處理DMA控制方式的程序組織響應(yīng)DMA請(qǐng)求DMA請(qǐng)求(DMA傳送)(DMA傳送)5.3指令執(zhí)行流程單周期方案：全部指令都必須經(jīng)過(guò)4個(gè)步驟并將其安排在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)依次完成。多周期方案：不同類別的指令設(shè)置不同的執(zhí)行步驟，例如功能簡(jiǎn)單的指令只需要2個(gè)步驟，控制器需根據(jù)指令及其所處的執(zhí)行步驟向各部件發(fā)送不同的控制信號(hào)。指令流水線方案：讓全部指令都經(jīng)歷4個(gè)執(zhí)行步驟，由于不同執(zhí)行步驟所占用的硬件資源并不相同，因此讓相鄰的幾條指令同時(shí)進(jìn)入不同的步驟執(zhí)行，以同時(shí)完成不同的操作功能。取指令取源操作數(shù)取目的操作數(shù)運(yùn)算并存放結(jié)果5.3.1指令執(zhí)行的基本步驟5.3.2指令周期的設(shè)置(1)取指令周期(FT)(2)源周期(ST)(3)目的周期(DT)(4)執(zhí)行周期(ET)(5)中斷周期(IT)(6)DMA周期(DMAT)FTSTDTETDMATITDMA請(qǐng)求中斷請(qǐng)求NNYY5.3.3取指令周期FT的操作流程M→IRPC+1→PC相應(yīng)的微命令序列EMARRSIRPC→AS3S2S1S0MC0DM1→ST(邏輯式1)1→DT(邏輯式2)1→ET(邏輯式3)訪存操作：內(nèi)部通路操作：時(shí)序切換：5.3.4指令執(zhí)行流程設(shè)計(jì)舉例1.MOV指令傳送流程傳送操作：Ri→Rj、Ri→M、M→Ri、M→M工作周期包含取指周期、源周期、目的周期、執(zhí)行周期各工作周期的節(jié)拍數(shù)：尋址方式不同且傳送操作不同時(shí)需要不同的時(shí)鐘周期數(shù)。微命令序列包括：取指微命令序列（與取指周期相同）獲得源操作數(shù)的微命令序列獲得目的地址的微命令序列將源操作數(shù)送入目的地址的微命令序列（略）M→IR，PC+1→PCRi→MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CRi-1→Ri，MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CPC→MARM→MDR→CRi+1→RiRi+1→RiC→MARPC+1→PCC+Ri→MARM→MDR→CM→MDR→CRj→MARRj→MARRj-1→Rj，MARRj→MARPC→MARRj+1→RjRj+1→RjPC+1→PCM→MDR→DD+Rj→MARM→MDR→MARRj→MARC→RjRi→MDRC→MDRMDR→MMDR→MRPC→MARMOV指令執(zhí)行流程ST0ST1ST2ST3ST4DT0DT1DT2DT3ET0ET1ET2R(R)-(R)I/(R)+@(R)+X(R)R(R)-(R)(R)+@(R)+X(R)SR·DRSR·DRSR·DRSR·DR案例分析【例4-3】寫(xiě)出指令MOV(R0),@(R1)+;的完整執(zhí)行流程解：@(R1)+表示源操作數(shù)的尋址方式為自增型雙間址尋址，(R0)表示目的地址的尋址方式為寄存器間址尋址。故，完整執(zhí)行流程如下：FTM→IRPC+1→PCST0R1→MARST1M→MDR→CST2R1+1→R1ST3C→MARST4M→MDR→CDT0R0→MARET0C→MDRET1MDR→MET2PC→MAR2.

ADD指令執(zhí)行流程雙操作數(shù)指令包括ADD加、SUB減、AND與、OR或、EOR異或操作流程工作周期類似MOV指令M→IR，PC+1→PCRi→MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CRi-1→Ri，MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CPC→MARM→MDR→CRi+1→RiRi+1→RiC→MARPC+1→PCC+Ri→MARM→MDR→CM→MDR→CRiOPRj→RjCOPRj→RjRiOPD→MDRCOPD→MDRMDR→MMDR→MRPC→MAR雙操作數(shù)指令ST0ST1ST2ST3ST4DT0DT1DT2DT3ET0ET1ET2R(R)-(R)I/(R)+@(R)+X(R)R(R)-(R)(R)+@(R)+X(R)SR·DRSR·DRSR·DRSR·DRRj→MARM→MDR→DRj→MARM→MDR→DRj-1→Rj，MARM→MDR→DRj→MARM→MDR→DPC→MARM→MDR→DRj+1→RjRj+1→RjD→MARPC+1→PCD+Rj→MARM→MDR→DM→MDR→DDT4STFTDTET案例分析解：(R1)表示源操作數(shù)是寄存器間址尋址，(R0)表示目的地址也是寄存器間址尋址。因此，該指令的完整執(zhí)行流程如下。FTM→IRPC+1→PCST0R1→MARST1M→MDR→CDT0R0→MARDT1M→MDR→DET0CADDD→MDRET1MDR→MET2PC→MAR【例5-4】寫(xiě)出指令A(yù)DD(R0),(R1);的完整執(zhí)行流程3.轉(zhuǎn)移指令JMP及返回指令RST主要任務(wù)：獲得轉(zhuǎn)移地址或返回地址M→IR，PC+1→PCET0ET1ET2PCR(R)RST(R)+X(PC)PC+1→PC，MARRj→MARM→MDR→PC，MARRi→PC，MARRj→MARPC→MARM→MDR→CRi+1→RiRPC+C→PC，MARPC→MARM→MDR→PC，MAR

PCSKIPNJPJP，RSTETFT4.轉(zhuǎn)子指令流程M→IR，PC+1→PC轉(zhuǎn)子指令JSPFTETET0ET1ET2轉(zhuǎn)子指令流程圖PCR(R)(R)+PC+1→PC，MARPC→MAR

PCNJSRJSRRi→MARM→MDR→CRi→MARM→MDR→CRi+1→RiSP-1→SP，MARPC→MDRSP-1→SP,MARPC→MDRMDR→MRi→PC，MARMDR→MC→PC，MARSTST0ST1ST2ET35.4組合邏輯控制器5.4.1組合邏輯控制的組成與運(yùn)行原理5.4.2組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)（略）5.4.3組合邏輯控制器的時(shí)序系統(tǒng)5.4.1組合邏輯控制的組成與運(yùn)行原理每一條微命令都需要一組邏輯電路，全機(jī)所有微命令所需的邏輯電路構(gòu)成了微命令發(fā)生器，其中微命令是直接作用于部件或控制門(mén)電路的控制信號(hào)。由組合邏輯電路產(chǎn)生微命令的方式稱為組合邏輯控制方式微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW

時(shí)序IR地址形成PCθD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M5.4.2組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)(1)根據(jù)CPU的結(jié)構(gòu)圖寫(xiě)出每條指令的操作流程圖并分解成微操作序列。(2)選擇合適的控制方式和控制時(shí)序。(3)為微操作流程圖安排時(shí)序，列出微操作時(shí)間表。(4)根據(jù)操作時(shí)間表寫(xiě)出微操作的表達(dá)式，并對(duì)表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)；(5)根據(jù)微操作的表達(dá)式畫(huà)出邏輯電路并實(shí)現(xiàn)。5.4.3組合邏輯控制器的時(shí)序系統(tǒng)1.時(shí)序系統(tǒng)組成工作周期信號(hào)發(fā)生器時(shí)鐘周期信號(hào)發(fā)生器工作脈沖信號(hào)發(fā)生器&晶體振蕩器SQR啟動(dòng)停止取指周期取數(shù)周期執(zhí)行周期T0TnP0Pn2.組合邏輯控制器的時(shí)序系統(tǒng)組合邏輯控制器時(shí)序系統(tǒng)(2)工作周期

(4)工作脈沖

(3)時(shí)鐘周期

(1)指令周期

執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，從取指令開(kāi)始到執(zhí)行結(jié)束為止。指機(jī)器完成一個(gè)工作（如取指令、取操作數(shù)或執(zhí)行指令）所需要的時(shí)間，又稱機(jī)器周期。指機(jī)器完成一個(gè)最基本的內(nèi)部通路操作所需要的時(shí)間，又稱節(jié)拍周期。指為了與時(shí)鐘周期配合完成一次數(shù)據(jù)傳送操作而發(fā)送給觸發(fā)器的脈沖信號(hào)。提問(wèn)：當(dāng)工作周期長(zhǎng)度不確定時(shí)，如何進(jìn)行時(shí)序控制？組合邏輯控制器的時(shí)序關(guān)系舉例CPU周期(取指周期)CPU周期(取數(shù)周期)CPU周期(執(zhí)行周期)時(shí)鐘周期T0時(shí)鐘周期T1時(shí)鐘周期T2時(shí)鐘周期T3工作脈沖P0工作脈沖P1工作脈沖P2工作脈沖P3主頻clock5.5微程序控制器5.5.1微程序控制器的基本原理5.5.2微指令的編碼方式5.5.3微地址的形成方式（略）5.5.4微指令格式設(shè)計(jì)（略）5.5.1微程序控制器的基本原理1.基本思想：在組合邏輯控制器中，一條指令的執(zhí)行要經(jīng)過(guò)多個(gè)工作周期，每個(gè)工作周期中又包括多個(gè)時(shí)鐘周期，每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生特定微命令序列（微操作序列）。如果首先把微操作序列以二進(jìn)制編碼的形式表示為一條微指令，再將多個(gè)微指令組成一段微程序（以解釋一條機(jī)器指令），并將微程序存放在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行完微程序就意味著執(zhí)行完一條機(jī)器指令。這就是微程序控件方式。2.微程序控制的組成

微地址形成電路IRPSWPC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM

譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR存放微程序，CM屬于CPU，不屬于主存儲(chǔ)器存放現(xiàn)行微指令，微命令字段提供一步操作所需的微命令，微地址字段指明后續(xù)微地址的形成方式。提供兩類微地址：微程序入口地址——由機(jī)器指令操作碼形成；后續(xù)微地址——由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運(yùn)行狀態(tài)等形成。3.微程序的執(zhí)行過(guò)程工作過(guò)程：取機(jī)器指令：CM

μIR

譯碼器

主存

IR轉(zhuǎn)微程序入口:IR

微地址形成電路

μAR

CM

μIR執(zhí)行首條微指令:μIR

譯碼器

操作部件取后續(xù)微指令:微地址字段的現(xiàn)行微地址、運(yùn)行狀態(tài)

微地址形成電路

μAR

CM

μIR執(zhí)行后續(xù)微指令:μIR

譯碼器

操作部件返回:微程序執(zhí)行完，返回CM中存放取指微指令的固定單元。思考：控制存儲(chǔ)器CM是ROM，還是RAM？5.5.2微指令的編碼方式1.直接控制方式2.分段直接編碼方式3.分段間接編碼方式4.其他編碼方式1.直接控制法（不譯法）方法：在微指令的控制字段中，每一位直接對(duì)應(yīng)一個(gè)微命令，表示一種微操作。例微指令：C0=0進(jìn)位初值為01進(jìn)位初值為1R/W=0讀1寫(xiě)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀，不需要譯碼，速度快缺點(diǎn)：能表達(dá)的微命令有限應(yīng)用：個(gè)別最常用的微命令可采用此法------R/W------C0------112.分段直接編譯法方法：劃分多個(gè)字段，微命令由字段編碼直接給出。例：

加法器

A

BR0~R3C、DR0~R3C、D------BI------AI------33AI：000001010011100101BI：000001010011100101不發(fā)命令R0→A或BR1→A或BR2→A或BR3→A或BC→A或BD→A或B分段原則：同類操作中互斥的微命令放同一字段，以保證不會(huì)在同一條微指令中同時(shí)出現(xiàn)。3.分段間接編譯法方法：微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。具體方法是：(1)設(shè)置解釋位或解釋字段(2)按功能類型將微指令分類，分別安排各類微指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。3------BIAI------13CAI/BI：000001010011100101C：0R→A1R→B不發(fā)命令R0→A或BR1→A或BR2→A或BR3→A或BC→A或BD→A或B4.其他方法

微指令譯碼與機(jī)器指令譯碼復(fù)合控制例.機(jī)器指令

寄存器號(hào)

寄存器傳A微指令譯碼器譯碼器001R1A

R1A門(mén)5.5.3微地址的形成方式初始微地址的形成2.后續(xù)微地址的形成(1)一級(jí)功能轉(zhuǎn)移(2)二級(jí)功能轉(zhuǎn)移(3)用PLA電路實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)移(1)增量方式(2)斷定方式1.初始微地址的形成功能轉(zhuǎn)移：指根據(jù)指令代碼轉(zhuǎn)換為微程序入口地址的過(guò)程。(1)一級(jí)功能轉(zhuǎn)移：即：根據(jù)指令操作碼直接轉(zhuǎn)換為微程序入口地址。(2)二級(jí)功能轉(zhuǎn)移：即：先根據(jù)指令操作碼、長(zhǎng)度或類型字段進(jìn)行第一次功能轉(zhuǎn)移，再根據(jù)尋址方式進(jìn)行第二次功能轉(zhuǎn)移。(3)用PLA電路實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)移PLA即可編程邏輯陣列將指令各種字段作為轉(zhuǎn)移依據(jù)輸入PLA,對(duì)應(yīng)的輸出即為微程序入口地址。2.后續(xù)微地址的形成(1)增量方式當(dāng)微程序按地址遞增順序執(zhí)行微指令時(shí)，后續(xù)微地址加一個(gè)增量得到；當(dāng)微程序轉(zhuǎn)移或調(diào)用微子程序時(shí)，由微指令的地址控制字段產(chǎn)生后續(xù)微地址。(2)斷定方式在微指令中直接給定微地址的高位部份和斷定條件（即形成低位微地址的方法），最終根據(jù)斷定條件來(lái)產(chǎn)生后續(xù)微地址。優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)快速多路分支。5.5.4微指令格式水平型微指令2.垂直型微指令3.毫微程序設(shè)計(jì)判別測(cè)試字段下地址字段控制字段源寄存器II目的寄存器其他源寄存器IμO(píng)P特點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)較長(zhǎng)、并行能力強(qiáng)、編碼簡(jiǎn)單、微程序編制困難但執(zhí)行速度快。特點(diǎn)：每條微指令直接規(guī)定了信息的的傳送路徑，字長(zhǎng)較短，并行能力較弱、編碼復(fù)雜、易于編制微程序但執(zhí)行速度慢。特點(diǎn)：采用兩級(jí)微程序設(shè)計(jì)方法，當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，先進(jìn)行第一級(jí)微程序，需要時(shí)再調(diào)用第二級(jí)微程序（毫微程序執(zhí)行完時(shí)返回至第一級(jí)微程序）。缺點(diǎn)：硬件成本高，一般不在微、小型機(jī)中使用。案例解析：模型機(jī)CPU的設(shè)計(jì)模型機(jī)設(shè)計(jì)步驟模型機(jī)的設(shè)計(jì)模型機(jī)設(shè)計(jì)步驟1.指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.時(shí)序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.指令流程的設(shè)計(jì)5.控制邏輯的設(shè)計(jì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)1.模型機(jī)的指令系統(tǒng)2.時(shí)序安排3.模型機(jī)微指令格式4.微程序的編制模型機(jī)的設(shè)計(jì)1.模型機(jī)的指令系統(tǒng)(1)指令格式（略）(2)尋址方式(3)指令類型模型機(jī)的設(shè)計(jì)1.模型機(jī)的指令系統(tǒng)(1)指令格式寄存器號(hào)操作碼119151286目的字段尋址方式寄存器號(hào)尋址方式源字段5320未用操作碼1115126寄存器號(hào)尋址方式目的字段5320寄存器號(hào)操作碼119151286轉(zhuǎn)移地址尋址方式轉(zhuǎn)移條件2N’Z’V’C’54310雙操作數(shù)指令單操作數(shù)指令轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)的設(shè)計(jì)1.模型機(jī)的指令系統(tǒng)(2)尋址方式編碼尋址方式助記符指定寄存器說(shuō)明000寄存器尋址RR0~R3、SP、PC、PSW寄存器的內(nèi)容即為操作數(shù)001寄存器間址(R)R0~R3寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)的地址010自減型寄存器間址-(R)R0~R3寄存器的內(nèi)容減