計算機組成中央處理器第6章

1、第第6章章 中央處理部件中央處理部件CPU 6.1 計算機的硬件系統(tǒng)計算機的硬件系統(tǒng) 6.2 控制器的組成控制器的組成 6.3 微程序控制計算機的基本工作原理微程序控制計算機的基本工作原理 6.4 微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計技術(shù) 6.5 硬布線控制的計算機硬布線控制的計算機 6.6 控制器的控制方式控制器的控制方式 6.7 流水線工作原理流水線工作原理 6.8 CPU舉例舉例 6.9 計算機的加電及控制過程計算機的加電及控制過程 習(xí)題習(xí)題 單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版副標題樣式單擊此處編輯母版副標題樣式 開課單位信息工程課程名稱計算機組成與結(jié)構(gòu) 授課教師王潤

2、輝授課對象計機、計本 選用教材王愛英編總學(xué)時學(xué)時 課次第6次第六章第一 、二 節(jié) 教學(xué)目的 及要求 使學(xué)生了解計算機硬件、掌握控制器的組成控制器的組成 教學(xué)重點掌握控制器的組成控制器的組成 教學(xué)難點掌握控制器的組成控制器的組成 教學(xué)方式、方法 講授 教學(xué)過程及 時間分配.1、.2二學(xué)時 6.1 計算機的硬件系統(tǒng)計算機的硬件系統(tǒng) 當(dāng)前世界上大多數(shù)計算機的中央處理機由下述兩種當(dāng)前世界上大多數(shù)計算機的中央處理機由下述兩種 方法實現(xiàn)：方法實現(xiàn)： (1) 采用半導(dǎo)體公司采用半導(dǎo)體公司(工廠工廠)生產(chǎn)的微處理器構(gòu)成通用生產(chǎn)的微處理器構(gòu)成通用 的或?qū)Ｓ玫挠嬎銠C系統(tǒng)以及工作站等。當(dāng)前微處理的或?qū)Ｓ玫挠嬎銠C系統(tǒng)

3、以及工作站等。當(dāng)前微處理 器芯片已從器芯片已從16位，位，32位發(fā)展到位發(fā)展到64位結(jié)構(gòu)。位結(jié)構(gòu)。 (2) 一些計算機公司采用自行設(shè)計制造的芯片來構(gòu)一些計算機公司采用自行設(shè)計制造的芯片來構(gòu) 成大、中、小型計算機的成大、中、小型計算機的CPU。例如，。例如，IBM公司和公司和 DEC公司就是這樣做的。隨著用戶對開放系統(tǒng)興趣公司就是這樣做的。隨著用戶對開放系統(tǒng)興趣 的增長，這兩家公司也逐步走向開放。例如的增長，這兩家公司也逐步走向開放。例如IBM公公 司也選用司也選用Intel8086構(gòu)成微機。構(gòu)成微機。 隨著隨著VLSI的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片集成度顯著提高，的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片集成度顯著提高， 價格不

4、斷下降，從而提高了計算機的性能價格比，價格不斷下降，從而提高了計算機的性能價格比， 使得過去在大、中型計算機中才采用的硬件技術(shù)使得過去在大、中型計算機中才采用的硬件技術(shù) (例如，流水線技術(shù)、并行處理技術(shù)、高速緩沖存例如，流水線技術(shù)、并行處理技術(shù)、高速緩沖存 儲器儲器(Cache)、虛擬存儲器等、虛擬存儲器等)，下移到小型和微型，下移到小型和微型 計算機系統(tǒng)中來，因而使大、中、小、微型計算機計算機系統(tǒng)中來，因而使大、中、小、微型計算機 的分界面不斷發(fā)生變化，界限隨時代而趨向消失。的分界面不斷發(fā)生變化，界限隨時代而趨向消失。 下面我們將以下面我們將以Intel 80386組成的微機系統(tǒng)為例，來組成

5、的微機系統(tǒng)為例，來 說明計算機系統(tǒng)的組成。說明計算機系統(tǒng)的組成。 圖圖6.1是由是由Intel 80386微處理器等器件組成的微機系微處理器等器件組成的微機系 統(tǒng)，統(tǒng)，Intel 80386是是32位微處理器。位微處理器。 圖中各個部件的主要功能如下：圖中各個部件的主要功能如下： (1) 80386微處理器是系統(tǒng)中主要的處理、控制部件，微處理器是系統(tǒng)中主要的處理、控制部件， 從存儲器中取出的指令主要在從存儲器中取出的指令主要在80386中處理。中處理。 (2) 80384時鐘發(fā)生器。機器加電時，首先由它產(chǎn)生時鐘發(fā)生器。機器加電時，首先由它產(chǎn)生 整機復(fù)位信號整機復(fù)位信號(reset)，使計算機各

6、個部件處于初始，使計算機各個部件處于初始 狀態(tài)狀態(tài)(reset作用時封鎖計算機一切其他動作作用時封鎖計算機一切其他動作)，這樣，這樣 可防止加電時，由于寄存器處于可防止加電時，由于寄存器處于“不定不定”狀態(tài)而引狀態(tài)而引 起計算機的不可預(yù)估的操作。起計算機的不可預(yù)估的操作。 圖圖6.1 Intel 80386微機系統(tǒng)框圖微機系統(tǒng)框圖 (3) 80387協(xié)處理器擴充了協(xié)處理器擴充了80386指令系統(tǒng)，主要完指令系統(tǒng)，主要完 成浮點運算和高精度整數(shù)運算。成浮點運算和高精度整數(shù)運算。80386自動將取得自動將取得 的協(xié)處理器指令傳送給的協(xié)處理器指令傳送給80387。80387的數(shù)據(jù)線為的數(shù)據(jù)線為32

7、位。位。 (4) 總線控制邏輯?？偩€控制邏輯。80386通過總線與存儲器、通過總線與存儲器、IO 設(shè)備交換信息，相互連接情況在設(shè)備交換信息，相互連接情況在80386結(jié)構(gòu)中講述。結(jié)構(gòu)中講述。 (5) 存儲器與輸入輸出系統(tǒng)。存放數(shù)據(jù)、指令以及存儲器與輸入輸出系統(tǒng)。存放數(shù)據(jù)、指令以及 完成輸入輸出操作的系統(tǒng)。完成輸入輸出操作的系統(tǒng)。 (6) DMA控制器及中斷控制器。在控制器及中斷控制器。在CPU與與IO設(shè)備設(shè)備 之間傳送信息時，由于之間傳送信息時，由于CPU的速度比的速度比IO設(shè)備快設(shè)備快 得多，為了不浪費寶貴的得多，為了不浪費寶貴的CPU時間，因此時間，因此CPU采取采取 分時并行工作的辦法。例

8、如在磁盤存儲器與主存儲分時并行工作的辦法。例如在磁盤存儲器與主存儲 器之間傳送數(shù)據(jù)期間，器之間傳送數(shù)據(jù)期間，CPU照常執(zhí)行程序，當(dāng)磁盤照常執(zhí)行程序，當(dāng)磁盤 存儲器準備好數(shù)據(jù)時存儲器準備好數(shù)據(jù)時(假設(shè)讀盤操作假設(shè)讀盤操作)，向，向CPU發(fā)出發(fā)出 一個稱之為一個稱之為“DMA”的請求信息，此時的請求信息，此時CPU讓出總讓出總 線，讓出主存儲器的一個存取周期時間，完成磁盤線，讓出主存儲器的一個存取周期時間，完成磁盤 上的數(shù)據(jù)寫入存儲器的操作，然后上的數(shù)據(jù)寫入存儲器的操作，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行程繼續(xù)執(zhí)行程 序。當(dāng)磁盤存儲器再次準備好數(shù)據(jù)時，重復(fù)上述過序。當(dāng)磁盤存儲器再次準備好數(shù)據(jù)時，重復(fù)上述過 程。程

9、。 另外還有一些速度比磁盤存儲器慢得多的另外還有一些速度比磁盤存儲器慢得多的IO設(shè)設(shè) 備。當(dāng)它們準備好數(shù)據(jù)時備。當(dāng)它們準備好數(shù)據(jù)時(假設(shè)為輸入假設(shè)為輸入)，向，向CPU發(fā)發(fā) 出一個稱之為出一個稱之為“中斷請求中斷請求”信號，當(dāng)信號，當(dāng)CPU接受請求接受請求 時，中止當(dāng)前正在運行的程序，轉(zhuǎn)到時，中止當(dāng)前正在運行的程序，轉(zhuǎn)到“中斷處理程中斷處理程 序序”，對數(shù)據(jù)進行處理，并存入存儲器，然后再從，對數(shù)據(jù)進行處理，并存入存儲器，然后再從 “中斷處理程序中斷處理程序”返回到原程序的中止點，繼續(xù)執(zhí)返回到原程序的中止點，繼續(xù)執(zhí) 行原程序。這種工作方式稱為程序中斷方式。行原程序。這種工作方式稱為程序中斷方式。

10、 為了完成上述工作，需要有相應(yīng)的硬件支持，這就為了完成上述工作，需要有相應(yīng)的硬件支持，這就 是是Intel 82285 DMA 控制器及控制器及Intel 8259A中斷控制中斷控制 器。器。 DMA為為“直接存儲器存取直接存儲器存取”的縮寫，是控制的縮寫，是控制IO 設(shè)備與存儲器直接傳送信息設(shè)備與存儲器直接傳送信息(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))的邏輯電路。在的邏輯電路。在 一般情況下，數(shù)據(jù)是成組傳送的，且不影響當(dāng)前程一般情況下，數(shù)據(jù)是成組傳送的，且不影響當(dāng)前程 序的執(zhí)行。序的執(zhí)行。 中斷控制器主要用于傳送一個數(shù)據(jù)或機器發(fā)生故障中斷控制器主要用于傳送一個數(shù)據(jù)或機器發(fā)生故障 時進行處理。時進行處理。 (7) “準

11、備好準備好”(ready)邏輯。當(dāng)邏輯。當(dāng)80386與存儲器交換與存儲器交換 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(讀或?qū)懽x或?qū)?時，由于雙方速度不一致時，由于雙方速度不一致(存儲器較存儲器較 慢慢)，有時，有時80386需要等待。需要等待。ready信號是由存儲器信號是由存儲器 發(fā)向發(fā)向80386的，表示在此之前由的，表示在此之前由80386發(fā)向存儲器的發(fā)向存儲器的 讀寫命令已完成，此時讀寫命令已完成，此時80386不必等待不必等待(若已處于若已處于 等待狀態(tài)則結(jié)束等待等待狀態(tài)則結(jié)束等待)，可繼續(xù)執(zhí)行下面的操作。，可繼續(xù)執(zhí)行下面的操作。 2. 80386結(jié)構(gòu)及外部連線結(jié)構(gòu)及外部連線 Intel 80386包括指令部件、

12、執(zhí)行部件和存儲管理部包括指令部件、執(zhí)行部件和存儲管理部 件等。指令部件完成取指及指令譯碼功能，并產(chǎn)生件等。指令部件完成取指及指令譯碼功能，并產(chǎn)生 控制信號；執(zhí)行部件包括控制信號；執(zhí)行部件包括ALU、乘法部件、寄存器、乘法部件、寄存器 組等；存儲管理部件用來確定存儲器地址。組等；存儲管理部件用來確定存儲器地址。 80386微處理器芯片通過引出端與計算機的其他部微處理器芯片通過引出端與計算機的其他部 件連接，引出端信號按功能劃分如圖件連接，引出端信號按功能劃分如圖6.2所示。圖所示。圖 上的箭頭表示信號傳送的方向。上的箭頭表示信號傳送的方向。 圖圖6.2 Intel 80386引出端信號引出端信號

13、 各個信號的功能解釋如下：各個信號的功能解釋如下： (1) D0D31：32位數(shù)據(jù)總線，是傳送數(shù)據(jù)的雙向位數(shù)據(jù)總線，是傳送數(shù)據(jù)的雙向 總線?？偩€。 (2) A2A31，BE0BE3：A0A31是是32位地位地 址線，其中址線，其中A0，A1在在80386內(nèi)部轉(zhuǎn)換成內(nèi)部轉(zhuǎn)換成“字節(jié)使能字節(jié)使能” 信號信號BE0BE3，分別是字節(jié)，分別是字節(jié)0字節(jié)字節(jié)3的選擇的選擇 信號，符號表示低電位有效。信號，符號表示低電位有效。 (3) CLK2：輸入到：輸入到80386的時鐘。的時鐘。 (4) reset：總清或復(fù)位信號。：總清或復(fù)位信號。 (5) WR、DC、MIO、LOCK：是：是 總線周期定義信號。

14、總線周期定義信號。 (6) ADS、NA、BS16、Ready：是總線控：是總線控 制信號。制信號。 (7) HOLD和和HLDA：為總線仲裁信號。：為總線仲裁信號。 (8) INTR和和NMI：為中斷請求信號和不可屏蔽中斷：為中斷請求信號和不可屏蔽中斷 請求信號。請求信號。 (9) PEREQ，BUSY#，ERROR：為協(xié)處理器接口：為協(xié)處理器接口 信號。信號。 6.2 控制器的組成控制器的組成 6.2.1 控制器的功能控制器的功能 計算機對信息進行處理計算機對信息進行處理(或計算或計算)是通過程序的執(zhí)行是通過程序的執(zhí)行 而實現(xiàn)的，程序是完成某個確定算法的指令序列，而實現(xiàn)的，程序是完成某個確

15、定算法的指令序列， 要預(yù)先存放在存儲器中?？刂破鞯淖饔檬强刂瞥绦蛞A(yù)先存放在存儲器中。控制器的作用是控制程序 的執(zhí)行，它必須具有以下基本功能：的執(zhí)行，它必須具有以下基本功能： 1. 取指令取指令 當(dāng)程序已在存儲器中時，首先根據(jù)程序入口取出第當(dāng)程序已在存儲器中時，首先根據(jù)程序入口取出第 一條指令，為此要發(fā)出指令地址及控制信號。然后一條指令，為此要發(fā)出指令地址及控制信號。然后 不斷取出第不斷取出第2，3，條指令。條指令。 2. 分析指令分析指令 或叫解釋指令、指令譯碼等。是對當(dāng)前取得的指令或叫解釋指令、指令譯碼等。是對當(dāng)前取得的指令 進行分析，指出它要求作什么操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的進行分析，指出它要求

16、作什么操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的 操作控制命令，如果參與操作的數(shù)據(jù)在存儲器中，操作控制命令，如果參與操作的數(shù)據(jù)在存儲器中， 還需要形成操作數(shù)地址。還需要形成操作數(shù)地址。 3. 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 根據(jù)分析指令時產(chǎn)生的根據(jù)分析指令時產(chǎn)生的“操作命令操作命令”和和“操作數(shù)地操作數(shù)地 址址”形成相應(yīng)的操作控制信號序列，通過形成相應(yīng)的操作控制信號序列，通過CPU及輸及輸 入輸出設(shè)備的執(zhí)行，實現(xiàn)每條指令的功能，其中還入輸出設(shè)備的執(zhí)行，實現(xiàn)每條指令的功能，其中還 包括對運算結(jié)果的處理以及下條指令地址的形成。包括對運算結(jié)果的處理以及下條指令地址的形成。 計算機不斷重復(fù)順序執(zhí)行上述三種基本操作：取指、計算機不斷重復(fù)順序

17、執(zhí)行上述三種基本操作：取指、 分析、執(zhí)行；再取指、再分析、再執(zhí)行分析、執(zhí)行；再取指、再分析、再執(zhí)行，如此，如此 循環(huán)，直到遇到停機指令或外來的干預(yù)為止。循環(huán)，直到遇到停機指令或外來的干預(yù)為止。 此外，程序和數(shù)據(jù)要輸入機器，運算結(jié)果要輸出，此外，程序和數(shù)據(jù)要輸入機器，運算結(jié)果要輸出， 機器運行過程中出現(xiàn)的某些異常情況或請求要進行機器運行過程中出現(xiàn)的某些異常情況或請求要進行 處理，人與機器之間要進行對話，因此控制器還應(yīng)處理，人與機器之間要進行對話，因此控制器還應(yīng) 該具有以下功能：該具有以下功能： 4. 控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出 根據(jù)程序的安排或人的干預(yù)，在適當(dāng)?shù)?/p>

18、時候向輸入根據(jù)程序的安排或人的干預(yù)，在適當(dāng)?shù)臅r候向輸入 輸出設(shè)備發(fā)出一些相應(yīng)的命令來完成輸出設(shè)備發(fā)出一些相應(yīng)的命令來完成I/O功能，這功能，這 實際上也是通過執(zhí)行程序來完成的。實際上也是通過執(zhí)行程序來完成的。 5. 對異常情況和某些請求的處理對異常情況和某些請求的處理 當(dāng)機器出現(xiàn)某些異常情況，此時由這些部件或設(shè)備當(dāng)機器出現(xiàn)某些異常情況，此時由這些部件或設(shè)備 發(fā)出：發(fā)出： (1) “中斷請求中斷請求”信號。待信號。待CPU執(zhí)行完當(dāng)前執(zhí)行完當(dāng)前 指令后，響應(yīng)該請求，中止當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去指令后，響應(yīng)該請求，中止當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去 執(zhí)行中斷程序。當(dāng)處理完畢后，再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行中斷程序。當(dāng)處理

19、完畢后，再返回原程序繼續(xù) 運行下去?；蜻\行下去?；?2)DMA請求信號。等請求信號。等CPU完成當(dāng)前完成當(dāng)前 機器周期操作后，暫停工作，讓出總線給機器周期操作后，暫停工作，讓出總線給I/O設(shè)備，設(shè)備， 在完成在完成I/O設(shè)備與存儲器之間的傳送數(shù)據(jù)操作后，設(shè)備與存儲器之間的傳送數(shù)據(jù)操作后， CPU從暫時中止的機器周期開始繼續(xù)執(zhí)行指令。從暫時中止的機器周期開始繼續(xù)執(zhí)行指令。 DMA操作不允許改變操作不允許改變CPU中任一寄存器狀態(tài)中任一寄存器狀態(tài)(除除 DMA專用部件外專用部件外)，否則會影響，否則會影響CPU工作的正確性。工作的正確性。 6.2.2 控制器的組成控制器的組成 1. 程序計數(shù)器程序

20、計數(shù)器(PC) 即指令地址寄存器。在某些計算機中用來存放當(dāng)前即指令地址寄存器。在某些計算機中用來存放當(dāng)前 正在執(zhí)行的指令地址；而在另一些計算機中則用來正在執(zhí)行的指令地址；而在另一些計算機中則用來 存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址；而在有指令預(yù)存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址；而在有指令預(yù) 取功能的計算機中，一般還需要增加一個程序計數(shù)取功能的計算機中，一般還需要增加一個程序計數(shù) 器用來存放下一條要取出的指令地址。器用來存放下一條要取出的指令地址。 2. 指令寄存器指令寄存器(IR) 用以存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，以便在指令執(zhí)行過用以存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，以便在指令執(zhí)行過 程中，控制完成一條指令的全部

21、功能。程中，控制完成一條指令的全部功能。 3. 指令譯碼器或操作碼譯碼器指令譯碼器或操作碼譯碼器 對指令寄存器中的操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng)對指令寄存器中的操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng) 的控制信號。的控制信號。 在執(zhí)行指令過程中，需要形成有一定時序關(guān)系的操在執(zhí)行指令過程中，需要形成有一定時序關(guān)系的操 作控制信號序列，為此還需要下述組成部分。作控制信號序列，為此還需要下述組成部分。 4. 脈沖源及啟停線路脈沖源及啟停線路 脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機器的時脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機器的時 鐘脈沖，是機器周期和工作脈沖的基準信號，在機鐘脈沖，是機器周期和工作脈沖的基準信號，

22、在機 器剛加電時，還應(yīng)產(chǎn)生一個總清信號器剛加電時，還應(yīng)產(chǎn)生一個總清信號(reset)。啟停。啟停 線路保證可靠地送出或封鎖時鐘脈沖，控制時序信線路保證可靠地送出或封鎖時鐘脈沖，控制時序信 號的發(fā)生或停止，從而啟動機器工作或使之停機。號的發(fā)生或停止，從而啟動機器工作或使之停機。 5. 時序控制信號形成部件時序控制信號形成部件 當(dāng)機器啟動后，在當(dāng)機器啟動后，在CLK時鐘作用下，根據(jù)當(dāng)前正時鐘作用下，根據(jù)當(dāng)前正 在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號，在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號， 并根據(jù)被控功能部件的反饋信號調(diào)整時序控制信號。并根據(jù)被控功能部件的反饋信號調(diào)整時序控制信號。 圖圖6

23、.3是控制器基本組成的框圖是控制器基本組成的框圖 。 圖圖6.3 控制器基本組成框圖控制器基本組成框圖 6.2.3 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程 1. 組成控制器的基本電路組成控制器的基本電路 計算機中采用的電路，基本上分為兩種類型：計算機中采用的電路，基本上分為兩種類型： 一類是具有記憶功能的觸發(fā)器以及由它組成的寄存一類是具有記憶功能的觸發(fā)器以及由它組成的寄存 器、計數(shù)器和存儲單元等。其特點是當(dāng)輸入信號消器、計數(shù)器和存儲單元等。其特點是當(dāng)輸入信號消 失后，原信息仍保留其中，圖失后，原信息仍保留其中，圖6.4即是這樣的電路。即是這樣的電路。 另一類是沒有記憶功能的門電路及由它組成的加法另一類是沒有

24、記憶功能的門電路及由它組成的加法 器、算術(shù)邏輯運算單元器、算術(shù)邏輯運算單元(ALU)和各種邏輯電路等。和各種邏輯電路等。 其特點是當(dāng)輸入信號改變后，輸出跟著變化。圖其特點是當(dāng)輸入信號改變后，輸出跟著變化。圖 6.5為加法器電路為加法器電路 。 圖圖6.4 記憶電路記憶電路 圖圖6.5 沒有記憶功能的加法器沒有記憶功能的加法器 2. 指令執(zhí)行過程舉例指令執(zhí)行過程舉例 (1) 一條加法指令的執(zhí)行過程一條加法指令的執(zhí)行過程 假設(shè)運算器的框圖如圖假設(shè)運算器的框圖如圖6.6所示。運算器由所示。運算器由8個通用個通用 寄存器寄存器GR及一個算邏運算部件及一個算邏運算部件ALU組成，并有組成，并有4個個 記

25、憶運算結(jié)果狀態(tài)的標志觸發(fā)器記憶運算結(jié)果狀態(tài)的標志觸發(fā)器N，Z，V和和C。 N(負數(shù)負數(shù))： 當(dāng)運算結(jié)果為負數(shù)時，置當(dāng)運算結(jié)果為負數(shù)時，置“1”，否則為，否則為 “0”。 Z(零零)： 當(dāng)運算結(jié)果為零時，當(dāng)運算結(jié)果為零時，Z1，否則，否則Z0。 V(溢出溢出)： 當(dāng)運算結(jié)果溢出時，當(dāng)運算結(jié)果溢出時，V1，否則，否則V0。 C(進位進位)： 當(dāng)加法運算產(chǎn)生進位信號或減法運算產(chǎn)當(dāng)加法運算產(chǎn)生進位信號或減法運算產(chǎn) 生借位信號時，生借位信號時，C1，否則，否則C0。 圖圖6.6 運算器框圖運算器框圖 圖圖6.7是加法指令的操作時序圖是加法指令的操作時序圖 。 加法指令完成以下操作加法指令完成以下操作 從

26、存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作 碼譯碼碼譯碼(分析指令分析指令)。 計算數(shù)據(jù)地址，將計算得到的有效地址送地址寄計算數(shù)據(jù)地址，將計算得到的有效地址送地址寄 存器存器AR。 到存儲器取數(shù)。到存儲器取數(shù)。 進行加法運算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運算結(jié)果進行加法運算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運算結(jié)果 置狀態(tài)位置狀態(tài)位N，Z，V，C。 圖圖6.7 加法指令時序圖加法指令時序圖 (2) 條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過程條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過程 指令功能：根據(jù)指令功能：根據(jù)N，Z，V，C的狀態(tài)，決定是否轉(zhuǎn)的狀態(tài)，決定是否轉(zhuǎn) 換。如轉(zhuǎn)移條件成立，則轉(zhuǎn)移到本條指令所指定的換。如轉(zhuǎn)

27、移條件成立，則轉(zhuǎn)移到本條指令所指定的 地址，否則順序執(zhí)行下一條指令。地址，否則順序執(zhí)行下一條指令。 本條指令完成以下操作：本條指令完成以下操作： 從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作 碼譯碼。碼譯碼。 如轉(zhuǎn)移條件成立，根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式計算如轉(zhuǎn)移條件成立，根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式計算 有效地址，轉(zhuǎn)移指令經(jīng)常采用相對尋址方式，此時有效地址，轉(zhuǎn)移指令經(jīng)常采用相對尋址方式，此時 轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址PC+disp。 本條指令只需要兩個機器周期，如轉(zhuǎn)移條件成立，本條指令只需要兩個機器周期，如轉(zhuǎn)移條件成立， 在第二機器周期增加一個在第二機器周期增加一個ALU

28、PC信號；另外，信號；另外， 如為相對轉(zhuǎn)移，則用如為相對轉(zhuǎn)移，則用PCALU信號取代加法指令信號取代加法指令 第二周期中的第二周期中的(rs1)ALU信號，其他信號與加法指信號，其他信號與加法指 令的前兩個機器周期中的信號相同。令的前兩個機器周期中的信號相同。 某些計算機對條件轉(zhuǎn)移指令的功能規(guī)定為：先進行某些計算機對條件轉(zhuǎn)移指令的功能規(guī)定為：先進行 比較運算，根據(jù)運算比較運算，根據(jù)運算(比較比較)結(jié)果置條件碼，并根據(jù)結(jié)果置條件碼，并根據(jù) 條件碼決定是否轉(zhuǎn)移。要完成這樣的功能顯然要增條件碼決定是否轉(zhuǎn)移。要完成這樣的功能顯然要增 加周期數(shù)。加周期數(shù)。 單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版標題樣

29、式 單擊此處編輯母版副標題樣式單擊此處編輯母版副標題樣式 開課單位信息工程課程名稱計算機組成與結(jié)構(gòu) 授課教師王潤輝授課對象計機、計本 選用教材王愛英編總學(xué)時學(xué)時 課次第7次第六章第三 節(jié) 教學(xué)目的 及要求 使學(xué)生了解微程序控制計算機微程序控制計算機、掌握微程序控微程序控 制計算機的基本工作原理制計算機的基本工作原理 教學(xué)重點微程序控制計算機的基本工作原理微程序控制計算機的基本工作原理 教學(xué)難點微程序控制計算機的基本工作原理微程序控制計算機的基本工作原理 教學(xué)方式、方法 講授 教學(xué)過程及 時間分配.二學(xué)時 6.3 微程序控制計算機的基本工作原理微程序控制計算機的基本工作原理 6.3.1 微程序控

30、制的基本概念微程序控制的基本概念 在計算機中，一條指令的功能是通過按一定次序執(zhí)在計算機中，一條指令的功能是通過按一定次序執(zhí) 行一系列基本操作完成的，這些基本操作稱為微操行一系列基本操作完成的，這些基本操作稱為微操 作。作。 微指令：在微程序控制的計算機中，將由同時發(fā)出微指令：在微程序控制的計算機中，將由同時發(fā)出 的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令，所以的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令，所以 微指令就是把同時發(fā)出的控制信號的有關(guān)信息匯集微指令就是把同時發(fā)出的控制信號的有關(guān)信息匯集 起來而形成的。將一條指令分成若干條微指令，按起來而形成的。將一條指令分成若干條微指令，按 次序執(zhí)行這些微指

31、令，就可以實現(xiàn)指令的功能。組次序執(zhí)行這些微指令，就可以實現(xiàn)指令的功能。組 成微指令的微操作，又稱微命令。成微指令的微操作，又稱微命令。 微程序：計算機的程序由指令序列構(gòu)成，而計算機微程序：計算機的程序由指令序列構(gòu)成，而計算機 每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微 指令序列的集合就叫做微程序。指令序列的集合就叫做微程序。 控制存儲器：微程序是存放在存儲器中的，由于該控制存儲器：微程序是存放在存儲器中的，由于該 存儲器主要存放控制命令存儲器主要存放控制命令(信號信號)與下一條執(zhí)行的微與下一條執(zhí)行的微 指令地址指令地址(簡稱為下址簡稱為下址)，所以

32、被叫做控制存儲器。，所以被叫做控制存儲器。 一般計算機指令系統(tǒng)是固定的，所以實現(xiàn)指令系統(tǒng)一般計算機指令系統(tǒng)是固定的，所以實現(xiàn)指令系統(tǒng) 的微程序也是固定的，于是控制存儲器可以用只讀的微程序也是固定的，于是控制存儲器可以用只讀 存儲器實現(xiàn)。存儲器實現(xiàn)。 執(zhí)行一條指令實際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲執(zhí)行一條指令實際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲 器中的微程序。器中的微程序。 6.3.2 實現(xiàn)微程序控制的基本原理實現(xiàn)微程序控制的基本原理 1. 控制信號控制信號 將上一節(jié)講到的運算器和控制器組合在一起，即為將上一節(jié)講到的運算器和控制器組合在一起，即為 圖圖6.8。本圖假設(shè)。本圖假設(shè)ALU可以進行加可以進行

33、加(+)、減、減(-)、邏輯、邏輯 加加()邏輯乘邏輯乘()四種運算，圖中的控制信號用符四種運算，圖中的控制信號用符 號號1，2，3，表示，其意義見表表示，其意義見表6.1。 仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它由四條微指令解釋仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它由四條微指令解釋 執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號是同時發(fā)出的。執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號是同時發(fā)出的。 每條微指令所需的控制信號如下：每條微指令所需的控制信號如下： (1) 取指微指令取指微指令 指令地址送地址總線：指令地址送地址總線：PCAB(1) 表表6.1 控制信號一覽表控制信號一覽表 序號序號控制信號控制信號功能功能序號序號控制信號控

34、制信號功能功能 1PCAB指令地址送地址總線指令地址送地址總線13+ALU進行加法運算進行加法運算 2ALUPC轉(zhuǎn)移地址送轉(zhuǎn)移地址送PC14-ALU進行減法運算進行減法運算 3PC+1程序計數(shù)器加程序計數(shù)器加115ALU進行邏輯乘運算進行邏輯乘運算 4imm(disp)ALU立即數(shù)或位移量送立即數(shù)或位移量送ALU16ALU進行邏輯加運算進行邏輯加運算 5DBIR取指到指令寄存器取指到指令寄存器17ALUGRALU運算結(jié)果送通用寄存器運算結(jié)果送通用寄存器 6DBDR 數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù) 寄存器寄存器 18ALUDRALU運算結(jié)果送數(shù)據(jù)寄存器運算結(jié)果送數(shù)據(jù)寄存器 7DRD

35、B 數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送數(shù)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送數(shù) 據(jù)總線據(jù)總線 19ALUAR ALU計算得的有效地址送地計算得的有效地址送地 址寄存器址寄存器 8rs1GR寄存器地址送通用寄存器寄存器地址送通用寄存器20ARAB地址寄存器內(nèi)容送地址總線地址寄存器內(nèi)容送地址總線 9rs,rdGR寄存器地址送通用寄存器寄存器地址送通用寄存器21ADS地址總線上地址有效地址總線上地址有效 10(rs1)ALU寄存器內(nèi)容送寄存器內(nèi)容送ALU22M/IO訪問存儲器或訪問存儲器或I/O 11(rs)ALU寄存器內(nèi)容送寄存器內(nèi)容送ALU23W/R寫或讀寫或讀 12DRALU數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容送數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容送ALU 圖圖6.

36、8 CPU（運算控制器）邏輯框圖（運算控制器）邏輯框圖 發(fā)訪存控制命令：發(fā)訪存控制命令：ADS(21)，MIO1(22)， WR0(23)。從存儲器取指令送數(shù)據(jù)總線。從存儲器取指令送數(shù)據(jù)總線。 指令送指令寄存器：指令送指令寄存器：DBIR(5) 程序計數(shù)器程序計數(shù)器+1：PC+1(3) (2) 計算地址微指令計算地址微指令 取兩個源操作數(shù)取兩個源操作數(shù)(計算地址用計算地址用)：rs1GR(8)， (rs1)ALU(10)，dispALU(4)。 加法運算：加法運算：“+”(13)。 有效地址送地址寄存器：有效地址送地址寄存器：ALUAR(19)。 (3) 取數(shù)微指令取數(shù)微指令 數(shù)據(jù)地址送地址總

37、線：數(shù)據(jù)地址送地址總線：ARAB(20)。 發(fā)訪存控制命令：發(fā)訪存控制命令：ADS(21)，MIO(22)， W/R(23)。由存儲器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線。由存儲器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DB。 數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器：DBDR(6) (4) 加法運算和送結(jié)果微指令加法運算和送結(jié)果微指令 兩源操作數(shù)送兩源操作數(shù)送ALU：rsGR(9)，(rs)ALU(11)； DRALU(12)。 加法運算：加法運算：“+”(13) 送結(jié)果：送結(jié)果：ALUGR(17) 圖圖6.9為加法指令的四條微指令編碼，每一小格表為加法指令的四條微指令編碼，每一小格表 示一位示一位(二進制二進制)，空格表示，空格表示0，第

38、，第24位到第位到第35位為位為 下址。下址。 微程序也可以用流程圖來表示微程序也可以用流程圖來表示(圖圖6.10)。圖中每一。圖中每一 方框表示一條微指令，方框上方表示的是該條微指方框表示一條微指令，方框上方表示的是該條微指 令的地址，方框內(nèi)為執(zhí)行的操作，在其右下角為下令的地址，方框內(nèi)為執(zhí)行的操作，在其右下角為下 一條要執(zhí)行的微指令的地址，表示在微指令的下址一條要執(zhí)行的微指令的地址，表示在微指令的下址 字段中字段中(見圖見圖6.9)。取指微指令的操作對所有的指令。取指微指令的操作對所有的指令 都是相同的。所以是一條公用的微指令，其下址由都是相同的。所以是一條公用的微指令，其下址由 操作碼譯碼

39、產(chǎn)生。操作碼譯碼產(chǎn)生。 圖圖6.9 加法指令的微指令編碼加法指令的微指令編碼 圖圖6.10 微程序流程圖舉例微程序流程圖舉例 2. 微程序控制器微程序控制器 微程序控制器如圖微程序控制器如圖6.11所示。圖中的控制存儲器與所示。圖中的控制存儲器與 微指令寄存器替代了圖微指令寄存器替代了圖6.3和圖和圖6.8中的時序控制信中的時序控制信 號形成部件。號形成部件。 3. 時序信號及工作脈沖的形成時序信號及工作脈沖的形成 首先討論圖首先討論圖6.7中的中的CLK及及T1，T2是怎樣產(chǎn)生的，是怎樣產(chǎn)生的， 分析它們之間的關(guān)系，可以知道分析它們之間的關(guān)系，可以知道CLK2經(jīng)過二分頻經(jīng)過二分頻 得到得到C

40、LK，再將，再將CLK分頻得到分頻得到T1。而。而T2可從可從T1反反 相得到。一般利用觸發(fā)器電路進行分頻，因此從觸相得到。一般利用觸發(fā)器電路進行分頻，因此從觸 發(fā)器的另一端輸出即為發(fā)器的另一端輸出即為T2。圖。圖6.12畫出了產(chǎn)生畫出了產(chǎn)生CLK 和和T1，T2信號的二分頻電路及其波形圖。信號的二分頻電路及其波形圖。 圖圖6.11 微程序控制器簡框圖微程序控制器簡框圖 圖圖6.12 時序信號及工作脈沖時序信號及工作脈沖 前面曾假設(shè)一個機器周期由前面曾假設(shè)一個機器周期由T1和和T2組成，在組成，在T2的的 末尾需要產(chǎn)生一個工作脈沖末尾需要產(chǎn)生一個工作脈沖CP來保存計算結(jié)果或來保存計算結(jié)果或 接

41、收傳送的數(shù)據(jù)及指令等。例如，在第一個機器周接收傳送的數(shù)據(jù)及指令等。例如，在第一個機器周 期的末尾要將從存儲器取來的指令送入指令寄存器，期的末尾要將從存儲器取來的指令送入指令寄存器， 并完成程序計數(shù)器加并完成程序計數(shù)器加1的操作。在圖的操作。在圖6.12中畫出的中畫出的 工作脈沖工作脈沖CP可用邏輯式表示如下：可用邏輯式表示如下： CPT2CLKCLK2(6.1) 同樣將上述一些信號組合可以得到我們想得到的任同樣將上述一些信號組合可以得到我們想得到的任 意時序脈沖。意時序脈沖。 下面討論一下機器中一些寄存器的打入脈沖是如何下面討論一下機器中一些寄存器的打入脈沖是如何 形成的。例如，在取指周期，要

42、將指令送入指令寄形成的。例如，在取指周期，要將指令送入指令寄 存器，并將程序計數(shù)器的內(nèi)容加存器，并將程序計數(shù)器的內(nèi)容加1，從圖，從圖6.9可見，可見， 此時微指令的控制位此時微指令的控制位DBIR和和PC+1為為“1”，因此，因此 采用采用“與與”門，如圖門，如圖6.13(a)和圖和圖6.13(b)所示即可形所示即可形 成成IR和和PC的打入脈沖的打入脈沖(CP-IR和和CP-PC)。 有些信號，例如有些信號，例如ADS，僅在時間起作用，可，僅在時間起作用，可 利用微指令控制位利用微指令控制位ADS和和T1相相“與與”，即可得到，即可得到 ADS如圖如圖6.13(c)所示。所示。 圖圖6.13

43、 CP-IR、CP-PC和和ADS信號的形成信號的形成 4. 電路配合中的常見問題電路配合中的常見問題 (1) 電路延遲引起的波形畸變電路延遲引起的波形畸變 信號通過邏輯電路時，由于電路內(nèi)部的原因以及寄信號通過邏輯電路時，由于電路內(nèi)部的原因以及寄 生參數(shù)生參數(shù)(如寄生電容如寄生電容)的影響，可能產(chǎn)生不期望的信的影響，可能產(chǎn)生不期望的信 號畸變或號畸變或“毛刺毛刺”。如圖。如圖6.14所示的所示的“符合符合”電路電路 。 圖圖6.15(a)是一個分頻電路，由觸發(fā)器和是一個分頻電路，由觸發(fā)器和“與與”門組門組 成。成。 圖圖6.14 符合電路及波形符合電路及波形 圖圖6.15 延遲引起的毛刺延遲引

44、起的毛刺 (2) 機器周期的確定機器周期的確定 機器周期對機器速度影響很大，是計算機的主要指機器周期對機器速度影響很大，是計算機的主要指 標之一。標之一。 在圖在圖6.7的波形圖中，有一個的波形圖中，有一個ready信號，它是信號，它是CPU 訪問存儲器時，由存儲器送回訪問存儲器時，由存儲器送回CPU的回答信號，這的回答信號，這 是考慮到存儲器的速度可能與是考慮到存儲器的速度可能與CPU不一致，假如存不一致，假如存 儲器的速度較低，則儲器的速度較低，則ready信號出現(xiàn)較晚，信號出現(xiàn)較晚，CPU將將 延長一個或一個以上延長一個或一個以上T2節(jié)拍信號。圖節(jié)拍信號。圖6.16是用來產(chǎn)是用來產(chǎn) 生生

45、CLK及及T1，T2信號的分頻電路信號的分頻電路 。 圖圖6.16 時鐘、節(jié)拍時序電路時鐘、節(jié)拍時序電路 (3) 時鐘脈沖時鐘脈沖CLK和工作脈沖和工作脈沖CP的標準性的標準性 CLK和和CP是控制全機工作的脈沖，因此對它的幅是控制全機工作的脈沖，因此對它的幅 度及寬度要求是很嚴格的。度及寬度要求是很嚴格的。CP主要作為寄存器和主要作為寄存器和 觸發(fā)電路的打入脈沖。例如，有觸發(fā)電路的打入脈沖。例如，有A，B，C三個觸發(fā)三個觸發(fā) 器，當(dāng)滿足條件器，當(dāng)滿足條件cond時，將時，將A觸發(fā)器內(nèi)容送觸發(fā)器內(nèi)容送B，同，同 時將原時將原B觸發(fā)器內(nèi)容送觸發(fā)器內(nèi)容送C。對。對CP的控制有兩種方式：的控制有兩種

46、方式： 一種方式是控制一種方式是控制CP-B與與CP-C信號如圖信號如圖6.17(a)所示，所示， 當(dāng)滿足當(dāng)滿足cond條件時，才產(chǎn)生條件時，才產(chǎn)生CP-B和和CP-C信號。另信號。另 一種方式是一種方式是CP脈沖不受控制，總是作用在觸發(fā)器脈沖不受控制，總是作用在觸發(fā)器 上，但當(dāng)條件不成立時，使觸發(fā)器處于保持狀態(tài)上，但當(dāng)條件不成立時，使觸發(fā)器處于保持狀態(tài) (即維持原狀態(tài)不變即維持原狀態(tài)不變)，而當(dāng)條件成立時，接受新狀，而當(dāng)條件成立時，接受新狀 態(tài)如圖態(tài)如圖6.17(b)所示。所示。 圖圖6.17 觸發(fā)器之間傳送信息的電路觸發(fā)器之間傳送信息的電路 觸發(fā)器觸發(fā)器A，B，C是具有維持阻塞功能的是具有

47、維持阻塞功能的D型觸發(fā)器。型觸發(fā)器。 在圖在圖6.17中假設(shè)中假設(shè)CP-B與與CP-C是同時作用的脈沖，是同時作用的脈沖， 因此能可靠傳送數(shù)據(jù)，但假如因此能可靠傳送數(shù)據(jù)，但假如CP-B比比CP-C來得早，來得早， 那么有可能將那么有可能將B觸發(fā)器剛接收的新數(shù)據(jù)傳送到觸發(fā)器剛接收的新數(shù)據(jù)傳送到C觸觸 發(fā)器。在圖發(fā)器。在圖6.17(a)中，中，CP-B和和CP-C不是來自同一不是來自同一 處，假如設(shè)計時不注意這一問題，就可能產(chǎn)生處，假如設(shè)計時不注意這一問題，就可能產(chǎn)生CP- B早于早于CP-C的情況。在控制打入脈沖的機器中，總的情況。在控制打入脈沖的機器中，總 是盡量將是盡量將CP信號送到控制門的

48、最后一級。例如，信號送到控制門的最后一級。例如， 圖圖6.18(a)與與(b)都能實現(xiàn)都能實現(xiàn)F=ABCDECP的功能，的功能， 但在圖但在圖6.18(a)中，中，CP所經(jīng)過的門比圖所經(jīng)過的門比圖6.18(b)少一少一 級，所以圖級，所以圖6.18(a)的電路比圖的電路比圖6.18(b)為好。為好。 圖圖6.18 CP脈沖在電路中的安排脈沖在電路中的安排 圖圖6.17(b)利用時鐘脈沖利用時鐘脈沖CP直接作為觸發(fā)器的打入直接作為觸發(fā)器的打入 脈沖，提高了可靠性，但是增加了電路的復(fù)雜性，脈沖，提高了可靠性，但是增加了電路的復(fù)雜性， 因為在某些情況下，要保持原觸發(fā)器狀態(tài)不變。另因為在某些情況下，要

49、保持原觸發(fā)器狀態(tài)不變。另 外也要看到，在這種計算機中外也要看到，在這種計算機中CP的負載一定很重，的負載一定很重， 實際上要用若干個驅(qū)動電路并行工作如圖實際上要用若干個驅(qū)動電路并行工作如圖6.19所示。所示。 各各CLKi(i1，2，3,)之間的波形不會完全相同，之間的波形不會完全相同， 但由于它們經(jīng)過的門的級數(shù)相同，而且在同一芯片但由于它們經(jīng)過的門的級數(shù)相同，而且在同一芯片 內(nèi)部，所以相差不大，又由于寄存器或觸發(fā)器的狀內(nèi)部，所以相差不大，又由于寄存器或觸發(fā)器的狀 態(tài)變化有一定的延遲時間，因此允許態(tài)變化有一定的延遲時間，因此允許CLKi在一定在一定 范圍內(nèi)變化。如圖范圍內(nèi)變化。如圖6.19的電

50、路由多個芯片組成，則的電路由多個芯片組成，則 要選擇性能相同的芯片。要選擇性能相同的芯片。 圖圖6.19 負載很重情況下的電路負載很重情況下的電路 經(jīng)過多級門的時鐘脈沖，還可能改變脈沖寬度。例經(jīng)過多級門的時鐘脈沖，還可能改變脈沖寬度。例 如，如，TTL電路的輸出波形，上升邊較壞，下降邊較電路的輸出波形，上升邊較壞，下降邊較 陡，假如各級門負載不同，會導(dǎo)致脈沖寬度增加或陡，假如各級門負載不同，會導(dǎo)致脈沖寬度增加或 減少。減少。 在傳送在傳送CLK的線上或產(chǎn)生打入脈沖的信號線上不的線上或產(chǎn)生打入脈沖的信號線上不 允許出現(xiàn)允許出現(xiàn)“毛刺毛刺”，否則將引起誤動作。，否則將引起誤動作。 5. 微程序控制

51、計算機的工作過程簡單的總結(jié)微程序控制計算機的工作過程簡單的總結(jié)(參閱參閱 圖圖6.8) 機器加電后，首先由機器加電后，首先由reset信號在信號在PC內(nèi)置入開機后內(nèi)置入開機后 執(zhí)行的第一條指令的地址，同時在微指令寄存器內(nèi)執(zhí)行的第一條指令的地址，同時在微指令寄存器內(nèi) 置入一條置入一條“取指取指”微指令，并將其他一些有關(guān)的狀微指令，并將其他一些有關(guān)的狀 態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當(dāng)電壓達到穩(wěn)定值后，態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當(dāng)電壓達到穩(wěn)定值后， 自動啟動機器工作，產(chǎn)生節(jié)拍電位自動啟動機器工作，產(chǎn)生節(jié)拍電位T1，T2和和CP。 為保證機器正常工作，必須由電路保證開機工作后為保證機器正常工作，必須由電

52、路保證開機工作后 第一個機器周期信號的完整性，在該周期的末尾，第一個機器周期信號的完整性，在該周期的末尾， 產(chǎn)生開機后第一個工作脈沖產(chǎn)生開機后第一個工作脈沖CP。然后機器開始執(zhí)。然后機器開始執(zhí) 行程序，不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令。行程序，不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令。 程序可以存放在固定存儲器中，也可以利用一小段程序可以存放在固定存儲器中，也可以利用一小段 引導(dǎo)程序引導(dǎo)程序(在固存中在固存中)將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部 設(shè)備調(diào)入主存。實現(xiàn)各條指令的微程序是存放在微設(shè)備調(diào)入主存。實現(xiàn)各條指令的微程序是存放在微 程序控制器中的。當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從微程序程

53、序控制器中的。當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從微程序 控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的 控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并 進行相應(yīng)的處理。當(dāng)遇到停機指令或外來停機命令進行相應(yīng)的處理。當(dāng)遇到停機指令或外來停機命令 時，應(yīng)該待當(dāng)前這條指令執(zhí)行完再停機或至少在本時，應(yīng)該待當(dāng)前這條指令執(zhí)行完再停機或至少在本 機器周期結(jié)束時再停機。機器的啟動停止、工作節(jié)機器周期結(jié)束時再停機。機器的啟動停止、工作節(jié) 拍和脈沖的關(guān)系如圖拍和脈沖的關(guān)系如圖6.20所示。在停機后重新啟動所示。在停機后重新啟動 要保證機器繼續(xù)工

54、作且不出任何錯誤。要保證機器繼續(xù)工作且不出任何錯誤。 圖圖6.20 啟停信號與機器節(jié)拍電位和脈沖啟停信號與機器節(jié)拍電位和脈沖 停機與停電是兩個不同的概念，停機時電壓仍維持停機與停電是兩個不同的概念，停機時電壓仍維持 正常，因此寄存器與存儲器仍保持信息不變，重新正常，因此寄存器與存儲器仍保持信息不變，重新 啟動后從程序停頓處啟動后從程序停頓處(稱為斷點稱為斷點)繼續(xù)執(zhí)行下去。而繼續(xù)執(zhí)行下去。而 停電后情況大不相同，此時寄存器與存儲器的內(nèi)容停電后情況大不相同，此時寄存器與存儲器的內(nèi)容 已消失，加電后產(chǎn)生的已消失，加電后產(chǎn)生的reset信號，使機器從固定入信號，使機器從固定入 口重新開始運行。某些機

55、器不設(shè)停機指令，而是不口重新開始運行。某些機器不設(shè)停機指令，而是不 斷循環(huán)執(zhí)行一條或幾條無實質(zhì)內(nèi)容的指令實現(xiàn)動態(tài)斷循環(huán)執(zhí)行一條或幾條無實質(zhì)內(nèi)容的指令實現(xiàn)動態(tài) 停機。此時一般依靠外來中斷請求信號，啟動機器停機。此時一般依靠外來中斷請求信號，啟動機器 繼續(xù)工作。繼續(xù)工作。 某些機器具有停電后自動再啟動功能。這種工作方某些機器具有停電后自動再啟動功能。這種工作方 式適用于電源有故障或短時間內(nèi)交流電壓不穩(wěn)定的式適用于電源有故障或短時間內(nèi)交流電壓不穩(wěn)定的 情況，在無人操作的情況下還能保證機器繼續(xù)工作。情況，在無人操作的情況下還能保證機器繼續(xù)工作。 而更為一般的工作方式是在人工操作下讓機器重新而更為一般的

56、工作方式是在人工操作下讓機器重新 開始工作。開始工作。 單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版副標題樣式單擊此處編輯母版副標題樣式 開課單位信息工程課程名稱計算機組成與結(jié)構(gòu) 授課教師王潤輝授課對象計機、計本 選用教材王愛英編總學(xué)時學(xué)時 課次第8次第六章第四、五 節(jié) 教學(xué)目的 及要求 使學(xué)生了解硬件布線控制的計算機 ，掌握微程微程 序設(shè)計技術(shù)序設(shè)計技術(shù) 教學(xué)重點微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計技術(shù) 教學(xué)難點微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計技術(shù) 教學(xué)方式、方法 講授 教學(xué)過程及 時間分配.、8.5二學(xué)時 6.4 微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計技術(shù) 6.4.1 微指令的編譯法微指令的編譯法(編

57、碼譯碼方法編碼譯碼方法) 1. 直接控制法直接控制法 在微指令的控制字段中，每一位代表一個微命令，在微指令的控制字段中，每一位代表一個微命令， 在設(shè)計微指令時，是否發(fā)出某個微命令，只要將控在設(shè)計微指令時，是否發(fā)出某個微命令，只要將控 制字段中相應(yīng)位置成制字段中相應(yīng)位置成“1”或或“0”，這樣就可打開或，這樣就可打開或 關(guān)閉某個控制門，這就是直接控制法，在關(guān)閉某個控制門，這就是直接控制法，在6.3節(jié)中節(jié)中 所講的就是這種方法。但在某些復(fù)雜的計算機中，所講的就是這種方法。但在某些復(fù)雜的計算機中， 微命令甚至可多達三四百個，這使微指令字長達到微命令甚至可多達三四百個，這使微指令字長達到 難以接受的地

58、步，并要求機器有大容量控制存儲器，難以接受的地步，并要求機器有大容量控制存儲器， 為了改進設(shè)計出現(xiàn)了以下各種編譯法。為了改進設(shè)計出現(xiàn)了以下各種編譯法。 2. 字段直接編譯法字段直接編譯法 在計算機中的各個控制門，在任一微周期內(nèi)，不可在計算機中的各個控制門，在任一微周期內(nèi)，不可 能同時被打開，而且大部分是關(guān)閉的能同時被打開，而且大部分是關(guān)閉的(即相應(yīng)的控即相應(yīng)的控 制位為制位為“0”)。所謂微周期，指的是一條微指令所。所謂微周期，指的是一條微指令所 需的執(zhí)行時間。如果有若干個需的執(zhí)行時間。如果有若干個(一組一組)微命令，在每微命令，在每 次選擇使用它們的微周期內(nèi)，只有一個微命令起作次選擇使用它們

59、的微周期內(nèi)，只有一個微命令起作 用，那么這若干個微命令是互斥的。選出互斥的微用，那么這若干個微命令是互斥的。選出互斥的微 命令，并將這些微命令編成一組，成為微指令字的命令，并將這些微命令編成一組，成為微指令字的 一個字段，用二進制編碼來表示。而在微指令寄存一個字段，用二進制編碼來表示。而在微指令寄存 器的輸出端，為該字段增加一個譯碼器，該譯碼器器的輸出端，為該字段增加一個譯碼器，該譯碼器 的輸出即為原來的微命令的輸出即為原來的微命令(圖圖6.21)。 圖圖6.21 字段直接編譯法字段直接編譯法 字段長度與所能表示的微命令數(shù)的關(guān)系如下：字段長度與所能表示的微命令數(shù)的關(guān)系如下： 字段長度字段長度

60、微命令數(shù)微命令數(shù) 2位位23 3位位47 4位位815 一般每個字段要留出一個代碼，表示本段不發(fā)出任一般每個字段要留出一個代碼，表示本段不發(fā)出任 何微命令，因此當(dāng)字段長度為何微命令，因此當(dāng)字段長度為3位時，最多只能表位時，最多只能表 示示7個互斥的微命令，通常代碼個互斥的微命令，通常代碼000表示不發(fā)微命令。表示不發(fā)微命令。 3. 字段間接編譯法字段間接編譯法 字段間接編譯法是在字段直接編譯法的基礎(chǔ)上，進字段間接編譯法是在字段直接編譯法的基礎(chǔ)上，進 一步縮短微指令字長的一種編譯法。如果在字段直一步縮短微指令字長的一種編譯法。如果在字段直 接編譯法中，還規(guī)定一個字段的某些微命令，要兼接編譯法中，