計算機組成原理課件：Ch5 中央處理器

1、2021-11-231第5章 中央處理器2Intel 4004 n1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊個人 4位微處理器芯片Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。n1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統(tǒng)其包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器。3Intel 8008p1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel 8008。8008采用的是P溝道MOS微處理器，屬第一代微處理器。 48080 第二代微處理器n1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Inte

2、l 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。 n主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。5Z80微處理器 nZilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。6Intel 8086 第三代微處理器n1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)志著第三代微處理器問世。n它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術(shù)的晶體管，售價3

3、60美元。 7CPU的發(fā)展n8080CPU：運算器運算器+控制器控制器n8086CPU：運算器：運算器+控制器控制器+分段功能分段功能n80386CPU：運算器：運算器+控制器控制器+分段部件分段部件+分頁部件分頁部件 存儲管理部件存儲管理部件 (MMU)n80486CPU：運算器：運算器+控制器控制器 + MMU +FPU+CachenPentiumCPU：片內(nèi)有：片內(nèi)有二條流水線二條流水線，引入，引入超標(biāo)量技術(shù)超標(biāo)量技術(shù)nPentium Pro CPU：引入：引入超流水線技術(shù)超流水線技術(shù) nPentium MMX CPU：引入：引入多媒體擴展技術(shù)多媒體擴展技術(shù)nPentium II、 Pe

4、ntium III、 Pentium 4：SSE/SSE2技術(shù)技術(shù)(增加對增加對3D處理技術(shù)處理技術(shù))nDual Core及多核芯片及多核芯片8內(nèi)容概要nCPU概念n指令周期n時序控制及時序控制器n控制信號及控制器n流水CPU95.1 CPU概念nCPU的功能nCPU的組成n從寄存器角度認識CPUn從控制信號角度認識CPU10回顧：計算機硬件五大部分回顧：計算機硬件五大部分:控制器為中心視圖控制器為中心視圖 / CPU控制器輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運算器結(jié)果數(shù)據(jù)取數(shù)存數(shù)輸入命令輸出命令說明說明:實線：控制線實線：控制線 虛線：反饋線虛線：反饋線 粗線：數(shù)據(jù)線粗線：數(shù)據(jù)線11CPU的功能n指令控制

5、指令控制 程序的順序控制n操作控制操作控制 CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號,把各種操作信號送往相應(yīng)的部件,從而控制這些部件按指令的要求動作。n時間控制時間控制 對各種操作實施時間上的定時n數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工 對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算12CPU的組成n基本組成基本組成運算器控制器n其它組成部分其它組成部分Cache浮點處理器1314n組成：p算術(shù)邏輯單元ALUp通用寄存器Rnp數(shù)據(jù)緩沖寄存器DRp狀態(tài)條件寄存器PSW （程序狀態(tài)字寄存器）n功能p執(zhí)行算術(shù)運算p執(zhí)行邏輯運算運算器15n組成：p程序計數(shù)器p指令寄存器p指令譯碼器p時序產(chǎn)生器p操作控制器控制器n功能p從內(nèi)存中取一條指

6、令，并指出下一條指令的位置p對指令譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)操作控制信號p指揮并控制數(shù)據(jù)流動方向16從寄存器角度認識CPUn指令寄存器IRn程序計數(shù)器PCn地址寄存器ARn數(shù)據(jù)緩沖寄存器DRn通用寄存器Rnn狀態(tài)條件寄存器PSW17指令寄存器IRn作用：p存放當(dāng)前指令代碼n信息來源：p存儲器（取指令操作）n信息輸出p指令譯碼器p地址信息（尋址方式）n寄存器位數(shù)：指令字長度18程序計數(shù)器PCn作用：p確定下一條執(zhí)行的指令地址，保證程序連續(xù)執(zhí)行n信息來源p賦值（初值、IR或其它）pPC1n信息輸出：p存儲器地址（取指令）n寄存器位數(shù)：p通常為CPU地址線位數(shù)19(數(shù)據(jù))地址寄存器ARn作用：p保存并提供穩(wěn)定的

7、存儲器地址值n信息來源p程序計數(shù)器PCp存儲器或其它寄存器n信息輸出：p存儲器地址（IO）n寄存器位數(shù)：p通常為CPU地址線位數(shù)20數(shù)據(jù)緩沖寄存器DRn作用p緩沖ALU運算結(jié)果和通用寄存器信息傳送pCPU與外部的信息傳送中轉(zhuǎn)，補償CPU與外部的信息傳送速度差別n信息來源及目標(biāo)：pCPU或外部（雙向）n寄存器位數(shù)：p計算機字長21通用寄存器Rnn作用：p為算術(shù)邏輯運算單元提供工作區(qū)n信息來源與目標(biāo)p既可存放ALU的操作數(shù)，也可保存操作結(jié)果p可以與存儲器進行數(shù)據(jù)交換n寄存器位數(shù)：p機器字長注：累加器是一種通用寄存器22狀態(tài)條件寄存器PSWn作用：p提供運算結(jié)果及系統(tǒng)工作狀態(tài)n內(nèi)容p運算結(jié)果進位標(biāo)志

8、Cp運算結(jié)果溢出標(biāo)志Vp運算結(jié)果為零標(biāo)志Zp運算結(jié)果為負標(biāo)志Np中斷允許標(biāo)志Ip23從控制信號角度認識CPUn時序產(chǎn)生器時序產(chǎn)生器n操作控制器操作控制器硬布線控制器（時序邏輯型）*微程序控制器（存儲邏輯型）24時序產(chǎn)生器n作用作用 為計算機的各種操作提供嚴格的時間控制n最基本信號源最基本信號源 系統(tǒng)時鐘n基本操作基本操作 分頻、信號分配25操作控制器n作用作用 為完成取指令和執(zhí)行指令提供正確的控制信號n輸入輸入指令代碼時序產(chǎn)生器信號指令執(zhí)行反饋n輸出輸出 操作控制信號n操作控制器分類操作控制器分類 時序邏輯型、存儲邏輯型、時序邏輯與存儲邏輯結(jié)合型265.2 指令周期n基本概念n指令周期的分析n

9、指令周期的描述2728基本概念n指令周期指令周期 取出并執(zhí)行一條指令所需要的時間nCPU周期（機器周期）周期（機器周期） 從內(nèi)存內(nèi)存中讀取讀取一個指令字的最短時間n時鐘周期（時鐘周期（T周期）周期） 處理器操作的最小時間單位n相互關(guān)系相互關(guān)系一個指令周期由若干個CPU周期組成一個CPU周期由若干個T周期組成29n一個指令周期包含若干機器周期n一個機器周期包含若干時鐘周期30指令周期的分析n分析內(nèi)容：指令的操作過程n分析對象：典型指令pMOV指令：MOV Rd, Rs ;RsRd pLAD指令： LAD Rd,D ; DRdpADD指令： ADD Rs,Rd ; Rs+RdRdpSTO指令： S

10、TO Rs,(Rd) ; Rs (Rd)pJMP指令： JMP D ;DPC31MOV指令：RsRdn指令性質(zhì)pRR型指令p二個CPU周期n操作過程p取指令階段p執(zhí)行指令階段32 MOV指令的指令周期指令的指令周期-取指取指 程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC中裝入第一條指令地址中裝入第一條指令地址101（八進制）；（八進制）； PC的內(nèi)容被放到指令地址總線的內(nèi)容被放到指令地址總線ABUS（I）上，對指存進行譯碼，并啟動讀命令；）上，對指存進行譯碼，并啟動讀命令； 從從101號地址讀出的號地址讀出的MOV指令通過指令總線指令通過指令總線IBUS裝入指令寄存器裝入指令寄存器IR； 程序計數(shù)器內(nèi)容加程序計數(shù)

11、器內(nèi)容加1，變成，變成102，為取下一條指令做好準(zhǔn)備；，為取下一條指令做好準(zhǔn)備； 指令寄存器中的操作碼（指令寄存器中的操作碼（OP）被譯碼；）被譯碼； CPU識別出是識別出是MOV指令，至此，取指周期即告結(jié)束。指令，至此，取指周期即告結(jié)束。33MOV指令的指令周期指令的指令周期執(zhí)行執(zhí)行 操作控制器（操作控制器（OC）送出控制信號到通用寄存器，選擇）送出控制信號到通用寄存器，選擇R1（10）作源寄存器，）作源寄存器，選擇選擇R0作目標(biāo)寄存器；作目標(biāo)寄存器； OC送出控制信號到送出控制信號到ALU，指定，指定ALU做傳送操作；做傳送操作； OC送出控制信號，打開送出控制信號，打開ALU輸出三態(tài)門，

12、將輸出三態(tài)門，將ALU輸出送到數(shù)據(jù)總線輸出送到數(shù)據(jù)總線DBUS上。上。注意，任何時候注意，任何時候DBUS上只能有一個數(shù)據(jù)。上只能有一個數(shù)據(jù)。 OC送出控制信號，將送出控制信號，將DBUS上的數(shù)據(jù)打入到數(shù)據(jù)緩沖寄存器上的數(shù)據(jù)打入到數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR（10）；）； OC送出控制信號，將送出控制信號，將DR中的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)10打入到目標(biāo)寄存器打入到目標(biāo)寄存器R0，R0的內(nèi)容由的內(nèi)容由00變?yōu)樽優(yōu)?0。至此，。至此，MOV指令執(zhí)行結(jié)束。指令執(zhí)行結(jié)束。34LAD指令n指令性質(zhì)pRS型指令p三個CPU周期n操作過程p取指令階段p執(zhí)行指令階段 送操作數(shù)地址 存數(shù)35LAD指令的執(zhí)行周期 操作控制器操作控制

13、器OCOC發(fā)出控制命令打開發(fā)出控制命令打開IRIR輸出三態(tài)門，將指令中的直接地輸出三態(tài)門，將指令中的直接地址碼址碼6 6放到數(shù)據(jù)總線放到數(shù)據(jù)總線DBUSDBUS上；上； OC OC發(fā)出操作命令，將地址碼發(fā)出操作命令，將地址碼6 6裝入數(shù)存地址寄存器裝入數(shù)存地址寄存器ARAR； OC OC發(fā)出讀命令，將數(shù)存發(fā)出讀命令，將數(shù)存6 6號單元中的數(shù)號單元中的數(shù)100100讀出到讀出到DBUSDBUS上；上； OC OC發(fā)出命令，將發(fā)出命令，將DBUSDBUS上的數(shù)據(jù)上的數(shù)據(jù)100100裝入緩沖寄存器裝入緩沖寄存器DRDR； OC OC發(fā)出命令，將發(fā)出命令，將DRDR中的數(shù)中的數(shù)100100裝入通用寄存

14、器裝入通用寄存器R R1 1，原來，原來R R1 1中的數(shù)中的數(shù)1010被沖掉。至此，被沖掉。至此，LADLAD指令執(zhí)行周期結(jié)束。指令執(zhí)行周期結(jié)束。36ADD指令n指令性質(zhì)pRR型指令p二個CPU周期n操作過程p取指令階段p執(zhí)行指令階段37ADD指令的執(zhí)行周期指令的執(zhí)行周期 操作控制器操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，選擇送出控制命令到通用寄存器，選擇R1做源寄存器，做源寄存器，R2做目標(biāo)寄存器；做目標(biāo)寄存器； OC 送出控制命令到送出控制命令到ALU，指定，指定ALU做做R1（100）和和R2（20）的加法操作；）的加法操作； OC送出控制命令，打開送出控制命令，打開ALU輸出三態(tài)輸出

15、三態(tài)門，運算結(jié)果門，運算結(jié)果120放到放到DBUS上；上； OC送出控制命令，將送出控制命令，將DBUS上數(shù)據(jù)打入緩沖寄存器上數(shù)據(jù)打入緩沖寄存器DR；ALU產(chǎn)生的進位信號保存狀態(tài)字寄存器在產(chǎn)生的進位信號保存狀態(tài)字寄存器在PSW中。中。 OC送出控制命令，將送出控制命令，將DK（DR（120）DK）裝入）裝入R2，R2中原來的內(nèi)容中原來的內(nèi)容20被沖掉。至此被沖掉。至此ADD指令執(zhí)行周期結(jié)束。指令執(zhí)行周期結(jié)束。38STO指令n指令性質(zhì)pRS型指令p三個CPU周期n操作過程p取指令階段p執(zhí)行指令階段 送操作數(shù)地址 存數(shù)39STO指令的執(zhí)行周期指令的執(zhí)行周期 操作控制器操作控制器OC送出操作命令到通

16、用寄存器，選擇（送出操作命令到通用寄存器，選擇（R3）=30 做數(shù)據(jù)存儲器的做數(shù)據(jù)存儲器的地址單元；地址單元； OC發(fā)出操作命令，打開通用寄存器輸出三態(tài)門（不經(jīng)發(fā)出操作命令，打開通用寄存器輸出三態(tài)門（不經(jīng)ALU以節(jié)以節(jié)省時間），將地址省時間），將地址30放到放到DBUS上；上； OC發(fā)出操作命令，將地址發(fā)出操作命令，將地址30打入打入AR，并進行數(shù)存地址譯碼；并進行數(shù)存地址譯碼； OC發(fā)出操作命令到通用寄存器，選擇（發(fā)出操作命令到通用寄存器，選擇（R2）=120DK），作為數(shù)存的），作為數(shù)存的寫入數(shù)據(jù)；寫入數(shù)據(jù)； OC發(fā)出操作命令，打開通用寄存器輸出發(fā)出操作命令，打開通用寄存器輸出三態(tài)門，將數(shù)

17、據(jù)三態(tài)門，將數(shù)據(jù)120放到放到DBUS上。上。 OC發(fā)出操作命令，將數(shù)據(jù)發(fā)出操作命令，將數(shù)據(jù)120寫入數(shù)存寫入數(shù)存30號單元，它原先的數(shù)據(jù)號單元，它原先的數(shù)據(jù)40被沖掉。至被沖掉。至此，此，STO指令執(zhí)行周期結(jié)束。指令執(zhí)行周期結(jié)束。40JMP指令n取指令階段操作相同n執(zhí)行指令階段pIR（地址碼部分）PC41JMP指令的執(zhí)行周期指令的執(zhí)行周期 OC發(fā)生操作控制命令，打開指令寄存器發(fā)生操作控制命令，打開指令寄存器IR的輸出三的輸出三態(tài)門，將態(tài)門，將IR中的地址碼中的地址碼101發(fā)送到發(fā)送到DBUS上；上； CC發(fā)出操作控制命令，將發(fā)出操作控制命令，將DBUS上的地址碼上的地址碼101打入到程序計數(shù)

18、器打入到程序計數(shù)器PC中，中，PC中的中的原先內(nèi)容原先內(nèi)容106被更換。于是下一條指令不是從被更換。于是下一條指令不是從106號單元取出，而是轉(zhuǎn)移到號單元取出，而是轉(zhuǎn)移到101號單號單元取出。至此元取出。至此JMP指令執(zhí)行周期結(jié)束。指令執(zhí)行周期結(jié)束。42指令周期的描述n文字描述n數(shù)據(jù)通路圖描述n示意圖描述n方框圖語言描述p一個方框代表一個CPU周期p菱形框代表某種判別或測試p“”代表公操作43方框圖表示指令周期取指執(zhí)行44總結(jié)n一個指令周期包括一個取指周期和一個或一個以上的執(zhí)行周期n在每個CPU周期中數(shù)據(jù)通路是明確的n數(shù)據(jù)通路的建立及操作受到操作控制器的控制，當(dāng)然決定于是什么指令455.3 時

19、序產(chǎn)生器n時序信號的作用n時序產(chǎn)生器的工作n控制方式n幾個概念：p節(jié)拍電位（CPU周期）p節(jié)拍脈沖（時鐘周期）461. 時序信號產(chǎn)生器的作用pCPU中的控制器用于指揮機器的工作pCPU可以用時序信號/周期信息來辨認從內(nèi)存中取出的是指令（取指）還是數(shù)據(jù)（執(zhí)行）p一個CPU周期中時鐘脈沖對CPU的動作有嚴格的約束p操作控制器發(fā)出的各種信號是時間（時序信號）和空間（部件操作信號）的函數(shù)。472. 時序信號產(chǎn)生器的組成1.功能：產(chǎn)生時序信號p各型計算機產(chǎn)生時序電路不相同p大、中型計算機的時序電路復(fù)雜，微型計算機的時序電路簡單2.構(gòu)成p時鐘源p環(huán)形脈沖發(fā)生器p節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯p啟停控制邏輯48

20、3. 控制方式n機器指令所包含的CPU周期數(shù)反映了指令的復(fù)雜程度，不同CPU周期的操作信號的數(shù)目和出現(xiàn)的先后次序也不相同。n控制方式：控制不同操作序列時序信號的方法。n分為以下幾種：p同步控制方式p異步控制方式p聯(lián)合控制方式49同步控制方式n定義：不同指令在執(zhí)行時所需的機器周期數(shù)和時鐘周期數(shù)都是固定不變的。n三種方案p采用完全統(tǒng)一的機器周期執(zhí)行各種不同的指令p采用不定長的機器周期（將大多數(shù)操作安排在一個較短的機器周期內(nèi)完成，對某些時間緊張的操作，則采取延長機器周期的辦法來解決）p中央控制與局部控制結(jié)合（將大多數(shù)指令安排在固定的機器周期完成（稱為中央控制），對少數(shù)復(fù)雜指令采用另外的時序進行定時（

21、稱為局部控制）50異步控制方式n控制方式：p每條指令的指令周期由不等長的機器周期數(shù)組成p根據(jù)執(zhí)行部件的信號決定指令周期的結(jié)束n特點：p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p操作控制序列沒有固定的CPU周期數(shù)和時鐘周期數(shù)與之同步51聯(lián)合控制方式n同步方式與異步方式相結(jié)合的方式n大部分操作序列同步的（機器周期數(shù)固定），少量操作采用執(zhí)行部件的應(yīng)答n機器周期中的時鐘周期數(shù)固定，各指令的機器周期數(shù)不固定525.4 微程序控制器n基本概念n微程序控制器的工作原理n微程序的設(shè)計n基本思想：p仿照解題的方法，把操作控制信號編制成微指令，存放到控制存儲器里，運行時，從控存中取出微指令，產(chǎn)生指令運

22、行所需的操作控制信號。從上述可以看出，微程序設(shè)計技術(shù)是用軟件方法來設(shè)計硬件的技術(shù)。53微程序控制器發(fā)展p微程序的概念和原理是由英國劍橋大學(xué)的MVWilkes教授于1951年在曼徹斯特大學(xué)計算機會議上首先提出來的，當(dāng)時還沒有合適的存放微程序的控制存儲器的元件。p到1964年，IBM公司在IBM 360系列機上成功地采用了微程序設(shè)計技術(shù)。p20世紀(jì)70年代以來，由于VLSI技術(shù)的發(fā)展，推動了微程序設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。p目前，從大型機到小型機、微型機都普遍采用了微程序設(shè)計技術(shù)。541. 基本概念n微命令：控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令叫作微命令，它是構(gòu)成控制序列的最小單位。例如：打開或關(guān)閉某

23、個控制門的電位信號、某個寄存器的打入脈沖等。微命令是控制計算機各部件完成某個基本微操作的命令。n微操作：執(zhí)行部件接受微命令后執(zhí)行的操作微命令和微操作是一一對應(yīng)的。微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的操作過程。微操作是執(zhí)行部件中最基本的操作。551. 基本概念n微指令：把在同一CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作控制信息，存儲在控制存儲器里，稱為一條微指令（Microinstruction）。p它是微命令的組合，微指令存儲在控制器中的控制存儲器中p一條微指令通常至少包含兩大部分信息：操作控制字段，又稱微操作碼字段，用以產(chǎn)生某一步操作所需的各個微操作控制信號。 某位為1，表明發(fā)微指令 微指令發(fā)出的控

24、制信號都是節(jié)拍電位信號，持續(xù)時間為一個CPU周期 微命令信號還要引入時間控制順序控制字段，又稱微地址碼字段，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址。 微地址 ：存放微指令的控制存儲器的單元地址n微程序: 一系列微指令的有序集合就是微程序。一段微程序?qū)?yīng)一條機器指令。56微指令基本格式57微操作的部分特征n每個執(zhí)行部分有多少種微操作，就應(yīng)該接收多少種微命令n相容性微操作：p在某一個時間段內(nèi)可以同時執(zhí)行的微操作n相斥性微操作：p在某一個時間段內(nèi)不可以同時執(zhí)行的微操作582. 微程序控制器的組成n控制存儲器n微指令寄存器n地址轉(zhuǎn)移邏輯59控制存儲器n作用：存放全部微程序n結(jié)構(gòu)：ROMn字長：微指令字的

25、長度n存儲容量：由微程序數(shù)量決定n執(zhí)行過程：微指令周期n要求：訪問速度快60動態(tài)微程序與靜態(tài)微程序n動態(tài)微程序p采用EPROM作為存儲器p可以通過改變微指令和微程序來開發(fā)機器的指令系統(tǒng)n靜態(tài)微程序p采用不可編程ROMp不可以改變已固化的微指令和微程序61微指令寄存器n作用：存放一條微指令n結(jié)構(gòu)p微命令寄存器： 微指令操作控制字段 微指令判別測試字 段p微地址寄存器： 訪問的下一條微指令地址（微地址）62地址轉(zhuǎn)移邏輯n作用：決定下一條微指令的微地址n非分支情況：p由微地址寄存器決定n分支情況：p由測試字段和執(zhí)行部件的狀態(tài)決定（修改微地址寄存器的值）63微指令與機器指令的關(guān)系n一條機器指令對應(yīng)一個

26、微程序n一個微指令周期是讀出微指令的時間加上執(zhí)行該條微指令的時間n通常一個微指令周期時間正好等于CPU周期時間64狀態(tài)信息653. 微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計的目標(biāo):n有利于縮短微指令的長度n有利于縮小CM的容量n有利于提高微程序的執(zhí)行速度n有利于對微指令的修改n有利于提高微程序設(shè)計的靈活性66一 微命令的編碼微指令中操作控制字段采用的表示方法:n直接表示法n編碼表示法n混合表示法67直接表示法n操作控制字段中的每一位代表一個微命令n優(yōu)點：簡單直觀，其輸出可以直接用于控制n缺點：微指令字較長，占控制存儲器容量較大68n操作控制字段的每一個獨立的二進制位代表一個微命令，該位為“1”表示這個微命令有

27、效，為“0”表示這個微命令無效。直接表示法舉例 微指令格式舉例（TEC_5實驗平臺格式）012345678910111213141516171819202122232425262728293031后繼微地址判別字段A0A1A2A3A4A5P0P1P2備用TJLDIRPC+1LDPC#AR+1LDAR#LDDR1LDDR2LDRiSW-BUS#Rs-BUS#ALU-BUS#RAM-BUS#CER#CEL#LRWCn#MS0S1S3 S2圖3.5 微指令格式69編碼表示法n把一組組相斥的微命令信號組合在一個字段中，通過譯碼產(chǎn)生操作控制信號n優(yōu)點：用較小的二進制信息表示較多的微命令信號，微指令字縮短

28、n缺點：增加譯碼電路，微程序執(zhí)行速度減慢70編碼表示法n將操作控制字段分為若干個小段，每段內(nèi)采用最短編碼法，段與段之間采用直接控制法。71混合表示法n將直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考慮指令字長、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。n一個字段的某些編碼不能獨立地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來聯(lián)合定義72微命令的編碼n編碼注意幾點：字段編碼法中操作控制字段并非是任意的，必須要遵循如下的原則：p把互斥性的微命令分在同一段內(nèi)，兼容性的微命令分在不同段內(nèi)。這樣不僅有助于提高信息的利用率，縮短微指令字長，而且有助于充分利用硬件所具有的并行性，加快執(zhí)行的速度。p應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)

29、。p每個小段中包含的信息位不能太多，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時間。p一般每個小段還要留出一個狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何微命令。因此當(dāng)某字段的長度為三位時，最多只能表示七個互斥的微命令，通常用000表示不操作。73123456789順序控制4、5：00 無操作01 R1X10 R2 X11 DR X 6、7：00 無操作01 R3Y10 R2 Y11 R1 Y 8、9：00 無操作01 10 11 M 混和表示法1、2、3位為直接表示法4、5 6、78、9位為編碼表示法混合表示法例混合表示法例74二 微地址的形成方法n入口地址：p每條機器指令對應(yīng)一段微程序，當(dāng)公用的取指微程序從主存中取出

30、機器指令之后，由機器指令的操作碼字段指出各段微程序的入口地址，這是一種多分支(或多路轉(zhuǎn)移)的情況。n后繼微地址形成的方式主要有兩種計數(shù)器的方式多路轉(zhuǎn)移的方式75入口地址形成n如果機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應(yīng)。76后繼微地址形成方法-計數(shù)器的方式n方法微程序順序執(zhí)行時，其后繼微地址就是現(xiàn)行微地址加上一個增量(通常為1)；在微程序控制器中也有一個微程序計數(shù)器PC，一般情況下都是將微地址寄存器MAR作為PCn特點：優(yōu)點:簡單、易于掌握，編制微程序容易缺點:這種方式不能實現(xiàn)兩路以上的并行微程序轉(zhuǎn)移，因而不利于提高微程序的執(zhí)行速度。77后繼微地址形成

31、方法-多路轉(zhuǎn)移的方式當(dāng)微程序遇到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子程序時，由微指令的轉(zhuǎn)移地址段來形成轉(zhuǎn)移微地址n根據(jù)條件轉(zhuǎn)移：狀態(tài)條件/測試/微指令中微地址/操作碼78【例【例】微地址寄存器有6位(A5-A0)，當(dāng)需要修改其內(nèi)容時，可通過某一位觸發(fā)器的強置端S將其置“1”?，F(xiàn)有三種情況：(1)執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)進行16路分支；(2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時，按進位標(biāo)志C的狀態(tài)進行2路分支；(3)執(zhí)行控制臺指令微程序時，按IR4，IR5的狀態(tài)進行4路分支。 請按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計微地址轉(zhuǎn)移邏輯。79解：按所給設(shè)計條件，微程序有三種判別測試，分別為P1，P2，P3。 由于修改A5

32、-A0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下： 用P1和IR3-IR0修改A3-A0； 用P2和C修改A0； 用P3和IR5，IR4修改A5，A4。 考慮時間因素T4(假設(shè)CPU周期最后一個節(jié)拍脈沖)，故轉(zhuǎn)移邏輯表達式如下：A5=P3IR5T4； A4=P3IR4T4A3=P1IR3T4；A2=P1IR2T4A1=P1IR1T4；A0=P1IR0T4+P2CT4 由于從觸發(fā)器強置端修改，故前5個表達式可用“與非”門實現(xiàn)，最后一個用“與或非”門實現(xiàn)。 下圖僅畫出了A2、A1、A0觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。8081三 微指令的格式n水平型微指令n垂直型微指令82水平型微指令n一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微

33、命令的微指令n格式：控制字段 + 判別測試字段 + 下地址字段n按控制字段的編碼方法，可分為：p全水平型微指令p字段譯碼法水平型微指令p直接和譯碼相混合的水平型微指令控制字段判別測試字段下地址字段83水平型微指令特點n優(yōu)點：p微指令字較長，速度越快。p微指令中的微操作有高度的并行性。p微指令譯碼簡單。p控制存儲器的縱向容量小，靈活性強。n缺點：p微指令字比較長，明顯地增加了控制存儲器的橫向容量。p水平微指令與機器指令差別很大，一般要熟悉機器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時序系統(tǒng)以及指令執(zhí)行過程的人才能進行微程序設(shè)計，這對用戶來說是很困難的。84垂直型微指令n微指令中設(shè)置操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能85垂直型微指令的特點n微指令字短，一般為1020位左右。n微指令的并行微操作能力有限，一條微指令一般只包含一個微操作命令。n微指令譯碼比較復(fù)雜。全部微命令用一個微操作控制字段進行編碼，微指令執(zhí)行時需行完全譯碼。n設(shè)計用戶只需注意微指令的功能，而對微命令及其選擇、數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)則不用過