課程B： 第6章 中央處理器

1、西西 南南 交交 通通 大大 學(xué)學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院20162016年年5 5月月6.1 中央處理器的功能和組成中央處理器的功能和組成6.2 控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法6.3 一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)6.4 微程序控制器原理微程序控制器原理6.5 流水線技術(shù)流水線技術(shù)6.6 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 中央處理器的功能和組成中央處理器的功能和組成l指令控制：產(chǎn)生下一條指令在內(nèi)存中的地址。指

2、令控制：產(chǎn)生下一條指令在內(nèi)存中的地址。l操作控制：產(chǎn)生各種操作信號(hào)送往相應(yīng)部件，操作控制：產(chǎn)生各種操作信號(hào)送往相應(yīng)部件， 以控制完成指令所要求的動(dòng)作。以控制完成指令所要求的動(dòng)作。l時(shí)序控制：對(duì)各操作信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的控制，時(shí)序控制：對(duì)各操作信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的控制， 以保證計(jì)算機(jī)有條不紊地連續(xù)自動(dòng)工作。以保證計(jì)算機(jī)有條不紊地連續(xù)自動(dòng)工作。6.1.1 CPU的功能的功能 CPU的基本功能就是對(duì)指令流和數(shù)據(jù)流在時(shí)間的基本功能就是對(duì)指令流和數(shù)據(jù)流在時(shí)間與空間上實(shí)施正確的控制。與空間上實(shí)施正確的控制。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第

3、6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 中央處理器的功能和組成中央處理器的功能和組成運(yùn)算部件運(yùn)算部件6.1.2 CPU的組成的組成在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中還要包括在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中還要包括cache。控制部件控制部件寄存器組寄存器組CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 由程序計(jì)數(shù)器（由程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（）、指令寄存器（IR）、時(shí)序）、時(shí)序產(chǎn)生器和微操作形成部件組成。產(chǎn)生器和微操作形成部件組成。 1. 控制部件（控制部件（CU）6.1.2 CPU的組成的組成 西南

4、交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器運(yùn)算部件由算術(shù)邏輯單元（運(yùn)算部件由算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加寄存器、數(shù)）、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成。據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成。 2. 運(yùn)算部件運(yùn)算部件移位器移位器選擇器選擇器/鎖存器鎖存器選擇器選擇器/鎖存器鎖存器選擇命令選擇命令 ：選擇命令選擇命令 ：選擇命令選擇命令 ： 選擇命令選擇命令 初始進(jìn)位初始進(jìn)位操作數(shù)操作數(shù)操作數(shù)操作數(shù)ALU6.1.2 CPU的組成的組成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

5、“計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器2）專用寄存器：）專用寄存器： 程序計(jì)數(shù)器（程序計(jì)數(shù)器（PC） 指令寄存器（指令寄存器（IR） 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（MDR） 存儲(chǔ)器地址寄存器（存儲(chǔ)器地址寄存器（MAR） 狀態(tài)標(biāo)志寄存器（狀態(tài)標(biāo)志寄存器（PSW） 狀態(tài)標(biāo)志：狀態(tài)標(biāo)志：CF(進(jìn)位進(jìn)位)、ZF(零零)、SF(符號(hào)符號(hào))、OF(溢出溢出)。 控制標(biāo)志，控制標(biāo)志，IF、DF、TF。3. 寄存器設(shè)置寄存器設(shè)置1）通用寄存器：通用寄存器可用來(lái)存放地址、原始）通用寄存器：通用寄存器可用來(lái)存放地址、原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，有的還可以作為變址寄存器、計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)

6、和運(yùn)算結(jié)果，有的還可以作為變址寄存器、計(jì)數(shù)器、地址指針等。器、地址指針等。6.1.2 CPU的組成的組成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 1) 單組內(nèi)總線數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)單組內(nèi)總線數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)移位器鎖存器 1鎖存器 2+1ALUMS0S3內(nèi)部總線R0Rn-14. CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路6.1.2 CPU的組成的組成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器2) 多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)多組內(nèi)總線結(jié)

7、構(gòu) Intel80386 32位微處理器采用了多組、多種內(nèi)部總線位微處理器采用了多組、多種內(nèi)部總線。6.1.2 CPU的組成的組成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 中央處理器的功能和組成中央處理器的功能和組成6.1.3 CPU與主存間的信息交換與主存間的信息交換CPU與主存之間的信息交換通路通常有兩種結(jié)構(gòu)類型：與主存之間的信息交換通路通常有兩種結(jié)構(gòu)類型：l 將主存儲(chǔ)器作為一個(gè)獨(dú)立部件，通過(guò)系統(tǒng)總線與將主存儲(chǔ)器作為一個(gè)獨(dú)立部件，通過(guò)系統(tǒng)總線與CPU相連。相連。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但吞吐量

8、受限制。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但吞吐量受限制。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器特點(diǎn)：總線很短，數(shù)據(jù)傳送速度快。特點(diǎn)：總線很短，數(shù)據(jù)傳送速度快。l 將主存儲(chǔ)器當(dāng)作主機(jī)的一個(gè)組成部分，用一組專將主存儲(chǔ)器當(dāng)作主機(jī)的一個(gè)組成部分，用一組專用的存儲(chǔ)總線將用的存儲(chǔ)總線將CPU與主存連接起來(lái)。與主存連接起來(lái)。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 中央處理器的功能和組成中央處理器的功能和組成l輻射型輻

9、射型l總線型總線型l通道型通道型6.1.4 主機(jī)與主機(jī)與I/O間的數(shù)據(jù)通路間的數(shù)據(jù)通路 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 中央處理器的功能和組成中央處理器的功能和組成1. 指令運(yùn)行的基本過(guò)程指令運(yùn)行的基本過(guò)程6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)指令的執(zhí)行過(guò)程指令的執(zhí)行過(guò)程CPU周期狀態(tài)及變化示意圖周期狀態(tài)及變化示意圖 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器2. 時(shí)序

10、控制方式時(shí)序控制方式 時(shí)序控制方式是完成指令的各微操作在與時(shí)序上采用時(shí)序控制方式是完成指令的各微操作在與時(shí)序上采用何種協(xié)調(diào)關(guān)系。何種協(xié)調(diào)關(guān)系。1）同步控制方式）同步控制方式 各項(xiàng)微操作都由固定的，統(tǒng)一的時(shí)序進(jìn)行控制。各項(xiàng)微操作都由固定的，統(tǒng)一的時(shí)序進(jìn)行控制。 特點(diǎn)：控制方式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，有較大數(shù)量的時(shí)間特點(diǎn)：控制方式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，有較大數(shù)量的時(shí)間浪費(fèi)。浪費(fèi)。 應(yīng)用：應(yīng)用：CPU內(nèi)部或設(shè)備內(nèi)部。內(nèi)部或設(shè)備內(nèi)部。6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理

11、器中央處理器3）準(zhǔn)同步控制方式）準(zhǔn)同步控制方式 異步方式的同步化異步方式的同步化 （只在節(jié)拍結(jié)束時(shí)查詢異步應(yīng)答信號(hào)）。（只在節(jié)拍結(jié)束時(shí)查詢異步應(yīng)答信號(hào)）。4）聯(lián)合控制方式）聯(lián)合控制方式 同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)2）異步控制方式）異步控制方式 指各微操作按其需要選擇不同的時(shí)間間隔，不受統(tǒng)一的指各微操作按其需要選擇不同的時(shí)間間隔，不受統(tǒng)一的 時(shí)間的約束；各微操作之間的銜接與各部件之間的信息時(shí)間的約束；各微操作之間的銜接與各部件之間的信息交換采用應(yīng)答方式。交換采用應(yīng)答方式。 特點(diǎn)：沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi)，因而提

12、高了機(jī)器的效率，但特點(diǎn)：沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi)，因而提高了機(jī)器的效率，但 是控制比較復(fù)雜。是控制比較復(fù)雜。 應(yīng)用：用于系統(tǒng)總線操作控制應(yīng)用：用于系統(tǒng)總線操作控制 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器3. 同步控制方式下的多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)同步控制方式下的多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)1）指令周期）指令周期 指令周期是指從取指令、分析取數(shù)到執(zhí)行完該指指令周期是指從取指令、分析取數(shù)到執(zhí)行完該指令所需的全部時(shí)間。令所需的全部時(shí)間。2）機(jī)器周期）機(jī)器周期 機(jī)器周期又稱機(jī)器周期又稱CPU周期或總線周期。對(duì)應(yīng)于指令執(zhí)周期或總線周期。對(duì)

13、應(yīng)于指令執(zhí)行的某個(gè)階段（如取指、取操作數(shù)、執(zhí)行等）。行的某個(gè)階段（如取指、取操作數(shù)、執(zhí)行等）。 指令周期指令周期i機(jī)器周期機(jī)器周期6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 每個(gè)機(jī)器周期都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的周期狀態(tài)觸發(fā)器。在機(jī)器每個(gè)機(jī)器周期都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的周期狀態(tài)觸發(fā)器。在機(jī)器運(yùn)行的任何時(shí)刻只能處于一種周期狀態(tài)，因此，有一個(gè)且僅有一運(yùn)行的任何時(shí)刻只能處于一種周期狀態(tài)，因此，有一個(gè)且僅有一個(gè)觸發(fā)器被置個(gè)觸發(fā)器被置“1”。機(jī)器周期信號(hào)發(fā)生器機(jī)器周

14、期信號(hào)發(fā)生器 6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器3）節(jié)拍周期）節(jié)拍周期(時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期) 將機(jī)器周期劃分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每個(gè)時(shí)將機(jī)器周期劃分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段完成規(guī)定的微操作。這個(gè)時(shí)間段用一個(gè)電平信號(hào)間段完成規(guī)定的微操作。這個(gè)時(shí)間段用一個(gè)電平信號(hào)寬度對(duì)應(yīng)，稱為節(jié)拍周期或時(shí)鐘周期。寬度對(duì)應(yīng)，稱為節(jié)拍周期或時(shí)鐘周期。節(jié)拍的選取方法：節(jié)拍的選取方法：(1) 統(tǒng)一節(jié)拍法（統(tǒng)一節(jié)拍法（定長(zhǎng)定長(zhǎng)CPU周期）周期） 以最復(fù)雜的

15、機(jī)器周期為準(zhǔn)定出節(jié)拍數(shù)，每一個(gè)節(jié)拍以最復(fù)雜的機(jī)器周期為準(zhǔn)定出節(jié)拍數(shù)，每一個(gè)節(jié)拍時(shí)間的長(zhǎng)短也以最繁的微操作作為標(biāo)準(zhǔn)。每一個(gè)機(jī)器周時(shí)間的長(zhǎng)短也以最繁的微操作作為標(biāo)準(zhǔn)。每一個(gè)機(jī)器周期采用統(tǒng)一的、具有相等時(shí)間間隔和相同數(shù)目的節(jié)拍，期采用統(tǒng)一的、具有相等時(shí)間間隔和相同數(shù)目的節(jié)拍，因此稱為定長(zhǎng)因此稱為定長(zhǎng)CPU周期。周期。6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器(2) 分散節(jié)拍法分散節(jié)拍法（變長(zhǎng)（變長(zhǎng)CPU周期）周期） 按照機(jī)器周期的實(shí)際需要安排節(jié)拍數(shù)

16、，這樣可以避按照機(jī)器周期的實(shí)際需要安排節(jié)拍數(shù)，這樣可以避免浪費(fèi)，提高時(shí)間利用率。免浪費(fèi)，提高時(shí)間利用率。(3) 延長(zhǎng)節(jié)拍法延長(zhǎng)節(jié)拍法 在照顧多數(shù)機(jī)器周期要求的情況下，選取適當(dāng)?shù)墓?jié)在照顧多數(shù)機(jī)器周期要求的情況下，選取適當(dāng)?shù)墓?jié)拍數(shù)，作為基本節(jié)拍。如果在某個(gè)機(jī)器周期內(nèi)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)，作為基本節(jié)拍。如果在某個(gè)機(jī)器周期內(nèi)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)無(wú)法完成該周期的全部微操作，則可以延長(zhǎng)一或兩拍數(shù)無(wú)法完成該周期的全部微操作，則可以延長(zhǎng)一或兩個(gè)節(jié)拍。個(gè)節(jié)拍。6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6

17、章章 中央處理器中央處理器節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器4）節(jié)拍脈沖（工作脈沖）節(jié)拍脈沖（工作脈沖） 在節(jié)拍中執(zhí)行的微操作結(jié)果需要節(jié)拍脈沖的同步配在節(jié)拍中執(zhí)行的微操作結(jié)果需要節(jié)拍脈沖的同步配合打入相應(yīng)的寄存器中，完成一次數(shù)據(jù)傳送。合打入相應(yīng)的寄存器中，完成一次數(shù)據(jù)傳送。一般用節(jié)拍脈沖的前沿打入數(shù)據(jù)，后沿實(shí)現(xiàn)節(jié)拍周一般用節(jié)拍脈沖的前沿打入數(shù)據(jù)，后沿實(shí)現(xiàn)節(jié)拍周期的切換功能。期的切換功能。6.1.5 時(shí)序控制

18、方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器4. 三級(jí)時(shí)序信號(hào)間的關(guān)系三級(jí)時(shí)序信號(hào)間的關(guān)系6.1.5 時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1.6 CPU的主要技術(shù)參數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)1. 字長(zhǎng)字長(zhǎng)2. 內(nèi)部工作頻率內(nèi)部工作頻率3. 外部工作頻率外部工作頻率 也叫前端總線頻率或系統(tǒng)總線時(shí)鐘頻率。也叫前端總線頻率或系統(tǒng)總

19、線時(shí)鐘頻率。 內(nèi)頻內(nèi)頻=外頻外頻倍頻倍頻4. 片內(nèi)片內(nèi)Cache的容量和速率的容量和速率 片內(nèi)片內(nèi)Cache的運(yùn)行速度與內(nèi)頻相同或接近，容量可達(dá)幾的運(yùn)行速度與內(nèi)頻相同或接近，容量可達(dá)幾十十KB幾百幾百KB。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器5. 工作電壓工作電壓工作電壓指的是工作電壓指的是CPU正常工作所需的電壓。正常工作所需的電壓。6. 地址總線寬度地址總線寬度 地址總線寬度決定了地址總線寬度決定了CPU可以訪問(wèn)的最大的物可以訪問(wèn)的最大的物理地址空間。理地址空間。7. 數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總

20、線寬度8. 制造工藝制造工藝 線寬是指芯片上的最基本功能單元線寬是指芯片上的最基本功能單元門電路門電路的寬度，線寬越小，意味著芯片上包括的晶體管數(shù)的寬度，線寬越小，意味著芯片上包括的晶體管數(shù)目越多。目越多。6.1.6 CPU的主要技術(shù)參數(shù)的主要技術(shù)參數(shù) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.2 控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法6.2.1 控制器的基本組成控制器的基本組成1. 指令部件指令部件 (1) 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 (2) 指令寄存器指令寄存器 (3) 指令譯碼器指令譯碼器

21、 (4) 地址形成部件地址形成部件2. 時(shí)序部件時(shí)序部件 (1) 脈沖源：為整個(gè)機(jī)器提供基準(zhǔn)信號(hào)。脈沖源：為整個(gè)機(jī)器提供基準(zhǔn)信號(hào)。 (2) 啟?？刂七壿媶⑼？刂七壿?(3) 節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器3. 微操作信號(hào)發(fā)生器微操作信號(hào)發(fā)生器也稱為控制單元（也稱為控制單元（CU）4. 中斷控制邏輯中斷控制邏輯 中斷控制邏輯是用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯。中斷控制邏輯是用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯。6.2.1 控制器的基本組成控制器的基本組成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)

22、與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器微操作信號(hào)發(fā)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址形成部件譯碼器節(jié)拍發(fā)生器時(shí)鐘中斷控制邏輯狀態(tài)寄存器操作碼地址碼中斷請(qǐng)求控制臺(tái)信息I/O狀態(tài)信息+1送MAR或ALU運(yùn)行狀態(tài)微操作命令序列指令結(jié)束指令寄存器IR脈沖源啟停邏輯6.2.1 控制器的基本組成控制器的基本組成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.2.2 控制器的硬件實(shí)現(xiàn)方法控制器的硬件實(shí)現(xiàn)方法1. 組合邏輯型組合邏輯型 采用組合邏輯

23、技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用組合邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 特點(diǎn)：速度快，但控制單元的結(jié)構(gòu)不規(guī)整，修改、功特點(diǎn)：速度快，但控制單元的結(jié)構(gòu)不規(guī)整，修改、功能擴(kuò)展較困難。能擴(kuò)展較困難。2. 微程序控制器（存儲(chǔ)邏輯型）微程序控制器（存儲(chǔ)邏輯型） 把每一個(gè)節(jié)拍的微操作信號(hào)代碼化把每一個(gè)節(jié)拍的微操作信號(hào)代碼化(形成微指令形成微指令)，使每，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序并存入一個(gè)專門的存儲(chǔ)器條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序并存入一個(gè)專門的存儲(chǔ)器(控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器)中，執(zhí)行每條指令時(shí)，逐條取出控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行每條指令時(shí)，逐條取出控制存儲(chǔ)器中微指令執(zhí)行。中微指令執(zhí)行。 特點(diǎn)：設(shè)計(jì)規(guī)整、調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令方便，特點(diǎn)：

24、設(shè)計(jì)規(guī)整、調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令方便，執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器3. 組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型 這種控制器稱為這種控制器稱為PLA（可編程邏輯陣列）控制器，（可編程邏輯陣列）控制器，是吸收前兩種方法的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的。是吸收前兩種方法的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 PLA控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技術(shù)結(jié)合的控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，克服了兩者的缺點(diǎn)，是一種較有前途的方法。產(chǎn)物，克服了

25、兩者的缺點(diǎn)，是一種較有前途的方法。6.2.2 控制器的硬件實(shí)現(xiàn)方法控制器的硬件實(shí)現(xiàn)方法 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.3 一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)一般需要以下幾個(gè)基本步驟：一臺(tái)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)一般需要以下幾個(gè)基本步驟：指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)指令微操作流程設(shè)計(jì)指令微操作流程設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器1.

26、尋址方式及編碼尋址方式及編碼6.3 一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)6.3.1 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 2. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) (1) 雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令MOV、IN/OUT、ADD、ADC、SUB、SUBB、CMP、AND、OR、XOR、TEST共計(jì)共計(jì)12條指令。條指令。6.3.1 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央

27、處理器中央處理器PUSH/POP、INC/DEC、NEG、NOT、MUL、IMUL（帶符（帶符號(hào)乘法指令）、號(hào)乘法指令）、DIV、IDIV等；等；SHL(SAL)、SHR(SAR)、ROL/ROR、RCL/RCR； (2) 單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令6.3.1 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 (3) 轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令JMP、LOOP、JZ/JNZ、CALL等。等。6.3.1 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信

28、息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 (4) 無(wú)操作數(shù)指令無(wú)操作數(shù)指令NOP、RET等等6.3.1 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.3 一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)1. 總線總線 系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線：?jiǎn)慰偩€（地址線、數(shù)據(jù)線、控制線）。單總線（地址線、數(shù)據(jù)線、控制線）。 內(nèi)部總線：內(nèi)部總線：各寄存器用三態(tài)門接入。各寄存器用三態(tài)門接入。 二者之間通過(guò)地址寄存器二者之間通過(guò)地址寄存器AR和數(shù)據(jù)寄存

29、器和數(shù)據(jù)寄存器DR溝通信息。溝通信息。6.3.2 模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路2. 控制器控制器 包括包括PC，IR，PSW，時(shí)序部件，微操作形成部件等。，時(shí)序部件，微操作形成部件等。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器4. 內(nèi)存內(nèi)存 寄存器：寄存器：MAR 存儲(chǔ)器的地址寄存器；存儲(chǔ)器的地址寄存器； MDR 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寄存器；存

30、儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寄存器； 控制信號(hào)：控制信號(hào)：存儲(chǔ)器寫；存儲(chǔ)器寫；READY 存儲(chǔ)器讀寫工作完成的狀態(tài)信號(hào)。存儲(chǔ)器讀寫工作完成的狀態(tài)信號(hào)。3. 運(yùn)算器運(yùn)算器 ALU：算邏運(yùn)算功能：算邏運(yùn)算功能 寄存器：寄存器：AX，BX，CX，DX，SI，DI，BP，SP （16位）位） 暫存器：暫存器：S 具有加、減功能；具有加、減功能； T 具有移位功能。具有移位功能。 乘除步數(shù)計(jì)數(shù)器：乘除步數(shù)計(jì)數(shù)器：CT 可清可清0, +1。存儲(chǔ)器讀；存儲(chǔ)器讀；MMRDMMWR6.3.2 模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)

31、組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器INTR/INTA 中斷請(qǐng)求和應(yīng)答信號(hào)；中斷請(qǐng)求和應(yīng)答信號(hào)；DMAR/DMAA 數(shù)據(jù)直傳請(qǐng)求和應(yīng)答信號(hào)。數(shù)據(jù)直傳請(qǐng)求和應(yīng)答信號(hào)。5I/O設(shè)備設(shè)備輸出；輸出；READY 輸入輸入/輸出工作完成的狀態(tài)信號(hào)。輸出工作完成的狀態(tài)信號(hào)。輸入；輸入；IORDIOWR6.3.2 模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組

32、成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.3 一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)一臺(tái)模型機(jī)的設(shè)計(jì)6.3.3 模型機(jī)時(shí)序系統(tǒng)與控制方式模型機(jī)時(shí)序系統(tǒng)與控制方式1. 三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)l CPU周期：周期： 設(shè)有設(shè)有5個(gè)（分別用個(gè)（分別用5個(gè)觸發(fā)器表示）個(gè)觸發(fā)器表示）CPU周期。其中周期。其中,取指取指FIC、取數(shù)、取數(shù)FDC、執(zhí)行、執(zhí)行EXEC為基本為基本CPU周期。周期。l 節(jié)拍周期：節(jié)拍周期： 一個(gè)一個(gè)CPU周期最多可有周期最多可有64個(gè)節(jié)拍周期，每個(gè)節(jié)拍等長(zhǎng)，個(gè)節(jié)拍周期，每個(gè)節(jié)拍等長(zhǎng)，變長(zhǎng)變長(zhǎng)CPU周期。周期。l 節(jié)拍脈沖：節(jié)拍脈沖： 在每個(gè)節(jié)拍周期對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)拍脈沖。在每個(gè)節(jié)拍周期對(duì)應(yīng)一

33、個(gè)節(jié)拍脈沖。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器2控制方式：控制方式： CPU內(nèi)采用同步控制；內(nèi)采用同步控制； CPU與與MM及及I/O之間采用準(zhǔn)同步。之間采用準(zhǔn)同步。6.3.3 模型機(jī)時(shí)序系統(tǒng)與控制方式模型機(jī)時(shí)序系統(tǒng)與控制方式 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.3.4 模型機(jī)指令的微操作流程模型機(jī)指令的微操作流程 1取指周期取指周期FIC 根據(jù)根據(jù)PC的值從內(nèi)存把指令取回到指令寄存器

34、的值從內(nèi)存把指令取回到指令寄存器IR中；修改中；修改PC值，轉(zhuǎn)入下一個(gè)值，轉(zhuǎn)入下一個(gè)CPU周期。周期。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器對(duì)照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器2取操作數(shù)周期取操作數(shù)周期FDC 把操作數(shù)取到把操作數(shù)取到DR中；中； 若從內(nèi)存取數(shù)，則內(nèi)存地址放在若從內(nèi)存取數(shù)，則內(nèi)存地址放在AR中；中； 轉(zhuǎn)到相應(yīng)的執(zhí)行周期。轉(zhuǎn)到相應(yīng)的執(zhí)行周期。6.3.4 模型機(jī)指令的

35、微操作流程模型機(jī)指令的微操作流程 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)照?qǐng)D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)照?qǐng)D尋址方式對(duì)照?qǐng)D尋址方式對(duì)照?qǐng)D 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器3執(zhí)行周期執(zhí)行周期EXEC 例例1: 雙操作數(shù)加法運(yùn)算指令雙操作數(shù)加法運(yùn)算指令 ADD AX, Addr ADD Addr, AX 6.3.4 模型機(jī)指令的微操作流程模型機(jī)指令的微操作流程 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)

36、信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)照?qǐng)D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)照?qǐng)D尋址方式對(duì)照?qǐng)D尋址方式對(duì)照?qǐng)D 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器例例2: 傳送指令傳送指令 MOV AX，BXRyIB, Rxin系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)照?qǐng)D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)照?qǐng)D尋址方式對(duì)照?qǐng)D尋址方式對(duì)照?qǐng)D 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟： (1) 用微操作流程表示

37、各指令的用微操作流程表示各指令的CPU周期的處理流程。周期的處理流程。6.4.5 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)組合邏輯控制器的設(shè)計(jì) (3) 在所有指令流程中，找出每一個(gè)微操作出現(xiàn)的條件，在所有指令流程中，找出每一個(gè)微操作出現(xiàn)的條件，寫出邏輯表達(dá)式。寫出邏輯表達(dá)式。 (4) 按邏輯表達(dá)式構(gòu)造硬件電路。按邏輯表達(dá)式構(gòu)造硬件電路。 (2) 對(duì)指令流程中各微操作分配操作時(shí)間（確定對(duì)指令流程中各微操作分配操作時(shí)間（確定CPU周期，節(jié)拍周期或節(jié)拍脈沖）。周期，節(jié)拍周期或節(jié)拍脈沖）。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央

38、處理器 例如例如 “ “PCIBPCIB”= FICT0”= FICT0 + FDCIR3T0 + FDCIR3T0 + FDC(IR3IR2IR1IR0)T3 + FDC(IR3IR2IR1IR0)T3 + EXEC(. . + EXEC(. . + . + . “ “ARinARin”= FICP0”= FICP0 + FDC(IR3,2=01)P0 + FDC(IR3,2=01)P0 + FDC(IR3=1)P0 + FDC(IR3=1)P0 + FDC(IR2,1=01)P3 + FDC(IR2,1=01)P3 + . + .6.4.5 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)對(duì)照?qǐng)D對(duì)

39、照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D對(duì)照?qǐng)D 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器輸入：輸入：IR的信號(hào)、時(shí)序信號(hào)、的信號(hào)、時(shí)序信號(hào)、PSW等等輸出：微操作控制信號(hào)輸出：微操作控制信號(hào) 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4 微程序控制原理微程序控制原理 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將程序設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將程序設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，即用程序設(shè)計(jì)的思想方法來(lái)組織操作控技術(shù)相結(jié)合

40、，即用程序設(shè)計(jì)的思想方法來(lái)組織操作控制邏輯，將微操作控制信號(hào)按一定規(guī)則進(jìn)行信息編碼制邏輯，將微操作控制信號(hào)按一定規(guī)則進(jìn)行信息編碼（代碼化），形成控制字（微指令），再把這些微指（代碼化），形成控制字（微指令），再把這些微指令按時(shí)間先后排列起來(lái)構(gòu)成微程序，存放在一個(gè)只讀令按時(shí)間先后排列起來(lái)構(gòu)成微程序，存放在一個(gè)只讀的控制存儲(chǔ)器中。的控制存儲(chǔ)器中。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器1微命令和微操作微命令和微操作 微命令微命令是控制計(jì)算機(jī)某個(gè)部件完成某個(gè)基本微操作的是控制計(jì)算機(jī)某個(gè)部件完成某個(gè)基本

41、微操作的命令。微命令和微操作是一一對(duì)應(yīng)的。命令。微命令和微操作是一一對(duì)應(yīng)的。2微指令、微地址微指令、微地址 把一個(gè)節(jié)拍內(nèi)所完成的微操作集合起來(lái)，用二進(jìn)制的把一個(gè)節(jié)拍內(nèi)所完成的微操作集合起來(lái)，用二進(jìn)制的編碼方式表示，形成一條編碼方式表示，形成一條微指令微指令。 存放微指令的控制存儲(chǔ)器的單元地址就稱為微地址。存放微指令的控制存儲(chǔ)器的單元地址就稱為微地址。6.4.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器微指令的格式：微指令的格式：操作控制字段操作控制字段順序

42、控制字段（微地址）順序控制字段（微地址）uIR3. 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)的微命從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微命令所需的全部時(shí)間稱為微周期。令所需的全部時(shí)間稱為微周期。4. 微程序微程序 一系列微指令的有序集合就是一系列微指令的有序集合就是微程序微程序。每一條機(jī)器。每一條機(jī)器指令都對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。指令都對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。6.4.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.2 微程序控制器的組成微程序控制器的組

43、成1. 控制存儲(chǔ)器（控制存儲(chǔ)器（CM）2. 微指令寄存器（微指令寄存器（ IR）3. 微地址形成部件微地址形成部件4. 微地址寄存器（微地址寄存器（ MAR） 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.3 微指令編碼法微指令編碼法1. 直接控制法（不譯碼法）直接控制法（不譯碼法） 微指令字長(zhǎng)與系統(tǒng)微命令相同，即微指令操作控制字微指令字長(zhǎng)與系統(tǒng)微命令相同，即微指令操作控制字段中的各位分別可以直接控制計(jì)算機(jī)的部件。段中的各位分別可以直接控制計(jì)算機(jī)的部件。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并行性強(qiáng)，操作速度快，但

44、是微指特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并行性強(qiáng)，操作速度快，但是微指令字太長(zhǎng)。令字太長(zhǎng)。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.3 微指令編碼法微指令編碼法2. 最短編碼法最短編碼法 這種方法將所有的微命令統(tǒng)一編碼，每條微指令只這種方法將所有的微命令統(tǒng)一編碼，每條微指令只定義一個(gè)微命令。若微命令的總數(shù)為定義一個(gè)微命令。若微命令的總數(shù)為N，操作控制字段的，操作控制字段的長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則最短編碼法應(yīng)滿足下列關(guān)系式：，則最短編碼法應(yīng)滿足下列關(guān)系式：Llog2N 特點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)最短，譯碼器復(fù)雜，不能充分利特

45、點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)最短，譯碼器復(fù)雜，不能充分利用機(jī)器硬件所具有的并行性。用機(jī)器硬件所具有的并行性。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 將操作控制字段分為若干個(gè)小段，每段內(nèi)采用最短編將操作控制字段分為若干個(gè)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。碼法，段與段之間采用直接控制法。(1) 字段直接編碼法字段直接編碼法各字段都可以獨(dú)立地定義本字段的微命令，而和其他字各字段都可以獨(dú)立地定義本字段的微命令，而和其他字段無(wú)關(guān)。又稱為顯式編碼或單重定義編碼方法。段無(wú)關(guān)。又稱為顯式編碼或單重定義編

46、碼方法。 3. 字段編碼法字段編碼法6.4.3 微指令編碼法微指令編碼法 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器譯碼器 譯碼器譯碼器微指令寄存器微命令 微命令微命令操作控制字段順序控制字段字段直接編碼法字段直接編碼法 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器(2) 字段間接編碼法字段間接編碼法 字段間接編碼法是在字段直接編碼法的基礎(chǔ)上，字段間接編碼法是在字段直接編碼法的基礎(chǔ)上，用來(lái)進(jìn)一步縮短微指令字

47、長(zhǎng)的方法。間接編碼的含義用來(lái)進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)的方法。間接編碼的含義是，一個(gè)字段的某些編碼不能獨(dú)立地定義某些微命令，是，一個(gè)字段的某些編碼不能獨(dú)立地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來(lái)聯(lián)合定義，因此又稱為隱而需要與其他字段的編碼來(lái)聯(lián)合定義，因此又稱為隱式編碼或多重定義編碼方法。式編碼或多重定義編碼方法。6.4.3 微指令編碼法微指令編碼法 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器a1,1a2,1a7,1a1,2a2,2a7,2微命令譯碼器微命令譯碼器ABb1b2微指令字段間接編碼法字段間接編

48、碼法 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器 (1) 把互斥性的微命令分在同一段內(nèi)，相容性的把互斥性的微命令分在同一段內(nèi)，相容性的微命令分在不同段內(nèi)。微命令分在不同段內(nèi)。 (2) 應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。 (3) 每個(gè)小段中包含的信息位不能太多，否則將增每個(gè)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(shí)間。加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。 (4) 一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)，表示本字段一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何微命令。不發(fā)出任何微命

49、令。3. 字段編碼法中操作控制字段的分段原則字段編碼法中操作控制字段的分段原則6.4.3 微指令編碼法微指令編碼法 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器1. 一級(jí)功能轉(zhuǎn)換一級(jí)功能轉(zhuǎn)換 直接使操作碼與入口地址碼的部分位相對(duì)應(yīng)。直接使操作碼與入口地址碼的部分位相對(duì)應(yīng)。2. 二級(jí)功能轉(zhuǎn)換二級(jí)功能轉(zhuǎn)換 第一次先按指令類型標(biāo)志轉(zhuǎn)移，以區(qū)分出指令屬第一次先按指令類型標(biāo)志轉(zhuǎn)移，以區(qū)分出指令屬于哪一類，第二次即可按操作碼區(qū)分出具體是哪條指于哪一類，第二次即可按操作碼區(qū)分出具體是哪條指令，找出相應(yīng)微程序的入口微

50、地址。令，找出相應(yīng)微程序的入口微地址。3. 通過(guò)通過(guò)PLA電路實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換 采用采用PLA電路將每條機(jī)器指令的操作碼翻譯成對(duì)電路將每條機(jī)器指令的操作碼翻譯成對(duì)應(yīng)的微程序入口地址。這種方法對(duì)于變長(zhǎng)度、變位置應(yīng)的微程序入口地址。這種方法對(duì)于變長(zhǎng)度、變位置的操作碼顯得更有效，而且轉(zhuǎn)換速度較快。的操作碼顯得更有效，而且轉(zhuǎn)換速度較快。 6.4.4 微程序入口地址的形成微程序入口地址的形成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器包括：包括：NA: 次地址字段（轉(zhuǎn)移時(shí)用）；次地址字段（轉(zhuǎn)移時(shí)用

51、）；NAC: 次地址控制字段（指示下一微地址的產(chǎn)生方式）。次地址控制字段（指示下一微地址的產(chǎn)生方式）。6.4.5 微地址的形成微地址的形成1. 順序方式順序方式 uAR遞增。遞增。2. 無(wú)條件轉(zhuǎn)移無(wú)條件轉(zhuǎn)移uARNA3. 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移uARuAR+1，或，或 uARNA4. 多分支轉(zhuǎn)移多分支轉(zhuǎn)移 例如根據(jù)機(jī)器指令的操作碼或?qū)ぶ贩绞竭M(jìn)行分支。例如根據(jù)機(jī)器指令的操作碼或?qū)ぶ贩绞竭M(jìn)行分支。5. 微地址寄存器首地址的產(chǎn)生微地址寄存器首地址的產(chǎn)生 從取指入口開始，從取指入口開始，CPU被被RESET時(shí)，時(shí)，uAR也指向該入口也指向該入口 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

52、“計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.5 微地址的形成微地址的形成 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.5 微模型機(jī)微程序控制器舉例微模型機(jī)微程序控制器舉例 1. 微指令格式微指令格式 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.5 微模型機(jī)微程序控制器舉例微模型機(jī)微程序控制器舉例 1. 微指令格式微指令格式 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

53、西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.4.5 微模型機(jī)微程序控制器舉例微模型機(jī)微程序控制器舉例 1. 微指令格式微指令格式 例例如如： “P PC CI IB B，A AR Ri in n”微微操操作作，其其微微指指令令的的前前面面部部分分為為：B40402220050404.PCIBARin 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器2. 微程序流程舉例微程序流程舉例 (1) SUB AX,BX ; AX(1) SUB AX

54、,BX ; AX（AXAX）-(BX)-(BX) IR7-010101000 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器001H PCAR001H PCAR002H ARAB,002H ARAB,讀內(nèi)存讀內(nèi)存,PC+2PC,PC+2PC003H DBDR003H DBDR009H DRIR009H DRIR00AH (00AH (控制轉(zhuǎn)移控制轉(zhuǎn)移) )取指取指取數(shù)取數(shù)（寄間址）（寄間址）004H BXAR004H BXAR005H ARAB,005H ARAB,讀內(nèi)存讀內(nèi)存006H DBDR006H

55、 DBDR00FH (00FH (控制轉(zhuǎn)移控制轉(zhuǎn)移) )SUB030H (030H (判源終判源終) )031H DRS031H DRS032H AX-DRT032H AX-DRT033H TAX,033H TAX,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)110H110H.按尋址方式轉(zhuǎn)到按尋址方式轉(zhuǎn)到004H004H.按操作碼轉(zhuǎn)按操作碼轉(zhuǎn) SUB入口為入口為30H檢測(cè)中斷檢測(cè)中斷轉(zhuǎn)取指入口轉(zhuǎn)取指入口001H無(wú)條件轉(zhuǎn)到無(wú)條件轉(zhuǎn)到110H110H檢測(cè)中斷檢測(cè)中斷 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.5 流水線技術(shù)流水線技術(shù)6.5

56、.1 重疊控制重疊控制取指取指取指取指取指取指取指執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行分析分析分析分析分析分析分析(a)(b)(c)KKKK+1K+1K+1K+2順序執(zhí)行方式順序執(zhí)行方式一次重疊執(zhí)行方式一次重疊執(zhí)行方式二次重疊執(zhí)行方式二次重疊執(zhí)行方式 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.5.2 先行控制原理先行控制原理 由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)很復(fù)雜，各種類型由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)很復(fù)雜，各種類型指令難于做到指令難于做到“分析分析”與與“執(zhí)行執(zhí)行”時(shí)間始終相等。時(shí)間始終相等。此時(shí)，各個(gè)階段的控制

57、部件就有可能出現(xiàn)間斷等待此時(shí)，各個(gè)階段的控制部件就有可能出現(xiàn)間斷等待的問(wèn)題（的問(wèn)題（見圖見圖6-21）。先行控制的主要目的是使各。先行控制的主要目的是使各階段的專用控制部件不間斷的工作，以提高設(shè)備的階段的專用控制部件不間斷的工作，以提高設(shè)備的利用率及執(zhí)行速度利用率及執(zhí)行速度（見圖（見圖6-22）。）。 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 “計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理B”教案 第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.5 流水線技術(shù)流水線技術(shù)6.5.3 流水工作原理流水工作原理1. 流水線流水線 流水線是將一個(gè)較復(fù)雜的處理過(guò)程分成流水線是將一個(gè)較復(fù)雜的處理過(guò)程分成m個(gè)復(fù)雜程個(gè)復(fù)雜程度相當(dāng)、處理時(shí)間大致相等的子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由一度相當(dāng)、處理時(shí)間大致相等的子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由一個(gè)獨(dú)立的功能部件來(lái)完成，處理對(duì)象在各子過(guò)程連成的個(gè)獨(dú)立的功能部件來(lái)完成，處理對(duì)象在各子過(guò)程連成的線路上連續(xù)流動(dòng)。在同一時(shí)間，線路上連續(xù)流動(dòng)。在同一時(shí)間，m個(gè)部件同時(shí)進(jìn)行不同個(gè)部件同時(shí)進(jìn)行不同的操