組成ppt-中央處理器-

1、20141頁頁行行錯(cuò)誤錯(cuò)誤糾正糾正P138圖圖6-2指令譯碼器（指令譯碼器（IP）指令譯碼器（指令譯碼器（ID）P155圖圖6-23圖圖6-2420142圖6-23圖6-24第第6 6章章 中央處理器中央處理器2014320144第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 6.1 中央處理器的功能與組成中央處理器的功能與組成6.2 6.2 硬連線控制器硬連線控制器6.3 6.3 微程序控制器微程序控制器6.4 6.4 中斷與異常處理中斷與異常處理6.5 6.5 中央處理器中流水線技術(shù)的中央處理器中流水線技術(shù)的 基本概念基本概念20145第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 6.1 中央處

2、理器的功能與組成中央處理器的功能與組成201466.1 6.1 中央處理器的功能與組成中央處理器的功能與組成一、中央處理器的組成一、中央處理器的組成 中央處理器中央處理器（ Central Processing Unit ，CPUCPU） 計(jì)算機(jī)中自動(dòng)完成取出指令和執(zhí)行指令任計(jì)算機(jī)中自動(dòng)完成取出指令和執(zhí)行指令任 務(wù)的部件務(wù)的部件原始含義由原始含義由運(yùn)算器運(yùn)算器和和控制器控制器組成組成現(xiàn)代現(xiàn)代CPUCPU內(nèi)集成了越來越多的功能部件：內(nèi)集成了越來越多的功能部件： MMUMMU： 存儲(chǔ)管理部件存儲(chǔ)管理部件 FPUFPU： 浮點(diǎn)處理器浮點(diǎn)處理器 CacheCache：高速緩沖存儲(chǔ)器：高速緩沖存儲(chǔ)器 M

3、MXMMX： 多媒體擴(kuò)展部件多媒體擴(kuò)展部件等等等等20147一、中央處理器的組成1. CPU1. CPU的基本組成的基本組成PCIRID操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器CPU控制器運(yùn)算器CPU控制器運(yùn)算器CacheALUACDRARFRMMU（存儲(chǔ)管理部件）FPU（浮點(diǎn)處理器）MMX（媒體擴(kuò)展部件MMX）20148一、中央處理器的組成2. 2. 運(yùn)算器的運(yùn)算器的主要主要部件部件 算術(shù)邏輯部件（算術(shù)邏輯部件（ALUALU） ALUALU是運(yùn)算器的核心部件，完成算術(shù)運(yùn)算和邏是運(yùn)算器的核心部件，完成算術(shù)運(yùn)算和邏 輯運(yùn)算輯運(yùn)算 累加器（累加器（ACAC） 累加器累加器ACAC是暫時(shí)存放是暫時(shí)存放ALUALU運(yùn)算結(jié)

4、果信息的寄運(yùn)算結(jié)果信息的寄 存器，具有通用寄存器功能。當(dāng)存器，具有通用寄存器功能。當(dāng)CPUCPU采用通用寄采用通用寄 存器組的結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在指令格式中對(duì)寄存器號(hào)存器組的結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在指令格式中對(duì)寄存器號(hào) 加以編址。加以編址。 通用寄存器中任一個(gè)都可存放源操作數(shù)，也通用寄存器中任一個(gè)都可存放源操作數(shù)，也 可存放結(jié)果操作數(shù)?？纱娣沤Y(jié)果操作數(shù)。201492.運(yùn)算器的主要部件 狀態(tài)標(biāo)志寄存器（狀態(tài)標(biāo)志寄存器（FR/FR/ PSW） 專用寄存器專用寄存器 保存運(yùn)行或測試產(chǎn)生的各種狀態(tài)信息保存運(yùn)行或測試產(chǎn)生的各種狀態(tài)信息 如：運(yùn)算結(jié)果進(jìn)位標(biāo)志如：運(yùn)算結(jié)果進(jìn)位標(biāo)志( (C C) )、溢出標(biāo)志、溢出標(biāo)志( (

5、V/OV/O) ) 結(jié)果為零標(biāo)志結(jié)果為零標(biāo)志( (Z Z) )、結(jié)果為負(fù)標(biāo)志、結(jié)果為負(fù)標(biāo)志( (N N) ) 符號(hào)標(biāo)志（符號(hào)標(biāo)志（S S）、奇偶標(biāo)志（）、奇偶標(biāo)志（P P）等等）等等 保存中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，以便使保存中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，以便使CPUCPU和和 系統(tǒng)能及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和程序運(yùn)行情況系統(tǒng)能及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和程序運(yùn)行情況 如：中斷允許標(biāo)志（如：中斷允許標(biāo)志（IFIF）、單步執(zhí)行標(biāo)志（）、單步執(zhí)行標(biāo)志（T T） 方向標(biāo)志（方向標(biāo)志（D D） 等等等等 標(biāo)志位通常分別由標(biāo)志位通常分別由1 1位觸發(fā)器記憶，因此，狀位觸發(fā)器記憶，因此，狀態(tài)條件寄存器是一個(gè)由各種狀態(tài)條件

6、標(biāo)志組合而成態(tài)條件寄存器是一個(gè)由各種狀態(tài)條件標(biāo)志組合而成的寄存器。的寄存器。2014102. 運(yùn)算器的主要部件 數(shù)據(jù)寄存器（數(shù)據(jù)寄存器（DRDR） 用來存放當(dāng)前訪問內(nèi)存或外設(shè)的內(nèi)容用來存放當(dāng)前訪問內(nèi)存或外設(shè)的內(nèi)容 作用：作用： 作為作為CPUCPU同主存或外設(shè)接口之間信息傳輸?shù)木復(fù)鞔婊蛲庠O(shè)接口之間信息傳輸?shù)木彌_器，以補(bǔ)償沖器，以補(bǔ)償CPUCPU和內(nèi)存、外圍設(shè)備之間在操作速和內(nèi)存、外圍設(shè)備之間在操作速度上的差異。度上的差異。 DR DR又稱數(shù)據(jù)緩沖寄存器又稱數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 地址寄存器（地址寄存器（ARAR） 保存當(dāng)前保存當(dāng)前CPUCPU所訪問的內(nèi)存單元所訪問的內(nèi)存單元 或或I/OI/O端口的

7、地址端口的地址201411一、中央處理器的組成3.3.控制器主要部件控制器主要部件 程序計(jì)數(shù)器（程序計(jì)數(shù)器（PCPC）確定下一條指令的地址確定下一條指令的地址 程序開始執(zhí)行前，將程序的首地址送入程序開始執(zhí)行前，將程序的首地址送入PCPC 程序順序執(zhí)行時(shí)，程序順序執(zhí)行時(shí)，CPUCPU自動(dòng)修改自動(dòng)修改PCPC的內(nèi)容，的內(nèi)容， 指向下一條指令的地址指向下一條指令的地址 執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，按指令給出的轉(zhuǎn)移地址執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，按指令給出的轉(zhuǎn)移地址 修改修改PCPC內(nèi)容內(nèi)容 2014123.控制器主要部件 指令寄存器（指令寄存器（IRIR） 保存當(dāng)前正在執(zhí)行的那條指令保存當(dāng)前正在執(zhí)行的那條指令 指令譯碼器（

8、指令譯碼器（IDID） 指令寄存器的操作碼字段送指令譯碼器，指令寄存器的操作碼字段送指令譯碼器， 譯碼產(chǎn)生指令類型碼，送控制器產(chǎn)生相應(yīng)的操作譯碼產(chǎn)生指令類型碼，送控制器產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)。2014133.控制器主要部件 操作控制器操作控制器 根據(jù)指令譯碼的結(jié)果，產(chǎn)生操作控制信號(hào)，根據(jù)指令譯碼的結(jié)果，產(chǎn)生操作控制信號(hào)， 控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件工作?？刂朴?jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件工作。 時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器 按按指令周期指令周期-機(jī)器周期機(jī)器周期-時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期時(shí)序要時(shí)序要 求，對(duì)操作信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，產(chǎn)生受時(shí)求，對(duì)操作信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，產(chǎn)生受時(shí) 序約束的操作控制信號(hào)，即給出指令各個(gè)操

9、作序約束的操作控制信號(hào)，即給出指令各個(gè)操作 步驟的相對(duì)次序關(guān)系，使計(jì)算機(jī)有條不紊地工步驟的相對(duì)次序關(guān)系，使計(jì)算機(jī)有條不紊地工 作。作。2014146.1 中央處理器的功能與組成二、中央處理器的功能二、中央處理器的功能指令控制指令控制：控制程序嚴(yán)格按規(guī)定的順序依次執(zhí)行：控制程序嚴(yán)格按規(guī)定的順序依次執(zhí)行操作控制操作控制：按指令規(guī)定的要求，產(chǎn)生操作控制信：按指令規(guī)定的要求，產(chǎn)生操作控制信 號(hào)，控制各部件工作號(hào)，控制各部件工作時(shí)間控制時(shí)間控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，使計(jì)：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，使計(jì) 算機(jī)有條不紊地工作算機(jī)有條不紊地工作數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理：對(duì)數(shù)

10、據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理中斷處理和異常處理中斷處理和異常處理：具有處理中斷源服務(wù)請(qǐng)求：具有處理中斷源服務(wù)請(qǐng)求 的能力，以及處理計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中的能力，以及處理計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中 出現(xiàn)異常情況的能力。出現(xiàn)異常情況的能力。PC+IR+IDPC+IR+ID操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器運(yùn)算器功能201415二、中央處理器的功能擴(kuò)展功能：擴(kuò)展功能：存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理對(duì)主存和對(duì)主存和CacheCache的管理、虛擬存儲(chǔ)器的管理、虛擬存儲(chǔ)器 的管理和存儲(chǔ)器的保護(hù)等；的管理和存儲(chǔ)器的保護(hù)等；總線管理總線管理對(duì)對(duì)CPUCPU系統(tǒng)總線中所連接的各設(shè)備的系統(tǒng)總線中所連接的各設(shè)備的 總線仲裁和總線同步管理；總線仲裁和總線同步

11、管理；電源管理電源管理對(duì)電源進(jìn)行智能管理，以減少對(duì)電源進(jìn)行智能管理，以減少CPUCPU芯芯 片的發(fā)熱和電源消耗。片的發(fā)熱和電源消耗。201416第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 6.1 中央處理器的功能與組成中央處理器的功能與組成6.2 6.2 硬連線控制器硬連線控制器2014176.2 6.2 硬連線控制器硬連線控制器一、硬連線控制器概述一、硬連線控制器概述控制器設(shè)計(jì)方法：控制器設(shè)計(jì)方法：硬連線控制器硬連線控制器 微程序控制器微程序控制器 陣列邏輯控制器陣列邏輯控制器 硬連線控制器用一個(gè)時(shí)序電路產(chǎn)生時(shí)間控制信硬連線控制器用一個(gè)時(shí)序電路產(chǎn)生時(shí)間控制信號(hào)，采用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)各種控制功

12、能，又稱為號(hào)，采用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)各種控制功能，又稱為組合邏輯型控制器。組合邏輯型控制器。 硬連線控制器工作速度較快，僅取決于電路延硬連線控制器工作速度較快，僅取決于電路延遲時(shí)間。遲時(shí)間。2014186.2 硬連線控制器二、硬連線控制器的結(jié)構(gòu)二、硬連線控制器的結(jié)構(gòu)硬連線控制器的結(jié)構(gòu)框圖：硬連線控制器的結(jié)構(gòu)框圖： P138P138圖圖6-26-2（C1CX）（IDID）IR（OP） IDID譯碼產(chǎn)生指令譯碼產(chǎn)生指令類型碼類型碼INS1INSn 時(shí)鐘源時(shí)鐘源CLK： 由石英振蕩器電路由石英振蕩器電路產(chǎn)生機(jī)器主頻，送產(chǎn)生機(jī)器主頻，送節(jié)拍脈沖發(fā)生器。節(jié)拍脈沖發(fā)生器。節(jié)拍脈沖發(fā)生器：節(jié)拍脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生

13、一組節(jié)拍脈沖信號(hào)產(chǎn)生一組節(jié)拍脈沖信號(hào)T1，T2，Tm 。微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào)C CX X是是INSINSn n,T,Tm m和和B Bj j的函數(shù)：的函數(shù)：C Cx x = f ( = f ( INSINSn n, T, Tm m, B, Bj j ) )B1Bj輸入信號(hào)來源有三個(gè)：輸入信號(hào)來源有三個(gè)： 來自指令操作碼譯碼的輸出信號(hào)來自指令操作碼譯碼的輸出信號(hào)INSnINSn 來自執(zhí)行部件的反饋信息來自執(zhí)行部件的反饋信息BjBj（包括請(qǐng)求信號(hào)）（包括請(qǐng)求信號(hào)） 來自時(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信號(hào)來自時(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信號(hào)TmTm輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào)CxCx 用來對(duì)執(zhí)行部

14、件用來對(duì)執(zhí)行部件 進(jìn)行控制進(jìn)行控制201419二、硬連線控制器的結(jié)構(gòu)操作控制信號(hào)的一般邏輯表達(dá)式：操作控制信號(hào)的一般邏輯表達(dá)式： Cx = f ( INSn, Tm, Bj )若不考慮狀態(tài)條件碼等輸入，則操作控制信號(hào)的若不考慮狀態(tài)條件碼等輸入，則操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式為：邏輯表達(dá)式為：C Cn n = T = T1 1(INS(INS1 1+INS+INS2 2+INS+INSn n)+T)+T2 2(INS(INS1 1+INS+INS2 2 +INS +INSn n)+T)+Tm m(INS(INS1 1+INS+INS2 2+INS+INSn n) )2014206.2 硬連線控制器三

15、、硬連線控制器的設(shè)計(jì)步驟三、硬連線控制器的設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)舉例：設(shè)計(jì)舉例：例例1 1：設(shè)計(jì)某模型機(jī)的控制器（硬連線控制器）：設(shè)計(jì)某模型機(jī)的控制器（硬連線控制器）設(shè)該機(jī)指令系統(tǒng)僅為四條指令：設(shè)該機(jī)指令系統(tǒng)僅為四條指令：ADD ADD R3，R1，R2 ；加法指令加法指令，(R1)+(R2)R3(R1)+(R2)R3LOAD R1LOAD R1，memmem ；取數(shù)指令取數(shù)指令，（，（memmem）R1R1STORE R1,mem STORE R1,mem ；存數(shù)指令存數(shù)指令，（，（R1R1） memmemBR offs BR offs ；轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令， gotogoto PC+offsPC+of

16、fs201421設(shè)計(jì)舉例：1.1.分析指令流程分析指令流程PCMARPC+1PCout, MARinRead, PC+1MDRIRMDRout, IRinR1YR1out, YinR2ALUALUZR2out,addZinZR3Zout, R3inADDPCYPCout, YinIRALUALUZIRout, add ZinZPCZout, PCinBRIRMARIRout, MARinReadIRMARIRout, MARinMDRR1MDRout, R1inR1MDRR1out, MDRin, WriteT1T2T3T4T5T3T4LOADSTOREEND201422設(shè)計(jì)舉例：3.3.總結(jié)

17、綜合所有微操作總結(jié)綜合所有微操作(1)(1)： PCout = T1 + BRT3 C1PC + 1 = T1 C2PCin = BRT5 C3MARin = T1 + STORE T3 + LOAD T3 C4MDRin = STORE T4 C5MDRout = T2 + LOAD T4 C6Read = T1 + LOAD T3 C7Write = STORE T4 C8IRin = T2 C9201423設(shè)計(jì)舉例：3.3.總結(jié)綜合所有微操作總結(jié)綜合所有微操作(2)(2)：IRout = LOAD T3 + STORE T3 + BR T4 C10R1in = LOAD T4 C11R1

18、out = ADDT3 + STORET4 C12R2out = ADD T4 C13R3in = ADDT5 C14Yin = ADD T3 + BR T3 C15Add = ADD T4 + BR T4 C16Zin = ADD T4 + BR T4 C17Zout = ADD T5 + BR T5 C18END = ( LOAD + STORE ) T4 + (ADD + BR) T5C19201424設(shè)計(jì)舉例：4.4.根據(jù)上述微操作的邏輯函數(shù)表達(dá)式，用邏輯門根據(jù)上述微操作的邏輯函數(shù)表達(dá)式，用邏輯門 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 例：例：IRout = LOADTIRout = LOADT3 3 + STO

19、RET + STORET3 3 + BRT + BRT4 4 門陣列控制器：門陣列控制器： 設(shè)計(jì)方法同硬布線控制器，僅實(shí)現(xiàn)方法不同，用設(shè)計(jì)方法同硬布線控制器，僅實(shí)現(xiàn)方法不同，用PLDPLD器器 件實(shí)現(xiàn)。件實(shí)現(xiàn)。201425第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 6.1 中央處理器的功能與組成中央處理器的功能與組成6.2 6.2 硬連線控制器硬連線控制器6.3 6.3 微程序控制器微程序控制器2014266.3 6.3 微程序控制器微程序控制器一、微程序控制器概述一、微程序控制器概述 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的一門技術(shù)。一門技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

20、： 微程序控制器同硬布線控制器相比較，具有規(guī)微程序控制器同硬布線控制器相比較，具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)。整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 執(zhí)行速度慢，增加了到控制存儲(chǔ)器中讀取微指執(zhí)行速度慢，增加了到控制存儲(chǔ)器中讀取微指令的時(shí)間。令的時(shí)間。201427一、微程序控制器概述1.1. 微程序控制的基本思路微程序控制的基本思路 將每條機(jī)器指令所需要的操作控制信號(hào)編成所將每條機(jī)器指令所需要的操作控制信號(hào)編成所謂的謂的“微指令微指令”，存放到一個(gè)控制存儲(chǔ)器（，存放到一個(gè)控制存儲(chǔ)器（控存控存）中中（一般用（一般用ROMROM實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn)）。 當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條條地讀出這些微指令，

21、從當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)的而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)的部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。機(jī)器指令機(jī)器指令微指令微指令2 2微指令微指令1 1微指令微指令n n分解分解一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，而微程序段微程序，而微程序的總和可實(shí)現(xiàn)整個(gè)指的總和可實(shí)現(xiàn)整個(gè)指令系統(tǒng)的功能令系統(tǒng)的功能取出微指令取出微指令產(chǎn)生微命令產(chǎn)生微命令逐一解釋執(zhí)行指令逐一解釋執(zhí)行指令201428一、微程序控制器概述2.2.微命令和微操作微命令和微操作 控制部件向執(zhí)行部件發(fā)布命令控制部件向執(zhí)行部件發(fā)布命令 微命令微命令 控制部

22、件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各 種控制命令種控制命令 微操作微操作 執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作 相容性微操作相容性微操作：同時(shí)或同一：同時(shí)或同一CPUCPU周期內(nèi)可并行周期內(nèi)可并行 執(zhí)行的微操作執(zhí)行的微操作 相斥性微操作相斥性微操作：不能同時(shí)或同一：不能同時(shí)或同一CPUCPU周期內(nèi)并周期內(nèi)并 行執(zhí)行的微操作行執(zhí)行的微操作2014292.微命令和微操作簡單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖：簡單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖：R1R2R3123468597DRXYMALU+Cy 1 19 9、+ +、- -、M M均為微命令控制信號(hào)，其有效時(shí)才允許數(shù)據(jù)通

23、均為微命令控制信號(hào)，其有效時(shí)才允許數(shù)據(jù)通 過，由微命令建立有效的數(shù)據(jù)通路過，由微命令建立有效的數(shù)據(jù)通路 相斥性微操作：相斥性微操作： / /M/M； 4/6/84/6/8； 5/7/95/7/9 相容性微操作：相容性微操作： 1/2/3 4/6/81/2/3 4/6/8之一之一 5/7/95/7/9之一之一2014302.微命令和微操作 執(zhí)行部件反饋信息執(zhí)行部件反饋信息狀態(tài)測試狀態(tài)測試 執(zhí)行部件通過反饋線向控制部件反映操作執(zhí)行部件通過反饋線向控制部件反映操作 情況，以便使控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的情況，以便使控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的“狀態(tài)狀態(tài)” 來下達(dá)新的微命令。來下達(dá)新的微命令。2014316.3

24、 微程序控制器二、微指令格式二、微指令格式微指令微指令 在一個(gè)在一個(gè)CPUCPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合命令的組合 格式：格式：一個(gè)一個(gè)CPUCPU周期中，所需周期中，所需要的全部微命令的編碼要的全部微命令的編碼組合，即發(fā)出指揮計(jì)算組合，即發(fā)出指揮計(jì)算機(jī)工作的操作控制信號(hào)機(jī)工作的操作控制信號(hào)順序控制字段：順序控制字段：用以決定產(chǎn)生下一條微指用以決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。該字段由令的地址。該字段由2 2部分部分組成：轉(zhuǎn)移控制字段組成：轉(zhuǎn)移控制字段( (BCF)BCF)和轉(zhuǎn)移地址字段和轉(zhuǎn)移地址字段( (BAF)BAF)。指出下條微指令指出下條微指

25、令地址的轉(zhuǎn)移條件地址的轉(zhuǎn)移條件與與BCFBCF配合產(chǎn)生下配合產(chǎn)生下條微指令地址條微指令地址當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，由機(jī)器指令的操作碼以及當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，由機(jī)器指令的操作碼以及CPUCPU系統(tǒng)狀態(tài)條件碼系統(tǒng)狀態(tài)條件碼構(gòu)成了機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的一段微程序的微指令地址?？刂破靼创宋?gòu)成了機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的一段微程序的微指令地址。控制器按此微指令地址，從控制存儲(chǔ)器指令地址，從控制存儲(chǔ)器ROMROM中讀取相應(yīng)的微指令，產(chǎn)生相應(yīng)的操中讀取相應(yīng)的微指令，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)去控制整個(gè)系統(tǒng)的操作。作控制信號(hào)去控制整個(gè)系統(tǒng)的操作。2014326.3 微程序控制器三、微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)三、微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)微程序

26、控制器的基本組成：微程序控制器的基本組成： 圖圖6-66-61. 1. 組成：組成：控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CMCM： ROMROM，存放微程序，存放微程序 微指令寄存器微指令寄存器IR ： 微地址寄存器微地址寄存器AR ：尋址控存：尋址控存 微命令寄存器微命令寄存器： 控制碼譯碼器控制碼譯碼器 順序控制邏輯順序控制邏輯： 自動(dòng)修改后繼微指令地址自動(dòng)修改后繼微指令地址 從從CMCM中取出第一條微指令：中取出第一條微指令： 執(zhí)行執(zhí)行“取機(jī)器指令取機(jī)器指令”微指令（通常存放在微指令（通常存放在0 0號(hào)單元）號(hào)單元） 根據(jù)微命令字段產(chǎn)生的操作控制信號(hào)，完成從主存中讀取機(jī)根據(jù)微命令字段產(chǎn)生的操作控制信號(hào)，

27、完成從主存中讀取機(jī) 器指令并送器指令并送IRIR的操作的操作 對(duì)機(jī)器指令的對(duì)機(jī)器指令的OPOP譯碼，并通過地址轉(zhuǎn)移邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的譯碼，并通過地址轉(zhuǎn)移邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的 微程序入口地址微程序入口地址 根據(jù)不同的機(jī)器指令轉(zhuǎn)不同的微程序入口根據(jù)不同的機(jī)器指令轉(zhuǎn)不同的微程序入口 逐行取出對(duì)應(yīng)的微指令，由微指令提供的微命令序列控制逐行取出對(duì)應(yīng)的微指令，由微指令提供的微命令序列控制 有關(guān)操作有關(guān)操作 并根據(jù)微指令的順序控制字段決定后繼微指令地址，逐條并根據(jù)微指令的順序控制字段決定后繼微指令地址，逐條 取出執(zhí)行取出執(zhí)行 微程序執(zhí)行完畢，返回微程序執(zhí)行完畢，返回0 0號(hào)單元，繼續(xù)取下條機(jī)器指令號(hào)單元，繼續(xù)取下條機(jī)

28、器指令 后繼微地址的修改條件：后繼微地址的修改條件： 機(jī)器指令的機(jī)器指令的OPOP字段字段 微指令的微指令的BCFBCF字段字段 計(jì)算機(jī)執(zhí)行的狀態(tài)反饋計(jì)算機(jī)執(zhí)行的狀態(tài)反饋2014336.3 微程序控制器四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 微指令結(jié)構(gòu)是微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵微指令結(jié)構(gòu)是微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 設(shè)計(jì)微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)：設(shè)計(jì)微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)： 有利于縮短微指令字長度有利于縮短微指令字長度 有利于減小控制存儲(chǔ)器的容量有利于減小控制存儲(chǔ)器的容量 有利于提高微程序的執(zhí)行速度有利于提高微程序的執(zhí)行速度 有利于對(duì)微指

29、令的修改有利于對(duì)微指令的修改 有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性 解決兩個(gè)問題：解決兩個(gè)問題： 一是如何由微指令的操作控制字段形成微操作命令一是如何由微指令的操作控制字段形成微操作命令 二是如何形成下一條微指令的地址（微地址）二是如何形成下一條微指令的地址（微地址）201434四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)1. 1. 微命令編碼微命令編碼 微命令編碼就是對(duì)微指令中的操作控制字段采微命令編碼就是對(duì)微指令中的操作控制字段采用的表示方法用的表示方法分類：分類：直接表示法直接表示法編碼表示法編碼表示法混合表示法混合表示法2014351. 微命令編碼 直接表示法直接表示法操作控制字段中的每一位

30、代表一個(gè)微命令操作控制字段中的每一位代表一個(gè)微命令 優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀，輸出可直接用于控制優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀，輸出可直接用于控制 缺點(diǎn)：微指令字較長缺點(diǎn)：微指令字較長 控制存儲(chǔ)器容量較大控制存儲(chǔ)器容量較大2322212019181716151413121110987654321直接地址直接地址0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0R1R2R3123468597DRXYMALU+Cy2014361. 微命令編碼 編碼表示法編碼表示法 把把相斥性相斥性的微命令信號(hào)組成一個(gè)小組的微命令信號(hào)組成一個(gè)小組( (即一個(gè)即一個(gè)字段字段) ) ，然后通過小組，然后通過

31、小組( (字段）譯碼器進(jìn)行譯碼字段）譯碼器進(jìn)行譯碼 ，產(chǎn)生微操作控制信號(hào)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)優(yōu)點(diǎn)：微指令字較短優(yōu)點(diǎn)：微指令字較短缺點(diǎn)：需增加譯碼電路，執(zhí)行速度慢缺點(diǎn)：需增加譯碼電路，執(zhí)行速度慢 可以用較少的二進(jìn)制信息位表示較多的微命令信號(hào)可以用較少的二進(jìn)制信息位表示較多的微命令信號(hào) 通常通常n n位二進(jìn)位譯碼后可表示位二進(jìn)位譯碼后可表示2 2n n1 1個(gè)微命令個(gè)微命令2014371. 微命令編碼 混合表示法混合表示法 直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜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合考慮指令字長、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。的

32、要求。 具體做法是將一些要求速度高的，或者一些相具體做法是將一些要求速度高的，或者一些相容的控制信號(hào)用直接表示法；將其它相斥信號(hào)用編容的控制信號(hào)用直接表示法；將其它相斥信號(hào)用編碼表示法。碼表示法。 201438四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2. 2. 微地址的形成方法微地址的形成方法微指令執(zhí)行的順序控制問題微指令執(zhí)行的順序控制問題 如何確定下一條微指令的地址問題如何確定下一條微指令的地址問題產(chǎn)生后繼微地址的方法：產(chǎn)生后繼微地址的方法： 計(jì)數(shù)器方式計(jì)數(shù)器方式 斷定方式斷定方式 結(jié)合方式結(jié)合方式2014392. 微地址的形成方法 計(jì)數(shù)器方式（增量方式）計(jì)數(shù)器方式（增量方式） 與用程序計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生機(jī)器指令地址的

33、方法相與用程序計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生機(jī)器指令地址的方法相類似，用微程序計(jì)數(shù)器類似，用微程序計(jì)數(shù)器PCPC加加1 1來產(chǎn)生下一條微指令來產(chǎn)生下一條微指令的地址。的地址。當(dāng)微程序順序執(zhí)行時(shí)：后繼微地址由現(xiàn)行微地址當(dāng)微程序順序執(zhí)行時(shí)：后繼微地址由現(xiàn)行微地址 加上一個(gè)增量來產(chǎn)生加上一個(gè)增量來產(chǎn)生 當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)：通過轉(zhuǎn)移方式，確定后繼當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)：通過轉(zhuǎn)移方式，確定后繼 微指令地址微指令地址微程序計(jì)數(shù)器微程序計(jì)數(shù)器PC在下述情況下不進(jìn)行加在下述情況下不進(jìn)行加1操作：操作：) ) 微程序結(jié)束時(shí)，微程序結(jié)束時(shí)，PC復(fù)位到起始微地址，起始微地址由生成復(fù)位到起始微地址，起始微地址由生成 電路產(chǎn)生，或包含在微指

34、令中；電路產(chǎn)生，或包含在微指令中；) ) 當(dāng)一條新的機(jī)器指令裝入指令寄存器當(dāng)一條新的機(jī)器指令裝入指令寄存器IR，PC中裝入該指令中裝入該指令 的的OP碼，作為該指令執(zhí)行的起始微地址。碼，作為該指令執(zhí)行的起始微地址。) )遇到轉(zhuǎn)移微指令且滿足轉(zhuǎn)移條件時(shí)，遇到轉(zhuǎn)移微指令且滿足轉(zhuǎn)移條件時(shí)，PC裝入轉(zhuǎn)移目標(biāo)的微地裝入轉(zhuǎn)移目標(biāo)的微地 址，該微地址在轉(zhuǎn)移微指令的某個(gè)字段中。址，該微地址在轉(zhuǎn)移微指令的某個(gè)字段中。2014402. 微地址的形成方法要求：要求： 微地址寄存器通常為計(jì)數(shù)器：微地址寄存器通常為計(jì)數(shù)器： 順序執(zhí)行的微指令序列應(yīng)安排在控制存儲(chǔ)順序執(zhí)行的微指令序列應(yīng)安排在控制存儲(chǔ) 器的連續(xù)單元中器的連續(xù)

35、單元中特點(diǎn)：特點(diǎn)： 微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生 機(jī)構(gòu)簡單機(jī)構(gòu)簡單 但是多路并行轉(zhuǎn)移功能較弱，速度較慢，但是多路并行轉(zhuǎn)移功能較弱，速度較慢， 靈活性較差靈活性較差201441 計(jì)數(shù)器方式（增量方式）采用計(jì)數(shù)器方式的微程序控制器結(jié)構(gòu)圖：采用計(jì)數(shù)器方式的微程序控制器結(jié)構(gòu)圖： 圖圖6-106-10微地址寄存器微地址寄存器為計(jì)數(shù)器，具為計(jì)數(shù)器，具有有PC+1PC+1功能功能通過控制碼的轉(zhuǎn)通過控制碼的轉(zhuǎn)移方式，確定后移方式，確定后繼微指令地址繼微指令地址2014422. 微地址的形成方法 斷定方式（多路轉(zhuǎn)移方式）斷定方式（多路轉(zhuǎn)移方式） 下一條微指令的地址包含

36、在當(dāng)前微指令的代碼下一條微指令的地址包含在當(dāng)前微指令的代碼中，一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力。中，一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力。當(dāng)微程序順序執(zhí)行時(shí)：后繼微地址直接由微指當(dāng)微程序順序執(zhí)行時(shí)：后繼微地址直接由微指 令的順序控制字段給出令的順序控制字段給出當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)：按順序控制字段的當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)：按順序控制字段的“判判 別測試別測試”標(biāo)志和標(biāo)志和“狀態(tài)狀態(tài) 條件條件”形成后繼微地址形成后繼微地址2014432. 微地址的形成方法優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 能通過順序控制字段，實(shí)現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈能通過順序控制字段，實(shí)現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快活性好，速度較快缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 增加了微指令代

37、碼的長度增加了微指令代碼的長度 轉(zhuǎn)移地址邏輯較為復(fù)雜轉(zhuǎn)移地址邏輯較為復(fù)雜201444 斷定方式（多路轉(zhuǎn)移方式）采用斷定方式的微程序控制器結(jié)構(gòu)圖：采用斷定方式的微程序控制器結(jié)構(gòu)圖： 圖圖6-116-11后繼微指令地址后繼微指令地址由由BCFBCF和和BAFBAF共同共同決定決定2014452. 微地址的形成方法 結(jié)合方式結(jié)合方式 取增量方式和斷定方式的優(yōu)點(diǎn)而形成的一種方式。取增量方式和斷定方式的優(yōu)點(diǎn)而形成的一種方式。 當(dāng)微程序順序執(zhí)行時(shí)：采用增量方式當(dāng)微程序順序執(zhí)行時(shí)：采用增量方式 當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)：采用斷定方式，將當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)：采用斷定方式，將BCFBCF和和 BAF BAF斷定的后繼

38、微地址送斷定的后繼微地址送 PC PC。201446 結(jié)合方式采用結(jié)合方式的微程序控制器結(jié)構(gòu)圖：采用結(jié)合方式的微程序控制器結(jié)構(gòu)圖： 圖圖6-126-12微地址地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器201447四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)3. 3. 微指令格式分類微指令格式分類微指令的編譯方法是決定微指令格式的主要因素微指令的編譯方法是決定微指令格式的主要因素微指令的格式大體分成兩類：微指令的格式大體分成兩類：水平型微指令水平型微指令垂直型微指令垂直型微指令2014483. 微指令格式分類 水平型微指令水平型微指令 一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行微操作的微指令一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行微操作的微指令 按控制字段的編碼方法不同可分為：按

39、控制字段的編碼方法不同可分為： 全水平型全水平型( (不譯法不譯法) )微指令微指令 字段譯碼法水平型微指令字段譯碼法水平型微指令 直接和譯碼相混合的水平型微指令直接和譯碼相混合的水平型微指令 垂直型微指令垂直型微指令 類似于機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)，由微操作碼決定該條類似于機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)，由微操作碼決定該條微指令的功能。微指令的功能。 通常一條微指令中只有通常一條微指令中只有1 12 2個(gè)微操作命令，每個(gè)微操作命令，每條微指令的功能簡單條微指令的功能簡單 特點(diǎn)：以較長的微程序結(jié)構(gòu)去換取較短的微指特點(diǎn)：以較長的微程序結(jié)構(gòu)去換取較短的微指 令結(jié)構(gòu)令結(jié)構(gòu)201449 垂直型微指令例：傳送型微指令例：傳送型微

40、指令例：運(yùn)算控制型微指令例：運(yùn)算控制型微指令A(yù)LUALU字段三位代碼規(guī)定字段三位代碼規(guī)定ALUALU的運(yùn)算功能可對(duì)應(yīng)的運(yùn)算功能可對(duì)應(yīng)8 8種運(yùn)種運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送暫存器算，運(yùn)算結(jié)果送暫存器2014503. 微指令格式分類水平型微指令與垂直型微指令的比較：水平型微指令與垂直型微指令的比較： 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)，垂直型微指令則較差；強(qiáng)，垂直型微指令則較差； 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長；指令執(zhí)行時(shí)間長； 由水平型微指令解釋指令的微程序，有微指令字由水平型微指令解釋

41、指令的微程序，有微指令字較長而微程序短的特點(diǎn)，垂直型微指令則相反；較長而微程序短的特點(diǎn)，垂直型微指令則相反； 水平型微指令的結(jié)構(gòu)同機(jī)器指令結(jié)構(gòu)差別較大，水平型微指令的結(jié)構(gòu)同機(jī)器指令結(jié)構(gòu)差別較大，而垂直型微指令的結(jié)構(gòu)同機(jī)器指令結(jié)構(gòu)相似。所而垂直型微指令的結(jié)構(gòu)同機(jī)器指令結(jié)構(gòu)相似。所以水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令以水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對(duì)來說，比較容易掌握。與指令比較相似，相對(duì)來說，比較容易掌握。201451四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)4. 4. 微指令格式設(shè)計(jì)舉例微指令格式設(shè)計(jì)舉例在在6.26.2節(jié)中已完成：節(jié)中已完成：例例1 1：設(shè)計(jì)某模型機(jī)的控制器（硬連線

42、控制器）：設(shè)計(jì)某模型機(jī)的控制器（硬連線控制器）例例2 2：設(shè)計(jì)某模型機(jī)的控制器（微程序控制器）：設(shè)計(jì)某模型機(jī)的控制器（微程序控制器） 設(shè)該機(jī)指令系統(tǒng)僅為四條指令：設(shè)該機(jī)指令系統(tǒng)僅為四條指令：ADD R3ADD R3，R1R1，R2 R2 ；加法指令加法指令，(R1)+(R2)R3(R1)+(R2)R3LOAD R1LOAD R1，memmem ；取數(shù)指令取數(shù)指令，（，（memmem）R1R1STORE R1,mem STORE R1,mem ；存數(shù)指令存數(shù)指令，（，（R1R1） memmemBR offs BR offs ；轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令，gotogoto PC+offsPC+offs設(shè)指令

43、設(shè)指令OPOP碼分別為：碼分別為：ADDADD（0000）、）、LOADLOAD（0101）、）、STORESTORE（1010）、）、BRBR（1111）201452例2：1.1.分析指令流程分析指令流程PCMARPC+1PCout, MARinRead, PC+1MDRIRMDRout, IRinR1YR1out, YinR2ALUALUZR2out,addZinZR3Zout, R3inADDPCYPCout, YinIRALUALUZIRout, add ZinZPCZout, PCinBRIRMARIRout, MARinReadIRMARIRout, MARinMDRR1MDRou

44、t, R1inR1MDRR1out, MDRin, WriteT1T2T3T4T5T3T4LOADSTOREEND2. 對(duì)指令執(zhí)行流程進(jìn)行時(shí)序劃分 采用可變長周期201453例2： 3.3.總結(jié)綜合所有微操作：總結(jié)綜合所有微操作： Pcout PC + 1 PCin MARin MDRin MDRout Read Write IRin Irout R1in R1out R2out R3in Yin Add Zin Zout該模型機(jī)共需該模型機(jī)共需1818個(gè)操作控制信號(hào)個(gè)操作控制信號(hào)4.4.設(shè)計(jì)微指令的操作控制碼字段設(shè)計(jì)微指令的操作控制碼字段 采用直接編碼方式，微指令的操作控制碼字段采用直接編碼

45、方式，微指令的操作控制碼字段需需1818位，設(shè)計(jì)如下：位，設(shè)計(jì)如下：201454例2： 5.5. 微指令設(shè)計(jì)微指令設(shè)計(jì) 每個(gè)時(shí)鐘周期設(shè)計(jì)一條微指令：每個(gè)時(shí)鐘周期設(shè)計(jì)一條微指令： 取指為公共操作，由兩條微指令取指為公共操作，由兩條微指令T1T1、T2T2完成；完成； ADD ADD指令的執(zhí)行周期為指令的執(zhí)行周期為3 3條微指令，表示為：條微指令，表示為： ADDTADDT3 3，ADDTADDT4 4，ADDTADDT5 5； LOAD LOAD指令的執(zhí)行周期為指令的執(zhí)行周期為2 2條微指令，表示為：條微指令，表示為： LOADTLOADT3 3，LOADTLOADT4 4； STORE STO

46、RE指令的執(zhí)行周期為指令的執(zhí)行周期為2 2條微指令，表示為：條微指令，表示為： STORETSTORET3 3，STORETSTORET4 4； BR BR指令的執(zhí)行周期為指令的執(zhí)行周期為3 3條微指令，表示為：條微指令，表示為： BRTBRT3 3，BRTBRT4 4，BRTBRT5 5。共需共需1212條微指令條微指令201455例2： 各微指令的操作控制字：各微指令的操作控制字：201456例2： 列出微程序流程圖，并分配微地址列出微程序流程圖，并分配微地址 每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序本條微指令地址本條微指令地址下條微指令下條微指令地址地址10由機(jī)器指令由機(jī)器指

47、令OP碼構(gòu)成微指令的碼構(gòu)成微指令的散轉(zhuǎn)散轉(zhuǎn)201457例2： 微指令組成微指令組成（包括操作控制字段和順序控制字段）（包括操作控制字段和順序控制字段）采用斷定方式，條件碼為一位。采用斷定方式，條件碼為一位。BCF=0：后繼微地址由：后繼微地址由BAF直接給出；直接給出；BCF=1：由指令：由指令OP碼（作為微地址的高碼（作為微地址的高2位）與位）與BAF 低低2位碼組合產(chǎn)生后繼微地址。位碼組合產(chǎn)生后繼微地址?？卮婵卮?地址地址000000010010001101000110011110101011111011111000201458例2： 6.6.多路分支地址形成電路多路分支地址形成電路微指令

48、格式及多路分支地址形成電路：微指令格式及多路分支地址形成電路： 圖圖6-156-15由由BCFBCF碼選擇碼選擇2to12to1多路器，多路器，產(chǎn)生微地址的產(chǎn)生微地址的高高2 2位。位。201459第第6 6章章 中央處理器中央處理器6.1 6.1 中央處理器的功能與組成中央處理器的功能與組成6.2 6.2 硬連線控制器硬連線控制器6.3 6.3 微程序控制器微程序控制器6.4 6.4 中斷與異常處理中斷與異常處理2014606.4 6.4 中斷與異常處理中斷與異常處理一、中斷與異常的定義一、中斷與異常的定義異常異常： 來自處理器內(nèi)部或外部的意外事件，引起正常來自處理器內(nèi)部或外部的意外事件，引

49、起正常指令執(zhí)行順序的改變，指令執(zhí)行順序的改變，“外部異常外部異常”事件通常稱為事件通常稱為“外部中斷外部中斷”中斷中斷： 由于異常事件的出現(xiàn)，要求由于異常事件的出現(xiàn)，要求CPUCPU暫時(shí)中止（掛暫時(shí)中止（掛起）正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)而調(diào)用一個(gè)相應(yīng)的服務(wù)程起）正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)而調(diào)用一個(gè)相應(yīng)的服務(wù)程序（處理程序），為該異常事件進(jìn)行處理，待該服序（處理程序），為該異常事件進(jìn)行處理，待該服務(wù)程序處理完畢后又返回到被中止的程序的過程稱務(wù)程序處理完畢后又返回到被中止的程序的過程稱為中斷方式。為中斷方式。201461一、中斷與異常的定義中斷源中斷源 引起中斷事件的來源。引起中斷事件的來源。常見的中斷源：常見的

50、中斷源： 一般的輸入一般的輸入/ /輸出設(shè)備；輸出設(shè)備； 數(shù)據(jù)通道，如磁帶、磁盤等；數(shù)據(jù)通道，如磁帶、磁盤等； 實(shí)時(shí)時(shí)鐘；實(shí)時(shí)時(shí)鐘； 故障信號(hào)，如電源掉電等。故障信號(hào)，如電源掉電等。常見的內(nèi)部異常事件：常見的內(nèi)部異常事件： 系統(tǒng)調(diào)用；系統(tǒng)調(diào)用； 陷阱指令、特權(quán)指令和程序調(diào)試指令；陷阱指令、特權(quán)指令和程序調(diào)試指令； 程序運(yùn)行出錯(cuò)；程序運(yùn)行出錯(cuò)； 運(yùn)算異?；虿僮鳟惓?。運(yùn)算異?；虿僮鳟惓?。指令中斷指令中斷內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷中斷處理機(jī)構(gòu)：中斷處理機(jī)構(gòu)：用來處理異常與中斷的硬件；用來處理異常與中斷的硬件；異常處理程序：異常處理程序：在嵌入式操作系統(tǒng)中用來處理異常與中斷的軟件在嵌入式操作系統(tǒng)中用來處理異常與

51、中斷的軟件201462一、中斷與異常的定義可屏蔽中斷可屏蔽中斷 凡是處理器內(nèi)部能夠凡是處理器內(nèi)部能夠“屏蔽屏蔽”的中斷，稱為可的中斷，稱為可屏蔽中斷屏蔽中斷不可屏蔽中斷不可屏蔽中斷 凡是處理器內(nèi)部不能夠凡是處理器內(nèi)部不能夠“屏蔽屏蔽”的中斷，稱為的中斷，稱為不可屏蔽中斷不可屏蔽中斷屏蔽屏蔽： 是指處理器能拒絕響應(yīng)中斷請(qǐng)求信號(hào)，不允許是指處理器能拒絕響應(yīng)中斷請(qǐng)求信號(hào)，不允許打斷處理器所執(zhí)行的主程序。這通常是由打斷處理器所執(zhí)行的主程序。這通常是由CPUCPU內(nèi)部的內(nèi)部的中斷允許觸發(fā)器狀態(tài)來控制。中斷允許觸發(fā)器狀態(tài)來控制。2014636.4 中斷與異常處理二、中斷處理過程二、中斷處理過程當(dāng)前指令執(zhí)行

52、完，當(dāng)前指令執(zhí)行完，判有否中斷請(qǐng)求。判有否中斷請(qǐng)求。沒有：執(zhí)行下一條沒有：執(zhí)行下一條 指令指令有：進(jìn)入中斷響應(yīng)有：進(jìn)入中斷響應(yīng) 周期周期中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 周期周期中斷處理中斷處理由硬件完成由硬件完成由軟件完成相應(yīng)的中斷服由軟件完成相應(yīng)的中斷服務(wù)務(wù)（不同的中斷源對(duì)應(yīng)不同（不同的中斷源對(duì)應(yīng)不同的中斷處理程序）的中斷處理程序）中斷處理中斷處理程序結(jié)束，程序結(jié)束，執(zhí)行返回執(zhí)行返回指令返回指令返回?cái)帱c(diǎn)，繼斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原續(xù)執(zhí)行原程序。程序。中斷處理程序與中斷時(shí)中斷處理程序與中斷時(shí)CPUCPU正在運(yùn)行的程序是相互獨(dú)立的程序正在運(yùn)行的程序是相互獨(dú)立的程序201464二、中斷處理過程計(jì)算機(jī)具有中斷功能后，可以

53、做到：計(jì)算機(jī)具有中斷功能后，可以做到： CPUCPU與外設(shè)在大部分時(shí)間內(nèi)并行工作，有效地提與外設(shè)在大部分時(shí)間內(nèi)并行工作，有效地提 高了計(jì)算機(jī)的效率；高了計(jì)算機(jī)的效率； 具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，可適用于實(shí)時(shí)控制場合；具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，可適用于實(shí)時(shí)控制場合； 及時(shí)處理異常情況，提高計(jì)算機(jī)的可靠性。及時(shí)處理異常情況，提高計(jì)算機(jī)的可靠性。 201465二、中斷處理過程CPUCPU的中斷功能的中斷功能 能響應(yīng)中斷源提出的請(qǐng)求，為其進(jìn)行中斷服務(wù)能響應(yīng)中斷源提出的請(qǐng)求，為其進(jìn)行中斷服務(wù) 并返回；并返回； 能進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)判別；能進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)判別； 能實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。能實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。中斷處理中要解決的問題中斷處理中

54、要解決的問題 問題問題 CPUCPU響應(yīng)中斷的條件；響應(yīng)中斷的條件； 問題問題 中斷源的識(shí)別方式；中斷源的識(shí)別方式； 問題問題 中斷裁決（中斷判優(yōu)）的方法；中斷裁決（中斷判優(yōu)）的方法； 問題問題 中斷處理程序入口地址的形成；中斷處理程序入口地址的形成； 問題問題 中斷屏蔽技術(shù)；中斷屏蔽技術(shù)； 問題問題 中斷嵌套技術(shù)。中斷嵌套技術(shù)。201466二、中斷處理過程中斷處理過程中斷處理過程 中斷源請(qǐng)求中斷中斷源請(qǐng)求中斷 中斷響應(yīng)、中斷源識(shí)別判優(yōu)中斷響應(yīng)、中斷源識(shí)別判優(yōu) 中斷處理中斷處理 中斷返回中斷返回 1.1.中斷源請(qǐng)求中斷中斷源請(qǐng)求中斷 在接口中設(shè)置中斷請(qǐng)求觸發(fā)器記憶中斷請(qǐng)求信號(hào)在接口中設(shè)置中斷請(qǐng)

55、求觸發(fā)器記憶中斷請(qǐng)求信號(hào) 中斷請(qǐng)求觸發(fā)器中斷請(qǐng)求觸發(fā)器 因?yàn)橹袛嗾?qǐng)求是隨機(jī)發(fā)生的，因?yàn)橹袛嗾?qǐng)求是隨機(jī)發(fā)生的，CPUCPU不可能即不可能即 刻響應(yīng)，所以每個(gè)中斷源通常在接口中設(shè)置一個(gè)刻響應(yīng)，所以每個(gè)中斷源通常在接口中設(shè)置一個(gè) 中斷請(qǐng)求觸發(fā)器，記憶請(qǐng)求信號(hào)。中斷請(qǐng)求觸發(fā)器，記憶請(qǐng)求信號(hào)。 中斷被響應(yīng)后，該請(qǐng)求信號(hào)被清除。中斷被響應(yīng)后，該請(qǐng)求信號(hào)被清除。201467二、中斷處理過程中斷屏蔽觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器 在多個(gè)中斷源的情況下，為增加控制的靈活性，在多個(gè)中斷源的情況下，為增加控制的靈活性，常在每個(gè)中斷源的接口電路中，設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽常在每個(gè)中斷源的接口電路中，設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器，只有當(dāng)此觸發(fā)

56、器狀態(tài)為觸發(fā)器，只有當(dāng)此觸發(fā)器狀態(tài)為“未屏蔽未屏蔽”時(shí)，外時(shí)，外設(shè)的中斷請(qǐng)求才能被允許送到設(shè)的中斷請(qǐng)求才能被允許送到CPUCPU，如圖，如圖6-176-17中的中的B B所示。所示。 可把多個(gè)外設(shè)的中斷屏蔽觸發(fā)器組成一個(gè)中斷可把多個(gè)外設(shè)的中斷屏蔽觸發(fā)器組成一個(gè)中斷屏蔽寄存器端口，用輸出指令來設(shè)置它們的狀態(tài)。屏蔽寄存器端口，用輸出指令來設(shè)置它們的狀態(tài)。 用軟件設(shè)置屏蔽字，可動(dòng)態(tài)改變優(yōu)先級(jí)用軟件設(shè)置屏蔽字，可動(dòng)態(tài)改變優(yōu)先級(jí) 問題問題201468二、中斷處理過程中斷允許觸發(fā)器中斷允許觸發(fā)器 在在CPUCPU內(nèi)部有一個(gè)中斷允許觸發(fā)器內(nèi)部有一個(gè)中斷允許觸發(fā)器 = =“1”1”：即中斷開放，：即中斷開放，

57、CPUCPU允許響應(yīng)中斷；允許響應(yīng)中斷； = =“0”0”：即中斷關(guān)閉，此時(shí)即使可屏蔽中斷源的：即中斷關(guān)閉，此時(shí)即使可屏蔽中斷源的 中斷請(qǐng)求有效，中斷請(qǐng)求有效，CPUCPU也不響應(yīng)。也不響應(yīng)。 可用允許中斷指令和禁止中斷指令來設(shè)置中斷可用允許中斷指令和禁止中斷指令來設(shè)置中斷允許觸發(fā)器的狀態(tài)。允許觸發(fā)器的狀態(tài)。 CPUCPU關(guān)中斷關(guān)中斷屏蔽所有可屏蔽中斷屏蔽所有可屏蔽中斷 中斷屏蔽字中斷屏蔽字個(gè)性化屏蔽某些中斷請(qǐng)求個(gè)性化屏蔽某些中斷請(qǐng)求 201469二、中斷處理過程P150P150圖圖6-176-17 接口接口中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求觸發(fā)器觸發(fā)器中斷屏蔽中斷屏蔽觸發(fā)器觸發(fā)器中斷允許中斷允許觸發(fā)器觸發(fā)器2

58、01470二、中斷處理過程2.2.中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) CPUCPU響應(yīng)中斷的條件：響應(yīng)中斷的條件： 至少有一個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷至少有一個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷（接口的中斷請(qǐng)求觸發(fā)器（接口的中斷請(qǐng)求觸發(fā)器 置置“1 1”）； 接口電路中所設(shè)置的中斷屏蔽觸發(fā)器為未屏蔽狀態(tài)，接口電路中所設(shè)置的中斷屏蔽觸發(fā)器為未屏蔽狀態(tài)， 允許接口向允許接口向CPUCPU發(fā)中斷請(qǐng)求發(fā)中斷請(qǐng)求（接口電路向（接口電路向CPUCPU發(fā)出中斷發(fā)出中斷 請(qǐng)求信號(hào)）；請(qǐng)求信號(hào)）； CPUCPU允中，即允中，即CPUCPU中所設(shè)置的中斷允許觸發(fā)器為允許中中所設(shè)置的中斷允許觸發(fā)器為允許中 斷狀態(tài)；斷狀態(tài)； CPUCPU當(dāng)前指令執(zhí)行完。當(dāng)前指令執(zhí)

59、行完。 滿足上述條件，滿足上述條件，CPUCPU響應(yīng)中斷，進(jìn)入響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷響應(yīng)周期中斷響應(yīng)周期。 問題問題2014712.中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)周期所做的工作中斷響應(yīng)周期所做的工作由硬件自動(dòng)完成由硬件自動(dòng)完成 關(guān)中斷；關(guān)中斷； 保留斷點(diǎn)；保留斷點(diǎn)； 轉(zhuǎn)到中斷處理程序入口。轉(zhuǎn)到中斷處理程序入口。 保留斷點(diǎn)保留斷點(diǎn) 為了在中斷處理程序執(zhí)行完畢以后能正確地返為了在中斷處理程序執(zhí)行完畢以后能正確地返回到原來被中斷的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，必須回到原來被中斷的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，必須把程序計(jì)數(shù)器把程序計(jì)數(shù)器PCPC的內(nèi)容保存到堆棧中去。這一操作的內(nèi)容保存到堆棧中去。這一操作稱為保留斷點(diǎn)。稱為保留斷點(diǎn)

60、。 2014722.中斷響應(yīng)在中斷響應(yīng)的過程中，要解決三個(gè)問題：在中斷響應(yīng)的過程中，要解決三個(gè)問題： 中斷源識(shí)別中斷源識(shí)別找出請(qǐng)求中斷的來源找出請(qǐng)求中斷的來源 中斷判優(yōu)中斷判優(yōu)當(dāng)多個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷時(shí)，找出當(dāng)多個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷時(shí)，找出 優(yōu)先級(jí)最高的中斷源給予響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的中斷源給予響應(yīng) 中斷處理程序入口地址的形成中斷處理程序入口地址的形成 問題問題問題問題問題問題 常用方法有：常用方法有： 查詢中斷查詢中斷 向量中斷向量中斷2014732.中斷響應(yīng) 查詢中斷查詢中斷 由程序依次測試中斷源狀態(tài)，以識(shí)別請(qǐng)求中斷由程序依次測試中斷源狀態(tài)，以識(shí)別請(qǐng)求中斷的來源。的來源。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：優(yōu)先級(jí)固定、中斷響