計(jì)算機(jī)組成原理課件5.3時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

第五 返 CPU功能和組指令周時(shí)序產(chǎn)生器和控制方微程序控制硬連線控制流水 2CPU的功能和組3CPU的功能和組取指令執(zhí)行指指令控制（程序的順序控制操作控制（一條指令有若干操作信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制（指令各個(gè)操作實(shí)施時(shí)間的定時(shí)數(shù)據(jù)加工（算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算45.1.2CPU的基本組55.1.2CPU的基本組處理器CPU+cache指令數(shù)據(jù)6CPU的基本組（3）控制 順序執(zhí)行時(shí)，每執(zhí)行一條指令，PC的值應(yīng)加送往PC指令寄存器IR(Instruction 7CPU中的主要寄存數(shù)據(jù)緩沖寄存器指 指 指令寄存器程序計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)地址寄存器通用寄存器狀態(tài)字寄存器 操作控制器和時(shí)序產(chǎn)生 9指令周MOV指令的指令周LAD指令的指令周ADD指令的指令周STO指令的指令周JMP指令的指令周用方框圖語(yǔ)言表示指令周指令周期的基本指令周期的基本概概可以用 一個(gè)CPU周期中，包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖（T周期）單周期、多周期的概指令周期的基本概時(shí)鐘周T指令周期的基本概MOV指令的指令5.2.2MOV指令的指令周期-取②⑤CPU識(shí)別出是MOV指令，至此，取指周期即告結(jié)束。寄存器IR②⑤5.2.2MOV指令的指令周期——執(zhí)制器 送制器 送控制信號(hào)到通用存器選 ）作源存③注⑤OC送出控制信號(hào)，將DR中的數(shù)據(jù)10打入到目標(biāo)寄存器R0，R000變?yōu)?0。至此，MOV指令LAD指令的指令周LAD指令的指令周 ADD指令的指令A(yù)DD指令的指令周STO指令的指令STO指令的指令周 JMP指令的指令JMP5.2.7引入目的主要是為了教學(xué)目的（控制器設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)（模型機(jī)的五指令系統(tǒng)方框——按CPU周方框內(nèi)內(nèi)容——數(shù)據(jù)通路操作或控制操菱形符號(hào)——判別或測(cè)~——公操前邊所講述的5種操作的框圖描5.2.7用方框圖語(yǔ)言表示指令周5.2.7用方框圖語(yǔ)言表示指令周[例1]雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路

注意微操作控制信號(hào)（右邊時(shí)序產(chǎn)生器和控制方、時(shí)序產(chǎn)生器作用和體作用、時(shí)序產(chǎn)生器作用和體、時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生功能：產(chǎn)生時(shí)序信構(gòu)成時(shí)鐘時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生圖5.18節(jié)拍電位5.3.2時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器啟停啟?？刂七?.3.3控制方同步控制方異步控制方聯(lián)合控制方控制方同步控制方式（指令的機(jī)器周期和時(shí)鐘周期數(shù)不變異步控制方聯(lián)合控制方微程序控制微程序控制原微程序設(shè)計(jì)技微程序控制信號(hào)編制成微指令，存放到控制器里，運(yùn)微程序控制原1261、微命令和微操叫作微命令，它是構(gòu)成控制序列的最小單位。 微操作：是微命令的操作過(guò)程1、微命令和微操舉一個(gè)例子看一下：見(jiàn)下2、微指令和微程一周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作控制信息， 在控制 器里，稱(chēng)為一條微指令（Microinstruction） 器一系列微指令的有序集合就是微程 下面我們舉一個(gè)十進(jìn)制加法指令為實(shí)例2、微指令和3控 器(μCM)這是微程序控制器 微指令寄存器微地址形成部微地址寄存器 以十進(jìn)制加法指令流數(shù)據(jù)通路操作四條微指令如執(zhí)行取指令的共作取令公操通由段指口微址μR并C中出應(yīng)微令μ機(jī)器指令的公共作取微序的 地一為的0號(hào)單元，當(dāng)指程執(zhí)完，主中出機(jī)指令就已存人指令存R了。

微程序設(shè)計(jì)技有利于縮短微指令的長(zhǎng)有利于縮小CM的容有利于提高微程序的執(zhí)行速有利于對(duì)微指令的修有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活微程序設(shè)計(jì)技1編碼有三種方法：直接表示法/編碼表示法/控制計(jì)算機(jī)，不需要進(jìn)行譯碼。微程序設(shè)計(jì)技 微程序設(shè)計(jì)技：F與RW微程序設(shè)計(jì)技 機(jī)器指令的操作碼字段各段微程序的地微程序設(shè)計(jì)技2般情況下都是將微地址寄存器μMAR作為缺點(diǎn)是這種方式不能實(shí) 以上的并行微程序 微程序設(shè)計(jì)技2、微地址的形成方條件：狀態(tài)條件/測(cè)試/微指令中微地址/[例2解：按所給設(shè)計(jì)條件，微程序有三種判別測(cè)試，分別為P1，P2，P3μA5-μA0內(nèi)容具有很微程序設(shè)計(jì)技3、微指令格分為兩類(lèi)：水平型微指令和垂直型微指水平型微指格式如控制字判別測(cè)試字下地址字微程序設(shè)計(jì)技3、微指令格垂直型微指令：采用編碼方微程序設(shè)計(jì)技性強(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，垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)。由水平型微指令解釋指令的微程序，有微指令字較長(zhǎng)而微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反。與指令比較相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較容易掌握。微程序設(shè)計(jì)技4對(duì)應(yīng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令只有一組微程序，這一組微程序設(shè)計(jì)好之后，一般無(wú)須改變而且也不好采用EPROM作為控制器，可以通過(guò)改變微指令和微程序來(lái)改變機(jī)器的指令系統(tǒng)，這種微程序設(shè)計(jì)技術(shù)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)。5.5硬連線控制1控制方式使用最少元件（復(fù)雜的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)速度最5.5硬連線控制圖5.28硬連線控制器結(jié)構(gòu)方框返返5.5硬連線控制微操作控制信號(hào)產(chǎn)5.5硬連線控制例R（）、RD（D）、WE（D）C、R、R、、PC+硬連線控制[例3]解：設(shè)M1、M2、M3為節(jié)拍電位信號(hào)，T1、T2、T3、T4為一個(gè)CPU周期中的節(jié)拍脈沖信號(hào)，MOV、LAD、ADD、RD(I)=M1(電位信號(hào)),RD(D)=M3LAD(電位信號(hào)),WE(D)=M3T3LDA脈沖信號(hào)LDPC=M1T4+M2T4JMPLDIR=M1T4,LDAR=M2T4(LAD+STO),LDDR=M2T3(MOV+ADD)+M3T3LDA,PC+1=M1,流水并行處理技并行性（Parrelism）同一時(shí)間間隔內(nèi)（并發(fā)性）完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作，他們?cè)跁r(shí)間上相互了并行性并行處理技時(shí)間并行（）：錯(cuò)開(kāi)，輪流使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部件，以加理部件空間并行（資源重復(fù)）：以數(shù)量取時(shí)間+空間并Pentium中采用了量流水線技術(shù)流水CPU的結(jié)

器體系：主存采用多體交叉儲(chǔ)器指令流水指令隊(duì)列流水CPU的結(jié)流水線CPUIF（InstructionFetch取指ID（InstructionDecode指令譯碼5.6.2流水CPU的結(jié)流水流水CPU的結(jié)上圖中流水線滿(mǎn)載時(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行2采用時(shí)間和空間并行技流水CPU的結(jié)指令流水算術(shù)流水處理機(jī)流水線（宏流水線5.6.3流水線中的主要三種相 ：資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相資源相關(guān)：多條指令進(jìn)入流水線后在同一時(shí)鐘周用同 能部件。流水線中的主要數(shù)據(jù)相RAW(ReadAfter后面指令用到前面指令所寫(xiě)的數(shù)WAW(WriteAfter兩條指令寫(xiě)同一個(gè)單在簡(jiǎn)單流水線中沒(méi)有此類(lèi)相關(guān)，因?yàn)椴粫?huì)亂序執(zhí)WAR(WriteAfter后面指令覆蓋前面指令所讀的單在簡(jiǎn)單流水線中沒(méi)有此類(lèi)相可以推后后繼指令對(duì)相關(guān)單元的讀設(shè)置相關(guān)的直接通路流水線中的主要 RAW(ReadAfterADDAND流水線中的主要【例4】流水線中有三類(lèi)數(shù)據(jù)相 ：寫(xiě)后讀（RAW）相關(guān)；讀后（WAR）相關(guān)；寫(xiě)后寫(xiě)（WAW）型的數(shù)據(jù)相關(guān)。；（R2）+（R3）-；（R1）-（R5）-元；（R3）->M(x)，M(x)是器；（R4）+（R5）-；（R1）×（R2）-；（R4）+（R5）-解第（1）組指令中，I1指令運(yùn)算結(jié)果應(yīng)先寫(xiě)入R1，然后在I2指令中讀出R1內(nèi)容。由于I2指令進(jìn)入流水線，變成I2指令在I1指令寫(xiě)入R1R1RAW 第（3）組指令中，如果I6指令的加法運(yùn)算完成時(shí)間早于I5指令的乘I6I5R3R3R3的內(nèi)容錯(cuò)誤，發(fā)生WAW相關(guān)。奔騰PentiumCPU（第一代奔騰提供了更加靈活 ExclusionShare TLB（TranslationLookaside圖5.34PentiumCPU RISC機(jī)器的特 U實(shí)動(dòng)態(tài)流水線調(diào)RISC機(jī)器的特特 U實(shí) 總MC88110CPU結(jié)構(gòu)框MC88110的指令流水量流水線WB按序發(fā)取兩條指令，配對(duì)發(fā)送，一個(gè)周期可以有兩條指令執(zhí)行完如下圖指令動(dòng)態(tài)調(diào)度策5.7.2 U實(shí)怎樣判斷能否發(fā)射呢如何保證按序完成FIFO如何對(duì)待控制相關(guān)（轉(zhuǎn)移指令5.7.2 U實(shí)例 量流水線結(jié)構(gòu)如 5.7.2 U實(shí)AB

5.7.2 U實(shí)

5.7.2 U實(shí)5.7.3動(dòng)態(tài)