第五章 中央處理機(jī)

第五章中央處理（器）機(jī)

計(jì)算機(jī)的核心部分稱(chēng)為中央處理器（CentralProcessingUnit），簡(jiǎn)稱(chēng)CPU，它（早期）由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成?，F(xiàn)代CPU中增加了Cache器件。5.1CPU的功能和組成計(jì)算機(jī)（微型機(jī)）的工作過(guò)程為：加電→產(chǎn)生Reset信號(hào)→執(zhí)行指令→停機(jī)→斷電對(duì)于馮.諾曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)而言，一旦程序進(jìn)入存儲(chǔ)器后，就由控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)并控制計(jì)算機(jī)的各部件執(zhí)行程序的指令序列，其基本工作過(guò)程為：取指令分析指令執(zhí)行指令CPU的功能：（1）指令控制：控制指令的執(zhí)行順序，逐條執(zhí)行或跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。（2）操作控制：解釋并控制指令的運(yùn)行，即產(chǎn)生完成每條指令所需的控制命令。（3）時(shí)間控制：產(chǎn)生操作時(shí)序，按時(shí)間順序啟動(dòng)各類(lèi)操作，即對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。（4）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。（5）處理中斷：對(duì)異常情況進(jìn)行處理。CPU的基本組成

CPU通常由以下四部分組成：（1）CU：能發(fā)出各種操作命令序列的控制部件。（2）ALU：能實(shí)現(xiàn)算邏運(yùn)算的部件。（3）寄存器組：能存放指令或數(shù)據(jù)、指令地址或數(shù)據(jù)地址、狀態(tài)信息等。（4）中斷系統(tǒng)：能處理異常情況和特殊請(qǐng)求。CPUALUCU寄存器中斷系統(tǒng)控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線CPU的寄存器

CPU中的寄存器大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)屬用戶(hù)可見(jiàn)寄存器，用戶(hù)可對(duì)這類(lèi)寄存器編程，以及通過(guò)優(yōu)化使CPU因使用這類(lèi)寄存器而減少對(duì)主存的訪問(wèn)次數(shù)。另一類(lèi)屬控制和狀態(tài)寄存器，用戶(hù)不可對(duì)這類(lèi)寄存器編程，它們被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可被帶有特權(quán)的操作系統(tǒng)程序使用，從而控制程序的執(zhí)行。（1）數(shù)據(jù)緩沖寄存器

DR

用于暫存由CPU送往內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息，或由內(nèi)存送往CPU的指令信息和數(shù)據(jù)信息。（2）指令寄存器

IR

保存現(xiàn)行指令，從存儲(chǔ)器取出的指令存放在

IR

中。指令寄存器中操作碼字段輸出作為指令譯碼器的輸入，經(jīng)譯碼轉(zhuǎn)換為具體操作信號(hào)。

（3）程序計(jì)數(shù)器

PC

保存下一條指令地址，又稱(chēng)為指令地址寄存器。PC是具有計(jì)數(shù)功能的寄存器。（4）地址寄存器

AR

用于保存當(dāng)前CPU所訪問(wèn)的內(nèi)存單元地址。由于內(nèi)存與CPU的速度差異，地址需保存至內(nèi)存讀/寫(xiě)操作完成為止。（5）通用寄存器組

GR

由多個(gè)寄存器組成，可存放操作數(shù)及地址信息。CPU中的通用寄存器有多個(gè)，可組成通用寄存器堆結(jié)構(gòu)。使用時(shí)對(duì)寄存器進(jìn)行編號(hào)，按寄存器號(hào)進(jìn)行訪問(wèn)。（6）累加寄存器

ACAC簡(jiǎn)稱(chēng)為累加器，它是特殊的通用寄存器。其功能是暫存ALU運(yùn)算結(jié)果，運(yùn)算器中至少要有一個(gè)累加寄存器。（7）程序狀態(tài)寄存器

PSW（SR）

SR是一個(gè)由各種狀態(tài)條件標(biāo)志組成的寄存器，用于存放程序狀態(tài)字PSW。

PSW包含按算術(shù)、邏輯指令運(yùn)行或測(cè)試的結(jié)果建立的條件碼，如進(jìn)位標(biāo)志（C），溢出標(biāo)志（V），結(jié)果為零標(biāo)志（Z），負(fù)標(biāo)志（N）等，這些標(biāo)志分別由1位觸發(fā)器保存。除此之外，PSW還包含中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，以便使系統(tǒng)及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和程序運(yùn)行狀態(tài)。操作控制器與時(shí)序發(fā)生器（1）數(shù)據(jù)通路

通常把許多寄存器之間傳送信息的通路稱(chēng)為數(shù)據(jù)通路。信息由源傳送到目的，其傳輸路徑、傳輸方法由操作控制器決定。操作控制器的功能是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，從而建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行指令的控制。（2）操作控制器為數(shù)據(jù)通路的建立提供各種操作信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，可分為時(shí)序邏輯型（硬布線控制器）和存儲(chǔ)邏輯型（微程序控制器）。（3）時(shí)序產(chǎn)生器對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制，即提供定時(shí)和時(shí)序信號(hào)提供定時(shí)和時(shí)序信號(hào)。

5.2指令周期

計(jì)算機(jī)所以能自動(dòng)地工作，是因?yàn)镃PU能從存放程序的內(nèi)存里取出一條指令并執(zhí)行這條指令；緊接著又是取指令，執(zhí)行指令……，如此周而復(fù)始，構(gòu)成了一個(gè)封閉的循環(huán)。除非遇到停機(jī)指令，否則這個(gè)循環(huán)將一直繼續(xù)下去。指令周期的基本概念

（1）指令周期：CPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時(shí)間總和。通常一個(gè)指令周期包含3~4個(gè)機(jī)器周期。如取指令周期、取操作數(shù)周期、指令執(zhí)行周期等。（2）機(jī)器周期：又稱(chēng)CPU周期，通常把一條指令周期劃分為若干個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。機(jī)器周期對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行的不同階段，如取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行等階段。各階段長(zhǎng)短不一，按最長(zhǎng)的階段劃分機(jī)器周期。不同的指令，可能包含不同數(shù)目的機(jī)器周期。一個(gè)機(jī)器周期包含若干

個(gè)時(shí)鐘周期。（3）時(shí)鐘周期：兩次時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔（主振頻率的倒數(shù)）。又稱(chēng)節(jié)拍或T周期，對(duì)應(yīng)基本定時(shí)信號(hào)在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作。因而需要把一個(gè)機(jī)器周期分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍。節(jié)拍常用具有一定寬度的電位信號(hào)表示，稱(chēng)之為節(jié)拍電位。

多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)反映了指令周期、機(jī)器周期和時(shí)鐘周期之間的關(guān)系。一個(gè)指令周期包含若干個(gè)機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)指令周期內(nèi)的機(jī)器周期數(shù)可以不等，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)的時(shí)鐘周期數(shù)也可以不等。例1：定長(zhǎng)的機(jī)器周期。時(shí)鐘T0機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期T1T2T3T0T1T2T3T0T3T2T1（取指令）（取有效地址）（執(zhí)行指令）指令周期節(jié)拍（狀態(tài)）

設(shè)某處理機(jī)的主振頻率f，p個(gè)時(shí)鐘周期組成一個(gè)機(jī)器周期，且平均q個(gè)機(jī)器周期完成一條指令，則：時(shí)鐘周期：t=1/f

平均一條指令的執(zhí)行時(shí)間：T=p*q*t

平均運(yùn)算速度：V=1/T=1/(p*q*t)例2：某微機(jī)的主振頻率為40MHz，平均指令執(zhí)行速度為

5MIPS，每個(gè)機(jī)器周期平均含有4個(gè)時(shí)鐘周期，則該機(jī)每個(gè)指令周期平均含有多少個(gè)機(jī)器周期？

q=1/(p*V*t)=f/(p*V)=40/(4*5)=2非訪內(nèi)（MOV）指令的指令周期開(kāi)始取指令PC+1對(duì)指令譯碼執(zhí)行指令取下條指令PC+1一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期取指周期執(zhí)行周期直接訪內(nèi)（LAD、ADD、STO）指令的指令周期譯地址碼取出操作數(shù)送操作數(shù)地址執(zhí)行操作取下條指令PC+1開(kāi)始取指令PC+1指令譯碼一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期取指周期執(zhí)行周期程序控制指令的指令周期地址譯碼取下條指令PC+1對(duì)指令譯碼執(zhí)行周期取指周期取指令PC+1開(kāi)始一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期送轉(zhuǎn)移地址用方框圖語(yǔ)言表示指令周期在進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用方框圖語(yǔ)言來(lái)表示一條指令的指令周期。（1）方框：代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。（2）菱形：通常用來(lái)表示某種判別或測(cè)試，不過(guò)時(shí)間上它依附于緊接它的前面一個(gè)方框的CPU周期，而不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。指令執(zhí)行過(guò)程可分解為一組操作序列，這些操作是功能級(jí)的。還可把它再細(xì)分為微操作序列，微操作序列是最基本的、不可再分割的操作。用方框圖語(yǔ)言表示指令周期

PCABUS(I)IBUSIRPC+1R1+R2

R2譯碼IR

ARR1

R0R3

ARIR

PCARABUS(D)DBUSDRDRR1R2DBUS開(kāi)始RD(I)RD(D)MOVLADADDSTOJMP例3：下圖所示為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器(具有自增功能)，M為主存(受R/W信號(hào)控制)，AR為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減控制信號(hào)決定完成何種操作，控制信號(hào)G控制的是一個(gè)門(mén)電路。另外，線上標(biāo)注有小圈表示有控制信號(hào)，例中yi表示y寄存器的輸入控制信號(hào)，R1o為寄存器R1的輸出控制信號(hào)，未標(biāo)字符的線為直通線，不受控制。（1）“ADDR2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作，畫(huà)出其指令周期流程圖，假設(shè)該指令的地址已放入PC中。并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。（2）“SUBR1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，畫(huà)出其指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。5.3時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式時(shí)序信號(hào)的作用和體制時(shí)序信號(hào)的作用是按一定的時(shí)間序列產(chǎn)生一系列脈沖與電位信號(hào)，控制器根據(jù)電位和定時(shí)脈沖的順序和間隔指揮機(jī)器運(yùn)作。組成計(jì)算機(jī)硬件的器件決定了時(shí)序信號(hào)最基本的體制是電位–脈沖制。如寄存器由多個(gè)觸發(fā)器組成，在觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端D提供電平信號(hào)，在觸發(fā)器的時(shí)鐘端CLK提供脈沖信號(hào)，脈沖的上升沿時(shí)將電平信號(hào)打入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那么CPU是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢?（1）從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，取指令事件發(fā)生在指令周期的第一個(gè)CPU周期中，即發(fā)生在“取指令”階段，而取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在指令周期的后面幾個(gè)CPU周期中，即發(fā)生在“執(zhí)行指令”階段。（2）從空間上來(lái)說(shuō)，如果取出的代碼是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取出的代碼是數(shù)據(jù)，那么一定送往運(yùn)算器?？傊?，計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用時(shí)序信號(hào)來(lái)體現(xiàn)的?？刂破靼l(fā)出的各種控制信號(hào)一般都是時(shí)間因素（時(shí)序信號(hào)）和空間因素（部件位置）的函數(shù)，只要在要求的時(shí)間產(chǎn)生與要求部件相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，就可以控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)、連續(xù)、協(xié)調(diào)地運(yùn)行。硬布線控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。在微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。⑴周期電位——機(jī)器周期持續(xù)時(shí)間，標(biāo)志該周期對(duì)應(yīng)的狀態(tài)觸發(fā)器被置“1”。⑵節(jié)拍電位——節(jié)拍持續(xù)時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期。一次寄存器之間的傳送或一次ALU操作稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍。⑶節(jié)拍脈沖——節(jié)拍電位內(nèi)的控制脈沖，對(duì)應(yīng)最基本的定時(shí)信號(hào)和最基本的操作動(dòng)作。時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器

微程序控制器中使用的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器由時(shí)鐘源、環(huán)形脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序譯碼邏輯、啟停控制邏輯等部分組成。（1）時(shí)鐘源：時(shí)鐘源用來(lái)為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。它通常由石英晶體振蕩器和與非門(mén)組成的正反饋振蕩電路組成，其輸出送至環(huán)形脈沖發(fā)生器。（2）環(huán)形脈沖發(fā)生器：環(huán)形脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過(guò)譯碼電路對(duì)時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻、組合，產(chǎn)生所需周期電位、節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。（3）節(jié)拍脈沖和存儲(chǔ)器讀／寫(xiě)時(shí)序：節(jié)拍脈沖T1—T4

的脈沖寬度均為200ns，因此一個(gè)CPU周期便是800ns，在下一個(gè)CPU周期中，它們又按固定的時(shí)間關(guān)系，重復(fù)T1，T2，T3，T4的先后次序，以供給機(jī)器工作所需的原始節(jié)柏脈沖。信號(hào)RD’和WE’是來(lái)自微程序控制器的控制信號(hào)，它們都是持續(xù)時(shí)間為一個(gè)CPU周期的節(jié)拍電位信號(hào)。節(jié)拍電位與節(jié)拍脈沖時(shí)序關(guān)系

控制方式控制方式即控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法。常用的有同步控制、異步控制、聯(lián)合控制三種方式，其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。（1）同步控制方式（又稱(chēng)固定時(shí)序方式）在任何情況下，已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。根據(jù)不同情況，同步控制方式可選取如下方案：采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。中央控制與局部控制結(jié)合。（2）異步控制方式（又稱(chēng)可變時(shí)序方式）各部件不采用統(tǒng)一的周期和節(jié)拍?？稍O(shè)置獨(dú)立的時(shí)序系統(tǒng)，也可以使用同一時(shí)鐘系統(tǒng)，但按不同的需要選擇時(shí)間。時(shí)間上的銜接通過(guò)應(yīng)答通訊方式實(shí)現(xiàn)，即以前一部件的結(jié)束信號(hào)作為后一部件的啟動(dòng)信號(hào)。其特點(diǎn)是：每條指令、每個(gè)操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。（3）聯(lián)合控制方式為同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。機(jī)器周期數(shù)不固定，對(duì)大多數(shù)指令采用同步控制，對(duì)少部分指令采用異步控制，即局部性異步控制。5.4微程序控制器

微程序設(shè)計(jì)思想是英國(guó)劍橋大學(xué)教授M.V.Wilkes在1951年首先提出來(lái)的。他指出：一條機(jī)器指令可以分解為許多基本的操作序列，這些操作可以歸結(jié)為信息的傳送控制，其關(guān)鍵就是對(duì)邏輯門(mén)的控制。而對(duì)邏輯門(mén)的控制則可以通過(guò)存儲(chǔ)陣列中的信息位來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而用一種規(guī)則的，類(lèi)似于程序設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的控制邏輯，這就是微程序設(shè)計(jì)的基本思想。微程序設(shè)計(jì)的本質(zhì)是用軟件方法組織和控制系統(tǒng)中的信息傳送，并用硬件結(jié)構(gòu)加以管理。微程序的出現(xiàn)給計(jì)算機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)帶來(lái)了巨大影響。它與純硬件方法相比，大大減少了硬連邏輯控制器的復(fù)雜程度。由于微程序在設(shè)計(jì)上象軟件，在制作上象硬件，于是人們將它稱(chēng)為“固件”。

微程序控制原理微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號(hào)編成所謂的“微指令”，存放到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條又一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)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。（1）名詞術(shù)語(yǔ)（a）微命令：在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，用來(lái)管理控制門(mén)的打開(kāi)或關(guān)閉的控制信號(hào)。（b）微操作：指執(zhí)行部件接受微命令后所執(zhí)行的操作。相斥性微命令：在同一CPU周期內(nèi)不能并行執(zhí)行的微命令。相容性微命令：在同一CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微命令。（c）微指令：是若干微命令的集合，存放在控制存儲(chǔ)器中。（d）微周期：是指控存讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時(shí)間。（e）微程序：是若干微指令的有序集合，用于解釋一條機(jī)器指令的執(zhí)行。（f）微程序設(shè)計(jì)：所謂微程序設(shè)計(jì)就是用類(lèi)似程序設(shè)計(jì)的方法，組織和控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的傳送和相互聯(lián)系，其設(shè)計(jì)任務(wù)包括：設(shè)計(jì)微指令和編制微程序。因此要求微程序設(shè)計(jì)人員必須掌握程序設(shè)計(jì)的方法、非常熟悉計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通路、微命令系統(tǒng)和時(shí)序系統(tǒng)。（2）微程序控制器的組成主要由控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成。（a）控制存儲(chǔ)器：這是微程序控制器的核心部件，用來(lái)存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，它是一種只讀存儲(chǔ)器。一旦微程序固化，機(jī)器運(yùn)行時(shí)則只讀不寫(xiě)。（b）微指令寄存器：用于存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息，它的位數(shù)同微指令字長(zhǎng)相等。（c）微地址寄存器：存放下一條微指令的地址。順序執(zhí)行時(shí)從微指令中獲取下微指令地址，轉(zhuǎn)移時(shí)由地址修改邏輯自動(dòng)修改微地址。（d）地址轉(zhuǎn)移邏輯：用來(lái)產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址，以保證微指令的連續(xù)執(zhí)行。微程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行時(shí)，判別測(cè)試字段P和執(zhí)行部件的“狀態(tài)條件”反饋信息，自動(dòng)修改微地址寄存器內(nèi)容。（3）微程序控制器工作原理

首先將取指微程序（公用）和每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的微程序存入控制存儲(chǔ)器，然后通過(guò)執(zhí)行微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)取指令和執(zhí)行指令，其過(guò)程如下：（a）取指令將用戶(hù)程序的首地址送至PC，進(jìn)入取指階段：取指微程序首地址送至CMAR→執(zhí)行取指微程序→將一條指令取至IR。（b）執(zhí)行指令根據(jù)IR中的操作碼形成相應(yīng)指令的微程序首地址送至CMAR→執(zhí)行對(duì)應(yīng)的微程序→微程序結(jié)束則一條機(jī)器指令被解釋完→轉(zhuǎn)取指微程序首地址。（c）重復(fù)（a）和（b），直到整個(gè)程序執(zhí)行完為止。對(duì)應(yīng)ADD指令的微程序控制存儲(chǔ)器MM+1M+2Q+2Q+1QK+2K+1KQ+2Q+1M+1M+2MK+1K+2M對(duì)應(yīng)STA指令的微程序取指微程序（公操作）微程序設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)微指令結(jié)構(gòu)追求的目標(biāo)是：（a）縮短微指令字的長(zhǎng)度（b）減小控制存儲(chǔ)器容量（c）提高微程序執(zhí)行速度（d）便于修改微指令（e）提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性（1）微指令的基本格式操作控制字段：發(fā)出各種控制信號(hào)。順序控制字段：指出下條微指令的地址，以控制微指令序列（微程序）的執(zhí)行順序。操作控制字段順序控制字段（2）微命令編碼

指如何對(duì)微指令的的操作控制字段進(jìn)行編碼，以形成控制信號(hào)。通常有三種編碼方法：直接表示法、編碼表示法、混合表示法。（a）直接表示法：指微指令操作控制字段的每一位代表一個(gè)微命令，直接對(duì)應(yīng)于一種微操作。例如某位置“1”，表示該微命令（控制信號(hào)）有效；置“0”表示該微命令（控制信號(hào)）無(wú)效。優(yōu)點(diǎn)：微指令執(zhí)行速度快、并行控制能力強(qiáng)、編制微程序短。缺點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)很長(zhǎng)、控存位碼利用率很低。

1控制信號(hào)操作控制1000下地址（b）編碼表示法：將操作控制字段分為若干個(gè)小段，采用分段譯碼，對(duì)控制字段的二進(jìn)制位進(jìn)行譯碼，以不同的碼點(diǎn)定義不同的微命令。一般將互斥的微命令組合在同一字段中，而將相容的微命令組合在不同的字段中，從而達(dá)到縮短微指令字長(zhǎng)的目的。編碼表示法特點(diǎn)：可以避免互斥，使指令字大大縮短，但增加了譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速度減慢

譯碼7個(gè)微命令操作控制譯碼控制信號(hào)下地址（c）混合編碼方式該方法將直接控制方式和字段編碼方式混合使用，既能縮短微指令的字長(zhǎng)，又具有并行操作效率高、速度快的特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。（3）微地址形成方法微指令執(zhí)行的順序控制問(wèn)題，實(shí)際上是如何確定下一條微指令的地址問(wèn)題。通常，產(chǎn)生后繼微地址有兩種方法：（a）計(jì)數(shù)器的方式使用微程序計(jì)數(shù)器μPC，順序執(zhí)行時(shí)每執(zhí)行一條微指令后μPC+1，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行時(shí)由跳轉(zhuǎn)指令提供轉(zhuǎn)移地址。

根據(jù)轉(zhuǎn)移方式字段BCF的要求，生成不同的后繼微指令地址。若BCF=3位，則有8種轉(zhuǎn)移方式；BAF=8位，則表示轉(zhuǎn)移范圍≤256（條微指令空間）。例4：

(a)BCF=000，順序執(zhí)行：(μPC)+1→μPC。

(b)BCF=001，結(jié)果為0轉(zhuǎn)移：運(yùn)算結(jié)果=0，BAF→μMAR，否則順序執(zhí)行，(μPC)+1→μPC。

(c)BCF=011，無(wú)條件轉(zhuǎn)移：BAF→μMAR。操作控制字段BCFBAF轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移地址（b）多路轉(zhuǎn)移方式在多路轉(zhuǎn)移方式中，當(dāng)微程序不產(chǎn)生分支時(shí)，后繼微地直接由微指令的順序控制字段給出；當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，有若干“后選”微地址可供選擇：即按順序控制字段的“判別測(cè)試”標(biāo)志和“狀態(tài)條件”信息來(lái)選擇其中一個(gè)微地址?！盃顟B(tài)條件”有n位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)微程序2的n次方路轉(zhuǎn)移。操作控制字段H字段L字段μIR測(cè)試網(wǎng)絡(luò)測(cè)試源測(cè)試地址非測(cè)試地址后繼微指令地址

若L字段=n位，則可實(shí)現(xiàn)2n

路分支轉(zhuǎn)移。

n=24路分支0000011011（4）微指令的分類(lèi)（a）水平型微指令水平型微指令字長(zhǎng)較長(zhǎng)、能控至多個(gè)并行操作，微命令與控制點(diǎn)之間有較好的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，在微指令中不必給出源部件和目的部件的編址，執(zhí)行效率高、速度快。采用水平型微指令編制的微程序稱(chēng)為水平型微程序。（b）垂直型微指令垂直型微指令的字長(zhǎng)短、控存位碼利用率高，但一條微指令只能控制1~2種微操作，并行控制能力低。微命令與控制點(diǎn)之間不存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，在微指令中必須給出源部件和目的部件的編址，執(zhí)行效率低。采用垂直型微指令編制的微程序稱(chēng)為垂直型微程序。水平型微指令是面向數(shù)據(jù)通路的描述，而垂直型微指令是面向操作算法的描述。（5）水平型微指令和垂直型微指令的比較

（a）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。（b）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)。（c）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。（d）水平型微指令用戶(hù)難以掌握，因?yàn)樗叫臀⒅噶钆c機(jī)器指令差別很大，一般需要對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時(shí)序系統(tǒng)及微命令很精通才能設(shè)計(jì)，而垂直型微指令與指令比較相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較容易掌握。微程序設(shè)計(jì)舉例

微程序控制器是根據(jù)數(shù)據(jù)通路和指令系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)的，其核心是如何編制微程序（微碼）并存入控存。設(shè)計(jì)步驟如下：（1）畫(huà)出數(shù)據(jù)通路，標(biāo)出微操作控制信號(hào)。（2）確定微指令格式。（3）畫(huà)出每條指令的微程序流程。（4）列出每條指令的微程序清單（編制微程序），轉(zhuǎn)換成微代碼。（5）將微代碼寫(xiě)入控存。例5：編程舉例1

單總線結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)通路和控制信號(hào)CU時(shí)鐘IRPCMARMDR控制信號(hào)IRiPCiPCOMARiMDRiMDROALU控制信號(hào)ALUiACACiCPU內(nèi)部總線地址線數(shù)據(jù)線下標(biāo)：

i為輸入控制

o為輸出控制例PCi

=1，輸入有效0，輸入無(wú)效IRo執(zhí)行加法指令A(yù)DDX的控制過(guò)程。（1）取指周期（a）PCO=1和MARi

=1：完成PC→MAR。（b）1→R：向主存發(fā)讀命令。（c）存儲(chǔ)器將指令送至MDR。（d）MDRO=1和IRi

=1：MDR(指令)→IR，操作碼送CU。（e）PC內(nèi)容加1。（2）執(zhí)行周期（a）IRO=1和MARi

=1：IR(有效地址)→MAR。（b）1→R：向主存發(fā)讀命令。（c）存儲(chǔ)器將操作數(shù)送至MDR。（d）MDRO=1和ALUi

=1。（e）CU向ALU發(fā)“ADD”控制信號(hào)，完成(AC)+(MDR)→Z的操作。（f）ACi

=1：(結(jié)果)→AC。數(shù)據(jù)通路采用單總線結(jié)構(gòu)，微指令操作控制字段取

24位（直接控制），下地址字段取6位。其中：0位：PC→MAR1位：1→R2位：M(MAR)→MDR3位：(PC)+1→PC4位：MDR→IR5位：0→AC10位：Ad(IR)→MAR11位：(MDR)+(AC)→AC12位：1→W13位：AC→MDR14位：MDR→M(MAR)15位：MDR→AC16位：Ad(IR)→PC（a）取指微程序（c）ADD指令的微程序

PC→MAR,1→RAd(IR)→MAR,1→RM(MAR)→MDR,(PC)+1→PCM(MAR)→MDRMDR→IR(MDR)+(AC)→AC（b）CLA指令的微程序（d）JMP指令的微程序

0→ACAd(IR)→PC微指令地址(八進(jìn)制)微程序名稱(chēng)29282726252423222120191817161514131211109876542310微程序清單（4條指令）微指令（二進(jìn)制代碼）操作控制字段下地址字段取指CLAADDSTALDAJMP0001020310111213141516172021111111111111111111111******11111111111111表中：空格=0例6：編程舉例2（1）畫(huà)出數(shù)據(jù)通路，標(biāo)出微操作控制信號(hào)。（2）確定微指令格式。（3）畫(huà)出每條指令的微程序流程。（4）列出每條指令的微程序清單（編制微程序），轉(zhuǎn)換成微代碼。（5）將微代碼寫(xiě)入控存。（1）基本模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖299ALUARR2R1R0DR2DR1PCIR微控器譯碼INOUTRAMAR299-BUSMS0S1S2S3ALU-BUSCNLDDR1LDDR2LDR0LDR1LDR2R0-BUSR1-BUSR2-BUSW/RA8A9LDIRCS3CS2CS1SW-BUSLEDW/RW/RCELDPCLDARLOAD數(shù)據(jù)總線地址總線（2）微指令格式SW-BPX1UA5UA4UA3UA2UA1UA0WELDR0LDDR1LDDR2LDIRLDPCLDARPX2S3S2S1S0MCNLOADCEA8A9PX3保留位ABC中斷M19M18M17M16M15M14M13M12M11M10M9M8M7M6M5M4M3M2876543M1M0A字段CBA選擇禁止識(shí)別操作碼000011110001101001110101PC-BALU-B299-BRs-BRd-B保留位保留位B字段中斷M9M1PX3PX2PX1選擇000011110011001101010101P(1)P(2)P(Z)P(I)P(D)P(C)關(guān)閉測(cè)試判尋址方式Z標(biāo)志測(cè)試中斷響應(yīng)保留位C標(biāo)志測(cè)試中斷服務(wù)（3）微程序流程：PC

ARPC+1RAM

BUSBUSIRPC

ARPC+1RAM

BUSBUSARR0

BUSBUSRAMR0

DR1(DR1)+(DR2)

R0P(1)PC

ARPC+1SW

R0PC

ARPC+1PC

ARPC+1RAM

BUSBUSARRAM

BUSBUSDR2RAM

BUSBUSARRAM

BUSBUSLEDRAM

BUSBUSPC010208090A0B0C0D0307131504161405060101010101INADDSTAOUTJMP（4）機(jī)器指令程序如下：地址(二進(jìn)制)內(nèi)容(二進(jìn)制)

助記符說(shuō)明

000000100000INR0數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)內(nèi)容

R0000101000000ADDR0，09HR0+[09H]R0001000001001001101100000STA0BH，R0R0[0BH]010000001011010110000000OUT0BH，LED[0BH]LED011000001011011110100000JMP00H00HPC100000000000100101010101自定

10101010

1010

自定

1011（前3位為操作碼）求和結(jié)果（4）機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序如下：微程序：M0000402080M0120006040M0200801012M0300804020M04008008A0M05A0000460M0640290280M0700804068M080000

0080M0900000281IN指令入口M0A200060C0ADD指令入口M0B200060E0STA指令入口M0C200060C8OUT指令入口M0D200060A8JMP指令入口M0E200060E8M0F20006098M1000402089M1120006048M1200800189M1300804028M1403800080M1500C02080M16A0800180（5）微程序的編寫(xiě)特征碼（狀態(tài)位）區(qū)域號(hào)（03）微地址（03F）微程序（8位）（顯示）微指令區(qū)域分配表區(qū)域號(hào)A8A9PX3保留ARABCS3S2S1S0MCNADCEPX2ARPCIRDR2DR1R0WEU0U1U2U3U4U5PX1SW微指令區(qū)對(duì)應(yīng)位空間對(duì)應(yīng)位控制功能012331……………….2423……………….1615………………..8

7………………...05.5硬連線控制器

硬布線控制器是早期設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的一種方法。這種方法是把控制部件看作為產(chǎn)生專(zhuān)門(mén)固定時(shí)序控制信號(hào)的邏輯電路，而此邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設(shè)計(jì)目標(biāo)。一旦控制部件構(gòu)成后，除非重新設(shè)計(jì)和物理上對(duì)它重新布線，否則要想增加新的控制功能是不可能的。這種邏輯電路是一種由門(mén)電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹(shù)形邏輯網(wǎng)絡(luò)，故稱(chēng)之為硬布線控制器。布爾代數(shù)為理論基礎(chǔ)，將指令譯碼器輸出、時(shí)序信號(hào)及狀態(tài)條件用組合邏輯方法產(chǎn)生各種微操作控制信號(hào)。

微操作=周期?節(jié)拍?脈沖?指令碼?狀態(tài)。硬布線控制器的結(jié)構(gòu)圖邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)來(lái)源有三個(gè)：⑴

來(lái)自指令操碼譯碼器的輸出。⑵

來(lái)自執(zhí)行部件的反饋信息。⑶

來(lái)自時(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信號(hào)，包括節(jié)拍電位信號(hào)M和節(jié)拍脈沖信號(hào)T。邏輯網(wǎng)絡(luò)N輸出微操作控制信號(hào)，用于對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行控制。

C=f(Im,Mi,Tk,Bj)微操作控制信號(hào)的產(chǎn)生（微操作的節(jié)拍安排）在微程序控制器中，微操作控制信號(hào)由微指令產(chǎn)生，并且可以重復(fù)使用。在硬聯(lián)線控制器中，某一微操作控制信號(hào)由布爾代數(shù)表達(dá)式描述的輸出函數(shù)產(chǎn)生。假設(shè)機(jī)器采用同步控制，每個(gè)機(jī)器周期包含3個(gè)節(jié)拍T0、T1、

T2，微操作節(jié)拍安排如下：（1）取指周期微操作的節(jié)拍安排（a）T0節(jié)拍安排兩個(gè)微操作：PC→MAR，1→R（b）T1節(jié)拍安排兩個(gè)微操作：M(MAR)→MDR，

(PC)+1→PC。

（c）T2節(jié)拍安排：MDR→IR，OP(IR)→ID。

（2）間址周期微操作的節(jié)拍安排（a）T0節(jié)拍安排：Ad(IR)→MAR，1→R。（b）T1節(jié)拍安排：M(MAR)→MDR。（c）T2節(jié)拍安排：MDR→Ad(IR)。（3）執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排（a）清除累加器指令CLAT0：

T1：

T2：0→AC。（b）加法指令A(yù)DDXT0：Ad(IR)→MAR，1→R。

T1：M(MAR)→MDR。

T2：(AC)+(MDR)→AC。

（c）存數(shù)指令STAXT0：Ad(IR)→MAR，1→W。

T1：AC→MDR。

T2：MDR→M(MAR)。（d）取數(shù)指令LDAXT0：Ad(IR)→MAR，1→R。

T1：M(MAR)→MDR。

T2：MDR→AC。（e）無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令JMPXT0：

T1：

T2：Ad(IR)→PC。組合邏輯設(shè)計(jì)步驟（1）繪制指令操作流程圖（前趨圖）根據(jù)機(jī)器的總體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、指令的格式、尋址方式和各種操作的運(yùn)算方法，把每條指令都分解為機(jī)器各部件能實(shí)現(xiàn)的基本微操作，用指令流程圖的形式，簡(jiǎn)明地表示每條指令的執(zhí)行過(guò)程。（2）列出微操作命令的操作時(shí)間表根據(jù)各條指令的操作流程，弄清每個(gè)微操作的執(zhí)行時(shí)間，然后把它們落實(shí)到選定的周期、節(jié)拍和脈沖中去，得到操作時(shí)間表。（3）寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式將操作時(shí)間表中各條指令的微命令（控制信號(hào)）加以整理，通常把同一個(gè)微操作產(chǎn)生的條件、所需的周期、節(jié)拍和脈沖綜合在一起，寫(xiě)出它們的邏輯表達(dá)式。例6：M(MAR)→MDR的邏輯表達(dá)式M(MAR)→MDR=FE*T1+IND*T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX*T1(ADD+LDA)=T1[FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)]式中：ADD、STA、LDA、JMP、BAN均來(lái)自操作碼譯碼器的輸出，F(xiàn)E、IND、EX均來(lái)自周期狀態(tài)發(fā)生器的輸出，T1來(lái)自節(jié)拍狀態(tài)發(fā)生器的輸出。（4）畫(huà)出微操作命令的邏輯圖，設(shè)計(jì)邏輯電路。組合邏輯設(shè)計(jì)步驟（a）列出操作時(shí)間表T2T1T0

FE取指JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII1111111111111111111111111111111111111111111111（a）列出操作時(shí)間表T2T1T0

IND

間址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111（a）列出操作時(shí)間表T2T1T0

IND

間址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111（a）列出操作時(shí)間表T2T1T0

EX執(zhí)行JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W1111111111111（b）寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式=FE

·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}（c）畫(huà)出邏輯圖特點(diǎn)

思路清晰簡(jiǎn)單明了

龐雜調(diào)試?yán)щy修改困難

速度快&&&11&&&&&≥FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&5.6流水CPU并行處理技術(shù)（1）并行性概念

所謂并行性通常包含同時(shí)性和并發(fā)性?xún)蓚€(gè)方面。同時(shí)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生，并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間段發(fā)生。（2）并行性等級(jí)并行性體現(xiàn)在不同等級(jí)上，通常分為四個(gè)級(jí)別：作業(yè)級(jí)或程序級(jí)、任務(wù)級(jí)或進(jìn)程級(jí)、指令之間級(jí)、指令內(nèi)部級(jí)。前兩級(jí)為粗粒度，又叫過(guò)程級(jí)；后兩級(jí)為細(xì)粒度，又叫指令級(jí)。粗粒度并行性一般用算法（軟件）實(shí)現(xiàn)，細(xì)粒度并行性一般用硬件實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到高性能的要求并滿(mǎn)足大量計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的需要，一方面可在單處理內(nèi)廣泛采取多種并行性措施，沿著時(shí)間重疊、資源重復(fù)和資源共享三條技術(shù)途徑向現(xiàn)代并行處理領(lǐng)域發(fā)展，另一方面把多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接起來(lái)、相互配合、各盡其能，沿著功能專(zhuān)門(mén)化、多機(jī)群和網(wǎng)絡(luò)化這三種基本技術(shù)途徑向現(xiàn)代并行處理領(lǐng)域發(fā)展。流水CPU的結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)CPU流水，將指令執(zhí)行過(guò)程分割為一系列子過(guò)程，為每個(gè)子過(guò)程設(shè)置相應(yīng)執(zhí)行部件，各部件可并發(fā)執(zhí)行。當(dāng)任務(wù)（指令）連續(xù)不斷地輸入流水線時(shí)，在流水線的輸出端連續(xù)輸出執(zhí)行結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)流水。

例7：某計(jì)算機(jī)將指令執(zhí)行過(guò)程分為取指令I(lǐng)F、譯碼ID、執(zhí)行EX、回寫(xiě)WB四個(gè)步驟，采用非流水線及流水線處理時(shí)空?qǐng)D為：IFIDEXWB入出S1S2S3S4非流水CPU流水CPU設(shè)操作步驟為m，m=4，時(shí)鐘周期為△t

，△t=50ns，指令條數(shù)為n，n=4。（a）采用非流水線操作時(shí)間為：

n×m×△t=4×4×50=800ns。（b）而采用流水線操作時(shí)為：

m×△t+(n–1)×△t=200+3×50=350ns。當(dāng)指令條數(shù)n很大時(shí)，流水線執(zhí)行時(shí)間近似為n×△t

，即每個(gè)節(jié)拍執(zhí)行一條指令。

流水線的分類(lèi)（1）按完成的功能分：?jiǎn)喂δ芰魉€、多功能流水線。（2）按同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式分：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)流水線。（3）按流水線的級(jí)別分：部件級(jí)、處理機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)流水線。（4）按數(shù)據(jù)表示分：標(biāo)量流水線、向量流水線。（5）按流水線中是否有反饋回路分：線性流水線、非線性流水線。流動(dòng)順序：S1、S2、S3、S4、S2、S3、S4、S3。S1S4S3S2入出反饋回路流水線中的主要問(wèn)題

（1）訪存沖突由于取指令、取操作數(shù)和存結(jié)果都要訪問(wèn)存儲(chǔ)器，因此當(dāng)前一條指令取指操作和后一條指令取數(shù)操作出現(xiàn)在同一時(shí)間段時(shí)，就發(fā)生了訪存沖突。解決方法如下：（a）設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器分別存放指令和操作數(shù)，以免取指令和取操作數(shù)同時(shí)進(jìn)行時(shí)互相沖突，使取某條指令和取另一條指令的操作數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的重疊。（b）根據(jù)程序局部性原理，設(shè)置指令緩沖器IBR，再采用指令預(yù)取技術(shù)，將指令預(yù)取進(jìn)IBR。順序執(zhí)行指令時(shí)，CPU直接從IBR中快速獲得指令；程序轉(zhuǎn)移時(shí)，若轉(zhuǎn)移點(diǎn)不在IBR內(nèi)，則廢除IBR中的內(nèi)容，由PC指向主存，取出轉(zhuǎn)移點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指令到IR，同時(shí)也將該點(diǎn)之后的若干指令取入IBR，以便程序從轉(zhuǎn)移點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。（2）相關(guān)問(wèn)題所謂相關(guān)是指程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)，使指令流水線出現(xiàn)停頓，影響了流水線的效率。流水處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，使流水線斷流。（a）資源相關(guān)：指多條指令在流水線同一時(shí)鐘周期內(nèi)爭(zhēng)用同一資源發(fā)生的沖突。