計算機組成原理ThePrincipleofCompu.ppt

1,計算機組成原理 The Principle of Computer,主講 陳付龍,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院 （2007年3月）,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,2,第6章 控制系統(tǒng)與CPU,6.1控制器概述 6.2控制器的控制方式與時序系統(tǒng) 6.3CPU的總體結(jié)構(gòu) 6.4模型機的總體結(jié)構(gòu) 6.5組合邏輯控制器設(shè)計 6.6微程序控制器設(shè)計 6.7流水線處理技術(shù) 6.8CPU舉例,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,3,6.1控制器概述,控制器是計算機的指揮和控制中心 6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟 6.1.2控制器的基本功能 6.1.3控制器的組成 6.1.4控制器的組成方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,4,1.取指令 2.分析指令 （1）產(chǎn)生操作控制電位 （2）形成操作數(shù)的有效地址， 以進行存/取，或形成轉(zhuǎn)移地址 以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移 3.執(zhí)行指令,6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟,開始,取指令，PC增量PC,尋址？,計算地址,轉(zhuǎn)移指令？,取操作數(shù),執(zhí)行指令，保存結(jié)果,異常/中斷？,轉(zhuǎn)去處理,執(zhí)行轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)向地址PC,N,N,N,Y,Y,Y,指令執(zhí)行的一般流程,分析指令,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,5,程序控制原理 1、編程 2、送主存（通過輸入設(shè)備） 3、機器工作時，是按一定的序列逐條取出指令，分析指令，執(zhí)行指令，并自動轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行，直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。 4、程序控制由控制器承擔(dān)，程序執(zhí)行由運算器和外部設(shè)備具體負責(zé)，程序存儲由存儲器完成。,6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,6,1.控制指令的正確執(zhí)行 （1）指令流出控制：取指令 （PC）MAR，Read （MDR） IR （2）分析指令：指令譯碼器ID分析確定操作性質(zhì)，判明尋址方式并形成操作數(shù)的有效地址EA （3）執(zhí)行：根據(jù)分析的結(jié)果和形成的EA產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號序列，控制相應(yīng)部件完成操作 （4）指令流向控制：下一條指令地址的形成控制 （PC）=本條指令的（PC）+本條指令字長 （PC）=轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址（或子程序入口地址，或中斷服務(wù)程序入口地址）,6.1.2控制器的基本功能,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,7,2.控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出 3.異常情況、特殊請求的檢測和處理：中斷,6.1.2控制器的基本功能,輸入設(shè)備,主存儲器,輔助存儲器,輸出設(shè)備,運算器,控制器,輸入,輸出,程序 原始數(shù)據(jù),運算結(jié)果,指令數(shù)據(jù)線,控制信號線,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,8,6.1.3 控制器的組成,去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù),對各功能部件產(chǎn)生控制,PSR,地址形成部件,時序部件,指令譯碼器,PC,微操作信號產(chǎn)生器,.,.,.,.,控制器基本結(jié)構(gòu),O P 尋址方式 AC,ALU,DB,AB,GR,I/O狀態(tài)信息,IR,DB,啟停電路,控制臺,脈沖源,到MAR 或ALU,中斷控制邏輯,中斷源,MAR,增量,MDR,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,9,1.指令部件 指令部件應(yīng)包括程序計數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器（ID）、程序狀態(tài)寄存器（PSR）和地址形成部件等5個部分。 （1）程序計數(shù)器PC：指令地址寄存器，用來指出在內(nèi)存中存放的將要取的指令的單元地址。傳送指令地址給MAR。 （2）指令寄存器IR：指令寄存器用來存放現(xiàn)行指令的代碼。從MDR接收指令。 （3）指令譯碼器ID：操作碼譯碼器，用以產(chǎn)生操作性質(zhì)的控制電位，并將其送到微操作（一條指令的執(zhí)行過程可以分解為若干簡單的基本操作，稱為微操作）控制線路上，在時序部件定時信號作用下，產(chǎn)生具體的控制操作信號。 （4）地址形成部件：根據(jù)尋址方式的不同，用來形成操作數(shù)有效地址的功能部件。,6.1.3 控制器的組成,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,10,（5）程序狀態(tài)字寄存器(PSR) 存放程序狀態(tài)字PSW，用來表征當(dāng)前運算的狀態(tài)及程序的工作方式。 如MCS-51單片機的PSW,CY（PSW.7）進位標(biāo)志位。 AC（PSW.6）輔助進位（或稱半進位）標(biāo)志。 FO（PSW.5）由用戶定義的標(biāo)志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器組選擇位。 OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位。 由硬件置位或清零。,6.1.3 控制器的組成,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,11,2.時序控制部件 時序控制部件就是用來產(chǎn)生各部件進行微操作所需要的定時控制信號的部件，保證各個微操作的執(zhí)行順序。 （1）脈沖源：利用晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的主時鐘脈沖（主頻）。 （2）啟停電路：控制機器工作的啟動和停止 （3）時序信號發(fā)生器：產(chǎn)生機器所需的時序信號，以控制有關(guān)部件在不同的時間完成不同的微操作。,6.1.3 控制器的組成,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,12,3.微操作控制信號形成部件 （1）微操作是指計算機中最基本的操作 （2）微操作控制邏輯，用來產(chǎn)生機器所需的全部的微操作信號。微操作控制邏輯的作用是把操作碼譯碼器輸出的控制電位，時序信號以及各種控制條件進行組合，按一定時間順序產(chǎn)生并發(fā)出一系列微操作控制信號，以完成指令規(guī)定的全部操作。 4.中斷控制邏輯：用來控制中斷處理的硬件邏輯。 5.控制臺：實現(xiàn)人-機通信,6.1.3 控制器的組成,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,13,6.1.4 控制器的組成方式,微操作控制信號形成部件是控制器的核心，其產(chǎn)生信號的方式有三種： (1) 常規(guī)組合邏輯型(或稱隨機邏輯法) 分立元件時代的產(chǎn)物； 方法是按邏輯代數(shù)的運算規(guī)則，以組合電路最小化為原則，用邏輯門電路實現(xiàn)；速度快。 不規(guī)整，可靠性低，不易修改和擴充，造價高。 (2)存儲邏輯型（微程序控制邏輯法） 將程序設(shè)計的思想方法引入控制器的控制邏輯； 將各種操作控制信號以編碼信息字的形式存入控制存儲器中（CM）； 一條機器指令對應(yīng)一道微程序，機器指令執(zhí)行的過程就是微程序執(zhí)行的過程。 (3) 組合邏輯和存儲邏輯結(jié)合型（可編程邏輯陣列(PLA)法） 與組合邏輯型本質(zhì)相同，工藝不同； 用大規(guī)模集成電路(LSI)來實現(xiàn)。,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,14,6.2控制器的控制方式與時序系統(tǒng),6.2.1控制方式 6.2.2時序系統(tǒng),計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,15,如何形成控制不同微操作序列的時序控制信號的方法，稱為控制器的控制方式?？刂品绞酵ǔ７譃橥娇刂品绞健惒娇刂品绞?、同異步聯(lián)合控制方式三類。 1.同步控制方式 又稱為固定時序控制方式或無應(yīng)答控制方式。任何指令的執(zhí)行或指令中每個微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時序信號的控制。 每個周期狀態(tài)中產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)目的節(jié)拍電位及時標(biāo)工作脈沖。 以最復(fù)雜（微操作序列最長，執(zhí)行時間最長）指令的實現(xiàn)需要為基準(zhǔn)。 優(yōu)點：設(shè)計簡單，操作控制容易實現(xiàn)。 缺點：效率低。,6.2.1 控制方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,16,2.異步控制方式 可變時序控制方式或應(yīng)答控制方式。執(zhí)行一條指令需要多少節(jié)拍，不作統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)每條指令的具體情況而定，需要多少，控制器就產(chǎn)生多少時標(biāo)信號。 特點：每一條指令執(zhí)行完畢后都必須向控制時序部件發(fā)回一個回答信號，控制器收到回答信號后，才開始下一條指令的執(zhí)行。 優(yōu)點：指令的運行效率高； 缺點：控制線路比較復(fù)雜。 異步工作方式一般采用兩條定時控制線來實現(xiàn)。我們把這兩條線稱為“請求”線和“回答”線。當(dāng)系統(tǒng)中兩個部件A和B進行數(shù)據(jù)交換時，若A發(fā)出“請求”信號，則必須有B的“回答”信號進行應(yīng)答，這次操作才是有效的，否則無效。,6.2.1 控制方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,17,3.同步，異步聯(lián)合控制方式 同步控制和異步控制相結(jié)合的方式即聯(lián)合控制方式，區(qū)別對待不同指令。 一般的設(shè)計思想是，在功能部件內(nèi)部采用同步式，而在功能部件之間采用異步式，并且在硬件實現(xiàn)允許的情況下，盡可能多地采用異步控制。,6.2.1 控制方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,18,1. 概念 時序部件：計算機的機內(nèi)時鐘。它用其產(chǎn)生的周期狀態(tài)，節(jié)拍電位及時標(biāo)脈沖去對指令周期進行時間劃分，刻度和標(biāo)定。 指令周期：在計算機中從指令的讀取到指令的執(zhí)行完成，執(zhí)行一條指令所需要的時間，稱為指令周期。 指令周期通常由若干個CPU周期-取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等來表示，CPU周期也稱為機器周期，在每個機器周期完成一個基本操作。由于CPU內(nèi)部的操作速度較快，而CPU訪問一次內(nèi)存所花的時間較長，通常用存儲周期為基礎(chǔ)來規(guī)定CPU周期。,6.2.2 時序系統(tǒng),計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,19,2.三級時序信號 周期 （1） 在一個控制階段內(nèi)均持續(xù)起作用的信號； （2） 通常用周期狀態(tài)寄存器來標(biāo)志和指明某某周期控制； （3） 指令周期可分為取指周期、分析周期、執(zhí)行周期。 節(jié)拍 （1） 把一個機器周期分成若干個相等的時間段，每一個時間段對應(yīng)一個電位信號，稱節(jié)拍電位； （2） 一般都以能保證ALU進行一次運算微操作作為一拍電位的時間寬度。 時標(biāo)工作脈沖 （1） 及時改變標(biāo)志狀態(tài)； （2） 時標(biāo)脈沖的寬度一般為節(jié)拍電位寬度的1/N，只要能保證所有的觸發(fā)器都能可靠地，穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)即可。,6.2.2 時序系統(tǒng),計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,20,3.三級時序信號的關(guān)系 一臺計算機機內(nèi)的控制信號一般均由若干個周期狀態(tài)，若干個節(jié)拍電位及若干個時標(biāo)脈沖這樣三級控制時序信號定時完成。三級時序的組合關(guān)系如圖所示。,6.2.2 時序系統(tǒng),P,W3,W2,W2,W0,M1,M0,周期0,周期1,節(jié)拍0,節(jié)拍1,節(jié)拍2,節(jié)拍3,脈沖,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,21,6.3CPU的總體結(jié)構(gòu),CPU=控制器+運算器 6.3.1 寄存器的設(shè)置 6.3.2數(shù)據(jù)通路結(jié)果及指令流程分析,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,22,6.3.1 寄存器的設(shè)置,1.指令寄存器IR 2.程序計數(shù)器PC 3.程序狀態(tài)寄存器PSR 4.累加寄存器AC及通用寄存器GR：AC暫存操作數(shù)據(jù)和結(jié)果，GR是一組程序可訪問的、具有多種功能的寄存器，能提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果、作為地址指針、基址寄存器、變址寄存器、計數(shù)器等。如Intel 8086的AX、BX、CX、DX、SP、DS、CS、ES、SS、SI、DI等。 5.地址寄存器MAR：存放所要訪問的主存單元的地址（來自PC的指令的地址，或來自地址形成部件的操作數(shù)的地址） 6.數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR（或MBR）：存放向主存寫入的信息或從主存中讀出的信息,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,23,6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析,1.單總線結(jié)構(gòu),控制信號邏輯,ID,IR,CU,IRin,時序 部件,R0,R7,R0out,R0in,R7out,R7in,PC,MAR,MDR,Y,ALU,Z,PSR,PCin,PCout,MARin,MDRin,MDRout,Yin,A,B,+1,Zin,Zout,IBUS,DBUS,MEM,I/O,I/O,ABUS,R,W,GR,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,24,6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析,【例】在上圖中，A和B 為ALU的兩個輸入端，且ALU可以實現(xiàn)A1、A B等功能，主存以字編址，每條指令 和數(shù)據(jù)均占一個主存單元。分析指令：ADD （R1），R0的操作流程。其中，源操作數(shù)在前。 分析： （1）（PC）MAR，READ，PC Y ；送指令地址，讀主存 （2）MEM MDR IR，（Y）+1 Z；取指令到IR，PC+1暫存于Z （3）（Z） PC ；PC+1 PC （4）（R1）MAR，READ ；送源操作數(shù)地址 （5）MEM MDR Y ；取出源操作數(shù)到Y(jié)中 （6）（Y）+（R0） Z ；執(zhí)行加法運算，結(jié)果暫存于Z （7）（Z） R0 ；加法結(jié)果送回目標(biāo)寄存器,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,25,FIR,6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析,2.雙總線結(jié)構(gòu),IR,PC,R0,R1,R2,Y,TEMP,MDR,R3,ALU,ID,控 制 信 號 邏 輯,時序 部件,B,F,B,A,INC DEC ADD SUB,Gon,FPC,FR0,FR1,FR2,FR3,FMDR,FTEMP,FY,IRB,PCB,R0B,R1B,R2B,R3B,MDRB,TEMPB,MEM,MAR,FMAR,R,W,DBUS,ABUS,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,26,6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析,【例】在上圖中，F(xiàn)為發(fā)送總線，B為 接收總線，它們通過總線連接器G可直接連接，當(dāng)Gon=1時，G被打開，B的數(shù)據(jù)可傳向F；當(dāng)Gon=0時，G被關(guān)閉，兩總線隔離，且ALU可以實現(xiàn)A1、A B等功能，主存以字編址，每條指令 和數(shù)據(jù)均占一個主存單元。分析指令：ADD （R1），R0的操作流程。其中，源操作數(shù)在前。 分析：,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,27,6.4模型機的總體結(jié)構(gòu),6.4.1模型機的數(shù)據(jù)通路 6.4.2模型機的指令系統(tǒng) 6.4.3模型機的時序系統(tǒng),計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,28,6.4.1 模型機的數(shù)據(jù)通路,控制信號邏輯,時序部件,ID,CC,CZ,IR,PC,R0,R1,R2,R3,MDR,SP,TEMP,Y,ALU,移位器,判零,CZ,CC,CZ,CPCZ,CC,CPCC,SL,EX,SR,DM,C0,M,S3,S2,S1,S0,A,B,PCB,R0B,R1B,R2B,R3B,MDRB,TEMPB,BUS1,BUS2,CPY,CPTEMP,CPSP,CPMDR,CPR3,CPR2,CPR1,CPR0,CPPC,CPIR,MAR,CPMAR,MEM,R/W,I/O,MREQ,IOREQ,DBUS,ABUS,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,29,6.4.1 模型機的數(shù)據(jù)通路,ALU功能,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,30,6.4.2 模型機的指令系統(tǒng),1.指令格式,OP 尋址方式 RS 尋址方式 RD,雙操作數(shù)指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,源操作數(shù),目的操作數(shù),OP 000 備用 尋址方式 RD,單操作數(shù)指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,目的操作數(shù),OP 位移量D,轉(zhuǎn)移類指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,OP 000 未用 000 未用,返回/停機指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,操作碼=4位，共計16條指令,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,31,6.4.2 模型機的指令系統(tǒng),2.指令系統(tǒng),計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,32,6.4.2 模型機的指令系統(tǒng),3.尋址方式 （1）寄存器尋址： 尋址方式編碼000，匯編符號為Rn，n為寄存器編號 E= Rn （2）寄存器間接尋址： 尋址方式編碼001，匯編符Rn或（Rn） E= （Rn） （3）自增型寄存器間接尋址： 尋址方式編碼010，匯編符號（Rn）+ E=（Rn），（Rn）+1Rn （4）自減型寄存器間接尋址： 尋址方式編碼011，匯編符號-（ Rn） （Rn）-1Rn ， E=（Rn） （5）變址型尋址： 尋址方式編碼100，匯編符號X（ Rn ） E=X+ （ Rn ）,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,33,6.4.2 模型機的時序系統(tǒng),1.機器周期：六個機器周期，每個周期設(shè)一個周期狀態(tài)觸發(fā)器 （1）取指周期FT：實現(xiàn)取指令、分析指令和（PC）+1PC的操作 （2）取源周期ST：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中源操作數(shù)地址的尋址和取源操作數(shù)。 （3）取目的周期DT：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中目的操作數(shù)地址的尋址和取目的操作數(shù)。 （4）執(zhí)行周期ET：完成指令規(guī)定的操作并保存結(jié)果 （5）中斷周期IT （6）DMA周期DMAT,FT,ST,DT,ET,RESET,TENDP,1FT,1ST,1DT,1ET,一個周期=4個節(jié)拍T0、T1、T2、T3,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,34,6.4.2 模型機的時序系統(tǒng),每個周期內(nèi)可完成主存的一次讀/寫操作。 每個周期=4個節(jié)拍T0、T1、T2、T3。 每個節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個脈沖，用于寄存器接收代碼。,&,T0,&,T1,&,T2,&,T3,RESET,&,P,1,DTXDRepeat,FT,ST,ET雙數(shù)指令DR,ETRTS,ETJSR,節(jié) 拍 發(fā) 生 器 原 理 圖,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,35,6.4.2 模型機的時序系統(tǒng),P,T3,T2,T1,T0,M,指令周期,三級時序關(guān)系,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,36,6.5組合邏輯控制器設(shè)計,6.5.1設(shè)計的步驟 6.5.2模型機的設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,37,6.5.1 設(shè)計的步驟,1.繪制指令操作流程圖 把指令的執(zhí)行過程分解成若干功能部件能實現(xiàn)的基本微操作，并以圖的形式排列成有先后次序、相互銜接配合的流程（指令操作流程圖） 2.編排指令操作時間表 把指令流程圖中的各個微操作具體落實到各個機器周期的相應(yīng)節(jié)拍和脈沖中去，并以微操作控制信號的形式編排一張表（指令操作時間表） 3.進行微操作綜合 對指令操作時間表中的各個微操作信號分別按其條件進行歸納、綜合，列出其綜合的邏輯表達式，并進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、化簡，得到比較合理的邏輯表達式 4.設(shè)計微操作控制信號形成部件 用組合邏輯電路實現(xiàn)邏輯表達式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,38,6.5.2 模型機的設(shè)計,1. 指令操作流程圖 （1）取指周期的操作流程圖,（PC） MAR,READ，（PC）+1 PC,（MDR） IR,JUMP？,SRDR=？,1ST,1 DT,1 ET,Y,N,00或01,10,FT0,FT1,FT2,FT3,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,39,6.5.2 模型機的設(shè)計,（2）取源周期的操作流程圖,源尋址？,（Rs）,（Rs）+,-（Rs）,Repeat,Xs,（Rs）MAR,(Rs) MAR,(Rs)-1Rs MAR,(Rs)+(Y)MAR,(PC)MAR,READ,READ,(Rs)+1 Rs,READ,READ,READ,(PC)+1PC,(MDR)TEMP,(MDR)TEMP,(MDR)TEMP,(MDR)TEMP,(MDR)Y,DR=1?,清Repeat,置Repeat 1ST,1DT,1ET,N,Y,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,40,6.5.2 模型機的設(shè)計,（3）取目的周期的操作流程圖,目的尋址？,（RD）,（RD）+,-（RD）,Repeat,XD,（RD）MAR,(RD) MAR,(RD)-1RD MAR,(RD)+(Y)MAR,(PC)MAR,READ 1ET,READ,(RD)+1 RD 1ET,READ 1ET,READ,清Repeat 1ET,READ,(PC)+1PC,(MDR)Y,置Repeat 1DT,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,41,6.5.2 模型機的設(shè)計,（4）執(zhí)行周期的操作流程圖 傳送類指令 運算類指令 轉(zhuǎn)移類指令 停機指令 轉(zhuǎn)子/返回指令 (略),計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,42,6.6微程序控制器設(shè)計,6.6.1微程序控制器概述 6.6.2微指令的編譯方法 6.6.3微程序的順序控制方式 6.6.4微指令的執(zhí)行方式 6.6.5微程序設(shè)計方法 6.6.6微程序控制器的設(shè)計步驟 6.6.7舉例:模型機的微程序設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,43,微程序控制技術(shù)在現(xiàn)今計算機設(shè)計中得到廣泛的采用，其實質(zhì)是用程序設(shè)計的思想方法來組織操作控制邏輯。 1、微程序控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因 （1） 物質(zhì)基礎(chǔ)：ROM （2） 靈活性 （3）提高了可靠性，可利用性及可維護性(簡稱RAS技術(shù))，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。 （4）有利于機器設(shè)計時的仿真。也就是說，在M1機器上使用M2機器語言編寫程序并運行，從用戶角度來看，M1和M2無區(qū)別，要能做到這一點，只有機器具有控存CM的微程序設(shè)計結(jié)構(gòu)才行。 （5）其他（反映在以下幾方面的優(yōu)點）,6.6微程序控制器設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,44,2、與組合邏輯控制方法相比，微程序控制方法在諸多方面有著顯著的差別 （1） 從實現(xiàn)方式上 微程序控制：規(guī)整，增、刪、改較容易 組合邏輯控制：零亂且復(fù)雜，當(dāng)修改指令或增加指令時非常麻煩，有時甚至沒有可能。 （2） 從性能上來比較 在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比組合邏輯控制方式的速度低，這是因為執(zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而組合邏輯控制方式取決于電路延遲，因而在超高速計算機中，對影響速度的關(guān)鍵部分例如CPU，往往采用組合邏輯控制方法。近年來在一些新型計算機結(jié)構(gòu)中如RISC結(jié)構(gòu)，一般選用組合邏輯方法。 （3）診斷能力 微程序設(shè)計方法：診斷能力強 組合邏輯控制：診斷能力弱,6.6微程序控制器設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,45,1.基本概念 1) 控制字(CW):表征微操作控制要求的二進制字，稱為控制字。 2) 微命令 微程序控制中，把微操作控制信號稱為微命令。微操作是微命令在時序的配合作用下的操作過程。 3) 微地址和微指令 微地址：存放控制字的單元地址。 微指令：具有微地址的控制字。 4) 微程序:一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程序。 5) 微周期 微周期就是從控制存儲器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需要的時間。,6.6.1微程序控制器概述,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,46,6.6.1微程序控制器概述,2.基本組成（圖6-30） 1)控制存儲器CM:用來存放微程序。 2)微指令寄存器IR 用來存放從控制存儲器中取得的微指令。 3)微地址形成部件AG 用來產(chǎn)生機器指令的首條微指令地址和后續(xù)地址。 4)微地址寄存器MAR: 接收微地址形成部件送來的微地址。 5)譯碼與驅(qū)動電路 對微地址寄存器中的微地址進行譯碼,找到被訪問的CM單元并驅(qū)動其進行讀取操作,存放于IR,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,47,6.6.1微程序控制器概述,3.微程序執(zhí)行過程 微程序控制器的工作過程實質(zhì)上就是在微程序控制器的控制之下，計算機執(zhí)行機器指令的過程： 1)從控制存儲器中運行取指令微程序，完成從主存儲器中取得機器指令的工作； 2)根據(jù)機器指令的操作碼，得到相應(yīng)機器指令的微程序入口； 3)逐條取出微指令，完成相關(guān)微操作控制； 4)執(zhí)行下一條機器指令。,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,48,6.6.2微指令的編譯方法,一、編譯法的選擇原則 (1)減少微指令的長度； (2)提高微操作的并行性； (3)提高機器的控制性能并降低價格； (4)有利于微程序設(shè)計的靈活性。 二、編譯法 1、直接控制法（不譯法） （1）含義：每一個獨立的二進制位代表一個微命令。按不譯法編碼的微指令，又稱水平微指令。 （2）本質(zhì)特征：面向數(shù)據(jù)通路的控制門(或控制點)。 （3）優(yōu)點：A：并行執(zhí)行，執(zhí)行速度也比較快；B：微程序所需用的微指令條數(shù)少。 缺點：A：編制程序難度較大；B：微指令不能充分利用。,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,49,2、最短編譯法 （1） 含義：每一條微指令只定義一個微命令。按最短編譯法編碼的微指令又稱垂直型微指令。 （2） 本質(zhì)特征：面向算法來編碼的。類似于傳統(tǒng)的程 序設(shè)計方法。 （3） 優(yōu)點：A：編程簡單；B：微指令字中各位都得到充分利用。 缺點：A：并行控制能力差，執(zhí)行速度慢；B：微程序長度較長。,6.6.2微指令的編譯方法,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,50,3、字段編譯法 （1）、字段直接編譯法 A：把一條微指令分成幾段，段與段間按水平法設(shè)計，每個段內(nèi)分別按垂直法進行編碼，每一段形成一個微命令，一條微指令可同時有并行的幾個微命令。 B：微指令字分段的原則： （a）在同一節(jié)拍內(nèi)，需要互相配合起作用的微操作，是并行操作，其微命令可以分在不同的字段內(nèi)，以便配合進行微操作控制(組合性的操作控制)。這是微命令的相容性。 （b）在同一節(jié)拍內(nèi)，不允許同時出現(xiàn)具有“排它”性的微操作，是串行操作，其微命令可分在一個字段內(nèi)，這是微命令的互斥性。,6.6.2微指令的編譯方法,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,51,（2）、字段間接編譯法 它是在字段直接編譯法基礎(chǔ)上用來進一步縮短指令字長，組合零散微命令的一種編譯法。若在字段直接編譯法中再規(guī)定一個字段的某些微命令要由另一個字段中的某些微命令來解釋，稱為字段間接編譯法。 這種編譯法適用于把那些不同類型的，不常用的，但數(shù)量又可觀的“零散”的微命令編入少數(shù)幾個字段之中，以減少微指令字的長度，組合編譯更多的微命令。,6.6.2微指令的編譯方法,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,52,6.6.3微程序的順序控制方式,1、初始微地址的形成 每條機器指令對應(yīng)一段微程序，當(dāng)執(zhí)行公用的取指微程序從主存中取出機器指令后，由機器指令的操作碼指出微程序的首地址。這是一種多分支情況，通常有以下幾種方式： （1）操作碼的位數(shù)與位置固定，這時可直接使操作碼與微地址碼的部分位相對應(yīng)。例如，若微入口地址=00OC，則控制存儲器第零頁的一些單元被安排為各個微程序入口（即首地址），再通過無條件微轉(zhuǎn)移指令使這些單元與相應(yīng)的后續(xù)微指令相連接。,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,53,（2）當(dāng)每類指令的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指令之間的操作碼位數(shù)與位置不固定時，可采用分級轉(zhuǎn)移的方法。先按指令類型轉(zhuǎn)移到某條微指令，區(qū)分出是哪一大類，然后進一步按機器指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)分出是哪一種具體的機器指令。 （3）當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置都不固定時，通常的方法是采用PLA可編程邏輯陣列實現(xiàn)。,6.6.3微程序的順序控制方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,54,2、后繼微地址的形成 得到微程序入口以后，就開始執(zhí)行微程序，后繼微地址的形成方法對微程序編制的靈活性影響很大。通常采用兩種方法形成后繼微地址： （1）增量方式 這種方式和機器指令的控制方式類似。 PC： (A)順序：增量。 (B)無條件轉(zhuǎn)向：PC。 (C)有條件轉(zhuǎn)向：條件碼參與，修改PC。 （2）在微指令字的格式中，增設(shè)下地址字段之后，就可以用微地址寄存器(MAR)取代微程序計數(shù)器。下一條微指令地址在多數(shù)情況可由現(xiàn)行微指令字的下地址字段NAF直接給出，少數(shù)情況由微地址產(chǎn)生器對下地址字段進行修改后產(chǎn)生后繼微地址。,6.6.3微程序的順序控制方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,55,綜合上述，后繼微地址的形成是設(shè)計微程序控制的關(guān)鍵問題之一。確定后繼微指令地址有以下幾種情況： (A)順序執(zhí)行時，后繼微地址可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段NAF或微程序計數(shù)器PC直接確定。 (B)無條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址，可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段確定。 (C)有條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址由現(xiàn)行機器指令操作碼，現(xiàn)行微指令執(zhí)行時產(chǎn)生狀態(tài)特征或條件碼的判別結(jié)果決定。,6.6.3微程序的順序控制方式,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,56,6.6.5 微程序設(shè)計方法,1 水平型微指令與微程序設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,57,6.6.5 微程序設(shè)計方法,2 垂直型微指令與微程序設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,58,3 毫微程序設(shè)計 （1）毫微程序是用以解釋微程序的一種程序，因此組成毫微程序的毫微指令是負責(zé)解釋微指令的微指令。 （2）毫微程序設(shè)計的基本思想 采用兩級微程序設(shè)計方法 1） 第一級用垂直微指令編制垂直微程序 第一級垂直微程序是為實現(xiàn)指令系統(tǒng)和其它處理過程的需要而編制的，它有嚴(yán)格的順序結(jié)構(gòu)，由它確定后續(xù)微指令的地址。垂直微程序存放于微程序存儲器中。 2） 第二級用水平微指令編制水平微程序。 第二級水平微程序是由第一級調(diào)用的，用以解釋垂直微程序并實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路操作。水平微指令具有并行操作控制能力，但不包含后續(xù)微指令地址信息。,6.6.5 微程序設(shè)計方法,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,59,6.6.6 微程序控制器設(shè)計步驟,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,60,6.6.7 舉例：模型機的微程序設(shè)計,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,61,6.7流水線處理技術(shù),6.7.0并行處理技術(shù) 6.7.1指令的執(zhí)行方式 6.7.2流水線的分類 6.7.3線性流水線的性能 6.7.4流水線的相關(guān)問題,計算機組成原理,西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院,62,6.7.0并行處理技術(shù),標(biāo)準(zhǔn)的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，采用的是串行處理，即一個時刻只能進行一個操作。 并行性的兩種含義： 同時性：兩個以上事件在同一時刻發(fā)生。如多機系統(tǒng)中，同一時刻多個進程在運行。 并發(fā)行：兩個以上事件在同一間隔內(nèi)發(fā)生。如并發(fā)程序，某一時刻CPU中只有一個進程在運行，而在一個時間段內(nèi)，多個進程同時運行。 并行性的三種形式： 時間并行：即使用流水處理部件，時間