中央處理單元CPU-1

1、計算機組成原理計算機組成原理1第第5 5章章 中央處理器中央處理器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：（一）（一） CPUCPU 的功能和基本結構的功能和基本結構 （二）（二） 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程 （三）（三） 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結構數(shù)據(jù)通路的功能和基本結構 （四）（四） 控制器的功能和工作原理控制器的功能和工作原理 1. 1. 硬布線控制器硬布線控制器 2. 2. 微程序控制器微程序控制器 微程序、微指令和微命令；微指令的編碼方式；微地址的形成微程序、微指令和微命令；微指令的編碼方式；微地址的形成方式。方式。 （五）（五） 指令流水線指令流水線 1. 1. 指令流水線的基本概念指令流水線的基本概念

2、2. 2. 超標量和動態(tài)流水線的基本概念超標量和動態(tài)流水線的基本概念 計算機組成原理計算機組成原理25.1 CPU5.1 CPU的功能和基本結構的功能和基本結構l中央處理器簡稱CPU，是計算機系統(tǒng)的核心。l主要功能：程序的執(zhí)行(指令控制)，信息的處理(數(shù)據(jù)加工)，操作控制，時間控制，I/O設備的控制。l組成：運算器，控制器，寄存器，時鐘電路，(某些CPU中還包括一定容量的ROM、RAM存儲器等)。計算機組成原理計算機組成原理3計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機組成原理計算機組成原理計算機硬件系統(tǒng)的組成lALU： 見2.4節(jié)l存儲器：見第3章l輸入輸出：見第7章4計算機組成原理計算機組成原理5控制器的功

3、能控制器的功能馮馮. 諾依曼結構的計算機諾依曼結構的計算機 “存儲程序存儲程序”計算機，設置內(nèi)存，存放程序和數(shù)據(jù)計算機，設置內(nèi)存，存放程序和數(shù)據(jù) 在程序運行之前將程序調(diào)入內(nèi)存，然后執(zhí)行程序在程序運行之前將程序調(diào)入內(nèi)存，然后執(zhí)行程序計算機的功能是執(zhí)行程序計算機的功能是執(zhí)行程序 程序是依次排列起來的指令序列程序是依次排列起來的指令序列計算機執(zhí)行程序的基本過程計算機執(zhí)行程序的基本過程 從程序首地址開始執(zhí)行第一條指令從程序首地址開始執(zhí)行第一條指令 分步執(zhí)行每一條指令，并形成下一條待執(zhí)行指令地址分步執(zhí)行每一條指令，并形成下一條待執(zhí)行指令地址 自動地連續(xù)執(zhí)行指令，直到程序的最后一條指令自動地連續(xù)執(zhí)行指令，

4、直到程序的最后一條指令計算機組成原理計算機組成原理65.1.1CPU的功能的功能取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結果的輸出控制程序輸入及結果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請求處理異常情況和特殊請求1.控制器的功能控制器的功能2.運算器的功能運算器的功能實現(xiàn)算術運算和邏輯運算實現(xiàn)算術運算和邏輯運算指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理異常處理異常(中斷中斷)計算機組成原理計算機組成原理7控制器的功能控制器的功能 能夠正確并且自動地連續(xù)執(zhí)行指令能夠正確并且自動地連續(xù)執(zhí)行指令 按程序中設定的指令次序

5、執(zhí)行按程序中設定的指令次序執(zhí)行 正確地分步完成每一條指令規(guī)定的功能正確地分步完成每一條指令規(guī)定的功能 讀取指令讀取指令 分析指令分析指令 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 進一步講，就是向計算機進一步講，就是向計算機各功能部件各功能部件提供協(xié)提供協(xié)調(diào)運行調(diào)運行每一個步驟每一個步驟所需要的所需要的控制信號控制信號控制器控制器是指揮與控制整臺計算機各功能部件協(xié)同是指揮與控制整臺計算機各功能部件協(xié)同工作、自動執(zhí)行計算機程序的部件。其作用是控工作、自動執(zhí)行計算機程序的部件。其作用是控制制指令指令的的執(zhí)行過程。執(zhí)行過程。 計算機組成原理計算機組成原理85.1.2 CPU的基本結構的基本結構PCIR指令控制指令控制操作控

6、制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷ALU寄存器寄存器中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)1.CPU與系統(tǒng)總線與系統(tǒng)總線控制單元控制單元CU時序電路時序電路寄存器寄存器ALU中斷中斷系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線計算機組成原理計算機組成原理92.CPU的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構算術和算術和邏輯運算邏輯運算取反取反移位移位狀態(tài)標志狀態(tài)標志內(nèi)部內(nèi)部數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線CPU寄存器寄存器CU中斷中斷系統(tǒng)系統(tǒng)ALU控制信號控制信號計算機組成原理計算機組成原理1010寄存器（寄存器（RegisterRegister）l寄存器寄存器R R是是CPUCPU中的重要組成部分，是中的

7、重要組成部分，是CPUCPU內(nèi)部的內(nèi)部的臨時存儲單元。臨時存儲單元。l寄存器數(shù)量的增加可以提高寄存器數(shù)量的增加可以提高CPUCPU運行速度。運行速度。l存放內(nèi)容：數(shù)據(jù)、地址、控制信息、存放內(nèi)容：數(shù)據(jù)、地址、控制信息、CPUCPU的工作的工作狀態(tài)信息。狀態(tài)信息。l分類：數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、標志狀態(tài)寄分類：數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、標志狀態(tài)寄存器、控制寄存器和一些其它作用的寄存器。存器、控制寄存器和一些其它作用的寄存器。按功能基本可分為三類：通用寄存器組、控制寄存器和主存接口寄存器。計算機組成原理計算機組成原理11通用寄存器組通用寄存器組 通用寄存器組是一組可編程可訪問、具有多功能的通用寄存器組

8、是一組可編程可訪問、具有多功能的寄存器統(tǒng)稱。對于用戶來說是寄存器統(tǒng)稱。對于用戶來說是“可見的可見的”。 可用于保存操作數(shù)、計算結果、或用作地址指針、可用于保存操作數(shù)、計算結果、或用作地址指針、基址寄存器、變址寄存器和計數(shù)器?；芳拇嫫?、變址寄存器和計數(shù)器?？刂萍拇嫫骺刂萍拇嫫骺刂萍拇嫫髦饕ǎ?程序計數(shù)器PC； 指令寄存器IR 程序狀態(tài)標志寄存器PSW計算機組成原理計算機組成原理12為了保證程序能自動連續(xù)執(zhí)行，CPU必須具有在當前指令執(zhí)行結束時能自動確定下一條指令的地址功能。PC正是為此而設置的，也稱為指令計數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前，將程序的第一條指令的地址送入PC，以便從程序的第一條指令開始

9、執(zhí)行。執(zhí)行程序過程中，CPU將自動修改將自動修改PC的內(nèi)容，的內(nèi)容，使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。當遇到轉移指令時，需要改變程序的執(zhí)行順序，則一般由轉移指令形成轉移地址后送往PC，作為下一條指令的地址。因此，PC應具有計數(shù)和接收代碼的應具有計數(shù)和接收代碼的功能。功能?？刂萍拇嫫骺刂萍拇嫫?程序計數(shù)器程序計數(shù)器（Program Count，簡稱PC）計算機組成原理計算機組成原理13指令寄存器用以存放現(xiàn)行指令。當執(zhí)行一條指令時，首先從內(nèi)存將指令取出送到指令寄存器IR，然后送至指令譯碼器ID，由ID來產(chǎn)生各種微操作命令，控制其他的組成部件工作，從而完成所需的功能。為了提高指令的執(zhí)行速度，

10、現(xiàn)在大多數(shù)計算機都將指令寄存器IR擴充為指令隊列或稱指令棧，允許預取若干條指令。控制寄存器控制寄存器:指令寄存器指令寄存器IR計算機組成原理計算機組成原理程序狀態(tài)標志寄存器程序狀態(tài)標志寄存器PSW格式如下：OF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0狀態(tài)標志：記錄程序運行結果，指令執(zhí)行結束后自動設置。控制標志：根據(jù)程序需要用指令設置，用于控制指令的執(zhí)行方式 記錄算術和邏輯運算指令運行或測試的結果而建立的各種條件碼信息，如進位標志、零標志、符號標志、溢出標志等。 可被后面的條件轉移指令所測試，作為決定程序流向的因素之一。 程序狀態(tài)字反映指令執(zhí)行結果或控制指令執(zhí)行形式，

11、控制寄存器控制寄存器:計算機組成原理計算機組成原理程序狀態(tài)字（續(xù)）lOF：溢出標志，運算過程中如操作數(shù)超出了機器能表示的范圍，稱為溢出。lSF：符號標志，記錄運算結果的符號，結果為負時置1，為正時置0。lZF：零標志，運算結果為0時置1，否則為0。lCF：進位標志，記錄運算時從最高有效位產(chǎn)生的進位，有進位時置1，否則為0。計算機組成原理計算機組成原理程序狀態(tài)字（續(xù)）lAF：輔助進位標志，記錄運算時第3位產(chǎn)生的進位值。lPF：奇偶進位標志，當結果操作數(shù)中1的個數(shù)為偶數(shù)時置1，否則為0。lIF：中斷屏蔽位，為1時開可屏蔽中斷。lDF：方向標志，在串處理指令中控制處理信息的方向。當DF為1時，每次操

12、作后使變址寄存器SI和DI減小，當DF為0時增加。計算機組成原理計算機組成原理17主存接口寄存器主存接口寄存器主存接口寄存器是與存儲器進行數(shù)據(jù)交換使用寄存器。主要包括： 主存地址寄存器MAR：用于存放將被訪問的存用于存放將被訪問的存儲單元的地址儲單元的地址 主存數(shù)據(jù)寄存器MDR：用于存放欲存入存儲器用于存放欲存入存儲器中的數(shù)據(jù)或最近從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)。中的數(shù)據(jù)或最近從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)。PC控制控制CPU操作操作其中其中MARMDRIR用戶不可見用戶不可見MARMMDRIRPC用戶可見用戶可見計算機組成原理計算機組成原理附錄：8086的寄存器8086共有14個16位寄存器AH ALBH BL

13、CH CLDH DLSIDIBPSPFLAGSIPCSSSDSESAX累加器BX基址寄存器CX計數(shù)器DX數(shù)據(jù)寄存器源變址寄存器目的變址寄存器基址指針堆棧指針代碼段寄存器堆棧段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器附加段寄存器程序狀態(tài)字程序計數(shù)器計算機組成原理計算機組成原理5.1.3 5.1.3 時序控制方式時序控制方式l一條指令的讀取與執(zhí)行過程一般需要分成讀取指令、譯碼、執(zhí)行、存放結果等幾個步驟。這樣就需要一種時間劃分的信號標志，如周期、節(jié)拍等。lCPU的每次操作都需要有嚴格的時序控制。l 時序控制部件時序控制部件一般由脈沖源、鎖相環(huán)倍頻電路、周期狀態(tài)觸發(fā)器、節(jié)拍發(fā)生器、起停線路等組成。l脈沖源脈沖源產(chǎn)生固定頻率

14、的脈沖可以直接作為機器的主頻時鐘信號，也可以經(jīng)由鎖相環(huán)倍頻電路后來產(chǎn)生主頻時鐘。l主頻時鐘的頻率高低與機器的性能和選用的器件有關。一般情況下主頻時鐘越高，計算機速度越快。19計算機組成原理計算機組成原理時鐘控制電路：時鐘控制電路：為每條指令按時間順序執(zhí)行提供基準為每條指令按時間順序執(zhí)行提供基準信號。由時鐘脈沖發(fā)生器信號。由時鐘脈沖發(fā)生器(石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器)和啟停控和啟?？刂齐娐方M成。制電路組成。石英晶體振蕩器：石英晶體振蕩器：產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖信號，作產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖信號，作為整個機器的時間基準源。也稱為主振蕩頻率。最常為整個機器的時間基準源。也稱為主振蕩頻率。最常用的脈

15、沖源。用的脈沖源。1.1.時序相關的基本概念時序相關的基本概念計算機組成原理計算機組成原理時序系統(tǒng)時序系統(tǒng)21時序系統(tǒng)時序系統(tǒng)：在計算機的控制系統(tǒng)中，常將其時序關系在計算機的控制系統(tǒng)中，常將其時序關系劃分為劃分為機器周期機器周期(CPU周期周期)、時鐘周期、時鐘周期(節(jié)拍節(jié)拍)、工作、工作脈沖脈沖三個層次，也稱為三個層次，也稱為計算機系統(tǒng)三級時序關系計算機系統(tǒng)三級時序關系。計算機組成原理計算機組成原理機器周期機器周期u在CPU執(zhí)行程序的過程中，將指令周期劃分成幾個時間段，將指令周期劃分成幾個時間段，每個階段稱為一個機器周期，也稱為每個階段稱為一個機器周期，也稱為CPUCPU周期周期或或工作周期

16、工作周期。uep:ep:如一條指令可分為取指令、取源操作數(shù)、取目的操作數(shù)、執(zhí)行處理等階段。對應取指周期、取操作數(shù)周期、執(zhí)行周取指周期、取操作數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等。期、中斷周期等。u每個機器周期通常又包括幾個時鐘周期。每個機器周期通常又包括幾個時鐘周期。計算機系統(tǒng)三級時序計算機系統(tǒng)三級時序計算機組成原理計算機組成原理時鐘周期時鐘周期：l在機器周期的工作往往還需要細分成幾個步驟并要按一定順序來完成。為此，需要將一個機器周期又分為若干個相等的時間段。l每一個時間段內(nèi)完成一步操作，這個時間段被稱為時鐘周期（節(jié)拍）。例如，按變址方式讀取操作數(shù)時，則先要進行變址計算，然后才能訪存取數(shù)。l時鐘周期是

17、時序系統(tǒng)中時序系統(tǒng)中最基本的時間分段最基本的時間分段。每個時鐘周期完成。每個時鐘周期完成一步操作，如完成一次傳送、或加減等操作。一步操作，如完成一次傳送、或加減等操作。23計算機系統(tǒng)三級時序計算機系統(tǒng)三級時序計算機組成原理計算機組成原理工作脈沖工作脈沖：l在一個時鐘周期（節(jié)拍）內(nèi)可設置幾個工作脈沖，用于寄存器的清除、接收數(shù)據(jù)等工作。l具體機器設置的工作脈沖數(shù)量也是不同的。24計算機系統(tǒng)三級時序計算機系統(tǒng)三級時序計算機組成原理計算機組成原理指令周期指令周期25l指令周期是指計算機從讀取指令、分析指令到執(zhí)行完該指令所需要的全部時間。l各種指令的功能不同，不同指令的指令周期是不相同的。在計算機的時序

18、系統(tǒng)中沒有指令周期的時間標志信號。l因此也不將指令周期列為具體時序系統(tǒng)的劃分的三個等級之中。指令周期機器周期時鐘周期工作脈沖信號指令周期機器周期時鐘周期工作脈沖信號計算機組成原理計算機組成原理26 采用三級時序系統(tǒng)：采用三級時序系統(tǒng)：指令周期指令周期機器周期機器周期1 1機器周期機器周期2 2機器周期機器周期n n時鐘周期時鐘周期1 1時鐘周期時鐘周期2 2時鐘周期時鐘周期m m.工作脈沖工作脈沖1 1工作脈沖工作脈沖2 2工作脈沖工作脈沖k k.( (節(jié)拍節(jié)拍1)1)( (節(jié)拍節(jié)拍2)2)( (節(jié)拍節(jié)拍m)m)2.2.組合邏輯控制器的時序劃分組合邏輯控制器的時序劃分計算機組成原理計算機組成原

19、理 時序關系：時序關系：晶振輸出晶振輸出機器周期機器周期1 1機器周期機器周期2 2機器周期機器周期3 3時鐘時鐘 時鐘時鐘T1T1工作脈沖工作脈沖P P時鐘時鐘T2T2指令周期指令周期控制不同階段操作時間控制不同階段操作時間控制分步操作時間控制分步操作時間對微操作定時對微操作定時取指取指執(zhí)行執(zhí)行取數(shù)取數(shù)取出指令取出指令修改修改PC打入打入IR打入打入PC計算機組成原理計算機組成原理CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)）機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T3計算機組成原理計算機組成原理29多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)CLK機器周

20、期機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))計算機組成原理計算機組成原理30執(zhí)行一條指令的過程是通過執(zhí)行一個確定的具體操作序列來實現(xiàn)的。(同時執(zhí)行 or順序執(zhí)行) 形成控制不同操作序列的時序控制信號有多種形成控制不同操作序列的時序控制信號有多種方法，稱為控制器的控制方式。常用的有方法，稱為控制器的控制方式

21、。常用的有同步同步控制、異步控制和聯(lián)合控制等方式?？刂啤惒娇刂坪吐?lián)合控制等方式。2. 2. 時序控制方式時序控制方式計算機組成原理計算機組成原理（1 1）同步控制方式）同步控制方式l 定義：定義：指任何指令的執(zhí)行或指令中每個操作的執(zhí)行都要受到事先確定的時序信號控制，這樣每個時序信號的結束就意味著一個操作已經(jīng)完成。指令在執(zhí)行時所需的指令在執(zhí)行時所需的機器周期和時鐘周期都是固定不變的。機器周期和時鐘周期都是固定不變的。l不同操作的執(zhí)行時間可能不同，通常需要選擇最長操作的執(zhí)行時間作為計算標準。31計算機組成原理計算機組成原理32同步控制方式同步控制方式 特點特點：有明顯時序時間劃分，時鐘周期時間固

22、定，有明顯時序時間劃分，時鐘周期時間固定，各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴格同步各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴格同步定時控制。定時控制。 優(yōu)點優(yōu)點：時序關系簡單，時序劃分規(guī)整，控制不復雜；：時序關系簡單，時序劃分規(guī)整，控制不復雜；控制邏輯易于集中，便于管理。控制邏輯易于集中，便于管理。缺點缺點：執(zhí)行時間短的操作需要等待，時間安排不合理。：執(zhí)行時間短的操作需要等待，時間安排不合理。 應用場合應用場合：用于：用于CPUCPU內(nèi)部、設備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操內(nèi)部、設備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作作( (各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較近近)

23、)。 適合于硬布線邏輯控制器和微程序控制器。適合于硬布線邏輯控制器和微程序控制器。計算機組成原理計算機組成原理（2 2）異步控制方式）異步控制方式 是指各項具體操作按其需要來選擇不同的是指各項具體操作按其需要來選擇不同的時間，不受統(tǒng)一的時鐘周期時間，不受統(tǒng)一的時鐘周期( (節(jié)拍節(jié)拍) )的約束的約束。 定義定義： 特點：特點： 無統(tǒng)一時鐘周期劃分，各操作間的銜接和各部無統(tǒng)一時鐘周期劃分，各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步件之間的信息交換采用異步應答方式應答方式。例：異步傳送操作例：異步傳送操作主設備：主設備：申請并掌握總線權的設備。申請并掌握總線權的設備。總線總線主主從從從設備：從設

24、備：響應主設備請求的設備。響應主設備請求的設備。發(fā)發(fā)/ /接接接接/ /發(fā)發(fā)計算機組成原理計算機組成原理主設備獲得總線控制權主設備獲得總線控制權 操作流程：操作流程： 主設備詢問從設備主設備詢問從設備主設備發(fā)送主設備發(fā)送/ /接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)主設備釋放總線控制權主設備釋放總線控制權 從設備準備好？從設備準備好？YN主設備輸出端與總線連接主設備輸出端與總線連接主設備輸出端與總線斷開主設備輸出端與總線斷開計算機組成原理計算機組成原理35時間安排緊湊、合理；控制復雜。時間安排緊湊、合理；控制復雜。 優(yōu)缺點優(yōu)缺點： 應用場合應用場合： 用于異步總線操作用于異步總線操作( (各掛接部件速度各掛接部件速度

25、差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠) )。（2 2）異步控制方式）異步控制方式計算機組成原理計算機組成原理36 （3 3）聯(lián)合控制方式）聯(lián)合控制方式 以固定時鐘周期作為時序基礎，引入應答思想。以固定時鐘周期作為時序基礎，引入應答思想。同步控制和異步控制相結合的方式。對不同指同步控制和異步控制相結合的方式。對不同指令的各個微操作實行大部分統(tǒng)一，小部分區(qū)別令的各個微操作實行大部分統(tǒng)一，小部分區(qū)別對待的方式。對待的方式。即即大部分微操作大部分微操作安排在一個固定機器周期中，安排在一個固定機器周期中，并在并在同步時序信號控制同步時序信號控制下進行；而對那些時間下進

26、行；而對那些時間難以確定的微操作則以執(zhí)行部件送回的難以確定的微操作則以執(zhí)行部件送回的 “回答回答” 信號作為本次微操作的結束。信號作為本次微操作的結束。在在CPUCPU內(nèi)部或設備內(nèi)部內(nèi)部或設備內(nèi)部大部分都采用大部分都采用同步控制同步控制，而對而對系統(tǒng)總線所連接的各種設備系統(tǒng)總線所連接的各種設備，由于其工作，由于其工作速度差異較大，通常采用速度差異較大，通常采用異步方式異步方式較為合適。較為合適。 計算機組成原理計算機組成原理375.2 5.2 指令周期指令周期5.2.1 5.2.1 指令周期的基本概念指令周期的基本概念1.指令周期指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間取出并執(zhí)行一條指令所需的

27、全部時間完成一條指令完成一條指令執(zhí)行執(zhí)行取指、分析取指、分析取指階段取指階段取指周期取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行階段執(zhí)行周期執(zhí)行周期（取指、分析）（取指、分析）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期計算機組成原理計算機組成原理382.每條指令的指令周期不同每條指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行階段指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期NOPADDmemMULmem計算機組成原理計算機組成原理393.具有間接尋址的指令周期具有間接尋址的指令周期4.帶有中斷周期的指令周期帶有中斷周期的指令周期取指周期取

28、指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期計算機組成原理計算機組成原理405.指令周期流程指令周期流程取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期有間址嗎？有間址嗎？有中斷嗎？有中斷嗎？間址周期間址周期中斷周期中斷周期是是是是否否否否計算機組成原理計算機組成原理416.CPU工作周期的標志工作周期的標志CPU訪存有訪存有4種性質(zhì)種性質(zhì)取取指令指令取取地址地址取取操作數(shù)操作數(shù)存存程序斷點程序斷點取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期（當指令為訪存指令）執(zhí)行周期（當指令為訪存指令）中斷周期中斷周期FEDINDDINT

29、DCLK1FE1IND1EX1INTEXD計算機組成原理計算機組成原理421.指令執(zhí)行中的數(shù)據(jù)傳輸通道指令執(zhí)行中的數(shù)據(jù)傳輸通道5.2.2 5.2.2 具體執(zhí)行過程具體執(zhí)行過程為了便于分析指令周期中的數(shù)據(jù)流，設定CPU中包含有： 存儲器地址寄存器MAR 存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR 程序計數(shù)器PC 指令寄存器IR。計算機組成原理計算機組成原理43（1）取指周期數(shù)據(jù)流）取指周期數(shù)據(jù)流5.2.2 5.2.2 具體執(zhí)行過程具體執(zhí)行過程MDRCUMARPCIR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+1PCMARBUSMBUSMDRIRPC+1計算機組成原理計算機組成原理44（2

30、）間址周期數(shù)據(jù)流）間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PCIR存儲器存儲器MDR一旦取指周期結束，執(zhí)行單元一旦取指周期結束，執(zhí)行單元CU便檢查便檢查IR中的內(nèi)容，以中的內(nèi)容，以確定其是否有間址操作確定其是否有間址操作。 Ad(MDR)MARBUSMDR計算機組成原理計算機組成原理45（3）執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流）執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流（4）中斷周期數(shù)據(jù)流）中斷周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同。不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同。可能涉及到CPU內(nèi)部寄存器間的數(shù)據(jù)傳送，或?qū)Υ鎯ζ?或I/O)進行讀寫操作，或?qū)LU的操作。MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)

31、總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PC存儲器存儲器計算機組成原理計算機組成原理2 2 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程 l計算機啟動過程：（1）在機器內(nèi)部設置有存放固定程序的只讀存儲器(ROM)，利用上電時硬件產(chǎn)生的復位(Reset)信號使計算機處于初始狀態(tài)。（2）這是通過將固定程序的入口地址(即開機后執(zhí)行的第1條指令的地址)裝入程序計數(shù)器PC來實現(xiàn)的，也可以直接在指令寄存器IR中置入一條無條件轉移指令，轉移到固定程序入口，然后開始執(zhí)行程序。（3）從程序入口地址開始執(zhí)行該程序的指令序列，每執(zhí)行一條指令后，即將準備好下條指令的地址并送入PC中。計算機組成原理計算機組成原理2 2 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程 l機

32、器指令的執(zhí)行（1）一條最簡單的機器指令中，至少需要取指令機器周期和執(zhí)行機器指令周期這兩個機器周期。（2）由控制器產(chǎn)生一系列微操作控制信號的過程。將這些微操作控制信號合理地分配在各個機器周期的各個節(jié)拍中，便可構成各條機器指令的操作流程圖。計算機組成原理計算機組成原理指令執(zhí)行過程舉例指令執(zhí)行過程舉例（1）一條加法指令的執(zhí)行過程舉例假定運算器由一組通用寄存器GR和一個ALU組成，并有4個記憶運算結果的狀態(tài)標志N、Z、V、C（觸發(fā)器）。N（負數(shù)），運算結果為負數(shù)時，置1，否則為0。Z（零），運算結果為零，Z=1，否則為0。V（溢出），運算結果溢出，V=1，否則為0。C（進位），運算結果進位或借位是，C

33、=1，否則為0rs,rd,rs1為通用寄存器地址（編號）；imm (disp)為立即數(shù)或位移量。加法指令:ADDrd,rs,rsl+disp計算機組成原理計算機組成原理運算器框圖ADDrd,rs,rsl+disp計算機組成原理計算機組成原理50l該加法指令完成的操作： 從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作碼譯碼。程序計數(shù)器加1，為取下一條指令作準備。 計算數(shù)據(jù)地址，將計算得到的有效地址送地址寄存器AR。 控制器發(fā)出的控制信號:DBIR ; ; PC+1（有效地址送地址寄存器）。 rslGR, , ,(rsl)ALUdispALU; ;“+”（加法命令送ALU）；ALUARPCAB W/R

34、=0, , ,M/IO=1; ;控制器發(fā)出的控制信號：計算機組成原理計算機組成原理51 到存儲器取數(shù)。 控制器發(fā)出控制信號： 進行加法運算，結果送目的寄存器，并根據(jù)運算結果置狀態(tài)位N，Z，V，C。 控制器送出的控制信號： rsGR，(rs)ALU，DR ALU；即將地址寄存器內(nèi)容送地址總線，同時發(fā)訪存讀命令，存儲器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后，打入數(shù)據(jù)寄存器。ARAB W/R=0, , ,M/IO=1 ; ;DBDR “+”（ALU進行加法運算）；rd GR ；ALUrd。其中rs表示源操作數(shù)地址，rd表示目的操作數(shù)地址。 以上操作需要4個機器周期。計算機組成原理計算機組成原理52l指令功能根據(jù)N，Z

35、，V，C的狀態(tài)，決定是否轉移。如轉移條件成立則轉移到本條指令所指定的地址，否則順序執(zhí)行下一條指令。l指令完成以下操作： 從存儲器取指令，送入指令寄存器并進行操作碼譯碼。 程序計數(shù)器加1，如不轉移，即為下一條要執(zhí)行的指令地址。本操作對所有指令都是相同的。 如轉移條件成立，根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式計算有效地址，轉移指令經(jīng)常采用相對尋址方式。此時轉移地址=PCdisp。此處PC通常是指本條指令的下一條指令的地址（在上一機器周期已執(zhí)行PC+1操作）。 （2）條件轉移指令的執(zhí)行過程舉例計算機組成原理計算機組成原理（2）條件轉移指令的執(zhí)行過程舉例l該條件轉移指令只需要兩個機器同期：l取值周期，計算周期l如轉

36、移條件成立，在第2個機器周期增加一個ALUPC信號；另外如為相對轉移，則用 PC ALU信號取代加法指令第2周期中的（rs1） ALU 信號，其余操作與加法指令的操作相同。53計算機組成原理計算機組成原理545.3控制器的組成和工作原理控制器的組成和工作原理l 為什么需要控制信號？為什么需要控制信號？l 需要什么樣的控制信號？需要什么樣的控制信號？l 如何產(chǎn)生控制信號？如何產(chǎn)生控制信號？控制器設計需要解決的問題：控制器設計需要解決的問題：計算機組成原理計算機組成原理55控制器的主要組成控制器的主要組成 程序計數(shù)器程序計數(shù)器 PC 存放指令地址，有存放指令地址，有 增量增量 或或 接收新值功能接

37、收新值功能 指令寄存器指令寄存器 IR 存放指令內(nèi)容：操作碼與操作數(shù)地址存放指令內(nèi)容：操作碼與操作數(shù)地址 指令譯碼器指令譯碼器ID（或操作碼譯碼器）（或操作碼譯碼器） 對指令寄存器中的對指令寄存器中的操作碼操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生進行分析解釋，產(chǎn)生相應的控制信號。相應的控制信號。時序控制部件時序控制部件 用來產(chǎn)生一系列的時序信號，用以保證各個用來產(chǎn)生一系列的時序信號，用以保證各個微操作的執(zhí)行順序。微操作的執(zhí)行順序。計算機組成原理計算機組成原理56微操作控制信號形成部件微操作控制信號形成部件 微操作控制信號形成部件，又稱為控制單元微操作控制信號形成部件，又稱為控制單元(CU) 。它根據(jù)指令譯碼器

38、產(chǎn)生的操作控制信號、時序控制它根據(jù)指令譯碼器產(chǎn)生的操作控制信號、時序控制部件產(chǎn)生的時序信號以及其他控制條件，產(chǎn)生整個部件產(chǎn)生的時序信號以及其他控制條件，產(chǎn)生整個機器所需要的全部微操作控制信號。機器所需要的全部微操作控制信號。微操作微操作： 即計算機中最簡單（不能再分解）的操作即計算機中最簡單（不能再分解）的操作。如打開某一個控制門，寄存器的清除脈沖等。如打開某一個控制門，寄存器的清除脈沖等。復雜操作是通過執(zhí)行一系列微操作來實現(xiàn)的。復雜操作是通過執(zhí)行一系列微操作來實現(xiàn)的。計算機組成原理計算機組成原理57控制器組成和在整機中的地位控制器組成和在整機中的地位在計算機硬件系統(tǒng)中，控制器處于指揮控制地位

39、在計算機硬件系統(tǒng)中，控制器處于指揮控制地位計算機組成原理計算機組成原理58兩種不同類型的控制器兩種不同類型的控制器根據(jù)根據(jù)時序控制部件時序控制部件和和微操作控制信號微操作控制信號形成部件不不同的組成和不同的運行原理，有兩種不同類型的控制同的組成和不同的運行原理，有兩種不同類型的控制器：器：硬連線控制器硬連線控制器( (組合邏輯控制器組合邏輯控制器) )： 用組合邏輯電路實現(xiàn)各種控制功能，又稱為組合邏用組合邏輯電路實現(xiàn)各種控制功能，又稱為組合邏輯型控制器輯型控制器。采用組合邏輯線路、依據(jù)指令及其執(zhí)行。采用組合邏輯線路、依據(jù)指令及其執(zhí)行步驟直接產(chǎn)生控制信號。步驟直接產(chǎn)生控制信號。微程序控制器微程序

40、控制器：用一個用一個ROMROM做為控制信號產(chǎn)生的載體，做為控制信號產(chǎn)生的載體，ROMROM中存中存儲著一系列的微程序，組成微程序的微指令代碼產(chǎn)生儲著一系列的微程序，組成微程序的微指令代碼產(chǎn)生相應的操作控制信號，這是一種存儲邏輯型的控制器相應的操作控制信號，這是一種存儲邏輯型的控制器。計算機組成原理計算機組成原理59組合邏輯設計組合邏輯設計微程序設計微程序設計硬連線邏輯硬連線邏輯存儲邏輯存儲邏輯兩類控制器中的兩類控制器中的PC和和IR是相同的，但確定和表是相同的，但確定和表示指令執(zhí)行步驟的辦法以及給出控制各部件運行示指令執(zhí)行步驟的辦法以及給出控制各部件運行所需要的控制信號的方案是不同的所需要的

41、控制信號的方案是不同的。計算機組成原理計算機組成原理605.3.2 5.3.2 微程序控制器微程序控制器微操作：微操作：在計算機中，一條機器指令的功能是通過按在計算機中，一條機器指令的功能是通過按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的，這些最基本的控一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的，這些最基本的控制命令稱為微操作。制命令稱為微操作。微指令微指令：在微程序控制的計算機中，將由同時發(fā)出的：在微程序控制的計算機中，將由同時發(fā)出的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令。組成微指令控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令。組成微指令的微操作，又稱的微操作，又稱微命令微命令。一條機器指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這

42、些微一條機器指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實現(xiàn)指令的功能。指令，就可以實現(xiàn)指令的功能。1.幾個概念幾個概念計算機組成原理計算機組成原理61控制存儲器控制存儲器：微程序事先存放在專用的存儲器中。：微程序事先存放在專用的存儲器中。由于該存儲器主要存放控制命令（信號）與下一條由于該存儲器主要存放控制命令（信號）與下一條執(zhí)行的微指令地址（簡稱為執(zhí)行的微指令地址（簡稱為下址下址），所以被叫做控），所以被叫做控制存儲器。制存儲器。一般計算機指令系統(tǒng)是固定的，所以實現(xiàn)指令系統(tǒng)的微一般計算機指令系統(tǒng)是固定的，所以實現(xiàn)指令系統(tǒng)的微程序也是固定的，控制存儲器可用只讀存儲器實現(xiàn)。程序也是固定的，

43、控制存儲器可用只讀存儲器實現(xiàn)。機器內(nèi)控制信號數(shù)量多，再加上決定下址的地址碼有一機器內(nèi)控制信號數(shù)量多，再加上決定下址的地址碼有一定寬度，所以控制存儲器的字長比機器字長要長得多。定寬度，所以控制存儲器的字長比機器字長要長得多。控制存儲器的容量取決于實現(xiàn)指令系統(tǒng)所需要的微程序控制存儲器的容量取決于實現(xiàn)指令系統(tǒng)所需要的微程序長度。長度。微程序微程序：計算機每條指令的功能均由微指令序列解：計算機每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序。釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序。 計算機組成原理計算機組成原理622.2.微程序控制的基本思想微程序控制的基本思想若干微命令編制成

44、若干微命令編制成一條微指令一條微指令，控制實現(xiàn)，控制實現(xiàn)一步操作一步操作。若干微指令組成若干微指令組成一段微程序一段微程序，解釋執(zhí)行，解釋執(zhí)行一條機器指令一條機器指令。微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機器指令時再取微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機器指令時再取出。執(zhí)行一條指令實際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲器出。執(zhí)行一條指令實際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲器中的微程序。中的微程序。CPUCPU的構成的構成引入了程序技術，使設計規(guī)整；引入了程序技術，使設計規(guī)整；引入了存儲邏輯，使功能易于擴展。引入了存儲邏輯，使功能易于擴展。計算機組成原理計算機組成原理3、微指令的基本結構、微指令的基本結構l

45、微指令基本結構包括微命令字段（操作控制字段）和順序控制字段組成。l微命令字段微命令字段（也稱操作控制碼也稱操作控制碼）是為一次微操作所需要的全部控制信號的編碼，用以發(fā)出管理和指揮整個機器工作的控制信號。l順序控制字段順序控制字段（也稱下地址字段也稱下地址字段）用以決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。該字段通常包含轉移控制字段（轉移條件）和轉移地址字段（指定下一條微指令的地址）兩部分。63計算機組成原理計算機組成原理4 4、微指令編碼格式、微指令編碼格式微指令的格式大體上可分成兩類：微指令的格式大體上可分成兩類：微指令的編譯法是決定微指令格式的主要因素。微指令的編譯法是決定微指令格式的主要因素。水平型微

46、指令水平型微指令垂直型微指令垂直型微指令（1 1）垂直型微指令）垂直型微指令優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：垂直型微指令位數(shù)少（如幾十位），每條微指令中只有12個微操作命令（控制12種微操作）。一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。微程序長，執(zhí)行速度慢；微程序長，執(zhí)行速度慢；不強調(diào)實現(xiàn)微指令的不強調(diào)實現(xiàn)微指令的并行控制功能，并行控制功能，工作效率低。工作效率低。計算機組成原理計算機組成原理4 4、微指令編碼格式、微指令編碼格式（2 2）水平型微指令）水平型微指令優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：微程序短，執(zhí)

47、行速度快。微程序短，執(zhí)行速度快。微指令長，編寫微程序較麻煩。微指令長，編寫微程序較麻煩。指一次能定義并執(zhí)行多個并行操作控制信號的微指令。水平型微指令的位數(shù)多(可達百位以上)，它所追求的是對各部件并行控制的能力和更快的執(zhí)行速度。一條微指一條微指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。相關編譯法：直接控制法、字段編譯法是水平型微指令。相關編譯法：直接控制法、字段編譯法是水平型微指令。計算機組成原理計算機組成原理6666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水平型微指令垂直型微指令垂直型微指令并行能力強，效率高并行能力強，效率高并行能力差

48、并行能力差靈活性差靈活性差靈活性強靈活性強執(zhí)行一條指令的時間短執(zhí)行一條指令的時間短微指令執(zhí)行時間長微指令執(zhí)行時間長微指令字比較長微指令字比較長微指令字比較短微指令字比較短微程序短微程序短微程序長微程序長難以掌握難以掌握容易掌握容易掌握計算機組成原理計算機組成原理67（3 3）混合型微指令）混合型微指令微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。在垂直型的基礎上增加一些不太復雜的并行操作。在垂直型的基礎上增加一些不太復雜的并行操作。例：長城例：長城203203微指令微指令運算器運算器輸入控輸入控制制運算器運算器輸出控輸出控制制操作類操作類型控制

49、型控制訪訪M M、I/OI/O控控制制常數(shù)常數(shù)輔助操輔助操作作 AI BI ZO AOP MOP KK STAI BI ZO AOP MOP KK ST3333444計算機組成原理計算機組成原理685 5、微程序控制器組成原理、微程序控制器組成原理微地址微地址形成電路形成電路IRPSWPC微地址寄存器微地址寄存器AR控制存儲器控制存儲器CM譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IRl組成：組成：IRIR、PCPC、PSWPSW、時序系統(tǒng)等部件，控制存儲器、時序系統(tǒng)等部件，控制存儲器（CMCM） 、微地址形成電路、微地址寄存器（、微地址形成電路、微地址寄存器（

50、ARAR）、）、微指令寄存器（微指令寄存器（IRIR）及譯碼電路等。）及譯碼電路等。 計算機組成原理計算機組成原理69主要部件主要部件（1 1）控制存儲器）控制存儲器CMCM功能：功能： 存放微程序存放微程序。CMCM屬于屬于CPUCPU，不屬于主存儲器。，不屬于主存儲器。（2 2）微指令寄存器）微指令寄存器 IR功能：功能： 存放存放 現(xiàn)行微指令現(xiàn)行微指令當前正執(zhí)行的微指令。當前正執(zhí)行的微指令。微命令字段：微命令字段：提供一步操作所需的微命令。提供一步操作所需的微命令。微地址字段：微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。指明后續(xù)微地址的形成方式。提供微地址的給定部分。提供微地址的給定部分。(

51、(微操作控制字段微操作控制字段) )( (順序控制字段順序控制字段) )計算機組成原理計算機組成原理70（3 3）微地址形成電路）微地址形成電路功能：功能： 提供兩類微地址提供兩類微地址。微程序入口地址：微程序入口地址：后續(xù)微地址：后續(xù)微地址：由微地址字段、現(xiàn)行微地址、由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運行狀態(tài)等形成。運行狀態(tài)等形成。由機器指令由機器指令操作碼操作碼形成。形成。2.2.工作過程工作過程每條機器指令都對應一段微程序每條機器指令都對應一段微程序微地址微地址形成電路形成電路IRPSWPC微地址寄存器微地址寄存器AR控制存儲器控制存儲器CM譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段

52、微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令（1 1）取機器指令）取機器指令CMCM取指取指微指令微指令IRIR控制存儲器控制存儲器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列IR微命令字段微命令字段譯碼器譯碼器控制存儲器控制存儲器微命令微命令主存主存機器指令機器指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IRIR譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列（2 2）轉微程序入口）轉微程序入口IRIR操作碼操作碼微地址形微地址形成電路成電路入口入口ARAR微命令字段微命令字段CMCM首條微指令首條微指令微地址微地址形成電路形成電路IRPSWPC微地址

53、寄存器微地址寄存器AR控制存儲器控制存儲器CM譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存儲器控制存儲器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列IR控制存儲器控制存儲器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列微地址微地址形成電路形成電路IR微地址寄存器微地址寄存器微地址微地址形成電路形成電路控制存儲器控制存儲器微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段（3 3）執(zhí)行首條微指令）執(zhí)行首條微指令控制存儲器控制存儲器譯碼器譯碼

54、器IRIRIRIR譯碼器譯碼器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段微命令序列微命令序列微命令微命令操作部件操作部件微地址微地址形成電路形成電路IRPSWPC微地址寄存器微地址寄存器AR控制存儲器控制存儲器CM譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR（4 4）取后續(xù)微指令）取后續(xù)微指令微地址字段微地址字段現(xiàn)行微地址現(xiàn)行微地址運行狀態(tài)運行狀態(tài)微地址形微地址形成電路成電路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址微地址形成電路形成電路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地

55、址寄存器后續(xù)微地址后續(xù)微地址ARAR微地址微地址形成電路形成電路控制存儲器控制存儲器CMCM后續(xù)微指令后續(xù)微指令IRIR微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段（5 5）執(zhí)行后續(xù)微指令）執(zhí)行后續(xù)微指令同（同（3 3）微地址微地址形成電路形成電路IRPSWPC微地址寄存器微地址寄存器AR控制存儲器控制存儲器CM譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址微地址形成電路形成電路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微

56、地址寄存器微地址微地址形成電路形成電路微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段（6 6）返回，機器指令自行完畢）返回，機器指令自行完畢微程序執(zhí)行完，返回微程序執(zhí)行完，返回CMCM ( (存放存放取指微指令取指微指令的的固定單元固定單元) )?？刂菩盘柵e例控制信號舉例仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它由仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它由4 4條微指令解條微指令解釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號都是同釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號都是同時發(fā)出的。每條微指令所需的控制信號如下。時發(fā)出的。每條微指令所需的控制信號如下。（1 1）取指微指令取指微指令（具體格式也可參照書（具體格式也

57、可參照書P129 P129 表表5-15-1） 指令地址送入地址總線：指令地址送入地址總線：PCABPCAB 發(fā)訪存控制命令：發(fā)訪存控制命令：ADS(ADS(地址有效地址有效),), 指令送入指令寄存器：指令送入指令寄存器：DBIRDBIR 程序計數(shù)器程序計數(shù)器+1+1：PC+1PC+1M/IO=1 W/R=0從存儲器取指令送入數(shù)據(jù)總線。從存儲器取指令送入數(shù)據(jù)總線。ADDrd,rs,rsl+disp 加法運算：加法運算：“+” 有效地址送地址寄存器：有效地址送地址寄存器：ALUAR。 （2 2）計算地址微指令計算地址微指令 取兩個源操作數(shù)（計算地址用）：取兩個源操作數(shù)（計算地址用）：rs1GR

58、rs1GR（rs1rs1）ALU, dispALUALU, dispALU。（3 3）取操作數(shù)微指令取操作數(shù)微指令 數(shù)據(jù)地址送地址總線數(shù)據(jù)地址送地址總線: : ARABARAB。 發(fā)訪存控制命令：發(fā)訪存控制命令：ADSADS，M MIO,WIO,WR R。 由存儲器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線由存儲器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DBDB。 數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器：DBDR DBDR ADDrd,rs,rsl+disp計算機組成原理計算機組成原理77 如何組織微指令產(chǎn)生上述信號？如何組織微指令產(chǎn)生上述信號？ 微指令最簡單的組成形式是將每個控制微指令最簡單的組成形式是將每個控制信號用一個控制位來表示，當該

59、位為信號用一個控制位來表示，當該位為1時定義為有控制信號。當該位為時定義為有控制信號。當該位為0時，時，沒有控制信號。沒有控制信號。MIO、W/R則根據(jù)是訪則根據(jù)是訪問存儲器還是問存儲器還是I/O設備，是寫還是讀而設置設備，是寫還是讀而設置成成1或或0。（4 4）執(zhí)行加法運算和傳送結果微指令執(zhí)行加法運算和傳送結果微指令 兩源操作數(shù)送兩源操作數(shù)送ALUALU：rsrsGR,GR,（rsrs）ALUALU； DRDRALUALU 加法運算：加法運算：“+ +” 送結果：送結果：ALUGRALUGR計算機組成原理計算機組成原理78l當指令取入當指令取入IR中以后，根據(jù)操作碼進行譯中以后，根據(jù)操作碼進

60、行譯碼，得到相應指令的第一條微指令的地址碼，得到相應指令的第一條微指令的地址（微程序的入口地址微程序的入口地址）。）。l指令譯碼部件可用只讀存儲器組成，將操作碼作為只讀存儲器的輸入地址，該單元的內(nèi)容即為相應的微指令在控制存儲器中的地址，根據(jù)此地址從控制存儲器取出微指令并將它存放在微指令寄存器中。l微指令分成兩部分，產(chǎn)生控制信號的部分一般稱為控制（微命令）字段，產(chǎn)生下址的部分稱為下址字段。控制字段各位的輸出通過連接線直接與受控制的門相連，于是就提供了相應的控制信號。6 6、微程序設計技術、微程序設計技術 在實際進行微程序設計時還應關心下面三個問題在實際進行微程序設計時還應關心下面三個問題: （1