第四章CPU原理與組成

1、本章主要討論：本章主要討論：運算器運算器 控制器控制器數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)與外部的連接與外部的連接指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程CPUCPU組成組成CPUCPU工作原理工作原理 第一節(jié)第一節(jié) 運算器組織運算器組織 獨立結(jié)構(gòu)獨立結(jié)構(gòu)小型存儲小型存儲器結(jié)構(gòu)器結(jié)構(gòu)單口單口雙口雙口寄存器組寄存器組獨立獨立R R、雙口、雙口RAMRAM用用多路選擇器多路選擇器作為作為ALUALU（Arithmetic Logic Unit Arithmetic Logic Unit ）的輸入邏輯，）的輸入邏輯，單口單口RAMRAM用用鎖存器鎖存器作為作為ALUALU的輸入邏輯。的輸入邏輯。4.1.1 帶多路選擇器的運

2、算器帶多路選擇器的運算器移位器移位器ALU多路選擇器多路選擇器多路選擇器多路選擇器R0RnR0. . . Rn R0. . . Rn 內(nèi)部總線（單向）內(nèi)部總線（單向）特點：特點：R R各自獨立；各自獨立；可同時向可同時向ALUALU提供兩個操作數(shù)；提供兩個操作數(shù)；采用單向內(nèi)總線。采用單向內(nèi)總線。4.1.2 帶輸入鎖存器的運算器帶輸入鎖存器的運算器特點：特點：單口單口RAMRAM不能同時向不能同時向ALUALU提提供兩個操作數(shù)；供兩個操作數(shù)；用鎖存器暫存操作數(shù)；用鎖存器暫存操作數(shù)；采用雙向內(nèi)總線。采用雙向內(nèi)總線。移位器移位器ALU鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器內(nèi)部總線（雙向）內(nèi)部總線（雙向）R0Rn通

3、用寄存器組（小型存儲器）通用寄存器組（小型存儲器）4.1.3 位片式運算器位片式運算器特點：特點：用雙口用雙口RAMRAM（兩地址（兩地址端、兩數(shù)據(jù)端）作通端、兩數(shù)據(jù)端）作通用寄存器組，可同時用寄存器組，可同時提供數(shù)據(jù)；提供數(shù)據(jù)；用多路選擇器作輸入用多路選擇器作輸入邏輯，不需暫存操作邏輯，不需暫存操作數(shù)；數(shù)；ALUALU增加乘、除功能，增加乘、除功能，用乘商寄存器存放乘用乘商寄存器存放乘數(shù)、乘積或商。數(shù)、乘積或商。例例. 4. 4位片運算器粗框位片運算器粗框移位器移位器ALU多路選擇器多路選擇器多路選擇器多路選擇器DO RAMDi B 地址地址 A 地址地址 CnDBDAG、P控制信息控制信息

4、Cn+4乘商寄存器乘商寄存器444444444444第二節(jié)第二節(jié) 組合邏輯控制器原理組合邏輯控制器原理4.2 控制器組成控制器組成微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成PCPCD尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送MPSW (Program Status Word ):程序狀態(tài)寄存器/程序狀態(tài)字IR (Instruction Register ): 指令寄存器PC (Program Counter):程序計數(shù)器微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀

5、態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成PCPCD尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器1.1.微命令發(fā)生器微命令發(fā)生器功能：功能： 產(chǎn)生全機所需的各種微命令產(chǎn)生全機所需的各種微命令控制最基本的操作控制最基本的操作( (微操作微操作) )的命令的命令電位型電位型脈沖型脈沖型微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成PCPCD尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M2.2.指令計數(shù)器指

6、令計數(shù)器PCPC功能功能： 指示指令在指示指令在M中的位置。中的位置。PC+1PC+1順序執(zhí)行：順序執(zhí)行：PCPC先先+1+1，再用轉(zhuǎn)移地址修改，再用轉(zhuǎn)移地址修改PCPC微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器PCPC轉(zhuǎn)移執(zhí)行：轉(zhuǎn)移執(zhí)行：3.3.指令寄存器指令寄存器IRIR功能：功能： 存放現(xiàn)行指令。存放現(xiàn)行指令。決定操作決定操作性質(zhì)性質(zhì)操作碼字段操作碼字段操作數(shù)地址操作數(shù)地址轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址PCPC微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成D尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M微命令

7、微命令發(fā)生器發(fā)生器PCPC IR IR地址碼字段地址碼字段譯碼器譯碼器微命令發(fā)生器微命令發(fā)生器地址形成部件地址形成部件尋尋D4.4.狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器PSWPSW功能：功能： 指示程序運行方式，反映程序運行結(jié)果。指示程序運行方式，反映程序運行結(jié)果。例例. 某機的某機的PSWPSWPCPC微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成D尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器PCPC IR IR PSW PSW工作方式工作方式 優(yōu)先級優(yōu)先級 T T N

8、Z V CN Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0C=1 C=1 進(jìn)位進(jìn)位 V=1 V=1 溢出溢出Z=1 Z=1 結(jié)果為結(jié)果為0 0N=1 N=1 結(jié)果為負(fù)結(jié)果為負(fù)T=1T=1, 執(zhí)行跟蹤程序執(zhí)行跟蹤程序（1 1）條件碼）條件碼反映程序運行結(jié)果反映程序運行結(jié)果工作方式工作方式 優(yōu)先級優(yōu)先級 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0（2 2）跟蹤標(biāo)志）跟蹤標(biāo)志為程序查錯設(shè)置的斷點標(biāo)志為程序查錯設(shè)置的斷點標(biāo)志T T。程序

9、初始化置T為1.測試T跟蹤程序.程序優(yōu)先級高于外部優(yōu)先級，程序優(yōu)先級高于外部優(yōu)先級，不響應(yīng)不響應(yīng)程序優(yōu)先級低于外部優(yōu)先級，可響應(yīng)程序優(yōu)先級低于外部優(yōu)先級，可響應(yīng)用戶方式：禁止程序執(zhí)行某些指令用戶方式：禁止程序執(zhí)行某些指令核心方式：允許程序執(zhí)行所有指令核心方式：允許程序執(zhí)行所有指令（3 3）優(yōu)先級）優(yōu)先級為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級別，以決定是否為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級別，以決定是否響應(yīng)外部中斷請求。響應(yīng)外部中斷請求。工作方式工作方式 優(yōu)先級優(yōu)先級 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0（4 4）工作方式）

10、工作方式規(guī)定程序的特權(quán)級。規(guī)定程序的特權(quán)級。PSWPSW在在CPUCPU中，中，反映程序運行反映程序運行狀態(tài)；控制狀態(tài)；控制/ /狀狀態(tài)字在接口中態(tài)字在接口中, ,反映反映CPUCPU命令、命令、設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)。5.5.時序線路時序線路功能：功能：控制操作時間和操作時刻。控制操作時間和操作時刻。PCPC微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成D尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器PCPC IR IR PSW PSW 時序時序振蕩器振蕩器分頻

11、器分頻器時鐘脈沖時鐘脈沖工作脈沖工作脈沖時鐘周期時鐘周期( (節(jié)拍節(jié)拍) )產(chǎn)生電位產(chǎn)生電位型微命令，型微命令，控制操作控制操作時間段時間段產(chǎn)生脈沖型產(chǎn)生脈沖型微命令，控微命令，控制定時操作制定時操作1.1.取指令取指令PCPCPCPC微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成D尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器PCPC IR IR PSW PSW 時序時序4.2.2 控制器工作過程控制器工作過程地址地址M M指令指令I(lǐng)RIR 、譯碼、譯碼(

12、(、尋址方式、尋址方式) )PC+1PC+1PCPC2.2.取數(shù)取數(shù)PCPC微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器微命令序列微命令序列I/OI/O狀態(tài)狀態(tài)控制臺信息控制臺信息運行狀態(tài)運行狀態(tài)譯碼譯碼. PSW PSW 時序時序 IR IR地址形成地址形成D尋尋來自來自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令發(fā)生器發(fā)生器PCPC IR IR PSW PSW 時序時序按尋址方式，或從寄存器取數(shù)，或從存儲器按尋址方式，或從寄存器取數(shù)，或從存儲器取數(shù)。取數(shù)。3.3.執(zhí)行執(zhí)行按操作碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。按操作碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。1.1.組合邏輯控制器的時序劃分組合邏輯控制器的時序劃分4.2.3 時序控制方式時序控制

13、方式即時序信號與操作的關(guān)系即時序信號與操作的關(guān)系 采用三級時序系統(tǒng)：采用三級時序系統(tǒng)：指令周期指令周期工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期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) 時序關(guān)系：時序關(guān)系：晶振輸出晶振輸出工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3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

14、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PC2.2.時序控制方式及其變化時序控制方式及其變化（1 1）同步控制）同步控制各項操作受統(tǒng)一時序控制。各項操作受統(tǒng)一時序控制。定義：定義：特點：特點： 有明顯時序時間劃分，有明顯時序時間劃分，優(yōu)缺點：優(yōu)缺點： 時序關(guān)系簡單，時序劃分規(guī)整，時序關(guān)系簡單，時序劃分規(guī)整，控制不復(fù)雜；控制不復(fù)雜；時間安排不合理。時間安排不合理。應(yīng)用場合：應(yīng)用場合： 用于用于CPUCPU內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、系內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作統(tǒng)總線操作 控制邏輯易于集中，便于管理。控制邏輯易于集中，便于管理。 ( (

15、各掛接部件速度相近，傳送時間確各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較近定，傳送距離較近) )。 時鐘周期時時鐘周期時間固定，間固定， 各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴(yán)格同步定時控制。據(jù)傳送受嚴(yán)格同步定時控制。各項操作受統(tǒng)一時序控制。各項操作受統(tǒng)一時序控制。由由CPUCPU或其他設(shè)備提供或其他設(shè)備提供（2 2）異步控制）異步控制 各項操作按不同需要安排時間，不各項操作按不同需要安排時間，不受統(tǒng)一時序控制。受統(tǒng)一時序控制。定義：定義：特點：特點： 無統(tǒng)一時鐘周期劃分，無統(tǒng)一時鐘周期劃分，例例. .異步傳送操作異步傳送操作 主設(shè)備：主設(shè)備：申請并掌握總線權(quán)

16、的設(shè)備。申請并掌握總線權(quán)的設(shè)備。 各操作間的各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步應(yīng)答銜接和各部件之間的信息交換采用異步應(yīng)答方式。方式。總線總線主主從從 從設(shè)備：從設(shè)備：響應(yīng)主設(shè)備請求的設(shè)備。響應(yīng)主設(shè)備請求的設(shè)備。發(fā)發(fā)/接接接接/發(fā)發(fā)特點：特點：例例. .異步傳送操作異步傳送操作主設(shè)備獲得總線控制權(quán)主設(shè)備獲得總線控制權(quán) 操作流程：操作流程： 主設(shè)備詢問從設(shè)備主設(shè)備詢問從設(shè)備主設(shè)備發(fā)送主設(shè)備發(fā)送/ /接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)主設(shè)備釋放總線控制權(quán)主設(shè)備釋放總線控制權(quán) 從設(shè)備準(zhǔn)備好？從設(shè)備準(zhǔn)備好？YN主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線斷開主設(shè)備輸出端與總線斷開主設(shè)備獲得總線

17、控制權(quán)主設(shè)備獲得總線控制權(quán) 主設(shè)備詢問從設(shè)備主設(shè)備詢問從設(shè)備 從設(shè)備準(zhǔn)備好？從設(shè)備準(zhǔn)備好？時間安排緊湊、合理；時間安排緊湊、合理；控制復(fù)雜。控制復(fù)雜。優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：應(yīng)用場合：應(yīng)用場合：（3 3）同步方式的變化）同步方式的變化指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。不同指令安排不同時鐘周期數(shù)不同指令安排不同時鐘周期數(shù)總線周期中插入延長周期總線周期中插入延長周期經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時間經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時間( (送地址、讀送地址、讀/ /寫寫) )時間安排緊湊、合理；時間安排緊湊、合理；控制復(fù)雜。控制復(fù)雜。 用于異步總線操作用于異步總線操作( (各掛接部

18、各掛接部件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠(yuǎn)較遠(yuǎn)) )。指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。時間安排緊湊、合理；時間安排緊湊、合理；控制復(fù)雜?？刂茝?fù)雜。 用于異步總線操作用于異步總線操作( (各掛接部各掛接部件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠(yuǎn)較遠(yuǎn)) )。經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時間經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時間( (送地址、讀送地址、讀/ /寫寫) )指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。時間安排緊湊、合理；時間安排緊湊、合理；控制復(fù)雜。

19、控制復(fù)雜。 用于異步總線操作用于異步總線操作( (各掛接部各掛接部件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠(yuǎn)較遠(yuǎn)) )?？偩€周期長度可變，時鐘周期長度不變?？偩€周期長度可變，時鐘周期長度不變?？偩€周期總線周期( (4T) )例例. .一個總線周期包含一個總線周期包含4 4個時鐘周期個時鐘周期時鐘時鐘T1T3T2T4送地址送地址讀讀/寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 結(jié)束結(jié)束同步方式同步方式時鐘時鐘T1T3T2T4T4T4Tw送地址送地址讀讀/寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 結(jié)束結(jié)束總線周期總線周期( (5T) )擴展同步方式擴展同步方式時鐘時鐘T1T3T2T4時鐘時鐘T1T3T2T4同步方式引

20、入異步應(yīng)答同步方式引入異步應(yīng)答以固定時鐘周期作為時序基礎(chǔ)，引入應(yīng)答思以固定時鐘周期作為時序基礎(chǔ)，引入應(yīng)答思想。想。例例.8088.8088最大模式，用一根總線請求最大模式，用一根總線請求/ /應(yīng)答線應(yīng)答線實現(xiàn)總線權(quán)的轉(zhuǎn)移。實現(xiàn)總線權(quán)的轉(zhuǎn)移。設(shè)備請求設(shè)備請求總線權(quán)總線權(quán)RQ/GTRQ/GTCPUCPU使用使用總線總線CPUCPU使用使用總線總線CPUCPU使用使用總線總線設(shè)備使用設(shè)備使用總線總線設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備CPUCPUCPUCPU響應(yīng)，響應(yīng)，總線權(quán)交設(shè)備總線權(quán)交設(shè)備CPUCPU設(shè)備釋放設(shè)備釋放總線權(quán)總線權(quán)CPUCPU設(shè)備設(shè)備若干時鐘若干時鐘若干時鐘若干時鐘設(shè)備設(shè)備RQ/GTRQ/GTRQ/G

21、TRQ/GT1.1.組合邏輯控制方式組合邏輯控制方式4.3.4 組合邏輯控制方式的優(yōu)缺點及應(yīng)用組合邏輯控制方式的優(yōu)缺點及應(yīng)用綜合化簡產(chǎn)生微命令的條件，形成邏輯式，綜合化簡產(chǎn)生微命令的條件，形成邏輯式，用組合邏輯電路實現(xiàn)；用組合邏輯電路實現(xiàn)；執(zhí)行指令時，由組合邏輯電路執(zhí)行指令時，由組合邏輯電路( (微命令發(fā)生微命令發(fā)生器器) )在相應(yīng)時間發(fā)出所需微命令，控制有關(guān)在相應(yīng)時間發(fā)出所需微命令，控制有關(guān)操作。操作。 產(chǎn)生微命令的速度較快。產(chǎn)生微命令的速度較快。2.2.優(yōu)缺點優(yōu)缺點 設(shè)計不規(guī)整，設(shè)計效率較低；設(shè)計不規(guī)整，設(shè)計效率較低； 不易修改、擴展指令系統(tǒng)功能。不易修改、擴展指令系統(tǒng)功能。3.3.應(yīng)用場

22、合應(yīng)用場合 用于高速計算機，或小規(guī)模計算機。用于高速計算機，或小規(guī)模計算機。 設(shè)計不規(guī)整，設(shè)計效率較低；設(shè)計不規(guī)整，設(shè)計效率較低； 不易修改、擴展指令系統(tǒng)功能。不易修改、擴展指令系統(tǒng)功能。第四節(jié)第四節(jié) 微程序控制器原理微程序控制器原理4.4.1 微程序控制的基本思想微程序控制的基本思想1. 若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作；一步操作；2. 若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令；條機器指令；3. 微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機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。器指令時再取出。1.

23、 若干微命令編制成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；2. 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)行一一條機器指令條機器指令；3.4.2 組成原理組成原理1.1.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： 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC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

24、器 IR功能：功能： 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC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存放現(xiàn)行微指令存放現(xiàn)行微指令。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。( (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) )（3 3）微地址形成電路）微地址形成電路功能：功能： 微地址微地址形成電路形成電路 IR PS

25、W PC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：由機器指令由機器指令操作碼操作碼形成。形成。后續(xù)微地址：后續(xù)微地址：由由微地址字段微地址字段、現(xiàn)行微地現(xiàn)行微地址址、運行狀態(tài)運行狀態(tài)等形成。等形成。2.2.工作過程工作過程（1 1）取機器指令）取機器指令CMCM取指取指微指令微指令I(lǐng)RIR微命令字段微命令字段譯碼器譯碼器微命令微命令主存主存機器指令機器指令I(lǐng)RIR 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR

26、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（2 2）轉(zhuǎn)微程序入口）轉(zhuǎn)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（3 3）執(zhí)行首條微指令）執(zhí)行首條微指令I(lǐng)RIRIRIR譯碼器譯碼器 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW

27、 PC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 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控制存儲器控制存儲器微命令字段微命令字段

28、微地址字段微地址字段微命令微命令操作部件操作部件（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后續(xù)微地址后續(xù)微地址ARARCMCM后續(xù)微指令后續(xù)微指令I(lǐng)RIR 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC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

29、寄存器微地址寄存器 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（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 IR PSW PC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（6 6）返回）返回微程序執(zhí)行完

30、，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) )。4.2.3 微指令格式和編碼方法微指令格式和編碼方法1.1.格式分類格式分類( (一步操作的微命令一步操作的微命令) )（1 1）垂直型微指令）垂直型微指令優(yōu)點：優(yōu)點：一條微指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。一條微指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。程序。缺點：缺點：微程序長，執(zhí)行速度慢；工作效率低。微程序長，執(zhí)行速度慢；工作效率低。（2 2）水平型微指令）水平型微指令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

31、作。優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：微指令長，編寫微程序較麻煩。微指令長，編寫微程序較麻煩。微程序短，執(zhí)行速度快。微程序短，執(zhí)行速度快。（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)行微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。速度加快。在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行操作。操作。例例. .長城長城203203微指令微指令 AI BI ZO AOP MOP KK ST AI BI ZO AOP MOP KK ST 3 3 3 3 4 4 4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操作類型類型控制控制訪訪M M

32、、I/OI/O控制控制常數(shù)常數(shù)輔助輔助操作操作2.2.編碼方法編碼方法（1 1）直接控制法）直接控制法例例. . 某微指令某微指令微命令按位給出。微命令按位給出。不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；信息的表示效率低。信息的表示效率低。 C C0 0 R W R W1 1 11 1 1C C0=0=0 0 進(jìn)位初值為進(jìn)位初值為0 01 1 進(jìn)位初值為進(jìn)位初值為1 1R R= =0 0 不讀不讀1 1 讀讀0 0 不寫不寫1 1 寫寫W W= =微指令中通常只有個別位采用直接控制法。微指令中通常只有個別位采用直接控制法。（2 2）分段直接編譯法）分段直接編譯法例例. .對加

33、法器輸入端進(jìn)行控制。對加法器輸入端進(jìn)行控制。微命令由字段編碼直接給出。微命令由字段編碼直接給出。000 000 不發(fā)命令不發(fā)命令微指令中設(shè)置微指令中設(shè)置AIAI字段，控制字段，控制加法器的輸入選擇。加法器的輸入選擇。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、FAIAI3010 C A010 C A100 F B100 F B001 R A001 R A010 C A010 C A011 D B011 D B011 D B011 D B？微命令分組原則：微命令分組原則：同類操作中同類操作中互斥互斥的的微命令放同一字段。微命令放同一字段。不能同時出現(xiàn)不能同時出現(xiàn)CD操作唯一；操作唯一；加法器加法

34、器A A輸入端的控制命令放輸入端的控制命令放AIAI字段，字段，B B輸入端的控制命令輸入端的控制命令放放BIBI字段。字段。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、F000 000 不發(fā)命令不發(fā)命令010 C A010 C A100 E A100 E A001 R A001 R A011 D A011 D ACDAI BIAI BI3 3010 C A010 C A000 000 不發(fā)命令不發(fā)命令010 C B010 C B100 F B100 F B001 R B001 R B011 D B011 D B011 D B011 D BAIAI：BIBI： 一條微指令能同時一條微指令能同時

35、提供若干微命令，便于組織各種操作。提供若干微命令，便于組織各種操作。 編碼較簡單；編碼較簡單；（3 3）分段間接編譯法）分段間接編譯法例例. . 微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。出。C C = C A C A 1) 1) 設(shè)置解釋位或解釋字段設(shè)置解釋位或解釋字段解釋位解釋位1 1 A A為某類命令為某類命令0 0 A A為常數(shù)為常數(shù)2) 2) 分類編譯分類編譯按功能類型將微指令分類，分別安排各類微按功能類型將微指令分類，分別安排各類微指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。（4 4）其他編碼方法）其他編碼方法1)

36、1) 微指令譯碼與機器指令譯碼復(fù)合控制微指令譯碼與機器指令譯碼復(fù)合控制例例. .機器指令機器指令 寄存器號寄存器號 寄存器傳寄存器傳A微指令微指令譯碼器譯碼器譯碼器譯碼器001001R AR A R1 A A門門例例. . 2) 2) 微地址參與解釋微地址參與解釋004004微地址微地址指令操作碼指令操作碼 1.1.微程序入口地址的形成微程序入口地址的形成 微指令微指令 取指標(biāo)志取指標(biāo)志 變址標(biāo)志變址標(biāo)志 0110113.4.4 微地址形成方式微地址形成方式微程序入口微程序入口 功能轉(zhuǎn)移功能轉(zhuǎn)移（1 1）一級功能轉(zhuǎn)移）一級功能轉(zhuǎn)移各操作碼的位置、位數(shù)固定，一次轉(zhuǎn)換成功。各操作碼的位置、位數(shù)固定

37、，一次轉(zhuǎn)換成功。 入口地址入口地址= =頁號，操作碼頁號，操作碼 例例. . 機器指令機器指令1 0F(8 0F(8位位) ) 入口地址入口地址= =00000FH 0FH CM機器指令機器指令2 10(8 10(8位位) ) 入口地址入口地址= =000010H 10H 000F000F00100010無條件轉(zhuǎn)無條件轉(zhuǎn) 微地址微地址1 1微地址微地址1 1微程序微程序1 1無條件轉(zhuǎn)無條件轉(zhuǎn) 微地址微地址2 2微地址微地址2 2微程序微程序2 2 功能轉(zhuǎn)移功能轉(zhuǎn)移 功能轉(zhuǎn)移功能轉(zhuǎn)移0 0頁頁（2 2）二級功能轉(zhuǎn)移）二級功能轉(zhuǎn)移各類指令操作碼的位置、位數(shù)不固定，各類指令操作碼的位置、位數(shù)不固定，

38、 分類轉(zhuǎn)：分類轉(zhuǎn)： 需兩需兩次轉(zhuǎn)換。次轉(zhuǎn)換。 指令類型標(biāo)志指令類型標(biāo)志 區(qū)分指令類型區(qū)分指令類型 功能轉(zhuǎn)：功能轉(zhuǎn)： 指令操作碼指令操作碼 區(qū)分操作類型區(qū)分操作類型 （3 3）用可編程邏輯陣列）用可編程邏輯陣列PLAPLA實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)移實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)移入口地址入口地址 1 1 PLAPLA IR IR入口地址入口地址 2 2 2.2.后續(xù)微地址的形成后續(xù)微地址的形成 （1 1）增量方式）增量方式以順序執(zhí)行為主，輔以各種常規(guī)轉(zhuǎn)移方式。以順序執(zhí)行為主，輔以各種常規(guī)轉(zhuǎn)移方式。 順序：順序：現(xiàn)行微地址現(xiàn)行微地址+1+1。 跳步：跳步：現(xiàn)行微地址現(xiàn)行微地址+2+2。 無條件轉(zhuǎn)移：無條件轉(zhuǎn)移：現(xiàn)行微指令現(xiàn)行微指令

39、給出轉(zhuǎn)移微地址。給出轉(zhuǎn)移微地址。 CMAA+1A+2BB條件轉(zhuǎn)移：條件轉(zhuǎn)移：現(xiàn)行微指令給現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址和轉(zhuǎn)移條件。出轉(zhuǎn)移微地址和轉(zhuǎn)移條件。 B 轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移條件 CC( (條件滿足條件滿足) )( (條件不滿足條件不滿足) )轉(zhuǎn)微子程序：轉(zhuǎn)微子程序：現(xiàn)行微指令現(xiàn)行微指令給出微子程序入口。給出微子程序入口。 轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移條件 C DD微子程序微子程序返回微主程序：返回微主程序：現(xiàn)行微指現(xiàn)行微指令給出寄存器號。令給出寄存器號。 A+1RR微指令微指令 給定后續(xù)微地址給定后續(xù)微地址高位部分高位部分 （2 2）斷定方式）斷定方式由直接給定和測試斷定相結(jié)合形成微地址。由直接給定和測試斷定相結(jié)合

40、形成微地址。 給定部分給定部分 斷定條件斷定條件指明后續(xù)微地址低指明后續(xù)微地址低位部分的形成方式位部分的形成方式 例例. .微指令微指令 D D（給定）（給定） A A（條件）（條件）2位位位數(shù)可變位數(shù)可變微地址微地址1010位，位， 約定：約定：A=A=01011010微地址低微地址低4 4位為操作碼，位為操作碼，D D給定高給定高 位；位；微地址低微地址低3 3位為機器指令目的尋址方式位為機器指令目的尋址方式微地址低微地址低3 3位為機器指令源尋址方式位為機器指令源尋址方式6 67 71111編碼，編碼，D D給定高給定高 位；位；編碼，編碼，D D給定高給定高 位。位。7 716路路分支

41、分支8路分支路分支8路分支路分支同步控制，用統(tǒng)一微指令周期控制各條微指同步控制，用統(tǒng)一微指令周期控制各條微指令執(zhí)行。令執(zhí)行。 P P 3.4.5 微程序時序安排微程序時序安排微指令周期微指令周期 微指令微指令打入打入 IR二級時序：二級時序：控制數(shù)控制數(shù)據(jù)通路據(jù)通路操作操作 結(jié)果打結(jié)果打入目的入目的地，地，讀取后續(xù)讀取后續(xù)微指令微指令后續(xù)微后續(xù)微地址打地址打入入 AR時鐘周期時鐘周期 3.4.6 微程序控制方式優(yōu)缺點及應(yīng)用微程序控制方式優(yōu)缺點及應(yīng)用1.1.優(yōu)點優(yōu)點 （1 1）設(shè)計規(guī)整，設(shè)計效率高；）設(shè)計規(guī)整，設(shè)計效率高；（2 2）易于修改、擴展指令系統(tǒng)功能；）易于修改、擴展指令系統(tǒng)功能；（3

42、3）結(jié)構(gòu)規(guī)整、簡潔，可靠性高；）結(jié)構(gòu)規(guī)整、簡潔，可靠性高；（4 4）性價比高。）性價比高。2.2.缺點缺點 （1 1）速度慢）速度慢訪存頻繁訪存頻繁轉(zhuǎn)移較多轉(zhuǎn)移較多（2 2）執(zhí)行效率不高）執(zhí)行效率不高3.3.應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 用于速度要求不高、功能較復(fù)雜的機器中。用于速度要求不高、功能較復(fù)雜的機器中。特別適用于系列機特別適用于系列機未充分發(fā)揮數(shù)據(jù)未充分發(fā)揮數(shù)據(jù)通路本身具有的通路本身具有的并行能力并行能力第五節(jié)第五節(jié) 主機和外部設(shè)備的信息交換主機和外部設(shè)備的信息交換4.5.1 4.5.1 主機和外設(shè)的連接方式主機和外設(shè)的連接方式1.1.輻射式輻射式 主機主機I/OI/OI/OI/OI/OI/O早

43、期：不易擴展早期：不易擴展 主機主機 接口接口 接口接口I/OI/OI/OI/OI/OI/O現(xiàn)在：便于擴展現(xiàn)在：便于擴展2.2.總線式總線式 主機主機 接口接口 接口接口I/OI/O I/OI/O I/OI/O便于擴展便于擴展總線總線3.3.通道式通道式 主機主機 通道通道 通道通道I/OI/OI/OI/OI/OI/O并行能力并行能力提高提高4.5.2 4.5.2 信息傳送控制方式信息傳送控制方式1.1.直接程序傳送方式直接程序傳送方式用用I/OI/O指令編程實現(xiàn)信息傳送。指令編程實現(xiàn)信息傳送。（程序查詢）（程序查詢）（1 1）外設(shè)狀態(tài)）外設(shè)狀態(tài)空閑空閑工作工作結(jié)束結(jié)束啟動啟動完成一次完成一次

44、工作工作調(diào)用完調(diào)用完再請求再請求000001011010空閑空閑：調(diào)用前，：調(diào)用前，設(shè)備不工作；設(shè)備不工作；結(jié)束結(jié)束：調(diào)用后，：調(diào)用后，設(shè)備完成工作。設(shè)備完成工作。在接口中設(shè)在接口中設(shè)置置狀態(tài)字狀態(tài)字表表示這些狀態(tài)。示這些狀態(tài)。（2 2）查詢流程）查詢流程 啟動外設(shè)啟動外設(shè)外設(shè)工作完成？外設(shè)工作完成？N NY Y 入入/出操作出操作（3 3）優(yōu)缺點）優(yōu)缺點硬件開銷小；硬件開銷??；實時處理能力差實時處理能力差, ,并行程度低。并行程度低。（4 4）應(yīng)用場合）應(yīng)用場合對對CPUCPU效率要求不高的場合，效率要求不高的場合， 或診斷、或診斷、 調(diào)試過程。調(diào)試過程。2.2.中斷方式中斷方式查詢：查詢：

45、（1 1）中斷的引入）中斷的引入程序程序并行操作并行操作主機主機外設(shè)外設(shè)空閑空閑啟動啟動等待等待工作工作程序程序交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)中斷：中斷：主機主機程序程序外設(shè)外設(shè)空閑空閑啟動啟動工作工作程序程序請求請求中斷程序中斷程序交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)程序程序（2 2）中斷定義）中斷定義 開中斷開中斷一條指令結(jié)束一條指令結(jié)束時有中斷請求？時有中斷請求？N NY Y繼續(xù)原程序繼續(xù)原程序（3 3）中斷流程）中斷流程CPUCPU內(nèi)設(shè)置允許中斷標(biāo)志內(nèi)設(shè)置允許中斷標(biāo)志CPUCPU暫時中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為某暫時中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為某個隨機事態(tài)服務(wù)的中斷處理程序。處理完畢個隨機事態(tài)服務(wù)的中斷處理程序。處

46、理完畢后自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。后自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。=1 =1 允許響應(yīng)中斷允許響應(yīng)中斷（開中斷）（開中斷）=0 =0 不允許響應(yīng)中斷不允許響應(yīng)中斷（關(guān)中斷）（關(guān)中斷） 啟動外設(shè)啟動外設(shè)執(zhí)行中斷執(zhí)行中斷服務(wù)程序服務(wù)程序繼續(xù)原程序繼續(xù)原程序響應(yīng)響應(yīng)返回返回 CLI CLI ；請求請求關(guān)中斷，初始化關(guān)中斷，初始化 啟動；啟動； 啟動設(shè)備啟動設(shè)備響應(yīng)響應(yīng)返回返回例例.PC.PC系列機系列機允許中斷位允許中斷位IF=IF=0 0 關(guān)中斷關(guān)中斷1 1 開中斷開中斷 STI STI ；開中斷開中斷（4 4）程序組織）程序組織（5 5）硬件設(shè)置）硬件設(shè)置響應(yīng)響應(yīng)邏輯邏輯CPUCPU禁止禁止/ /允許設(shè)備請求允許設(shè)備請求設(shè)備工作完成設(shè)備工作完成（6 6）應(yīng)用場合）應(yīng)用場合用于中、低速用于中、低速I/OI/O操作或處理復(fù)雜隨機事態(tài)。操作或處理復(fù)雜隨機事態(tài)。判優(yōu)判優(yōu)邏輯邏輯請求請求邏輯邏輯屏蔽屏蔽邏輯邏輯非屏蔽非屏蔽CPUCPU送屏蔽字送屏蔽字( (動態(tài)改變設(shè)備優(yōu)先級動態(tài)改變設(shè)備優(yōu)先級) )設(shè)備提出請求設(shè)備提出請求判別設(shè)備優(yōu)先級判別設(shè)備優(yōu)先級CPUCPU響應(yīng)請求，并轉(zhuǎn)相響應(yīng)請求，并轉(zhuǎn)相應(yīng)服務(wù)程序入口應(yīng)服務(wù)程序入口CPUCPU接口接口注意區(qū)分注意區(qū)分CPUCPU對請求的對請求的屏蔽屏蔽和對請求的和對請求的響應(yīng)響應(yīng)。送屏蔽字送屏蔽字開開/ /關(guān)中斷關(guān)中斷3.3.直接存儲器存取直接