K12第5章中央處理器1

第5章中央處理器（CPU）5.1控制器的基本概念5.2時(shí)序系統(tǒng)與控制方式5.3指令的執(zhí)行過(guò)程5.4微程序控制原理5.5微程序設(shè)計(jì)舉例5.6硬布線控制器5.7流水線處理技術(shù)15.1控制器的基本概念5.1.1控制器的功能5.1.2控制器的基本組成5.1.3控制器的實(shí)現(xiàn)方法控制器是計(jì)算機(jī)的控制和指揮中心，它負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號(hào)，指揮和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件工作。25.1.1控制器的功能1）操作控制功能2）指令順序控制功能3）時(shí)序控制功能4）對(duì)異常和某些請(qǐng)求的處理功能（1）異常（2）中斷（3）DMA請(qǐng)求或其它主控設(shè)備的總線請(qǐng)求35.1.2控制器的組成41）指令部件（1）程序計(jì)數(shù)器PCPC是用來(lái)提供下一條要執(zhí)行的指令的地址在程序順序執(zhí)行時(shí)，由PC自動(dòng)增1功能提供下一條指令的地址。（2）指令寄存器IRIR用來(lái)存放當(dāng)前從主存中取出的指令。指令存放于IR中，直到被下一條取出的指令所取代。5（3）指令譯碼器IDID的功能是對(duì)存放IR中的操作碼進(jìn)行譯碼。經(jīng)ID輸出的一系列控制電位反映該指令的操作性質(zhì)。（4）地址形成部件地址形成部件的功能是根據(jù)指令的尋址方式，形成有效地址。有效地址地址寄存器AR(操作數(shù)的地址)有效地址PC(跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址)62）時(shí)序部件時(shí)序部件是用來(lái)產(chǎn)生機(jī)器中的各種時(shí)序信號(hào)，對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。（1）脈沖源脈沖源是機(jī)器的主頻信號(hào)，為機(jī)器提供時(shí)間基準(zhǔn)。它由外接高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，具有一定占空比。例如：占空比1/37（2）啟停線路開(kāi)放和封鎖脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生和停止；保證起動(dòng)時(shí)輸出的第一個(gè)脈沖和停止時(shí)的最后一個(gè)脈沖都是完整的。（3）節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器節(jié)拍信號(hào)分為節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位：用于控制數(shù)據(jù)通路中代碼的傳送或數(shù)據(jù)的運(yùn)算。節(jié)拍脈沖(工作脈沖）：用于寄存器接收代碼的選通信號(hào)。83）微操作信號(hào)發(fā)生器（時(shí)序控制信號(hào)形成部件）根據(jù)指令操作碼譯碼結(jié)果和時(shí)序信號(hào)及狀態(tài)標(biāo)志，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行指令的控制。通常把許多寄存器之間傳送信息的通路，稱為“數(shù)據(jù)通路”。4）中斷控制邏輯中斷控制邏輯是用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯，對(duì)于某些外部中斷的處理，需要外部中斷邏輯配合完成。95.1.3控制器的實(shí)現(xiàn)方法硬布線控制器根據(jù)譯出的指令各字段的含義，并結(jié)合當(dāng)前工作狀態(tài)及時(shí)序信號(hào)，由組合邏輯電路形成微操作控制信號(hào)。微程序控制器以存儲(chǔ)邏輯取代組合邏輯，根據(jù)指令操作碼的譯碼轉(zhuǎn)向控制存儲(chǔ)器取出對(duì)應(yīng)的微程序，由微指令提供微操作控制信號(hào)。105.2時(shí)序系統(tǒng)與控制方式5.2.1時(shí)序系統(tǒng)5.2.2時(shí)序控制方式115.2.1時(shí)序系統(tǒng)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)志是用時(shí)序信號(hào)來(lái)體現(xiàn)的。1）指令周期和機(jī)器周期（1）指令周期完成一條指令所有操作所需要的時(shí)間，稱為指令周期。指令周期通常用若干機(jī)器周期(CPU周期)表示。指令周期長(zhǎng)短不同。12（2）機(jī)器周期為了便于對(duì)執(zhí)行時(shí)間各不相同的指令進(jìn)行控制，一般根據(jù)指令的操作性質(zhì)和控制功能，將各指令分成一些基本操作，每一條指令由若干個(gè)不同的基本操作組成，對(duì)每一個(gè)基本操作規(guī)定一個(gè)基本時(shí)間稱為機(jī)器周期。不同機(jī)器周期完成不同的操作。在時(shí)序系統(tǒng)中設(shè)置一組周期狀態(tài)觸發(fā)器，以標(biāo)志不同的機(jī)器周期。任一時(shí)序只允許其中的一個(gè)觸發(fā)器為1，以表明CPU當(dāng)前所處的機(jī)器周期。132）節(jié)拍電位和工作脈沖（1）節(jié)拍電位一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)要完成若干個(gè)微操作，這些微操作有的可以同時(shí)進(jìn)行，有的則按先后次序串行執(zhí)行。每個(gè)微操作都需要一定的時(shí)間，因此需要將一個(gè)機(jī)器周期分為若干相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段，用一個(gè)電平信號(hào)寬度對(duì)應(yīng)，稱為節(jié)拍電位。節(jié)拍電位作為開(kāi)門/關(guān)門控制信號(hào)。14（2）工作脈沖用于同步觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)。如：運(yùn)算結(jié)果打入、周期切換。一個(gè)節(jié)拍內(nèi)可以設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖。工作脈沖一般處于節(jié)拍后部（節(jié)拍脈沖）。若機(jī)器周期由時(shí)鐘組成，脈沖的前沿將運(yùn)算結(jié)果打入寄存器，后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。時(shí)鐘電位作為開(kāi)門/關(guān)門控制信號(hào)。15節(jié)拍電位和工作脈沖配合關(guān)系163）總線周期完成一次總線操作所需的時(shí)間稱為總線周期?？偩€周期與機(jī)器周期的區(qū)別在于總線周期是根據(jù)要求出現(xiàn)的。例如：8086基本的總線周期174）多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)

（1）三級(jí)時(shí)序信號(hào)間的關(guān)系這些時(shí)序信號(hào)將參與形成各種微操作命令。機(jī)器周期節(jié)拍工作脈沖18（2）時(shí)鐘周期的時(shí)序系統(tǒng)

195.2.2時(shí)序控制方式CPU的控制方式包含時(shí)序控制方式和指令執(zhí)行控制方式。形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法，稱為時(shí)序控制方式，其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。1）同步控制方式固定時(shí)序控制。受事先確定的時(shí)序信號(hào)所控制。每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束意味一個(gè)微操作的完成，隨即開(kāi)始進(jìn)行后繼的微操作。20同步控制方式可選取的三種方案：（1）定長(zhǎng)機(jī)器周期（2）不定長(zhǎng)機(jī)器周期。（3）中央控制與局部控制結(jié)合。同步控制方式的特點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)影響指令的執(zhí)行速度212）異步控制方式每條指令、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。當(dāng)控制器發(fā)出某一操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)回“回答”信號(hào)，再開(kāi)始新的操作。沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘，各功能部件擁有各自的時(shí)序信號(hào)。異步控制方式的特點(diǎn)沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi)，提高了機(jī)器的效率；分散控制，比較復(fù)雜。223）聯(lián)合控制方式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，對(duì)某些時(shí)間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束。例如CPU訪問(wèn)主存時(shí)，依靠其送來(lái)的“READY”信號(hào)作為讀／寫周期的結(jié)束。常用：部件內(nèi)同步，部件間異步235.3指令的執(zhí)行過(guò)程5.3.1CPU的基本功能元素5.3.2指令執(zhí)行的基本過(guò)程5.3.3指令執(zhí)行的微操作序列24…5.3.1CPU的基本功能元素邏輯函數(shù)啟動(dòng)信號(hào)二進(jìn)制

存儲(chǔ)位元讀寫1）門實(shí)現(xiàn)邏輯功能，采用電位控制數(shù)據(jù)流，無(wú)記憶功能2）存儲(chǔ)位元存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)的元件，采用脈沖打入數(shù)據(jù)，有記憶功能25例如：265.3.2指令執(zhí)行的基本過(guò)程CPU的工作過(guò)程就是執(zhí)行指令序列的過(guò)程。1）取指令2）分析指令

（1）指令譯碼產(chǎn)生微操作控制信號(hào)

（2）計(jì)算操作數(shù)的有效地址

（3）取操作數(shù)對(duì)于分頁(yè)式或分段式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)需要將有效地址與段或頁(yè)基址組合形成物理地址送主存取出操作數(shù)。3）執(zhí)行指令4）響應(yīng)中斷或DMA請(qǐng)求27PC285.3.3指令執(zhí)行的微操作序列從指令的微操作序列說(shuō)明一條指令的執(zhí)行過(guò)程。微操作序列是與CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路密切相關(guān)。指令格式加法指令完成的功能：

((rs1)+disp)+(rs)rd(rd、rs為同一R）設(shè)加法指令采用四個(gè)機(jī)器周期(每個(gè)機(jī)器周期包含T1、T2）：

取指、計(jì)算有效地址、取數(shù)、運(yùn)算及送結(jié)果操作碼rs、rdrs1（源1）Imm（disp）2930311）取指PCAB訪存控制命令

ADS=1（T1周期）、M/IO=1、W/R=0DBIRPC+12）計(jì)算有效地址送AR，即(rs1)+dispARrs1GR、(rs1)ALU、disp

ALU“+”ALUAR323）取數(shù)ARAB訪存控制命令

ADS=1（T1周期)、M/IO=1、W/R=0DBDR4）運(yùn)算及送結(jié)果、置狀態(tài)標(biāo)志rs、rdGR、(rs)ALU、DRALU“+”ALUGR、置N、Z、V、C標(biāo)志33JCA1）取指(PC)AB訪存控制命令

ADS=1（T1周期）、M/IO=1、W/R=0DBIR(PC)+12）分析執(zhí)行Ifc=0thenendIfc=1thenPCALU、dispALU“+”ALUPC345.4微程序控制原理5.4.1微程序控制的基本概念5.4.2實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理5.4.3微指令編碼法5.4.4微程序流的控制5.4.5微指令格式及執(zhí)行方式5.4.6微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用355.4.1微程序控制的基本概念1）微命令和微操作控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，通常把這種控制命令叫做微命令，它構(gòu)成控制序列的最小單位。執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作，稱為微操作，它是最基本的、不可再分解的操作。相容性的微操作：指在同一個(gè)微周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作。（相容性微命令)互斥性的微操作：指不能在同一個(gè)微周期內(nèi)并行執(zhí)行的操作。（互斥性微命令）362）微指令和微地址在一個(gè)微周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令（控制字）。微指令組成操作控制字段：用來(lái)發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的工作信號(hào)。位信息為“1”時(shí)，表示發(fā)出微命令；位信息為“0”時(shí)，表示不發(fā)微命令。順序控制字段（下址字段）：用來(lái)控制產(chǎn)生下一條微指令的地址。微指令存放在控制存儲(chǔ)器中，存放微指令的控制存儲(chǔ)器的單元地址稱為微地址。373）微周期（機(jī)器周期或節(jié)拍）從控存中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的一組微命令所需的全部時(shí)間4）微程序

一條機(jī)器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)微指令序列稱為微程序。38微程序控制計(jì)算機(jī)涉及兩個(gè)層次傳統(tǒng)機(jī)器層:機(jī)器指令工作程序主存儲(chǔ)器微程序?qū)樱何⒅噶钗⒊绦蚩刂拼鎯?chǔ)器395.4.2實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理1）微程序?qū)崿F(xiàn)加法指令設(shè)ALU能進(jìn)行+、-、、四種運(yùn)算40加法指令對(duì)應(yīng)控制信號(hào)的序號(hào)用4個(gè)機(jī)器周期完成，每個(gè)機(jī)器周期用一條微指令產(chǎn)生微操作命令。取指微指令的微命令序號(hào)：

1、3、5、21、22、23計(jì)算有效地址微指令的微命令序號(hào)：

4、8、10、13、19取數(shù)微指令的微命令序號(hào)：

6、20、21、22、23運(yùn)算及送結(jié)果微指令的微命令序號(hào)：

9、11、12、13、1741微指令格式12…2324…35操作控制字段順序控制字段(PC)ABALUPCW/R設(shè)控存容量為4K字42微程序流程圖的表示432）微程序控制器基本工作原理44工作過(guò)程:執(zhí)行取指公共操作（0#單元開(kāi)始）形成微程序入口地址MAR從CM中取微指令I(lǐng)R：產(chǎn)生一組微命令控制有關(guān)操作,通過(guò)微地址形成部件形成下址下址MAR重復(fù)3）、4）直到機(jī)器指令的微程序執(zhí)行完畢。返回到取指微程序的入口，重復(fù)上述過(guò)程，直到整個(gè)程序執(zhí)行完畢。453）時(shí)序信號(hào)的形成（1）二分頻電路及節(jié)拍電位、工作脈沖的產(chǎn)生CP＝T2·CLK·CLK246（2）打入脈沖的形成方法一：控制信號(hào)“與”CP47

方法二：直接用CP48（3）特殊控制信號(hào)的產(chǎn)生例如：ADS49（4）訪存需要等待的處理方法505.4.3微指令編碼法微指令編碼是指對(duì)操作控制字段的編碼。實(shí)質(zhì)：在微指令中如何組織微命令。典型的微指令編譯法有:1）直接控制法2）最短字長(zhǎng)編碼法3）字段直接編碼法4）字段間接編碼法5）常數(shù)源字段E511）直接控制法操作控制字段中的每一位代表一個(gè)微命令。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀，其輸出直接用于控制，并行性強(qiáng)，速度快。缺點(diǎn)：微指令字較長(zhǎng)，因而使控制存儲(chǔ)器容量較大。522）最短字長(zhǎng)編碼法所有微命令統(tǒng)一編碼，每條微指令只定義一個(gè)微命令。Llog2n優(yōu)點(diǎn)：微指令字最短。缺點(diǎn)：譯碼復(fù)雜，不能充分利用硬件的并行性，微程序長(zhǎng)，速度慢，對(duì)要求同時(shí)動(dòng)作的組和性微操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)。533）字段直接編碼法把一組互斥性的微命令信號(hào)組成一個(gè)字段，然后通過(guò)字段譯碼器對(duì)每一個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號(hào)。54優(yōu)點(diǎn)：用較少的二進(jìn)制信息位表示較多的微命令信號(hào)。缺點(diǎn)：使微程序的執(zhí)行速度減慢。例如：3位二進(jìn)制位譯碼后可表示7個(gè)微命令，4位二進(jìn)期位譯碼后可表示15個(gè)微命令。55例題：某運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路如圖。

①指出哪些微操作是互斥的，哪些是相容的。

②分別用直接控制法和字段直接編譯法設(shè)計(jì)適合該運(yùn)算器的微指令格式中的操作控制字段。解：①互斥微操作：IRA、R1A、R2A、R3A互斥；R1B、R2B、R3B互斥；+、-、M互斥。相容微操作：A選通門的任一個(gè)微操作與B選通門的任一個(gè)微操作相容；LDR1、LDR2、LDR3相容。5657②直接控制法操作控制字段：58字段直接編碼法操作控制字段ALUBUSLDR1LDR2LDR31232111

00無(wú)

01+10-11M

000無(wú)

001IRA010R1A011R2A100R3A00無(wú)01R1B10R2B11R3B594）字段間接編碼法一個(gè)字段的某些編碼不獨(dú)立地定義某些微命令，而與其他字段聯(lián)合定義。60例如：有一ALU，它能完成8種不同的算術(shù)運(yùn)算和8種不同的移位運(yùn)算，用1位字段指示是算術(shù)運(yùn)算還是移位運(yùn)算，3位字段指示是8種操作中的某一種。5）常數(shù)源字段E通常把直接控制法與字段編碼法相混合使用，以便能綜合考慮微指令字長(zhǎng)、靈活性和執(zhí)行微程序速度等方面的要求。目標(biāo)：減少微指令字長(zhǎng)，增強(qiáng)微操作的并行性。615.4.4微程序流的控制1）微程序入口地址的形成OP微程序入口地址一級(jí)功能轉(zhuǎn)換——機(jī)器指令的OP位數(shù)、位置固定（定長(zhǎng)、定位置）二級(jí)功能轉(zhuǎn)換——同類機(jī)器指令的OP位數(shù)、位置固定，不同類機(jī)器指令的OP位數(shù)、位置不固定MAPROM——機(jī)器指令的OP位數(shù)、位置不固定（變長(zhǎng)、變位置）62采用映像存儲(chǔ)器MAPROM（2716)63（1）增量與下址字段結(jié)合方式微指令順序控制部分分成：轉(zhuǎn)移控制字段BCF轉(zhuǎn)移地址字段BAF當(dāng)微程序轉(zhuǎn)移時(shí)，將BAF送微程序計(jì)數(shù)器(μPC)，否則順序執(zhí)行下一條微指令(μPC加1)。2）后繼微地址的形成

6465（2）多路轉(zhuǎn)移方式（斷定方式）一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。當(dāng)微程序不產(chǎn)生分支時(shí)，后繼微地址直接由微指令的下址字段給出；當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，有若干“后選”微地址可供選擇。下址字段由兩部分組成：非測(cè)試段：由設(shè)計(jì)者指定，一般為微地址的高位。測(cè)試段：根據(jù)有關(guān)狀態(tài)位的測(cè)試確定后繼微地址，一般為微地址低位部分。66測(cè)試段有1位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)微程序2路轉(zhuǎn)移；測(cè)試段有2位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)微程序4路轉(zhuǎn)移。①實(shí)現(xiàn)兩路轉(zhuǎn)移②實(shí)現(xiàn)四路轉(zhuǎn)移③實(shí)現(xiàn)三路轉(zhuǎn)移673）微程序定序器Am291068I3—I0功能2無(wú)條件轉(zhuǎn)至微程序入口（/MAP=0）。3若/CC=0，則下條微指令地址來(lái)自當(dāng)前微指令的下址字段（/PL=0）；若/CC=1，則順序執(zhí)行（來(lái)自PC）。4進(jìn)棧且條件裝入計(jì)數(shù)器。把下條微指令的地址壓入微堆棧，若/CC=0，則把當(dāng)前微指令的下址字段內(nèi)容裝入計(jì)數(shù)器，然后順序執(zhí)行。8重復(fù)循環(huán)。

前提：已使用4號(hào)命令，循環(huán)首址壓入微堆棧，循環(huán)次數(shù)裝入計(jì)數(shù)器。若R/C0，則R/C減1，微堆棧棧頂?shù)膬?nèi)容作為下條微指令的地址。若R/C=0，則（SP）-1SP（彈棧），順序執(zhí)行下條微指令。14無(wú)條件順序執(zhí)行（來(lái)自PC）。153路轉(zhuǎn)移。前提同8號(hào)。F、D（/PL=0）、PC若R/C0，則R/C減1：

若/CC=0，彈棧，選擇PC；若/CC=1，選擇F（棧頂）。若R/C=0，彈棧：

若/CC=0，選擇PC；若/CC=1，后繼微指令地址來(lái)自當(dāng)前微指令的地址字段。695.4.5微指令格式及執(zhí)行方式1）微指令格式水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令，稱為水平型微指令。垂直型微指令控制字段的設(shè)置采用編碼法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。垂直型微指令的結(jié)構(gòu)類似于機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)。它有操作碼，在一條微指令中只有1-2個(gè)微操作命令，每條微指令的功能簡(jiǎn)單。它是采用較長(zhǎng)的微程序結(jié)構(gòu)去換取較短的微指令結(jié)構(gòu)。70

（3）水平與垂直的比較:水平特征垂直特征不編碼高度編碼控制字段多位微指令字較短高度并行并行能力差硬件細(xì)節(jié)觀點(diǎn)硬件總體觀點(diǎn)編程困難編程容易很少或沒(méi)有控制邏輯復(fù)雜的控制邏輯