計算機(jī)原理理工課件

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)四、指令系統(tǒng)

指令系統(tǒng)處在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間，是軟、硬件之間的接口。

指令是計算機(jī)運行的最小功能單元，是指揮計算機(jī)硬件運行的命令，由若干位二進(jìn)制代碼表示，硬件可以直接識別與執(zhí)行。CPU的工作，基本上體現(xiàn)為執(zhí)行指令。CPU能夠執(zhí)行的所有指令的集合構(gòu)成該機(jī)的指令系統(tǒng)。1）設(shè)計指令系統(tǒng)要求：

完備性，指令齊全，編程方便規(guī)整性，格式與運算規(guī)則統(tǒng)一

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)高效性，占內(nèi)存少，運行省時兼容性，同一系列機(jī)軟件兼容

2）確定指令系統(tǒng)的2種思路：RISC、CISC(一）指令格式1.指令的基本格式

指令字長：指令字中二進(jìn)制代碼的位數(shù)。指令字長（字節(jié)倍數(shù)）=0.5、1、2…個機(jī)器字長2.定長操作碼指令格式(操作碼長度一致，位于指令的固定字段）操作碼地址碼計算機(jī)組成原理天津大學(xué)OPA1A2A3優(yōu)點：有利于簡化計算機(jī)硬件設(shè)計，提高指令譯碼和識別速度，便于擴(kuò)充操作種類。3.擴(kuò)展操作碼指令格式

在不增加指令字長的情況下，可以表示更多的指令，但增加了指令譯碼和分析難度，要求更多的硬件支持0000A1A2A3

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15條三地址指令1110A1A2A3計算機(jī)組成原理天津大學(xué)11110000A1A2

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┇15條二地址指令11111110A1A2111111110000A1

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┇15條一地址指令111111111110A11111111111110000

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┇16條零地址指令1111111111111111例：某指令系統(tǒng)指令字長16位，每個操作數(shù)的地址碼長6位，指令分為無操作數(shù)、單操作數(shù)和雙操作數(shù)三類。若雙操作數(shù)指令為K種，計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

無操作數(shù)指令為L種，問單操作數(shù)指令最多可能為幾種？

設(shè)機(jī)器指令字長16位，指令中地址字段的長度4位，如果指令系統(tǒng)中已有11條三地址指令，72條二地址指令和64條零地址指令，問最多能規(guī)定多少一地址指令？（二）指令的尋址方式１.有效地址的概念

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)形式地址：指令中地址字段內(nèi)容有效地址：主存地址或寄存器編號2．?dāng)?shù)據(jù)尋址和指令尋址

數(shù)據(jù)尋址是指獲得操作數(shù)的有效地址的方法指令尋址是指確定將要執(zhí)行的下一條指令的地址的方法。通常有兩種方法：順序?qū)ぶ罚篜C增量的方式自動形成下一條指令的地址轉(zhuǎn)移尋址：需要提供轉(zhuǎn)移地址裝入PC，轉(zhuǎn)移完成后，按照新的轉(zhuǎn)移地址去執(zhí)行。轉(zhuǎn)移地址的形成和操作數(shù)地址相同。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)３.常見尋址方式

1）立即尋址

立即尋址是尋址的最簡單形式。在這種方式中由指令給出操作數(shù)，又稱為立即數(shù)。

2）直接尋址EA=A

指令的地址字段含有操作數(shù)的有效地址，根據(jù)該地址可以直接讀取操作數(shù)。

3）間接尋址EA=(A)指令的地址字段指示一個存儲器地址，而此地址中存放操作數(shù)的有效地址。

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)4）寄存器尋址EA=R

指令的地址字段給出寄存器號（寄存器地址），操作數(shù)在指定的寄存器中。

5）寄存器間接尋址EA=(R)指令的地址字段給出寄存器號，操作數(shù)的有效地址在指定的寄存器中。

6）相對尋址EA=(PC)+A相對尋址是將程序計數(shù)器PC的當(dāng)前內(nèi)容與指令中給出的形式地址相加，形成有效地址。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)7）基址尋址

操作數(shù)的有效地址等于基址寄存器的內(nèi)容與指令中的形式地址之和。

8）變址尋址操作數(shù)的有效地址等于變址寄存器的內(nèi)容與指令中的形式地址之和。9）堆棧尋址

一種由堆棧支持的尋址方式，即隱含約定堆棧指針寄存器SP的內(nèi)容為棧頂單元的地址碼，并可根據(jù)堆棧操作的性質(zhì)自動修改SP內(nèi)容。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)(R)+-(R)計算機(jī)組成原理天津大學(xué)16(09),某機(jī)器字長16位，主存按字節(jié)編址，轉(zhuǎn)移指令采用相對尋址，由兩個字節(jié)組成，第一字節(jié)為操作碼字段，第二字節(jié)為相對位移量字段。假定取指令時，每取一個字節(jié)PC自動加1。若轉(zhuǎn)移指令所在主存地址為2000H，相對位移量字段的內(nèi)容為06H，則該轉(zhuǎn)移指令成功轉(zhuǎn)移后的目標(biāo)地址是：A2006HB2007HC2008HD2009H

例：某計算機(jī)的指令系統(tǒng)有寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、和相對尋址等尋址計算機(jī)組成原理天津大學(xué)方式，設(shè)當(dāng)前指令的地址碼部分為0002H，正在執(zhí)行的指令所在地址為1000H，如下所示

1000H寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址所使用的寄存器的內(nèi)容為0003H，問（1）當(dāng)執(zhí)行取數(shù)指令時，如為寄存器間接尋址方式，操作數(shù)地址是多少？0003H

如為變址尋址方式，操作數(shù)地址是多少？0005H（2）當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，轉(zhuǎn)移地址又是多少？1003HOP0002H計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

設(shè)（R）＝1000H，（1000H）＝2000H，（2000H）＝3000H，（Rx）＝1000H，指令中地址字段的內(nèi)容為1000H，問在以下尋址方式下訪問到的操作數(shù)的值是什么？（3分）1）寄存器間接尋址2000H2）變址尋址3000H3）間接尋址3000H43(10).某計算機(jī)字節(jié)長為16位，主存地址空間大小為128KB，按字編址。采用單字指令格式，指令各字段定義如下：計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

源操作數(shù)目的操作數(shù)

轉(zhuǎn)移指令采用相對尋址方式，相對偏移用補(bǔ)碼表示，尋址方式定義如下：

OpMsRsMdRd151211650Ms/Md尋址方式助記符含義000B寄存器直接Rn操作數(shù)=(Rn)001B寄存器間接(Rn)操作數(shù)=((Rn))010B寄存器間接、自增(Rn)+操作數(shù)=((Rn))(Rn)+1(Rn)011B相對D(Rn)轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址=(PC)+(Rn)計算機(jī)組成原理天津大學(xué)注：(X)表示存儲地址X或寄存器X的內(nèi)容，

請回答下列問題：

(1)、該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？該計算機(jī)最多有多少個通用寄存器？存儲器地址寄存器(MAR)和存儲器數(shù)據(jù)寄存器(MDR)至少各需多少位？

(2)、轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍是多少？

(3)、若操作碼0010B表示加法操作(助記符為add)，寄存器R4和R5的編號分別為100B和101B，R4的內(nèi)容為1234H，R5的內(nèi)容為5678H，地址1234H中的內(nèi)容為5678H，地址5678H中的內(nèi)容為1234H，則匯編語言為add(R4)，(R5)+(逗號前為源操作數(shù)，逗號后

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)為目的操作數(shù))對應(yīng)的機(jī)器碼是什么(用十六進(jìn)制表示)？該指令執(zhí)行后，哪些寄存器和存儲單元的內(nèi)容會改變？改變后的內(nèi)容是什么？

（1）OP4位，最多可有16條指令

寄存器編號3位，最多有8個通用寄存器按字編址，容量64K字，MAR至少需要16位，

字長16位，MDR也至少16位

（2）轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍64K

（3）add(R4),(R5)+對應(yīng)的機(jī)器碼為：0010001100010101B=2315H(R5)=5679H(5678)=5678+1234=68ACH計算機(jī)組成原理天津大學(xué)（二）CISC和RISC的基本概念指令格式、執(zhí)行時間、指令操作、編譯、控制方式、寄存器設(shè)置

RISC：采用簡單的指令格式和尋址方式，指令長度固定；大部分指令可以在一個周期內(nèi)完成；盡量都在CPU芯片上的寄存器之間進(jìn)行，只有LOAD/STORE指令訪問存儲器；優(yōu)化編譯技術(shù)；硬布線控制邏輯為主，很少或根本不用微程序控制；使用較多的通用寄存器以減少訪存，不設(shè)置或少設(shè)置專用寄存器

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)17(09),下列關(guān)于RISC的敘述中錯誤的是

ARISC普遍采用微程序控制BRISC大多數(shù)指令在一個周期內(nèi)完成CRISC內(nèi)部通用寄存器的數(shù)量比CISC多

DRISC的指令數(shù)、尋址方式和指令格式種類相對CISC少例：下面選項中，描述正確的是（）ARISC機(jī)器不一定是流水CPU

BRISC機(jī)器一定是流水CPUCRISC機(jī)器有復(fù)雜的指令系統(tǒng)DRISC機(jī)器配備數(shù)量很少的通用寄存器計算機(jī)組成原理天津大學(xué)例：下列關(guān)于RISC和CISC的描述中，不正確的是（）ARISC大多數(shù)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成BRISC一定是流水的

CCISC一定是流水的DRISC普遍采用硬布線控制器例：RISC訪存指令中，操作數(shù)的物理位置一般安排在()A棧頂和次棧頂B兩個主存單元

C一個主存單元和一個通用寄存器D兩個通用寄存器計算機(jī)組成原理天津大學(xué)五、中央處理器（一）CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)

馮●諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)：存儲程序計算機(jī)

計算機(jī)的主要功能是執(zhí)行程序，程序是指令的有序序列。

計算機(jī)執(zhí)行程序過程：從程序的第一條指令開始執(zhí)行，每條指令的執(zhí)行分若干個操作步驟，并形成下條要執(zhí)行的指令地址，自動連續(xù)執(zhí)行指令，直到程序結(jié)束。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

1.功能指令控制－控制指令的執(zhí)行順序

操作控制（時間控制）－控制指令的操作步驟數(shù)據(jù)加工（處理）－對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理處理異常和請求－處理運算中的錯誤情況及外部設(shè)備的服務(wù)請求等2.基本結(jié)構(gòu)1）運算器：負(fù)責(zé)完成對操作數(shù)據(jù)的加工處理任務(wù)。相對控制器而言，它是執(zhí)行部件。組成：

ALU：完成對數(shù)據(jù)的運算處理（算術(shù)和邏輯運算）。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)計算機(jī)組成原理天津大學(xué)累加器：暫時存放參加ALU運算的操作數(shù)據(jù)和結(jié)果。

數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用來暫時存放從主存儲器、I／O設(shè)備讀出的數(shù)據(jù)或者準(zhǔn)備寫入主存儲器、輸入/輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)。（作用）狀態(tài)標(biāo)志寄存器：用來保存由算術(shù)指令和邏輯指令運行或測試的結(jié)果而建立的各種條件碼內(nèi)容。2）控制器：控制指令執(zhí)行（包括每條指令的正確執(zhí)行（取指令、指令譯碼、執(zhí)行）及自動連續(xù)執(zhí)行指令）；程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出及異常情況處理（中斷）計算機(jī)組成原理天津大學(xué)組成：程序計數(shù)器PC：當(dāng)執(zhí)行指令時，CPU將自動修改PC的內(nèi)容，以便使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址（順序、轉(zhuǎn)移），保證程序能夠自動連續(xù)地執(zhí)行。指令寄存器：保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令字代碼指令譯碼器：對指令寄存器中的操作碼字段進(jìn)行分析時序產(chǎn)生器：用來產(chǎn)生一系列的時序信號，保證各個微操作的執(zhí)行順序。

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)操作控制器（產(chǎn)生控制信號）：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)生整個機(jī)器所需要的全部微操作控制信號。這些控制信號引向計算機(jī)各個部件，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，控制程序的正確執(zhí)行。

地址寄存器：保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址或I／O設(shè)備地址。

現(xiàn)代計算機(jī)的CPU應(yīng)包括：運算器、控制器和Cache

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)18(10).下列寄存器中，匯編語言程序員可見的是（）A存儲器地址寄存器（MAR）

B程序計數(shù)器（PC）C存儲器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）D指令寄存器（IR）11(09).馮諾依曼計算機(jī)中指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制形式存放于存儲器中，CPU區(qū)分它們的依據(jù)是()A指令操作碼的譯碼結(jié)果B指令和數(shù)據(jù)的尋址方式

C指令周期的不同階段D指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元計算機(jī)組成原理天津大學(xué)（二）指令執(zhí)行過程

指令的執(zhí)行過程，是由指令的具體功能和計算機(jī)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)通路）決定的。概括來講，一條指令的執(zhí)行過程，分為取指令、分析指令、指令執(zhí)行等幾個步驟。其中取指令對所有指令是相同的（公操作，完成將指令從主存取出送到控制器的指令寄存器），分析指令（指令譯碼）不同的指令差異也不大，而且，一般在取指令的同時，就準(zhǔn)備好下條指令的地址。不同指令在執(zhí)行時的主要差異表現(xiàn)在指令執(zhí)行這一步驟。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

有的指令需要取操作數(shù)（1或2個），與尋址方式有關(guān)（熟悉各種尋址方式的尋址過程），根據(jù)尋址方式計算操作數(shù)地址并取出操作數(shù)。

執(zhí)行指令與指令類型有關(guān)（熟悉指令功能），完成操作碼規(guī)定的動作，并傳送結(jié)果及記錄狀態(tài)信息。如算邏指令、傳送指令、轉(zhuǎn)移指令等（三）數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)和功能

數(shù)據(jù)通路：在計算機(jī)中，數(shù)據(jù)、指令、地址從一個部件傳送到另一個部件所經(jīng)歷的路徑（包括傳送路徑及路徑上的設(shè)備）。

功能：傳送數(shù)據(jù)、地址、指令基本結(jié)構(gòu)：如運算器就是數(shù)據(jù)通路的一部分計算機(jī)組成原理天津大學(xué)（四）控制器的功能和工作原理根據(jù)時序產(chǎn)生器和控制信號產(chǎn)生電路的不同和不同的工作原理，有兩種不同類型的控制器。1.硬布線控制器（組合邏輯控制器）

采用組合邏輯電路，依據(jù)指令及其執(zhí)行步驟直接產(chǎn)生控制信號。核心部件是操作控制器（微操作產(chǎn)生部件、微操作控制信號形成部件、CU），其輸入信號是：ID、時序及程序運行結(jié)果狀態(tài)，用組合邏輯電路產(chǎn)生帶有時間標(biāo)志的微操作控制信號。設(shè)計步驟：寫出指令的微操作序列后，綜合、化簡，用電路實現(xiàn)。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)組合邏輯三級時序：機(jī)器周期（CPU周期、周期）：指令執(zhí)行的不同階段

時鐘周期（節(jié)拍）：一個機(jī)器周期又分為若干個時間段（一個CPU周期就是一個節(jié)拍也是可以的）

工作脈沖：一個節(jié)拍內(nèi)設(shè)置脈沖

指令周期：計算機(jī)從取、分析到執(zhí)行完該指令所需的全部時間。∴一個指令周期包含若干個機(jī)器周期，每個機(jī)器周期又包含若干個時鐘周期，在每個時鐘周期又設(shè)置脈沖。

優(yōu)點：速度快（RISC、要求高速機(jī)器）缺點：核心部件繁瑣、零亂、設(shè)計效率低、設(shè)計過程麻煩（特別是指令系統(tǒng)龐大），檢查調(diào)試?yán)щy，硬連線固定后很難修改與擴(kuò)展。

例1：設(shè)機(jī)器A的主頻為8MHZ，機(jī)器周期含4個時鐘周期，且該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機(jī)的平均指令周期和機(jī)器周期。如果機(jī)器B的主頻為12MHZ,且機(jī)器周期也含4個時鐘周期，試問B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS?計算機(jī)組成原理天津大學(xué)例2：某CPU的主頻為8MHZ，若已知每個機(jī)器周期平均包含4個時鐘周期，該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為0.8MIPS，試求該機(jī)的平均指令周期以及每個指令周期含幾個機(jī)器周期？若改用時鐘周期為0.4μs的CPU芯片，則計算機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)采用主頻為多少的CPU芯片？計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

12(10).下列選項中，能縮短程序執(zhí)行時間的措施是()

1.提高CPU時鐘頻率2.優(yōu)化數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)3.對程序進(jìn)行編譯優(yōu)化

A.僅1和2.B.僅1和3C.僅2和3D.1,2,32.微程序控制器

采用存儲器把控制信號存儲起來，依據(jù)指令的執(zhí)行步驟讀出要用到的控制信號。

1）微程序、微指令和微命令

微命令（微操作控制信號）：構(gòu)成控制信號序列的最小單位。例：考題中的PCoutPCin

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

微指令：一條微指令以二進(jìn)制編碼形式存放在控制存儲器的一個單元中，控制各部件完成指令的一個執(zhí)行步驟應(yīng)完成的功能。對應(yīng)于組合邏輯控制器的一個時鐘周期完成的微操作。執(zhí)行一條微指令的時間稱為一個微周期，相當(dāng)于組合邏輯控制器的一個節(jié)拍時間。微程序：由微指令組成的程序。每條機(jī)器指令的執(zhí)行過程由多條微指令組成的微程序解釋執(zhí)行，每條微指令對應(yīng)機(jī)器指令的一個操作步驟。解釋執(zhí)行所有指令的全部微程序保存在控制存儲器中，控制存儲器用ROM芯片實現(xiàn)。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)

2）微指令格式主要包括兩部分

微操作碼字段，又稱為操作控制（控制命令）字段，提供機(jī)器指令的一個執(zhí)行步驟所需的微命令，以控制各部件執(zhí)行該步驟的操作。

微地址碼字段，又稱為順序控制（下地址）字段，用于指定后繼微指令地址的形成方式，控制微程序的自動連續(xù)執(zhí)行（微程序設(shè)計的難點）。

操作控制字段順序控制字段計算機(jī)組成原理天津大學(xué)3）微命令的編碼方式微命令編碼，是對微指令中的操作控制字段采用的表示方法，即將機(jī)器的全部微命令數(shù)字化，組合到微指令字中，通常有以下幾種方法：①直接控制法（不譯法）在微指令的操作控制字段中，每一個微命令都用一位信息表示，對應(yīng)于一種微操作。設(shè)計微指令時，選用或不選用某個微命令，只要將表示該微命令的相應(yīng)位設(shè)置成“1”或“0”就可以了。微命令的產(chǎn)生不必經(jīng)過譯碼，所需的控制信號直接送到相應(yīng)的控制點。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)優(yōu)點：簡單、直觀，微命令的并行控制能力強(qiáng)，編制的微程序短，執(zhí)行速度快。

缺點：微指令字長，而且，對如此長的微指令字，在給定的任何一條微指令中，常常只有少數(shù)幾位置1，造成有效的位空間不能充分利用。

②字段直接編譯法將微指令的控制字段分為若干個小字段，每個小字段分別統(tǒng)一編碼，每種編碼代表一種微命令（分段原則）。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)相斥性微命令分在同一字段內(nèi)，相容性微命令分在不同字段內(nèi)。前者可提高信息位的利用率，縮短微指令字長；后者有利于實現(xiàn)并行操作，加快指令的執(zhí)行速度。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)③字段間接編譯法一個字段的微命令編碼要兼由另一字段的編碼或某個標(biāo)志位加以解釋，以便用較少的信息位表示更多的微命令，可進(jìn)一步縮短微指令字長。

④常數(shù)源字段的設(shè)置如同指令中的直接操作數(shù)一樣，用來提供微程序執(zhí)行過程中所需要的常數(shù)。4）微地址的形成方式解決微程序的連續(xù)執(zhí)行問題，是微程序設(shè)計中要重點解決的問題之一。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)在計算機(jī)中，微程序以編碼（微碼）形式按給定的微指令地址存放在控制存儲器的相應(yīng)單元中。微程序執(zhí)行時，只要依次給出各條微指令的地址，就能使微程序連續(xù)執(zhí)行，直至完成為止。因此，要解決微程序的執(zhí)行順序控制，關(guān)鍵在于當(dāng)前微指令執(zhí)行完畢后，如何確定后續(xù)微指令的地址。后續(xù)微地址的確定，取決于微程序的基本流程。在微程序設(shè)計中充分運用了程序設(shè)計技術(shù)，因而微程序流程中有順序執(zhí)行、轉(zhuǎn)移（條件或無條件），也有微程序分支、微程序循環(huán)、微子程序等。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)根據(jù)對微程序流程的分析，執(zhí)行微程序時，得到下一條將要執(zhí)行的微指令地址有下面三種情況?！び芍噶罴拇嫫鞔_定（機(jī)器指令對應(yīng)的微程序入口地址）·下一順序地址·轉(zhuǎn)移

①微程序入口地址的確定

功能轉(zhuǎn)移（一級、多級），將機(jī)器指令操作碼映射為其對應(yīng)的微程序入口地址。

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)②后繼微指令地址的產(chǎn)生

計數(shù)器方式（增量方式或順序執(zhí)行—轉(zhuǎn)移方式）在微程序控制單元中，設(shè)置一個微程序計數(shù)器μPC，在順序執(zhí)行微指令時，后繼微地址由μPC+1產(chǎn)生。遇到轉(zhuǎn)移時，由微指令給出轉(zhuǎn)移微地址，使微程序按新的順序執(zhí)行。

斷定方式（下址字段法）當(dāng)微程序無分支時，后繼微指令地址由微指令的下址字段直接給出（設(shè)計者指定）。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時，由微指令字的測試判別字段和狀態(tài)條件等修改μAR的若干位來產(chǎn)生后繼微地址，使微程序轉(zhuǎn)移到不同的地方去執(zhí)行。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)優(yōu)點：硬件設(shè)計中引入軟件設(shè)計方法，采用ROM存儲控制信號，容易修改，可擴(kuò)展性好，系列機(jī)的兼容性易于實現(xiàn)，容易實現(xiàn)復(fù)雜的指令系統(tǒng)，主要用于CISC中。

缺點：速度比較慢例：微程序控制器為了確定下一條微指令的地址，通常采用斷定方式，其基本思想是（）A用PC來產(chǎn)生后繼微指令地址B用PC來產(chǎn)生后繼微指令地址C通過微指令的下地址字段和判別字段測試產(chǎn)生后繼微指令地址

μOP測試判別下址計算機(jī)組成原理天津大學(xué)D通過指令中制定一個專門字段來控制產(chǎn)生硬布線和微程序控制器的比較相同：兩個控制器中都有PC、IR；完成相同的控制功能，控制信號基本相同；一條指令的執(zhí)行都分成若干個步驟完成。不同：

控制信號的產(chǎn)生方式，組合邏輯控制器由組合邏輯電路直接給出控制信號；微程序控制器的控制信號是從控存中讀出，并經(jīng)微指令寄存器送到被控部件，前者控制電路復(fù)雜、零亂，而后者比較規(guī)整。

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)組合邏輯控制時序信號比較復(fù)雜（三級時序），微程序控制比較簡單（在微周期中設(shè)置幾個脈沖即可）。

組合邏輯設(shè)計與實現(xiàn)復(fù)雜，微程序設(shè)計與實現(xiàn)簡單。19(09)、相對于微程序控制器，硬布線控制器的特點是A指令執(zhí)行速度慢,指令功能的修改和擴(kuò)展容易B指令執(zhí)行速度慢，指令功能的修改和擴(kuò)展難C指令執(zhí)行速度快,指令功能的修改和擴(kuò)展容易D

指令執(zhí)行速度快，指令功能的修改和擴(kuò)展難

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)例1：下面選項中，描述正確的是（）A微程序控制器與硬布線控制器相比，指令執(zhí)行速度慢B若采用微程序控制方式，則可用PC取代PCC指令周期也稱CPU周期D控制存儲器必須使用RAM例2：機(jī)器指令與微指令之間的關(guān)系是（）

A用若干條微指令實現(xiàn)一條機(jī)器指令B用若干條機(jī)器指令實現(xiàn)一條微指令C用一條微指令實現(xiàn)一條機(jī)器指令D用一條機(jī)器指令實現(xiàn)一條微指令計算機(jī)組成原理天津大學(xué)例3：下列關(guān)于微操作的描述中，不正確的是（）A同一個CPU周期中,相容性微操作可以并行執(zhí)行B同一個CPU周期中,相斥性微操作可以并行執(zhí)行C不同CPU周期，相斥性微操作可以串行執(zhí)行D不同CPU周期，相容性微操作可以串行執(zhí)行例4：某計算機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖所示，寫出實現(xiàn)下列各條指令的微操作序列。ADDR1，NUM，(R1)＋(NUM)→R1；

NUM由指令地址段直接給出。SUBR1，(NUM)，(R1)-((NUM))→R1；NUM在指令的下一個單元中。JMPA，A＝(PC)+D；D由轉(zhuǎn)移指令的地址段給出。

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)計算機(jī)組成原理天津大學(xué)例5：某計算機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖所示，寫出實現(xiàn)ADD(R1)，R2的微操作序列（含取指令及確定后繼指令地址，可不考慮節(jié)拍劃分問題）。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)44(09).某計算機(jī)字長16位，采用16位定長指令字結(jié)構(gòu)，部分?jǐn)?shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖所示圖中所有控制信號為1時表示有效，為0時表示無效，如MDRinE為1表示允許數(shù)據(jù)從DB打入MDR，MDRin為1表示允許數(shù)據(jù)從內(nèi)總線打入MDR，假設(shè)MAR的輸出一直處于使能狀態(tài)。加法指令“ADD（R1),R0”的功能為：（R0）＋（（R1））（R1）即將R0的數(shù)據(jù)與R1的內(nèi)容所指的存儲單元的數(shù)據(jù)相加，并將結(jié)果送入R1的內(nèi)容所指的存儲單元保存。下表給出了上述指令取指和譯碼階段每個節(jié)拍（時鐘周期）的功能和有效控制信號，請按表中描述的方式用表格列出指令執(zhí)行階段每個節(jié)拍的功能和有效控制信號。時鐘功能有效控制信號C1MAR（PC）PCout,MARinC2MDRM(MAR)PC（PC）+1MemR,MDRinEPC+1C3IR(MDR)MDRout,IRinC4指令譯碼無計算機(jī)組成原理天津大學(xué)計算機(jī)組成原理天津大學(xué)E已知某計算機(jī)采用微程序控制方式，其控制存儲器（CM）容量為1024×48位，操作控制字段采用直接控制法，順序控制字段采用斷定方式，微程序流程中有分支處共4個。（1）設(shè)計該機(jī)的微指令格式（2）該機(jī)有多少個微命令

某計算機(jī)采用微程序控制方式，微指令字長28位，操作控制字段采用字段直接編譯法，共有微命令36個，構(gòu)成5個相斥類，各包括3個、4個、7個、8個和14個微命令，順序控制字段采用斷定方式，微程序流程中有分支處共4個（1）設(shè)計該機(jī)的微指令格式（2）控制存儲器的容量應(yīng)為多少？計算機(jī)組成原理天津大學(xué)某機(jī)采用微程序控制器，已知每一條機(jī)器指令的執(zhí)行過程均可分解成8條微指令組成的微程序，該機(jī)指令系統(tǒng)采用6位定長操作碼格式1）控存至少應(yīng)能容納多少條微指令？2）如何確定機(jī)器指令操作碼與該指令微程序入口地址的對應(yīng)關(guān)系？給出具體方案。

解:1）64×８＝５１２

2）微地址9位，可用操作碼直接修改微

地址高6位。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)主存儲器ACacbdALU狀態(tài)寄存器微操作信號發(fā)生器××××+1計算機(jī)組成原理天津大學(xué)上圖是一個簡化的CPU與主存連接結(jié)構(gòu)示意圖（圖中省略了所有的多路選擇器）。其中有一個累加器AC，一個狀態(tài)寄存器和其它4個寄存器：MAR、MDR、PC和IR，各部件及其之間的連線表示的數(shù)據(jù)通路，箭頭表示信息傳送方向。要求：1）請寫出圖中a、b、c、d四個寄存器的名稱2）簡述圖中指令從主存取到控制器的過程3）說明數(shù)據(jù)從主存取出、運算、寫回主存所經(jīng)過的數(shù)據(jù)通路（假定數(shù)據(jù)地址已在MAR中）

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)（五）指令流水線1．指令流水線的基本概念把指令的執(zhí)行過程劃分為若干個復(fù)雜程度相當(dāng)、處理時間大致相等的子過程，每個子過程由一個獨立的功能部件來完成。同一時間多個功能部件同時工作，完成對不同子過程的處理。5個子過程（取指令、指令譯碼、取操作數(shù)、指令執(zhí)行和結(jié)果寫回）流水線的時空圖。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)1）流水線的每一階段完成一條指令的一部分，不同階段并行完成不同指令的不同部分。多個子過程同時運行，占用不同的資源2）流水線并不能縮短單條指令的執(zhí)行時間，但提高了整個系統(tǒng)的吞吐率。當(dāng)指令連續(xù)不斷地輸入流水線時，在流水線的輸出端便連續(xù)不斷地輸出執(zhí)行結(jié)果，從而實現(xiàn)了子過程級的并行性。指令流水線利用了計算機(jī)并行處理技術(shù)中的時間并行技術(shù)，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快指令的執(zhí)行速度。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)2.線性流水線的性能吞吐率（TP）:單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量

n為指令數(shù)，

m為執(zhí)行一條指令的子過程數(shù)（又稱為流水線段數(shù)），

△t為執(zhí)行一個子過程需要的時間。2)加速比（SP）:采用流水線后的工作速度與等功能的非流水線工作速度之比計算機(jī)組成原理天津大學(xué)3)效率（

）:效率是指流水線的設(shè)備利用率。例：設(shè)有100條指令的程序段經(jīng)過上圖所示的指令流水線執(zhí)行，請求出完成該程序段的流水時間，流水線的實際吞吐率、加速比和效率（假定

）。解：流水的總時間

計算機(jī)組成原理天津大學(xué)∵非流水時間∴18（09）、某計算機(jī)指令流水線有四個功能段組成，指令流經(jīng)各功能段的時間（忽略功能段的緩存時間）分別為90、80、70和60ns，則該計算機(jī)的CPU時鐘周期至少是A90nsB80nsC70nsD60ns例：指令流水線有IF（取指）、ID（譯碼）EX（執(zhí)行）、MEM（訪存）、WB（寫回寄存器）五個過程段，共有7條指令連續(xù)輸入此流水線。計算機(jī)組成原理天津大學(xué)（1）畫出流水處理時空圖，假設(shè)時鐘周期100ns

（2）求流水線的實際吞吐率

（3）求流水線處理器的加速比

解：(2)7條指令執(zhí)行時間(5+（7-1))×100=1100ns

吞吐率=7/1100ns(3)流水處理的時鐘周期為5+6=11

非流水處理的時鐘周期為5×7=35

加速比