計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-第5章-控制器課件

第五章

控制器

5.1控制器概述5.2時(shí)序

5.3微程序控制

5.4硬布線控制5.5流水線5.6

CPU實(shí)例

5.1控制器概述

中央處理器主要由運(yùn)算器和控制器組成。依據(jù)控制器的具體組成與運(yùn)行原理的不同，通常把控制器分為微程序控制器和硬布線控制器兩大類。這兩種控制器，指令的執(zhí)行步驟基本相同，其主要差異表現(xiàn)在解決指令執(zhí)行步驟銜接關(guān)系的方案，以及提供每個(gè)執(zhí)行步驟要用到的控制信號(hào)的具體邏輯線路、運(yùn)行速度等方面。

5.1.1控制器的功能

控制器部件是計(jì)算機(jī)的五大功能部件之一，其作用是向計(jì)算機(jī)的每個(gè)部件（包括控制器部）提供協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)。當(dāng)我們使用計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問題時(shí)，必須首先編寫程序，而程序是由很多條指令組成的，這些指令告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該完成什么操作，在哪里找到指令執(zhí)行所需要的數(shù)據(jù)。程序在運(yùn)行之前要裝入到主存儲(chǔ)器中，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成取出指令并執(zhí)行指令，完成這項(xiàng)工作的硬件就是中央處理器。5.1.2控制器的組成

1.控制器的組成為了實(shí)現(xiàn)上述的功能，控制器必須由一些具有不同處理功能的邏輯線路組成，如圖5.1所示。

各種不同類型計(jì)算機(jī)的控制器會(huì)有不少差別，但其基本組成是相同的，控制器主要由以下幾部分組成。（1）程序計(jì)數(shù)器(ProgrammingCounter，PC)

即指令地址寄存器。在某些計(jì)算機(jī)中用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址；而在另一些計(jì)算機(jī)中則用來(lái)存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址；程序計(jì)數(shù)器具有加1或接收新值功能。有兩種方法來(lái)形成指令地址，順序執(zhí)行程序的時(shí)候，通過PC加1或其他固定值來(lái)形成下一條指令的地址。

（2）指令寄存器(InstructionRegister，IR)

指令寄存器用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。當(dāng)指令從主存儲(chǔ)器中取出暫時(shí)存放在指令寄存器后，在執(zhí)行指令的過程中，指令寄存器的內(nèi)容不允許被改變，以保證實(shí)現(xiàn)指令的全部功能。（3）指令譯碼器指令譯碼器又稱為操作碼譯碼器，對(duì)指令寄存器中的指令的操作碼進(jìn)行譯碼分析，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。

（4）脈沖源脈沖源產(chǎn)生一定頻率和寬度的脈沖信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是機(jī)器周期和工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)，在機(jī)器剛加電時(shí)，還應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)總清信號(hào)(Reset)。Reset信號(hào)撤掉后，脈沖源立即按照規(guī)定的頻率重復(fù)發(fā)出方波時(shí)鐘脈沖序列，直到關(guān)閉電源。（5）啟停線路啟停線路也稱為啟?？刂七壿?。電源一旦接通，脈沖源就發(fā)出一定頻率的主時(shí)鐘脈沖，但這并不意味著計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始工作，只有通過啟停線路把計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，主時(shí)鐘脈沖才被允許進(jìn)入，并啟動(dòng)時(shí)序控制信號(hào)形成部件開始工作。啟停線路保證可靠地送出或封鎖時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生或停止，從而啟動(dòng)機(jī)器工作或使機(jī)器停機(jī)。

（6）時(shí)序控制信號(hào)形成部件當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)后，在CLK時(shí)鐘作用下，根據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，并根據(jù)被控功能部件的反饋信號(hào)調(diào)整時(shí)序控制信號(hào)。（7）指令執(zhí)行步驟標(biāo)記線路指明每條指令的執(zhí)行步驟及接續(xù)關(guān)系。（8）中斷控制邏輯中斷控制邏輯的作用是用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯電路。

2.CPU中的寄存器

CPU中的寄存器用來(lái)暫時(shí)存放運(yùn)算和控制過程中的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及控制狀態(tài)信息。CPU中的寄存器分兩大種：通用寄存器和專用寄存器。.通用寄存器通用寄存器的功能很多，可以用來(lái)存放原始操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果，還可以作為變址寄存器、指針寄存器等。

.專用寄存器前面介紹過的程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器等都是專用寄存器，用來(lái)完成特定的功能。該課程中用到的CPU寄存器主要有程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、累加寄存器和狀態(tài)條件寄存器，程序計(jì)數(shù)器和指令寄存器不再重復(fù)，其他幾個(gè)寄存器的功能如下：（1）數(shù)據(jù)寄存器（DR）

數(shù)據(jù)寄存器用來(lái)臨時(shí)存放從主存儲(chǔ)器中取出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字。反過來(lái)，當(dāng)向主存儲(chǔ)器寫入一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也把它們臨時(shí)存放在數(shù)據(jù)寄存器中。（2）地址寄存器（AR）

地址寄存器保存當(dāng)前CPU所訪問的主存儲(chǔ)器單元的地址。由于在CPU和主存之間存在著操作速度上的差異，所以必須要使用地址寄存器來(lái)保持內(nèi)存的地址信息，直到主存儲(chǔ)器存取操作完成為止。

5.1.3指令的執(zhí)行過程

控制器部分最重要的問題是理解指令的分步執(zhí)行，這部分內(nèi)容所涉及的知識(shí)綜合性最強(qiáng)，是本課程最難的部分。要理解與設(shè)計(jì)指令的執(zhí)行步驟，需要了解每條指令的格式與功能，要了解計(jì)算機(jī)各個(gè)功能部件的組成與運(yùn)行原理，以及它們各自的控制與使用方式、它們之間的連接關(guān)系等，要涉及整臺(tái)計(jì)算機(jī)的幾乎全部組成邏輯和運(yùn)行機(jī)制。

⒈指令的執(zhí)行過程一般情況下，一條指令的執(zhí)行過程分為四個(gè)階段：取指令，分析指令，執(zhí)行指令和檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求。（1）取指令把將要執(zhí)行的指令從主存儲(chǔ)器中取出，送往指令寄存器，具體操作如下：①把程序計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容送往地址寄存器AR，然后再送往地址總線。②控制器向主存儲(chǔ)器發(fā)出讀的控制信號(hào)。③從主存儲(chǔ)器中讀出的指令經(jīng)過數(shù)據(jù)總線送往指令寄存器。④程序計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容加1（或其他增量），為取下一條指令做準(zhǔn)備。

（2）分析指令指令取出來(lái)后，指令譯碼器馬上對(duì)指令進(jìn)行分析。指令譯碼器可以識(shí)別和區(qū)分不同的指令以及各自的尋址方式，因?yàn)橹噶钕到y(tǒng)中指令的功能各不相同，所以，分析指令這一階段的差異也很大。

（3）執(zhí)行指令指令分析完了、所需要的操作數(shù)也取出來(lái)后，就到了執(zhí)行指令階段，該階段完成指令所規(guī)定的功能，如對(duì)操作數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果送到指定地址存儲(chǔ)下來(lái)。

（4）檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求最后，CPU檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求，有則響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，沒有則執(zhí)行下條指令。以上四個(gè)階段中，1和4階段是公用的，與具體的指令無(wú)關(guān)。不管什么指令，在運(yùn)行時(shí)首先要取指令到指令寄存器，指令執(zhí)行完了之后總是要檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求。

⒉指令的執(zhí)行過程舉例一個(gè)指令系統(tǒng)中的指令有很多條，不同指令的操作內(nèi)容差異很大，導(dǎo)致指令的執(zhí)行過程都不相同。下面舉兩條指令的執(zhí)行過程。

（1）加法指令的執(zhí)行過程，指令的功能是主存儲(chǔ)器的數(shù)和寄存器中的數(shù)相加，結(jié)果送寄存器。①?gòu)闹鞔鎯?chǔ)器取指令，送入指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼(分析指令)。②計(jì)算數(shù)據(jù)地址，將計(jì)算得到的有效地址送地址寄存器AR。③到主存儲(chǔ)器中取數(shù)。④進(jìn)行加法運(yùn)算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N，Z，V，C以及檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求。

假設(shè)運(yùn)算器的框圖如圖5.2所示。運(yùn)算器由8個(gè)通用寄存器GR及一個(gè)算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU組成。

圖5.3給出了加法指令的操作時(shí)序。

（2）條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過程指令功能：根據(jù)N，Z，V，C的狀態(tài)，決定是否轉(zhuǎn)移。如轉(zhuǎn)移條件成立，則轉(zhuǎn)移到本條指令所指定的地址，否則順序執(zhí)行下一條指令。本條指令完成以下操作：①?gòu)闹鞔鎯?chǔ)器取指令，送入指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼。②如轉(zhuǎn)移條件成立，根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式計(jì)算有效地址，轉(zhuǎn)移指令經(jīng)常采用相對(duì)尋址方式，此時(shí)轉(zhuǎn)移地址＝PC+disp。最后檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求，無(wú)則進(jìn)入下一條指令的執(zhí)行過程。

5.2時(shí)序

5.2.1時(shí)序概述

控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，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，從而完成信息的傳送?？刂破饔袃煞N：硬布線控制器和微程序控制器。這兩種控制器分別在5.3和5.4節(jié)中介紹。CPU中除了控制器外，還必須有時(shí)序產(chǎn)生器。時(shí)序產(chǎn)生器的作用就是對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，在時(shí)間上對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行約束，以便對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

硬布線控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期—節(jié)拍電位—節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。一個(gè)節(jié)拍電位表示一個(gè)CPU周期的時(shí)間，它表示了一個(gè)較大的時(shí)間單位；在一個(gè)節(jié)拍電位中又包含一個(gè)或幾個(gè)具有一定寬度的節(jié)拍脈沖；而主狀態(tài)周期可包含若干個(gè)節(jié)拍電位，所以它是最大的時(shí)間單位。主狀態(tài)周期可以用一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間來(lái)表示。

圖5.4給出了主狀態(tài)周期—節(jié)拍電位—節(jié)拍脈沖三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)。

圖5.4中每個(gè)主狀態(tài)周期M中包括四個(gè)節(jié)拍T1～T4，每個(gè)節(jié)拍內(nèi)有一個(gè)節(jié)拍脈沖P。在微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用節(jié)拍電位—節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。就是說，它只有一個(gè)節(jié)拍電位，在節(jié)拍電位中又包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖。節(jié)拍電位表示一個(gè)CPU周期的時(shí)間，而節(jié)拍脈沖把一個(gè)CPU周期劃分成幾個(gè)較小的時(shí)間間隔。根據(jù)需要，這些時(shí)間間隔可以相等，也可以不等。

下面給出幾個(gè)跟時(shí)序有關(guān)的名詞。1.指令周期從取指令、分析指令、執(zhí)行指令到檢查有無(wú)中斷請(qǐng)求所需的時(shí)間稱謂一條指令的指令周期。

2.機(jī)器周期指令周期往往用若干個(gè)CPU周期數(shù)來(lái)表示，CPU周期也稱為機(jī)器周期。由于CPU本身的速度很快，而CPU訪問一次主存儲(chǔ)器所花的時(shí)間較長(zhǎng)，因此通常用從主存儲(chǔ)器中讀取一個(gè)指令字的最短時(shí)間來(lái)規(guī)定CPU周期。

3.節(jié)拍一個(gè)CPU周期又包含了若干個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期通常稱為節(jié)拍，是處理操作的最基本單位。一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)要完成若干微操作，其中有的可并行執(zhí)行，有的要求順序操作。因此，需要把一個(gè)機(jī)器周期分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱為節(jié)拍電位信號(hào)。節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本操作的時(shí)間，如ALU完成一次正確的運(yùn)算，寄存器間的一次傳送等。

由于不同的機(jī)器周期內(nèi)需要完成的微操作的個(gè)數(shù)及難易程度是不同的，因而不同機(jī)器周期內(nèi)所需要的節(jié)拍數(shù)也不相同。（1）統(tǒng)一節(jié)拍法。以最復(fù)雜的機(jī)器周期為準(zhǔn)來(lái)定出節(jié)拍數(shù)，每一節(jié)拍時(shí)間的長(zhǎng)短也以最繁瑣的微操作為準(zhǔn)，這種方法使得所有的機(jī)器周期長(zhǎng)度相等，并且每一機(jī)器周期內(nèi)含有相同數(shù)目的節(jié)拍，因此稱為定長(zhǎng)機(jī)器周期。

（2）分散節(jié)拍法。按照機(jī)器周期實(shí)際的需要安排節(jié)拍數(shù)，需要多少個(gè)節(jié)拍就提供多少個(gè)節(jié)拍，由于各個(gè)機(jī)器周期長(zhǎng)度不同，故稱為不定長(zhǎng)機(jī)器周期，這種方式的時(shí)間利用率比上一種要高。（3）延長(zhǎng)節(jié)拍法。在照顧多數(shù)機(jī)器周期要求的前提下，選取適當(dāng)?shù)墓?jié)拍數(shù)作為基本節(jié)拍。若某個(gè)機(jī)器周期內(nèi)按規(guī)定的基本節(jié)拍數(shù)無(wú)法完成該周期的全部微操作，則可延長(zhǎng)節(jié)拍。

（4）時(shí)鐘周期插入。某些微型機(jī)的時(shí)序信號(hào)中不設(shè)置節(jié)拍，直接使用時(shí)鐘周期信號(hào)。一個(gè)機(jī)器周期中含有若干個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期的數(shù)目取決于機(jī)器周期內(nèi)完成微操作數(shù)目的多少以及相應(yīng)功能部件的速度。一個(gè)機(jī)器周期的基本時(shí)鐘周期數(shù)確定之后，還可以不斷插入等待時(shí)鐘周期。

5.2.2時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器

各種計(jì)算機(jī)的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路是不盡相同的。一般來(lái)說，大、中型計(jì)算機(jī)的時(shí)序電路比較復(fù)雜，而小、微型計(jì)算機(jī)的時(shí)序電路比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)榍罢呱婕暗牟僮鲃?dòng)作比較多，后者涉及的操作動(dòng)作較少。另一方面，從設(shè)計(jì)操作控制器的方法來(lái)講，硬布線控制器的時(shí)序電路比較復(fù)雜，而微程序控制器的時(shí)序電路比較簡(jiǎn)單。然而不管是哪一類，時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器的基本構(gòu)成是一樣的。下面以微程序控制器為例來(lái)說明的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器的組成。

微程序控制器中使用的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)圖如圖5.5所示，它由時(shí)鐘脈沖源、環(huán)行脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序譯碼邏輯、啟?？刂七壿嫷炔糠纸M成。

1.時(shí)鐘脈沖源時(shí)鐘脈沖源用來(lái)為環(huán)行脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。它通常由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成，其輸?shù)剿椭镰h(huán)行脈沖發(fā)生器。2.環(huán)行脈沖發(fā)生器環(huán)行脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過譯碼電路來(lái)產(chǎn)生最后所需要的節(jié)拍脈沖。環(huán)行脈沖發(fā)生器有兩種形式，一種是采用普通計(jì)數(shù)器，一種是采用循環(huán)移位寄存器。由于前者容易在節(jié)拍脈沖上帶來(lái)干擾毛刺，所以通常采用循環(huán)移位寄存器形式。

圖5.6是一種典型的環(huán)行脈沖發(fā)生器及其譯碼邏輯，它采用循環(huán)移位寄存器形式。

3.節(jié)拍脈沖和讀／寫時(shí)序的譯碼環(huán)行脈沖發(fā)生器及其譯碼邏輯的上半部示出了節(jié)拍脈沖和讀／寫時(shí)序的譯碼邏輯。

4.啟?？刂七壿嫏C(jī)器一旦接通電源，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生原始的節(jié)拍脈沖信號(hào)Tｏ1～Tｏ4。然而，只有在啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行的情況下，才允許時(shí)序產(chǎn)生器發(fā)出CPU工作所需要的節(jié)拍脈沖T1～T4。為此需要由啟停控制邏輯來(lái)控制Tｏ1～Tｏ4的發(fā)送。同樣，對(duì)讀／寫時(shí)序信號(hào)也需要由啟停邏輯加以控制。啟停控制邏輯的核心是一個(gè)運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器（Cr），如圖5.7所示。

5.2.3控制器的控制方式

控制器的控制方式是指控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法，主要有四種：1.同步控制方式在程序運(yùn)行時(shí)任何指令的執(zhí)行或指令中每個(gè)操作的執(zhí)行都受事先確定的時(shí)序信號(hào)所控制，每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著一個(gè)操作或一條指令已經(jīng)完成，隨即開始執(zhí)行后續(xù)的操作或自動(dòng)轉(zhuǎn)向下一條指令的執(zhí)行。各指令所需要的時(shí)序信號(hào)由控制器統(tǒng)一發(fā)出，所有微操作都與時(shí)鐘同步。

2.異步控制方式各操作不用統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制，而是每條指令、每個(gè)操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間，其特點(diǎn)是：當(dāng)控制器發(fā)出進(jìn)行某一操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的“回答”信號(hào)或“結(jié)束”信號(hào)，再開始新的操作，稱為異步控制方式。

3.聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式是同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。

4.人工控制為了調(diào)試機(jī)器和軟件開發(fā)的需要，在計(jì)算機(jī)面板或內(nèi)部往往設(shè)置一些開關(guān)或按鍵以進(jìn)行人工控制。最常見的有Reset按鍵、連續(xù)執(zhí)行或單條指令執(zhí)行的轉(zhuǎn)換開關(guān)、符合停機(jī)開關(guān)等。

5.3微程序控制

5.3.1微程序概述

在計(jì)算機(jī)中，一條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，這些基本操作稱為微操作。在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將由同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令，所以微指令就是把同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)的有關(guān)信息匯集起來(lái)而形成的。將一條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(shí)現(xiàn)指令的功能。組成微指令的微操作，又稱為微命令。

5.3.2微程序控制器的基本原理

⒈微程序控制器的基本原理在微程序CPU的機(jī)器中，執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲(chǔ)器中的微程序。而微程序的執(zhí)行是在微程序控制器的控制下完成的。圖5.8給出了一個(gè)微程序控制器的簡(jiǎn)單框圖。

每一條微指令對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令的一個(gè)執(zhí)行步驟，這條微指令需要具有兩項(xiàng)功能：（1）提供一條機(jī)器指令的一個(gè)執(zhí)行步驟所需要的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)該執(zhí)行步驟的操作功能。（2）提供讀出下一條待執(zhí)行微指令的地址，以便自動(dòng)有序地讀出每一條微指令，解決機(jī)器指令執(zhí)行步驟之間的正確的接續(xù)關(guān)系。

⒉控制信號(hào)以加法指令的執(zhí)行過程，分析每個(gè)階段需要什么控制信號(hào)。一條加法指令的執(zhí)行過程分成了四個(gè)階段，每一個(gè)階段對(duì)應(yīng)一條微指令，即該加法指令由四條微指令解釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號(hào)是同時(shí)發(fā)出的。例如：加法指令如下：ADDR0，R1，dispR0，R1為寄存器，disp為偏移量。指令的功能是R0寄存器中的數(shù)據(jù)和主存中的一個(gè)數(shù)相加之后和放在R0寄存器中。主存中的數(shù)據(jù)的地址為（R1）+disp。

每條微指令所需的控制信號(hào)如下：(1)取指微指令①

指令地址送地址總線：PC→AB。②

發(fā)訪存控制命令：

M／IO＝1，W／R＝0。從主存儲(chǔ)器取指令送數(shù)據(jù)總線。③

指令送指令寄存器：DB→IR。④程序計(jì)數(shù)器+1：PC+1。

取指微指令的執(zhí)行過程如圖5.9所示。

(2)計(jì)算地址微指令①

取兩個(gè)源操作數(shù)(用作計(jì)算地址)：（R1)→DA1，（DA1）→ALU，disp→DA2，（DA2）→ALU。②

加法運(yùn)算：“+”。③有效地址送地址寄存器：ALU→AR。

計(jì)算地址微指令的執(zhí)行過程如圖5.10所示。

(3)取數(shù)微指令①

數(shù)據(jù)地址送地址總線：AR→AB。②

發(fā)訪存控制命令：

M／IO=1，W/R=0。由主存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DB。③數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器：DB→DA2。

取數(shù)微指令的執(zhí)行過程如圖5.11所示。

(4)加法運(yùn)算和送結(jié)果微指令①

兩源操作數(shù)送ALU：（R0）→DA1，(DA1)→ALU；（DA2）→ALU。②

加法運(yùn)算：“+”。③送結(jié)果：ALU→R0。

加法運(yùn)算和送結(jié)果微指令的執(zhí)行過程如圖5.12所示。

指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號(hào)見表5.1。表5.1控制信號(hào)表5.1續(xù)微程序也可以用流程圖來(lái)表示(圖5.13)。圖5.13中每一方框表示一條微指令，方框上方表示的是該條微指令的地址，方框內(nèi)為執(zhí)行的操作，在其右下角為下一條要執(zhí)行的微指令的地址，表示在微指令的下址字段中。取指微指令的操作對(duì)所有的指令都是相同的。所以是一條公用的微指令，其下址由操作碼譯碼產(chǎn)生。

⒊AM2900系列芯片構(gòu)成的微程序CPUAM2900系列是AMD公司于70年代推出的位片式集成電路，可構(gòu)成如圖5.14所示的系統(tǒng)。

AM2901為4位運(yùn)算部件，包含4位ALU及16個(gè)4位通用寄存器，本系統(tǒng)將其中一個(gè)寄存器用作程序計(jì)數(shù)器PC。AM2902是為了加速進(jìn)位而采用的集成電路。AM2910為微程序控制器，用于產(chǎn)生下一條微指令地址，可尋址4K字的控制存儲(chǔ)器。圖5.14中的MAP為操作碼譯碼器產(chǎn)生本條指令的微程序入口地址。

圖5.15是AM2910內(nèi)部組成框圖。

表5.2給出了Am2910所完成的功能

5.3.3微程序的設(shè)計(jì)

1.微指令的編碼法（1）直接控制法在微指令的控制字段中，每一位代表一個(gè)微命令，在設(shè)計(jì)微指令時(shí)，是否發(fā)出某個(gè)微命令，只要將控制字段中相應(yīng)位置成“1”或“0”，這樣就可打開或關(guān)閉某個(gè)控制門，這就是直接控制法。

（2）最短編碼法這種編碼方法使得微指令字長(zhǎng)最短，把所有的微命令統(tǒng)一進(jìn)行編碼，每條微指令只定義一個(gè)微命令。

（3）字段直接編碼法字段編碼法是直接控制法和最短編碼法的折衷，既具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，又避免了兩者的缺點(diǎn)，把控制字段分成若干小段，段內(nèi)采用最短編碼法，段與段之間采用直接編碼法。

（4）字段間接編碼法字段間接編碼法是在字段直接編碼法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)的一種編碼法。如果在字段直接編碼法中，還規(guī)定一個(gè)字段的某些微命令，要兼由另一字段中的某些微命令來(lái)解釋，稱為字段間接編譯法。

2.后繼微地址的形成方式當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令，稱為現(xiàn)行微指令，現(xiàn)行微指令所在的控制存儲(chǔ)器單元的地址稱為現(xiàn)行微地址，現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，下一條要執(zhí)行的微指令稱為后繼微指令，后繼微指令所在的控存單元地址稱為后繼微地址。前面我們已經(jīng)用到兩種產(chǎn)生后繼微指令地址的方法：(1)由指令操作碼譯碼器產(chǎn)生后繼微地址。(2)由微指令的下址字段指出后繼微地址。

3.微指令格式微指令的編碼法是決定微指令格式的主要因素，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)考慮到速度價(jià)格等因素采用不同的編碼法，即使在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，也有幾種編碼法并存的局面存在。（1）水平型微指令水平型微指令是指在一條微指令中定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令。

（2）垂直型微指令在微指令中設(shè)置有微操作碼字段，采用微操作碼編碼法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。

（3）混合型微指令對(duì)于實(shí)際的計(jì)算機(jī)來(lái)說，很少有只采用一種格式的微指令，通常是采用具有兩者特點(diǎn)的微指令格式，把這種微指令稱為混合型微指令?；旌闲臀⒅噶畹淖珠L(zhǎng)不太長(zhǎng)，但具有一定的并行控制能力，可提高指令執(zhí)行的速度。

4.微指令的執(zhí)行方式一條微指令的執(zhí)行過程跟指令的執(zhí)行過程很相似，分成兩個(gè)階段：取微指令和執(zhí)行微指令。首先把微指令從控制存儲(chǔ)器中取出，如果是垂直型微指令還應(yīng)該有微操作碼的譯碼，接下來(lái)執(zhí)行微指令所規(guī)定的操作。微指令的執(zhí)行方式有兩種：串行方式和并行方式，類似于指令的順序執(zhí)行方式和重疊執(zhí)行方式。

5.動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)通常，一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)有一系列固定的微程序，當(dāng)微程序被設(shè)計(jì)好后，不允許改變，這樣的微程序設(shè)計(jì)稱為靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)。若在一臺(tái)微程序控制的計(jì)算機(jī)中，假如能根據(jù)用戶的要求改變微程序，那么這臺(tái)機(jī)器就具有動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)功能。動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是為了使計(jì)算機(jī)能更靈活、更有效地適應(yīng)于各種不同的應(yīng)用目標(biāo)。

6.毫微程序設(shè)計(jì)的基本概念毫微程序可以看作是用以解釋微程序的一種微程序，因此組成毫微程序的毫微指令就可看作是解釋微指令的微指令。采用毫微程序設(shè)計(jì)的主要目的是減少控制存儲(chǔ)器的容量(字?jǐn)?shù)×位數(shù)/字)，采用的是兩級(jí)微程序設(shè)計(jì)方法。通常第一級(jí)采用垂直微程序，第二級(jí)采用水平微程序。

7.微程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)者或其他用戶用來(lái)編制微程序的語(yǔ)言叫做微程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用微程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制的程序叫做源微程序。源微程序不能直接裝入控制存儲(chǔ)器，要將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼后才能裝入控制存儲(chǔ)器。將源微程序翻譯成二進(jìn)制碼的程序叫做微編譯程序。

5.4硬布線控制

硬布線控制器，又稱為組合邏輯控制器，與微程序控制器共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)通用的兩大類控制器。

它的基本運(yùn)行原理是，把指令操作碼、指令執(zhí)行步驟編碼或許還有其他的控制條件作為輸入，使用大量的組合邏輯門線路，直接提供出控制計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)。

5.4.1硬布線控制器的組成和基本原理

1.硬布線控制器的組成硬布線控制器的組成如圖5.16所示。

硬布線控制器主要是由5個(gè)主要部件組成的：（1）程序計(jì)數(shù)器PC用于保存一條指令在主存中的地址，服務(wù)于讀取指令，通常有自行增量功能，并可以接收下條要執(zhí)行指令的地址。

（2）指令寄存器IR用于保存從主存讀來(lái)的指令內(nèi)容，以便提供執(zhí)行指令的過程中要用到的指令本身的主要信息。

（3）脈沖源、啟?？刂七壿嫼凸?jié)拍發(fā)生器脈沖源和啟?？刂齐娐酚糜谙蛴?jì)算機(jī)各部件提供連續(xù)（單個(gè)）的主振脈沖，節(jié)拍發(fā)生器則用于標(biāo)記出每條指令的各執(zhí)行步驟的相對(duì)次序關(guān)系。（4）硬布線邏輯即時(shí)序控制信號(hào)的產(chǎn)生部件。它依據(jù)指令的操作碼、指令的執(zhí)行步驟（節(jié)拍狀態(tài)），也許還有些別的條件信號(hào)作為輸入，使用許多的組合邏輯門電路來(lái)形成并提供出計(jì)算機(jī)各部件當(dāng)前時(shí)刻要用到的控制信號(hào)。

（5）譯碼器如指令的操作碼為7位，則允許計(jì)算機(jī)最多設(shè)置128條指令，譯碼器的最基本形式為：以7位操作碼為輸入，在輸出的128條線中，在任何時(shí)候只有1根為高電位，其余均為低電位(或只有1根為低電位，其余均為高電位)，每1根輸出線代表一條指令。

2.時(shí)序與節(jié)拍一條指令的實(shí)現(xiàn)可分成取指、計(jì)算地址、取數(shù)及執(zhí)行等幾個(gè)步驟。硬布線控制器中指令不同的執(zhí)行步驟是用節(jié)拍來(lái)區(qū)分的，需要為指令的每一個(gè)執(zhí)行步驟分配確定的節(jié)拍狀態(tài)編碼，執(zhí)行完一個(gè)節(jié)拍的操作后，要從當(dāng)前的狀態(tài)變換為下一個(gè)節(jié)拍狀態(tài)，表明本節(jié)拍操作的結(jié)束和一個(gè)新的節(jié)拍操作的開始。在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi),要完成很多個(gè)微操作，這些微操作有的同時(shí)進(jìn)行，有的需要按一定次序進(jìn)行。因此把一個(gè)機(jī)器周期分成很多個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱為節(jié)拍電位信號(hào)。

在大部分情況下，指令的每一步由一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，如何區(qū)分一條指令的四個(gè)機(jī)器周期呢?可以考慮用兩位計(jì)數(shù)器的譯碼輸出來(lái)表示當(dāng)前所處的機(jī)器周期，如圖5.17所示。

或用四位觸發(fā)器來(lái)分別表示四個(gè)周期，當(dāng)機(jī)器處于某一周期時(shí)，相應(yīng)的觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，而其余三個(gè)觸發(fā)器則處于“0”狀態(tài)，四位移位寄存器即可實(shí)現(xiàn)此功能。

例如，執(zhí)行A指令時(shí)需要四個(gè)機(jī)器周期，因此計(jì)數(shù)器的變化規(guī)律是00→01→10→11；而執(zhí)行B指令時(shí)僅需要三個(gè)機(jī)器周期(例如不用計(jì)算地址)，則計(jì)數(shù)器的變化規(guī)律為00→10→11，據(jù)此可列出真值表(表5.3)。

根據(jù)真值表列出表達(dá)式，對(duì)于A指令，其表達(dá)式為 cyA′＝cyAcyB+cyAcyB； cyB′＝cyAcyB+cyAcyB＝cyB。 對(duì)于B指令，其表達(dá)式為 cyA′＝cyAcyB+cyAcyB＝cyB； cyB′＝cyAcyB。

根據(jù)表達(dá)式得出邏輯圖5.18。

3.控制信號(hào)的產(chǎn)生指令由操作碼與地址碼兩部分組成，其中操作碼表示當(dāng)前正在執(zhí)行的是什么指令。各條指令所需實(shí)現(xiàn)的操作隨指令而異。假如操作碼有7位，則最多可表示128條指令，一般在機(jī)器內(nèi)設(shè)置一個(gè)指令譯碼器，其輸入為操作碼(7位)，輸出有128根線。由譯碼器的輸出和機(jī)器周期狀態(tài)cy1～cy4作為輸入，使用邏輯電路產(chǎn)生操作控制信號(hào)，其框圖如圖5.19所示。

加法指令的第一個(gè)周期是取指周期，所需的控制信號(hào)如前所述，用邏輯式來(lái)表示。PC→AB＝加法指令·cy1 ADS＝加法指令·cy1·T1 M/IO＝加法指令·cy1 W/R＝加法指令·cy1 DB→IR＝加法指令·cy1 PC+1＝加法指令·cy1

在計(jì)算地址周期cy2完成有效地址的計(jì)算((rs1)+Disp)，為此要將rs1的內(nèi)容取出與IR中的位移量一起送ALU，發(fā)出rs1→GR(送通用寄存器地址)，(rs1)→ALU，Disp→ALU以及“+”命令，最后將運(yùn)算結(jié)果送地址總線，發(fā)出ALU→AR信號(hào)。寫列出邏輯表達(dá)式

rs1→GR＝加法指令·cy2 (rs1)→ALU＝加法指令·cy2

…ALU→AR＝加法指令·cy2

邏輯圖5.16只考慮了加法指令計(jì)算有效地址時(shí)的一種情況。然后按同樣方法列出后面兩個(gè)機(jī)器周期所需產(chǎn)生的控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。

對(duì)每一條指令都進(jìn)行同樣的分析，得出邏輯表達(dá)式。對(duì)所有指令的全部表達(dá)式進(jìn)行綜合分析后可得出下述結(jié)論：(1)取指周期cy1所產(chǎn)生的信號(hào)，對(duì)所有指令都是相同的，即與當(dāng)前執(zhí)行的指令無(wú)關(guān)，邏輯式得到最簡(jiǎn)單的形式。(2)通常，同一個(gè)控制信號(hào)在若干條指令的某些周期(或再加上一些條件)中都需要，為此需要把它們組合起來(lái)。

(3)同種類型的指令所需的控制信號(hào)大部分是相同的，僅有少量區(qū)別。整個(gè)算術(shù)邏輯運(yùn)算指令僅ALU的操作命令以及是否置狀態(tài)位(N，Z，V，C)上有差別。

(4)在確定指令的操作碼時(shí)(即對(duì)具體指令賦于二進(jìn)制操作碼)，為了便于邏輯表達(dá)式的化簡(jiǎn)以減少邏輯電路數(shù)量，往往給予特別關(guān)注。

例如，某機(jī)有128條指令，7位操作碼，其中有十六條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，那么可以令這些指令的高三位操作碼完全相等，低4位不同，用來(lái)表示16條不同的算術(shù)邏輯運(yùn)算指令。表5.4是Sun4工作站CPU(SPARC)部分指令的操作碼。該機(jī)器的操作碼有8位，表中僅列出7位操作碼，對(duì)于表內(nèi)所列指令，另一位操作碼均為1，因此沒有標(biāo)出。

5.4.2硬布線控制和微程序控制的比較

硬布線控制與微程序控制之間的既有相同的地方也有不同的地方。1.相同點(diǎn)都用于控制指令的執(zhí)行過程，并且使用幾乎相同的執(zhí)行步驟和幾乎完全相同的控制信號(hào)，來(lái)完成對(duì)控制器之外的其他各功能部件的控制作用。

2.不同點(diǎn)硬布線控制與微程序控制之間實(shí)質(zhì)性的差別在于處理指令各執(zhí)行步驟的接續(xù)關(guān)系的方案和給出時(shí)序控制信號(hào)的辦法完全不同，從而造成控制器的具體組成和運(yùn)行原理、運(yùn)行性能上的一些差異。

硬布線控制與微程序控制之間的最顯著差異可歸結(jié)為兩點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲(chǔ)器和存放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的，而硬布線控制則由邏輯門組合實(shí)現(xiàn)。前者電路比較規(guī)整，各條指令控制信號(hào)的差別反映在控制存儲(chǔ)器的內(nèi)容上，因此無(wú)論是增加或修改指令只要增加或修改控存內(nèi)容即可，若控存是ROM，則要更換芯片。

（2）性能在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控制的速度低，那是因?yàn)閳?zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而硬布線邏輯主要取決于電路延遲，速度比微程序控制器快。隨著新一代機(jī)器以及VLSI的發(fā)展，硬布線控制器又得到了重視和應(yīng)用。

5.5流水線

5.5.1重疊執(zhí)行和相關(guān)處理

1.重疊執(zhí)行方式一條指令的執(zhí)行過程可分成很多個(gè)階段，具體的分段要視各種處理機(jī)的情況而定。為了簡(jiǎn)單起見，我們把一條指令的執(zhí)行過程分成取指令、分析指令與執(zhí)行指令三個(gè)階段，從時(shí)間上看如圖5.21所示。

指令的執(zhí)行方式可以有順序執(zhí)行方式和重疊執(zhí)行方式兩種。指令的順序執(zhí)行方式是指各條機(jī)器指令之間順序串行地執(zhí)行，執(zhí)行完一條指令后才取出下一條指令來(lái)執(zhí)行，而且若采用微程序的CPU，每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的各條微指令也是順序串行執(zhí)行的，如圖5.22所示。

指令的另一種解釋方式是重疊執(zhí)行方式，在執(zhí)行第k條指令的操作完成之前，就可開始第k+1條指令的執(zhí)行。如圖5.23所示。重疊執(zhí)行方式有兩種：一次重疊執(zhí)行方式和二次重疊執(zhí)行方式。一次重疊執(zhí)行方式是最簡(jiǎn)單的重疊方式，把第k條指令的執(zhí)行階段和第k+1條指令的取指階段重疊在一起，即這兩個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行。

二次重疊執(zhí)行方式是把第k條指令的執(zhí)行階段和第k+1條指令的分析以及第k+2條指令的取指階段重疊在一起，即這三個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行。如圖5.24所示。

2.相關(guān)處理當(dāng)一段程序的鄰近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)后，為了避免出錯(cuò)而使它們不能同時(shí)被執(zhí)行的現(xiàn)象稱之為“相關(guān)”。相關(guān)有兩大類：指令相關(guān)和操作數(shù)相關(guān)。指令相關(guān)是指第k條指令執(zhí)行的結(jié)果會(huì)影響第k+1條指令內(nèi)容而產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)，造成第k條指令和第k+1條指令不能同時(shí)執(zhí)行。操作數(shù)相關(guān)是指在第k條指令和第k+1條指令的數(shù)據(jù)地址之間發(fā)生關(guān)聯(lián)，而使得第k條指令和第k+1條指令不能同時(shí)執(zhí)行。

5.5.3流水線工作原理

一條指令的“分析”與“執(zhí)行”兩個(gè)階段，分別在獨(dú)立的分析部件和執(zhí)行部件上進(jìn)行。因此，不必等一條指令的“分析”、“執(zhí)行”階段都完成才送入下一條指令，而是分析部件在完成一條指令的“分析”階段時(shí)，就可開始下一條指令的“分析”階段。若“分析”與“執(zhí)行”子過程都需要⊿t的時(shí)間，則如圖5.25所示，就一條指令的執(zhí)行來(lái)看，需要2⊿t才能完成，但從機(jī)器的輸出來(lái)看，每隔⊿t就能完成一條指令的執(zhí)行。

如圖5.26所示，把“分析”階段再細(xì)分成“取指令”、“指令譯碼”和“取操作數(shù)”3個(gè)階段，并改進(jìn)運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)以加快其“執(zhí)行”階段。這4個(gè)子過程分別由獨(dú)立的子部件實(shí)現(xiàn)，讓指令經(jīng)過各子部件的時(shí)間都相同。

如果能把一條指令的執(zhí)行分解成時(shí)間大致相等的N個(gè)子階段，如圖5.27所示，則流水線的最大吞吐率會(huì)進(jìn)一步提高。

在計(jì)算機(jī)實(shí)際的流水線中，各子部件經(jīng)過的時(shí)間會(huì)有差異。為解決這些子部件處理速度的差異，一般在子部件之間需設(shè)置高速接口鎖存器。如圖5.28所示。

由于流水線是同時(shí)解釋更多條指令的，因此相關(guān)狀況要比重疊機(jī)器的更復(fù)雜、更嚴(yán)重，如果處理不當(dāng)，就會(huì)使流水線效率顯著下降。指令相關(guān)、主存操作數(shù)相關(guān)和通用/變址寄存器組操作數(shù)相關(guān)由于只影響相關(guān)的兩條或幾條指令，或至多影響流水線某些段的推后工作，并不會(huì)改動(dòng)指令緩沖器中預(yù)取到的指令內(nèi)容，影響是局部的，因此被稱之為局部性相關(guān)。

例如，在圖5.29的4段流水線中，假如第2條指令的操作數(shù)地址即為第一條指令保存結(jié)果的地址，那么取操作數(shù)2的動(dòng)作需要等待⊿t時(shí)間才能進(jìn)行，否則取得的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，這種情況稱為數(shù)據(jù)相關(guān)，該數(shù)據(jù)可以是存放在存儲(chǔ)器中或通用寄存器中，分別稱為存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)相關(guān)或寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)。

此時(shí)流水線中指令流動(dòng)情況將如圖5.30所示。

轉(zhuǎn)移指令和其后的指令之間存在關(guān)聯(lián)，使之不能同時(shí)解釋，其造成的對(duì)流水線機(jī)器的吞吐率和效率下降的影響要比指令相關(guān)、主存操作數(shù)相關(guān)和通用/變址寄存器操作數(shù)相關(guān)嚴(yán)重得多，它可能會(huì)造成流水線中很多已被解釋的指令作廢，重新預(yù)取指令進(jìn)