計算機組成原理 主編： 石磊 教授 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院計算機系 2 第一章 概述 第二章 計算機中的數(shù)據(jù)表示 第三章 運算方法和運算器 第四章 存儲器及存儲系統(tǒng) 第五章 指令系統(tǒng) 第六章 中央處理器 第七章 總線系統(tǒng) 第八章 輸入輸出系統(tǒng) 第九章 計算機外部設(shè)備 第十章 計算機系統(tǒng)及發(fā)展 目錄 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 3頁 第 6章 中央處理器 計算機組成原理 清華大學(xué)出版社教學(xué)目標(biāo) 教學(xué)重點 教學(xué)過程 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 4頁 教學(xué)目標(biāo) 掌握 掌握控制器的組織方式 掌握程序控制基本思想 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 5頁 教學(xué)重點 中央處理器的總體結(jié)構(gòu) 指令的執(zhí)行與時序產(chǎn)生器 微程序設(shè)計技術(shù)和微程序控制器 硬布線控制器與門陳列控制器 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 6頁 教學(xué)過程 央處理器的總體結(jié)構(gòu) 令的執(zhí)行與時序產(chǎn)生器 程序設(shè)計技術(shù)與微程序控制器 布線控制器與門陣列控制器 水 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 7頁 央處理器的總體結(jié)構(gòu) 在計算機系統(tǒng)中，中央處理器 制器是整個系統(tǒng)的指揮中心，在控制器的控制之下，運算器、存儲器和輸入輸出設(shè)備等部件構(gòu)成了一個有機的整體。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 8頁 央處理器的總體結(jié)構(gòu) 當(dāng)代主流計算機所遵循的仍然是 馮 “ 存儲程序 、 程序控制 ” 思想 程序告訴計算機： 應(yīng)該逐步執(zhí)行什么操作；在什么地方找到用來操作的數(shù)據(jù) ， 結(jié)果存到何處 等 中央處理器是控制計算機自動完成取出指令和執(zhí)行指令任務(wù)的部件 。 它是計算機的核心部件 ， 通常簡稱為 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 9頁 央處理器的功能與組成 (1/5) 一、 （ 1）程序控制 保證機器按一定順序執(zhí)行程序是 （ 2）操作控制 一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現(xiàn)的。 （ 3）時間控制 對各種操作實施時間上的控制稱為時間控制。 各種指令的操作信號均受到時間的嚴(yán)格控制； 一條指令的整個執(zhí)行過程也受到時間的嚴(yán)格控制。 （ 4）數(shù)據(jù)加工 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 10頁 央處理器的功能與組成 (2/5) 二、控制器的功能（基本功能） 控制器的基本功能就是負(fù)責(zé)指令的讀出，進(jìn)行識別和解釋，并指揮協(xié)調(diào)各功能部件執(zhí)行指令。 三、程序控制原理 1、編程 2、送內(nèi)存（通過輸入設(shè)備） 3、機器工作時，是按一定的序列逐條取出指令，分析指令，執(zhí)行指令，并自動轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行，直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。 4、程序控制由控制器承擔(dān)，程序存儲由存儲器完成。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 11頁 央處理器的功能與組成 (3/5) 四、控制器邏輯結(jié)構(gòu)的 3種組織方法 (1) 常規(guī)組合邏輯法 (或稱隨機邏輯法 )； 分立元件時代的產(chǎn)物；方法是按邏輯代數(shù)的運算規(guī)則，以組合電路最小化為原則，用邏輯門電路實現(xiàn)；不規(guī)整，可靠性低，造價高。 (2) 可編程邏輯陣列 (； 與前者本質(zhì)相同，工藝不同； 用大規(guī)模集成電路 (實現(xiàn)。 (3) 微程序控制邏輯法。 將程序設(shè)計的思想方法引入控制器的控制邏輯；將各種操作控制信號以編碼信息字的形式存入控制存儲器中（ 一條機器指令對應(yīng)一道微程序，機器指令執(zhí)行的過程就是微程序執(zhí)行的過程。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 12頁 央處理器的功能與組成 (4/5) 五、 （ 1）指令部件 程序計數(shù)器 (指令寄存器 (指令譯碼器（ 程序狀態(tài)寄存器（ 地址形成部件等。 （ 2）時序部件 時序部件就是用來產(chǎn)生各部件所需要的定時控制信號的部件。時序信號一般由工作周期，工作節(jié)拍及工作時標(biāo)脈沖三級時序信號構(gòu)成。 （ 3）微操作控制線路 微操作是指計算機中最基本的操作；微操作控制邏輯，用來產(chǎn)生機器所需的全部的微操作信號。微操作控制邏輯的作用是把操作碼譯碼器輸出的控制電位，時序信號以及各種控制條件進(jìn)行組合，按一定時間順序產(chǎn)生并發(fā)出一系列微操作控制信號，以完成指令規(guī)定的全部操作。 （ 4）中斷控制邏輯 中斷控制邏輯用來控制中斷處理的硬件邏輯。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 13頁 央處理器的功能與組成 (5/5) 去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù) 對各功能部件產(chǎn)生控制 址形成部件 時序部件 操作信號產(chǎn)生器 . . . . 圖 6制器基本結(jié)構(gòu) C 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 14頁 作控制器與時序產(chǎn)生器 根據(jù)設(shè)計方法不同，操作控制器可分為： 時序邏輯型 稱為硬布線控制器，采用時序邏輯技術(shù)實現(xiàn)； 存儲型 稱為微程序控制器，采用存儲邏輯來實現(xiàn)的； 時序邏輯與存儲邏輯結(jié)合型。 前兩種方式的組合。重點介紹微程序控制器。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 15頁 令的執(zhí)行與時序產(chǎn)生器 令周期 序產(chǎn)生器 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 16頁 令周期 (1/18) 要完成一系列的操作，這一系列操作所需的時間通常叫做一個指令周期。更簡單地說，指令周期是取出并執(zhí)行一條指令的時間。 指令周期常常用若干個 而一個 常稱為節(jié)拍脈沖或 處理操作的最基本單位）。 計算機的程序執(zhí)行過程實際上是不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令的過程。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 17頁 令周期 (2/18) 一、基本工作過程 主要是指執(zhí)行指令的過程。計算機執(zhí)行指令的過程可以分為三個階段：取指令；分析指令；執(zhí)行指令。 1、取指令 (1) ( 2) (1(3) 讀操作（將 發(fā)出 (4) (指令譯碼器對操作碼字段 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 18頁 令周期 (3/18) 一、基本工作過程 2、分析指令 (1) 別和區(qū)分不同的指令類別； (2) 取操作數(shù)的方法。 例如，假設(shè)目前在 （ 中 先由其它指令已送入了內(nèi)容。分析指令階段能得到兩個結(jié)果： 這是一條加法指令； 源點操作數(shù)是寄存器間接尋址方式，操作數(shù)在內(nèi)存中，有效地址是（ 終點操作數(shù)是寄存器直接尋址，操作數(shù)是 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 19頁 令周期 (4/18) 一、基本工作過程 又如，若目前在 D（ （ 其中 先由其它指令已送入了內(nèi)容。分析指令階段能得到兩個結(jié)果： 這是一條減法指令； 源點操作數(shù)是寄存器變址尋址方式，操作數(shù)在內(nèi)存中，有效地址是（ +D，終點操作數(shù)是通用寄存器間接尋址方式，有效地址是 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 20頁 令周期 (5/18) 一、基本工作過程 3、執(zhí)行指令 執(zhí)行指令階段完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實現(xiàn)指令的功能。 F(序 ) 微操作控制信號序列 例如， （ 如， D（ （ 若無意外事件（如結(jié)果溢出）發(fā)生，機器就又從 始一條新指令的控制過程。 計算機的基本工作過程可以概括地說成是取指令，分析指令，執(zhí)行指令，再取下一條指令，依次周而復(fù)始地執(zhí)行指令序列的過程。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 21頁 令周期 (6/18) 二、模型機結(jié)構(gòu) 1、框圖 （ 1）寄存器： 3是通用寄存器， S， D， 別稱為源點寄存器 (S)，終點寄存器 (D)和臨時寄存器 (T)。 （ 2）暫存器： X、 Y、 Z，其中 兩個暫存器也作為 以采用鎖定器的方式實現(xiàn)。 （ 3）單總線結(jié)構(gòu)： 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 22頁 令周期 (7/18) 二、模型機結(jié)構(gòu) 2、微操作控制信號 （ 1）助記符： 示將 表示將信息接收至 儲器功能完成信號。 待 讀存儲器微操作。 存儲器微操作。 （ 2）微操作： A、控制器中： (a) (b) (c) (d) 令工作完成 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 23頁 令周期 (8/18) B、運算器中： (a) (b) (c) 送控制信號 (d) 303 (e) (f) .1等； (g) 0Y， RY； (h) 0X， RX； C、內(nèi)存： (a) (b) 內(nèi)存地址寄存器接收控制信號 (c) 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 24頁 令周期 (9/18) 3、指令格式： 模型機的尋址方式采用通用寄存器尋址方式，以雙操作數(shù)指令為例，其指令格式如下： 操作數(shù)地址字段由兩部分組成： 寄存器編號的含義是： 00： 01： 10： 11： 源點操作數(shù) (4位 ) 位 ) 終點操作數(shù) (4位 ) 寄存器編號 (2位 ) 方式位 (2位 ) 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 25頁 令周期 (10/18) 4、尋址方式： C 存儲體 微操作控制器 ,S,D,T Y X C 微操作控制信號序列 圖 6型計算機框圖 . 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 26頁 令周期 (11/18) 三、微操作序列 （ 1）“從主存中取出一個字”的微操作序列 0X， 0Y， RY， 把有效地址送入暫存器 Z。） 將總線地址送入 發(fā)送讀命令 控制器等待存儲器發(fā)來的操作完成信號 0X， 0Y， 控制器收到 。） 將取得的數(shù)據(jù)裝入 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 27頁 令周期 (12/18) （ 2）“指令計數(shù)器 微操作序列 0Y， 0X， 1， 把有效地址送入暫存器 Z。） 把暫存器 C。） （ 3）“從主存中取出指令字”的微操作序列 0Y， 指令地址送到主存，發(fā)讀命令。） 0X， 1， （ +1，并等待內(nèi)存操作完成回答信號。） 接收指令到 始譯碼，并且 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 28頁 令周期 (13/18) （ 4）雙操作數(shù)加法指令 （ 0Y， （指令地址送到主存，發(fā)讀命令。） 0X， 1， （ +1，并等待內(nèi)存操作完成回答信號。） （接收指令到 始譯碼，并且 0X， 0Y， RY， （源操作數(shù)間接尋址，送地址到 Z。） （取源操作數(shù)） 0X， RX（等待內(nèi)存回答，將終點數(shù)送 0Y， 將源點數(shù)送 端，相加） （將結(jié)果送 （結(jié)束） 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 29頁 令周期 (14/18) （ 5）雙操作數(shù)減法指令 D（ 0Y， （指令地址送主存，發(fā)讀命令） 0X， 1， （ +1，并等待內(nèi)存操作完成回答信號。） 接收指令到 始譯碼，并且 0X， 0Y， RY， 源操作數(shù)內(nèi)容送到 （將源點操作數(shù)送 0Y， 讀命令。） 0X， 1， （ +1，并等待內(nèi)存操作完成回答。） 0Y， 將形式地址 暫存器，并且 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 30頁 令周期 (15/18) 0X， RX， 將 暫存器，進(jìn)行加法運算形成終點操作數(shù)有效地址） 取終點操作數(shù)） 0X， RX （等待內(nèi)存回答，并將源點操作數(shù)送 0Y， 將源點數(shù)送至 端，兩數(shù)相減。） 將兩數(shù)之差送內(nèi)存。） （等待內(nèi)存回答。） （結(jié)束） 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 31頁 令周期 (16/18) （ 6）一條轉(zhuǎn)移指令的微操作序列 0Y， 指令地址送到主存，發(fā)讀命令。） 0X， 2， （ +2，并等待內(nèi)存操作完成回答信號。） 接收指令到 始譯碼，并且 Z=1 0X， Z=0 判斷 為 1則將 中，否則結(jié)束） =C）， 0Y， +C） （ C） （結(jié)束） 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 32頁 令周期 (17/18) 四、指令運行過程中的事務(wù)處理 (1)停機：當(dāng)現(xiàn)行指令執(zhí)行完由 (2)行指令執(zhí)行中，在當(dāng)前一個 凍結(jié)指令執(zhí)行， 用一個存儲器周期給這類高速外設(shè)進(jìn)行數(shù)傳處理。 (3)掉電：通常是當(dāng)現(xiàn)行指令執(zhí)行完成后，進(jìn)行掉電事務(wù)處理。 (4)故障：視其緊迫程度，或分別在當(dāng)前 誤處理。 (5)程序中斷：對一般性外部設(shè)備的數(shù)傳請求，通常安排在 行采樣掃描接收，在現(xiàn)行指令執(zhí)行完后， 一個機器周期狀態(tài)結(jié)束，下一個機器周期狀態(tài)開始的轉(zhuǎn)接瞬間是查詢有無各種事務(wù)處理要求的時刻， 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 33頁 令周期 (18/18) 停機指令 ? N N N N Y Y Y Y 停機處理 掉電 ? 掉電處理 當(dāng)前周期結(jié)束 下一周期開始 中斷周期 程序中斷 ? 圖 6令執(zhí)行中的事務(wù)處理 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 34頁 序產(chǎn)生器 (1/4) 一、 概念 1、時序部件：計算機的機內(nèi)時鐘。它用其產(chǎn)生的周期狀態(tài)，節(jié)拍電位及時標(biāo)脈沖去對指令周期進(jìn)行時間劃分，刻度和標(biāo)定。 2、指令周期：在計算機中從指令的讀取到指令的執(zhí)行完成，執(zhí)行一條指令所需要的時間，稱為指令周期。 指令周期通常由若干個 于 常用存儲周期為基礎(chǔ)來規(guī)定 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 35頁 序產(chǎn)生器 (2/4) 二、 3級時序信號 1、周期 （ 1）在一個控制階段內(nèi)均持續(xù)起作用的信號； （ 2）通常用周期狀態(tài)寄存器來標(biāo)志和指明某某周期控制； （ 3）指令周期可分為取指周期、分析周期、執(zhí)行周期。 2、節(jié)拍 （ 1）把一個機器周期分成若干個相等的時間段，每一個時間段對應(yīng)一個電位信號，稱節(jié)拍電位； （ 2）一般都以能保證 3、時標(biāo)工作脈沖 （ 1） 及時改變標(biāo)志狀態(tài)； （ 2） 時標(biāo)脈沖的寬度一般為節(jié)拍電位寬度的 1/N，只要能保證所有的觸發(fā)器都能可靠地，穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)即可。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 36頁 序產(chǎn)生器 (3/4) 三、 3級時序信號的關(guān)系 1、一臺計算機機內(nèi)的控制信號一般均由若干個周期狀態(tài)，若干個節(jié)拍電位及若干個時標(biāo)脈沖這樣 3級控制時序信號定時完成。 2、 3級控制時序信號的寬度均成正整數(shù)倍同步關(guān)系。周期狀態(tài)之間，節(jié)拍電位之間，時標(biāo)脈沖之間既不容許有重疊交叉，又不容許有空白間隙，應(yīng)該是能一個接一個地準(zhǔn)確連接，一個降落另一個升起而準(zhǔn)確切換的同步信號。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 37頁 序產(chǎn)生器 (4/4) 圖 6級時序系統(tǒng) 時標(biāo)脈沖 節(jié)拍 周期 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 38頁 (1/4) 控制器的控制方式：形成控制不同微操作序列的時序控制信號的方法。 控制方式的分類： 同步控制方式 異步控制方式 同異步聯(lián)合控制方式 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 39頁 (2/4) 一、同步控制方式 1、含義：又稱為固定時序控制方式或無應(yīng)答控制方式。任何指令的執(zhí)行或指令中每個微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時序信號的控制。 2、每個周期狀態(tài)中產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)目的節(jié)拍電位及時標(biāo)工作脈沖。 3、以最復(fù)雜指令的實現(xiàn)需要為基準(zhǔn)。 4、優(yōu)點：設(shè)計簡單，操作控制容易實現(xiàn)。 缺點：效率低。 取指周期 取源數(shù) 取目標(biāo)數(shù) 執(zhí)行周期 1 0 步控制方式 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 41頁 (3/4) 二、異步控制方式 1、 含義：可變時序控制方式或應(yīng)答控制方式。執(zhí)行一條指令需要多少節(jié)拍，不作統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)每條指令的具體情況而定，需要多少，控制器就產(chǎn)生多少時標(biāo)信號。 2、特點：每一條指令執(zhí)行完畢后都必須向控制時序部件發(fā)回一個回答信號，控制器收到回答信號后，才開始下一條指令的執(zhí)行。 3、優(yōu)點：指令的運行效率高； 缺點：控制線路比較復(fù)雜。 4、異步工作方式一般采用兩條定時控制線來實現(xiàn)。我們把這兩條線稱為“請求”線和“回答”線。當(dāng)系統(tǒng)中兩個部件 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，若 求”信號，則必須有 答”信號進(jìn)行應(yīng)答，這次操作才是有效的，否則無效。 1 結(jié)束應(yīng)答 1 N+1條指令 結(jié)束應(yīng)答 啟動 下一條 1 N+2條指令 結(jié)束應(yīng)答 異步控制方式 啟動 下一條 i、 j、 一般采用兩條定時控制線： “ 請求 ” 線和 “ 回答 ”線 演示 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 43頁 (4/4) 三、同步，異步聯(lián)合控制方式 1、含義：同步控制和異步控制相結(jié)合的方式即聯(lián)合控制方式，區(qū)別對待不同指令。 2、一般的設(shè)計思想是，在功能部件內(nèi)部采用同步式，而在功能部件之間采用異步式，并且在硬件實現(xiàn)允許的情況下，盡可能多地采用異步控制。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 44頁 程序設(shè)計技術(shù)與微程序控制器 程序設(shè)計技術(shù) 程序控制器 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 45頁 一、微程序設(shè)計 微程序控制技術(shù)在現(xiàn)今計算機設(shè)計中得到廣泛的采用，其實質(zhì)是用程序設(shè)計的思想方法來組織操作控制邏輯。 微程序控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因 （ 1）物質(zhì)基礎(chǔ)： 2）靈活性 （ 3）提高了可靠性，可利用性及可維護性 (簡稱 ，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。 （ 4）有利于機器設(shè)計時的仿真。也就是說，在 用戶角度來看， 2無區(qū)別，要做到這一點，只有具有控存 （ 5）其他 程序設(shè)計技術(shù) (1/13) 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 46頁 程序設(shè)計技術(shù) (2/13) 微程序控制方法與組合邏輯控制方法的差別 （ 1）從實現(xiàn)方式上 微程序控制：規(guī)整，增、刪、改較容易 組合邏輯控制：零亂且復(fù)雜，當(dāng)修改指令或增加指令時非常麻煩，有時甚至沒有可能。 （ 2）從性能上來比較 在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比組合邏輯控制方式的速度低，這是因為執(zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而組合邏輯控制方式取決于電路延遲，因而在超高速計算機中，對影響速度的關(guān)鍵部分例如 往采用組合邏輯控制方法。近年來在一些新型計算機結(jié)構(gòu)中如 般選用組合邏輯方法。 （ 3）診斷能力 微程序設(shè)計方法：診斷能力強 組合邏輯控制：診斷能力弱 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 47頁 程序設(shè)計技術(shù) (3/13) 二、基本概念 1. 控制字 (表征微操作控制要求的二進(jìn)制字，稱為控制字。 2. 微命令 微命令：微程序控制中，微操作控制信號 微操作：微命令在時序的配合作用下的操作過程。 3. 微地址和微指令 微地址：存放控制字的單元地址。 微指令：具有微地址的控制字。 4. 微程序 一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程序。 5. 微周期 從控制存儲器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需要的時間。 機器指令與微指令 程序 機器指令 1 機器指令 2 機器指令 i 機器指令 n . 微指令 2 微指令 1 微指令 i 微指令 n . . 微程序 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 49頁 程序設(shè)計技術(shù) (4/13) 三、微指令編譯法 編譯法的選擇原則 (1) 減少微指令的長度； (2) 提高微操作的并行性； (3) 提高機器的控制性能并降低價格； (4) 有利于微程序設(shè)計的靈活性。 編譯法 1、直接控制法（不譯法） (1)含義：每一個獨立的二進(jìn)制位代表一個微命令。按不譯法編碼的微指令，又稱水平微指令。 (2)本質(zhì)特征：面向數(shù)據(jù)通路的控制門 (或控制點 )。 (3)優(yōu)點： A：并行執(zhí)行，執(zhí)行速度也比較快； B：微程序所需用的微指令條數(shù)少。 (4) 缺點： A：編制程序難度較大； B：微指令不能充分利用。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 50頁 程序設(shè)計技術(shù) (5/13) 編譯法 2、最短編譯法 （ 1）含義：每一條微指令只定義一個微命令。按最短編譯法編碼的微指令又稱垂直型微指令。 （ 2）本質(zhì)特征：面向算法來編碼的。類似于傳統(tǒng)的程 序設(shè)計方法。 （ 3）優(yōu)點：編程簡單；微指令字中各位都得到充分利用。 （ 4）缺點：并行控制能力差，執(zhí)行速度慢； 微程序長度較長。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 51頁 程序設(shè)計技術(shù) (6/13) 編譯法 3、字段編譯法 （ 1）字段直接編譯法 A：把一條微指令分成幾段，段與段間按水平法設(shè)計，每個段內(nèi)分別按垂直法進(jìn)行編碼，每一段形成一個微命令，一條微指令可同時有并行的幾個微命令。 B：微指令字分段的原則： 在同一節(jié)拍內(nèi)，需要互相配合起作用的微操作是并行操作，其微命令可以分在不同的字段內(nèi)，以便配合進(jìn)行微操作控制。這是微命令的相容性。 在同一節(jié)拍內(nèi)，不允許同時出現(xiàn)具有“排它”性的微操作，是串行操作，其微命令可分在一個字段內(nèi)，這是微命令的互斥性。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 52頁 程序設(shè)計技術(shù) (7/13) 編譯法 3、字段編譯法 （ 2）字段間接編譯法 是在字段直接編譯法基礎(chǔ)上用來進(jìn)一步縮短指令字長，組合零散微命令的一種編譯法。若在字段直接編譯法中再規(guī)定一個字段的某些微命令要由另一個字段中的某些微命令解釋，稱字段間接編譯法。 這種編譯法適用于把那些不同類型的，不常用的，但數(shù)量又可觀的“零散”的微命令編入少數(shù)幾個字段之中，以減少微指令字的長度，組合編譯更多的微命令。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 53頁 程序設(shè)計技術(shù) (8/13) 四、 微程序流的控制 1、初始微地址的形成 每條機器指令對應(yīng)一段微程序，當(dāng)執(zhí)行公用的取指微程序從主存中取出機器指令后，由機器指令的操作碼指出微程序的首地址。這是一種多分支情況，通常有以下幾種方式： （ 1）操作碼的位數(shù)與位置固定，這時可直接使操作碼與微地址碼的部分位相對應(yīng)。例如，若微入口地址 =00控制存儲器第零頁的一些單元被安排為各個微程序入口（即首地址），再通過無條件微轉(zhuǎn)移指令使這些單元與相應(yīng)的后續(xù)微指令相連接。 （ 2）當(dāng)每類指令的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指令之間的操作碼位數(shù)與位置不固定時，可采用分級轉(zhuǎn)移的方法。先按指令類型轉(zhuǎn)移到某條微指令，區(qū)分出是哪一大類，然后進(jìn)一步按機器指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)分出是哪一種具體的機器指令。 （ 3）當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置都不固定時，通常的方法是采用 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 54頁 程序設(shè)計技術(shù) (9/13) 四、 微程序流的控制 2、后繼微地址的形成 得到微程序入口以后，就開始執(zhí)行微程序，后繼微地址的形成方法對微程序編制的靈活性影響很大。通常采用兩種方法形成后繼微地址： （ 1）增量方式 與機器指令的控制方式類似。確定后繼微指令有以下幾種情況： (A)順序：增量。 (B)無條件轉(zhuǎn)向： (C)有條件轉(zhuǎn)向：條件碼參與，修改 （ 2）在微指令字的格式中，增設(shè)下地址字段之后，就可以用微地址寄存器 (代微程序計數(shù)器。下一條微指令地址在多數(shù)情況可由現(xiàn)行微指令字的下地址字段 數(shù)情況由微地址產(chǎn)生器對下地址字段進(jìn)行修改后產(chǎn)生后繼微地址。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 55頁 程序設(shè)計技術(shù) (10/13) 四、微程序流的控制 2、后繼微地址的形成 后繼微地址的形成是設(shè)計微程序控制的關(guān)鍵問題之一。確定后繼微指令地址有以下幾種情況： (A)順序執(zhí)行時，后繼微地址可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段 (B)無條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址，可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段確定。 (C)有條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址由現(xiàn)行機器指令操作碼，現(xiàn)行微指令執(zhí)行時產(chǎn)生狀態(tài)特征或條件碼的判別結(jié)果決定。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 56頁 程序設(shè)計技術(shù) (11/13) 五、動態(tài)微程序設(shè)計 1、含義：根據(jù)用戶的要求改變微程序。 2、支持：動態(tài)微程序設(shè)計需要可寫控制存儲器的支持。 六、毫微程序設(shè)計 1、毫微程序是用以解釋微程序的一種程序，因此組成毫微程序的毫微指令是負(fù)責(zé)解釋微指令的微指令。 2、毫微程序設(shè)計的基本思想 采用兩級微程序設(shè)計方法 （ 1）第一級用垂直微指令編制垂直微程序 第一級垂直微程序是為實現(xiàn)指令系統(tǒng)和其它處理過程的需要而編制的，它有嚴(yán)格的順序結(jié)構(gòu)，由它確定后續(xù)微指令的地址。垂直微程序存放于微程序存儲器中。 （ 2）第二級用水平微指令編制水平微程序。 第二級水平微程序是由第一級調(diào)用的，用以解釋垂直微程序并實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路操作。水平微指令具有并行操作控制能力，但不包含后續(xù)微指令地址信息。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 57頁 程序設(shè)計技術(shù) (12/13) 六、毫微程序設(shè)計 （ 3）實現(xiàn)方法 （ I）無對應(yīng)：垂直微指令中有一類簡單控制信號的微命令，它們無需變換成毫微指令，直接譯碼用作微操作的控制信號，以求減少毫微存儲器的容量； （ 一對應(yīng)：垂直微指令與水平毫微指令一一對應(yīng)，這種方法簡化了垂直微指令的譯碼器，而且，相同的毫微指令只要在毫微程序存儲器中存放一條即可，這也可以減少控制存儲器的容量； （ 對多：若干條水平毫微指令組成的毫微程序解釋一條垂直微指令，用這種方法構(gòu)成的垂直微指令易于編制微程序，能按各種應(yīng)用有效地控制數(shù)據(jù)通路操作，此時，毫微指令與微指令的關(guān)系就相當(dāng)于微指令與指令的關(guān)系。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 58頁 程序設(shè)計技術(shù) (13/13) 六、毫微程序設(shè)計 （ 4）采用毫微程序設(shè)計的主要優(yōu)缺點： （ A）通過使用少量的控制存儲器空間，就可達(dá)到高度的并行性； （ B）垂直微程序面向算法，編制微程序較容易； （ C）水平型毫微指令能定義很多并行操作微指令，兩級層次降低了編制微程序的復(fù)雜性。 （ D）毫微程序設(shè)計具有較大的靈活性。 （ E）缺點：毫微程序設(shè)計有時需要訪問控制存儲器兩次，影響了機器執(zhí)行的速度，同時，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 59頁 程序控制器 (1/4) 一、基本組成 1、控制存儲器 來存放微程序。 2、微指令寄存器 來存放從控制存儲器中取得的微指令。 3、微地址形成部件 來產(chǎn)生機器指令的首條微指令地址和后續(xù)地址。 4、微地址寄存器 收微地址形成部件送來的微地址。 計算機組成原理 第六章中央處理器 2016年 3月 14日 第 60頁 程序控制器 (2/4) 微