1、1第五章第五章 中央處理器中央處理器 25.1 CPU5.1 CPU的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理一、一、CPUCPU的功能與結(jié)構(gòu)的功能與結(jié)構(gòu)1 1、CPUCPU的功能的功能 * *指令控制：指令控制：程序執(zhí)行過程程序執(zhí)行過程主存主存MMMM控制器控制器CPUCPU運(yùn)算器運(yùn)算器I/OI/O設(shè)備設(shè)備中斷請中斷請求求取指階段取指階段執(zhí)行階段執(zhí)行階段時(shí)間時(shí)間控制信號(hào)的控制信號(hào)的狀態(tài)狀態(tài)指令地址指令地址+1+1、時(shí)長及次序時(shí)長及次序 * *操作控制：操作控制： * *時(shí)間控制：時(shí)間控制： * *數(shù)據(jù)加工：數(shù)據(jù)加工： * *中斷處理：中斷處理：32 2、CPUCPU的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) * *CPUC

2、PU基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：寄存器、運(yùn)算器，寄存器、運(yùn)算器，CUCU、BIUBIU、中斷機(jī)構(gòu)，通路、中斷機(jī)構(gòu)，通路 * *CPUCPU功能與組成部件：功能與組成部件： 指令控制指令控制 操作控制操作控制 時(shí)間控制時(shí)間控制 數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工 中斷處理中斷處理時(shí)序系統(tǒng)、控制信號(hào)形成電路；時(shí)序系統(tǒng)、控制信號(hào)形成電路；PCPC、IRIR、指令譯碼器、指令譯碼器IDID；ALUALU及狀態(tài)及狀態(tài)REGREG、REGREG組；組；中斷機(jī)構(gòu)。中斷機(jī)構(gòu)。中斷中斷機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)PCPCIRIR譯碼器譯碼器IDID時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng)控制信號(hào)控制信號(hào)形成電路形成電路ALUALU狀態(tài)狀態(tài)REGREGMARMARMDRMDR總線總

3、線邏輯邏輯REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CPUCPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路BIUBIUCUCU43 3、CPUCPU的寄存器組織的寄存器組織 有有用戶可見寄存器用戶可見寄存器和和控制控制/ /狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器兩大類。兩大類。 * *用戶可見寄存器：用戶可見寄存器： -存放地址及數(shù)據(jù)存放地址及數(shù)據(jù) 條件碼條件碼REGREG 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)REGREG 地址地址REGREG 通用通用REGREG5 * *控制控制/ /狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器： -控制控制CPUCPU的操作或運(yùn)算的操作或運(yùn)算 PC PC存放存放指令地址指令地址，作循環(huán)變量使用，作循環(huán)變量使用， 通常具有計(jì)數(shù)功能通常

4、具有計(jì)數(shù)功能； 順序型指令順序型指令占絕大多數(shù)占絕大多數(shù) IR IR存放存放當(dāng)前當(dāng)前指令內(nèi)容指令內(nèi)容； MAR MAR存放存放CPUCPU所訪問存儲(chǔ)單元或所訪問存儲(chǔ)單元或I/OI/O設(shè)備的設(shè)備的地址地址； MDRMDR存放存放CPUCPU欲寫出或已讀入的欲寫出或已讀入的信息信息( (數(shù)據(jù)或指令數(shù)據(jù)或指令) )； 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字REG(PSW)REG(PSW)存放存放程序執(zhí)行狀態(tài)程序執(zhí)行狀態(tài)； 其他其他REGREG如段如段REGREG、系統(tǒng)模式、系統(tǒng)模式REGREG等等36二、二、CPUCPU的工作流程的工作流程 * *指令周期：指令周期：CPUCPU取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間。取出并執(zhí)行一

5、條指令的時(shí)間。取指周期取指周期 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 取指階段取指階段 執(zhí)行階段執(zhí)行階段( (取指、分析取指、分析) () (執(zhí)行指令執(zhí)行指令) )指令周期指令周期 * *指令周期的特征：指令周期的特征： 不同不同指令類型指令類型及及尋址方式尋址方式的指令周期可能不同。的指令周期可能不同。間址周期間址周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期加法指令加法指令: :( (間接尋址間接尋址) )加法指令加法指令: :( (直接尋址直接尋址) )取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期指令周期指令周期乘法指令乘法指令: :( (直接尋址直接尋址) )7三

6、、指令執(zhí)行過程三、指令執(zhí)行過程1 1、指令的執(zhí)行過程、指令的執(zhí)行過程 * *取指令階段：取指令階段： 取指令取指令操作步驟操作步驟 分析指令分析指令結(jié)果結(jié)果PCPCMARMAR訪問訪問MEMMEMMDRMDRIRIR； + +“1 1”PCPC * *執(zhí)行指令階段：執(zhí)行指令階段： 操作步驟操作步驟8 指令執(zhí)行過程的特征：指令執(zhí)行過程的特征： 指令執(zhí)行過程由若干指令執(zhí)行過程由若干有序有序的的操作操作組成；組成； 取指令階段的取指令階段的操作及步驟操作及步驟基本上基本上是是通用的通用的； 執(zhí)行指令階段的執(zhí)行指令階段的操作及步驟操作及步驟受受指令格式指令格式的影響的影響取指令階段取指令階段和和執(zhí)行指

7、令階段執(zhí)行指令階段的操作的操作必須取得必須取得操作類型操作類型/ /操作數(shù)長度、尋址方式操作數(shù)長度、尋址方式多字長指令的地址碼多字長指令的地址碼放在放在執(zhí)行指令階段取執(zhí)行指令階段取如操作類型、操作數(shù)長度、尋址方式、指令字長如操作類型、操作數(shù)長度、尋址方式、指令字長92 2、指令執(zhí)行過程與、指令執(zhí)行過程與CPUCPU的基本操作的基本操作 * *指令執(zhí)行過程：指令執(zhí)行過程：由若干由若干有序有序的的基本操作基本操作組成組成 * *CPUCPU的基本操作類型：的基本操作類型：由由CPUCPU結(jié)構(gòu)及指令執(zhí)行過程確定結(jié)構(gòu)及指令執(zhí)行過程確定REGREG間傳送間傳送存儲(chǔ)器讀存儲(chǔ)器讀存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器寫算邏運(yùn)算算邏

8、運(yùn)算 R R源源1 1及及R R源源2 2ALU(ALU(運(yùn)算運(yùn)算)R R結(jié)果結(jié)果R R源源R R目標(biāo)目標(biāo)；MARMARMEM(MEM(讀讀)MDRMDR；MARMAR及及MDRMDRMEM(MEM(寫寫) )； 例例11指令指令R1(R0)R1(R0)執(zhí)行過程的執(zhí)行過程的CPUCPU基本操作序列：基本操作序列： 解解： PCMAR PCMAR 存儲(chǔ)器讀，存儲(chǔ)器讀，(PC)(PC)1PC1PC MDRIR MDRIR R0MAR R0MAR 存儲(chǔ)器讀存儲(chǔ)器讀 MDRR1 MDRR139103 3、CPUCPU的基本操作與微操作的基本操作與微操作 * *術(shù)語：術(shù)語：微操作微操作CPUCPU內(nèi)部的

9、內(nèi)部的原子操作原子操作( (不能再細(xì)化的操作不能再細(xì)化的操作) )； 微操作序列微操作序列有序排列的有序排列的微操作串微操作串(1)(1)寄存器間數(shù)據(jù)傳送操作寄存器間數(shù)據(jù)傳送操作 * *操作步驟：操作步驟：利用利用CPUCPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；(2)(2)存儲(chǔ)器讀操作存儲(chǔ)器讀操作 * *操作步驟：操作步驟： 發(fā)地址信號(hào)、發(fā)讀信號(hào)，發(fā)地址信號(hào)、發(fā)讀信號(hào)， 等待操作完成、接收數(shù)據(jù)；等待操作完成、接收數(shù)據(jù)； * *微操作序列：微操作序列： 1Read 1Read ；實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)MARMAR、ReadRead操作操作 M(MAR)MDR M(MAR)MDR ；實(shí)

10、現(xiàn)等待完成、；實(shí)現(xiàn)等待完成、MDRMDR操作操作 * *微操作序列：微操作序列：R R源源RR目標(biāo)目標(biāo)311(3)(3)存儲(chǔ)器寫操作存儲(chǔ)器寫操作 * *操作步驟：操作步驟： 發(fā)地址信號(hào)、發(fā)寫信號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)、等待操作完成；發(fā)地址信號(hào)、發(fā)寫信號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)、等待操作完成； * *微操作序列：微操作序列： 1Write 1Write ；實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)MARMAR、WriteWrite操作操作 MDRM(MAR) MDRM(MAR) ；實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)MDRMDR、等待完成操作、等待完成操作12(4)(4)算術(shù)邏輯運(yùn)算操作算術(shù)邏輯運(yùn)算操作 * *操作需求：操作需求： 運(yùn)算過程中，運(yùn)算過程中，入端入端數(shù)據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)

11、定， 運(yùn)算結(jié)束時(shí)，運(yùn)算結(jié)束時(shí)，出端出端數(shù)據(jù)存到穩(wěn)定部件數(shù)據(jù)存到穩(wěn)定部件； * *微操作序列：微操作序列： R R源源1 1ALUALU ；R R源源可為可為MDR MDR R R源源2 2ALUALU ；R R源源1 1、R R源源2 2的數(shù)據(jù)通路不沖突時(shí)，可并行的數(shù)據(jù)通路不沖突時(shí)，可并行 OPALU OPALU ；OPOP種類由種類由ALUALU功能決定功能決定 ALUR ALUR結(jié)果結(jié)果 ；R R結(jié)果結(jié)果可與可與R R源源為同一寄存器為同一寄存器 * *操作步驟：操作步驟： 2 2個(gè)源寄存器數(shù)據(jù)送個(gè)源寄存器數(shù)據(jù)送ALUALU入端并保持，入端并保持， 向向ALUALU發(fā)運(yùn)算命令，運(yùn)算后數(shù)據(jù)送

12、結(jié)果寄存器；發(fā)運(yùn)算命令，運(yùn)算后數(shù)據(jù)送結(jié)果寄存器；REGREG組組ALUALU13 例例22指令指令R1(R0)R1(R0)執(zhí)行過程的微操作序列：執(zhí)行過程的微操作序列： 解：解： PCMAR PCMAR 1Read 1Read， (PC)(PC)1PC1PC M(MAR)MDR M(MAR)MDR MDRIR MDRIR R0MAR R0MAR 1Read 1Read M(MAR)MDR M(MAR)MDR MDRR1 MDRR1 例例33指令指令R2(R0)+(R1)R2(R0)+(R1)執(zhí)行過程的微操作序列：執(zhí)行過程的微操作序列： 解：解： PCMAR PCMAR 1Read 1Read，

13、(PC)(PC)1PC1PC M(MAR)MDR M(MAR)MDR MDRIR MDRIR R0ALU R0ALU R1ALU R1ALU ADDALUADDALU ALUR2 ALUR2161514四、數(shù)據(jù)通路組織四、數(shù)據(jù)通路組織 * *數(shù)據(jù)通路：數(shù)據(jù)通路：是是CPUCPU內(nèi)部部件間內(nèi)部部件間傳遞數(shù)據(jù)傳遞數(shù)據(jù)的的物理通道物理通道， 有總線通路、專用通路兩種；有總線通路、專用通路兩種； * *數(shù)據(jù)通路對指令執(zhí)行過程的影響：數(shù)據(jù)通路對指令執(zhí)行過程的影響： 微操作序列微操作序列微操作步序列微操作步序列數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路決定了步數(shù)；決定了步數(shù)； * *術(shù)語：術(shù)語：微操作步微操作步能夠能夠并行執(zhí)行的并

14、行執(zhí)行的微操作；微操作； 微操作步序列微操作步序列有序排列的有序排列的微操作步串微操作步串 * *指令執(zhí)行性能：指令執(zhí)行性能： 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程微操作序列微操作序列所對應(yīng)所對應(yīng)微操作步序列微操作步序列的的執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間 數(shù)據(jù)通路的影響數(shù)據(jù)通路的影響決定了決定了指令執(zhí)行性能指令執(zhí)行性能， 影響影響運(yùn)算器組織方法運(yùn)算器組織方法3151 1、總線數(shù)據(jù)通路、總線數(shù)據(jù)通路 有單總線通路、雙總線通路等多種類型。有單總線通路、雙總線通路等多種類型。(1)(1)單總線數(shù)據(jù)通路單總線數(shù)據(jù)通路 * *連接方式：連接方式：各部件的各部件的輸入輸入/ /輸出引腳輸出引腳連接到連接到同一條總線同一條總線上；上

15、； * *微操作特性：微操作特性：同時(shí)只能執(zhí)行同時(shí)只能執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作，數(shù)據(jù)傳送操作， 即即連續(xù)的連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送操作數(shù)據(jù)傳送操作必須必須串行執(zhí)行串行執(zhí)行；REG0REG0REG7REG7ALUALUY YZ ZMARMARMDRMDRPCPCIRIRBIUBIU操作信號(hào)操作信號(hào)形成電路形成電路IDID時(shí)序時(shí)序系統(tǒng)系統(tǒng)中斷機(jī)構(gòu)中斷機(jī)構(gòu)基于寄存器的基于寄存器的CPUCPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)ALUALUACACMARMARMDRMDRBIUBIU基于累加器的基于累加器的CPUCPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Y YPCPCIRIR操作信號(hào)操作信號(hào)形成電路形成電路IDID時(shí)序時(shí)序系統(tǒng)系統(tǒng)中斷機(jī)構(gòu)中斷機(jī)構(gòu)163 3、單總線通路、單總

16、線通路CPUCPU的指令執(zhí)行過程的指令執(zhí)行過程 以基于以基于REGREG的的CPUCPU為例，假設(shè)為例，假設(shè)PCPC具有計(jì)數(shù)功能具有計(jì)數(shù)功能 * *例例22單字長的取數(shù)指令單字長的取數(shù)指令R1(R0)R1(R0)的微操作步序列：的微操作步序列： t1t1：PCMARPCMAR， 1Read1Read ；用；用(PC)(PC)讀讀MEMMEM t2t2：(PC)+1PC(PC)+1PC，M(MAR)MDR M(MAR)MDR ；(PC)+“1”(PC)+“1” t3t3：MDRIR MDRIR ；指令；指令I(lǐng)RIR t1 t1t3t3：略略 t4t4：R0MARR0MAR，1Read 1Read

17、 ；用；用(R0)(R0)讀讀MEMMEM t5 t5： M(MAR)MDR M(MAR)MDR ；等待操作完成；等待操作完成 t6t6：MDRR1MDRR1，1End 1End ；數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)R1R1 * *例例11取指令階段的微操作步序列：取指令階段的微操作步序列：對所有指令通用對所有指令通用 注：注：PCMARPCMAR與與1Read1Read可放在可放在同一步同一步(MAR(MAR僅起傳遞作用僅起傳遞作用) )； PCMARPCMAR與與(PC)+1PC(PC)+1PC不能放在不能放在同一步同一步( (部件使用沖突部件使用沖突) ) 注：注：EndEnd為為“指令周期結(jié)束指令周期結(jié)束”信

18、號(hào)，可觸發(fā)進(jìn)入下個(gè)信號(hào)，可觸發(fā)進(jìn)入下個(gè)CPUCPU周周期期1921717 * *例例33單字長的存數(shù)指令單字長的存數(shù)指令(R1)(R0)(R1)(R0)的微操作步序列：的微操作步序列： t1 t1t3t3：略略 t4t4：R1MARR1MAR，1Write 1Write ；用；用(R0)(R0)寫寫MEMMEM t5 t5：R0MDRR0MDR，MDRM(MAR)MDRM(MAR)，1End 1End ；寫到；寫到(R1)(R1)單元單元 注：注：R1MARR1MAR與與R0MDRR0MDR不能放在不能放在同一步同一步( (總線使用沖突總線使用沖突) ) * *例例44單字長的加法指令單字長的

19、加法指令R2(R0)+(R1)R2(R0)+(R1)的微操作步序列：的微操作步序列： t1 t1t3t3：略略 t4t4：R0Y R0Y ；YALUYALU不受限制不受限制 t5t5：R1ALUR1ALU，ADDALUADDALU，ALUZ ALUZ ；(R0)+(R1)Z(R0)+(R1)Z t6 t6：ZR2ZR2，1End 1End ；(Z)R2(Z)R2 注：注：R1ALUR1ALU與與ALUZALUZ可放在可放在同一步同一步( (使用不同通路使用不同通路) )21185.2 5.2 控制器的組成與工作原理控制器的組成與工作原理 * *CPUCPU工作流程的實(shí)現(xiàn)：工作流程的實(shí)現(xiàn)： *

20、*控制器的主要功能：控制器的主要功能： 指令控制指令控制 操作控制操作控制 時(shí)間控制時(shí)間控制 中斷處理中斷處理7 循環(huán)地循環(huán)地執(zhí)行執(zhí)行微操作步序列微操作步序列的所有的所有微操作微操作產(chǎn)生產(chǎn)生CPUCPU工作流程對應(yīng)工作流程對應(yīng)的的操作控制信號(hào)操作控制信號(hào)；實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)操作控制信號(hào)的操作控制信號(hào)的時(shí)序時(shí)序( (時(shí)長及次序時(shí)長及次序) )；檢測檢測中斷請求中斷請求，適時(shí)進(jìn)行處理，適時(shí)進(jìn)行處理循環(huán)地循環(huán)地按按(PC)(PC)取指令、執(zhí)行指令、改變?nèi)≈噶?、?zhí)行指令、改變(PC)(PC)；19一、控制器的基本結(jié)構(gòu)一、控制器的基本結(jié)構(gòu) * *基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：由由CUCU、BIUBIU、中斷機(jī)構(gòu)組成；、中斷

21、機(jī)構(gòu)組成； * *種類：種類：硬布線控制器、微程序控制器硬布線控制器、微程序控制器中斷中斷機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)PCPCIRIR譯碼器譯碼器IDID時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng)微操作控制微操作控制信號(hào)形成電路信號(hào)形成電路ALUALU狀態(tài)狀態(tài)REGREGMARMARMDRMDR總線總線邏輯邏輯REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CPUCPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路BIUBIUCUCU指令需求指令需求上條指令狀態(tài)上條指令狀態(tài)所有微操作控制信號(hào)所有微操作控制信號(hào)中斷請中斷請求狀態(tài)求狀態(tài)CPUCPU * *工作原理：工作原理：循環(huán)地循環(huán)地產(chǎn)生產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)CPUCPU功能功能的的微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào)20二、時(shí)

22、序系統(tǒng)組成二、時(shí)序系統(tǒng)組成 * *時(shí)序系統(tǒng)的目標(biāo)：時(shí)序系統(tǒng)的目標(biāo)：提供提供循環(huán)的、微操作級(jí)的循環(huán)的、微操作級(jí)的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)！1 1、CPUCPU工作流程的相關(guān)周期及時(shí)序工作流程的相關(guān)周期及時(shí)序 * *CPUCPU工作流程：工作流程：取指取指周期周期間址間址周期周期執(zhí)行執(zhí)行周期周期DMADMA周期周期中斷中斷周期周期指令周期指令周期由請求信號(hào)由請求信號(hào)是否有效是否有效決定決定2921(1)(1)機(jī)器周期機(jī)器周期 * *機(jī)器周期：機(jī)器周期：CPUCPU工作流程中的工作流程中的基本過程基本過程所需的時(shí)間；所需的時(shí)間； * *機(jī)器周期長度：機(jī)器周期長度：通常通常以以總線周期總線周期為基礎(chǔ)為

23、基礎(chǔ)確定長度；確定長度； * *機(jī)器周期的表示：機(jī)器周期的表示：機(jī)器周期機(jī)器周期( (取指取指) )機(jī)器周期機(jī)器周期( (間址間址) )機(jī)器周期機(jī)器周期( (執(zhí)行執(zhí)行) )機(jī)器周期機(jī)器周期(DMA)(DMA)機(jī)器周期機(jī)器周期( (中斷中斷) )機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期指令周期指令周期指令周期指令周期指令周期 CPUCPU工作流程工作流程由由n n個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期組成；組成；觸發(fā)器觸發(fā)器輸出信號(hào)輸出信號(hào) 每個(gè)每個(gè)機(jī)器周期機(jī)器周期各用一個(gè)各用一個(gè)觸發(fā)器觸發(fā)器表示其狀態(tài)；表示其狀態(tài)；22(2)(2)節(jié)拍周期節(jié)拍周期( (又稱時(shí)鐘周期又稱時(shí)鐘周期) ) * *節(jié)拍周期：節(jié)拍周期：CPUCPU最基本

24、操作最基本操作( (即微操作即微操作) )所需的時(shí)間；所需的時(shí)間； * *節(jié)拍周期長度：節(jié)拍周期長度：maxmax微操作時(shí)長微操作時(shí)長 ， * *節(jié)拍周期的表示：節(jié)拍周期的表示： 每個(gè)每個(gè)機(jī)器周期機(jī)器周期由由m m個(gè)節(jié)拍周期個(gè)節(jié)拍周期組成；組成； 每個(gè)每個(gè)節(jié)拍周期節(jié)拍周期用一個(gè)用一個(gè)觸發(fā)器觸發(fā)器表示其狀態(tài)；表示其狀態(tài)；CPUCPU主時(shí)鐘周期主時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期( (取指取指) )機(jī)器周期機(jī)器周期( (間址間址) )機(jī)器周期機(jī)器周期( (執(zhí)行執(zhí)行) )節(jié)拍周期節(jié)拍周期T T0 0節(jié)拍周期節(jié)拍周期T T1 1節(jié)拍周期節(jié)拍周期T T2 2指令周期指令周期觸發(fā)器信號(hào)觸發(fā)器信號(hào)觸發(fā)器信號(hào)觸發(fā)器信號(hào)

25、2923(3)(3)節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖( (又稱節(jié)拍狀態(tài)、工作脈沖又稱節(jié)拍狀態(tài)、工作脈沖) ) * *節(jié)拍脈沖：節(jié)拍脈沖：微操作內(nèi)部微操作內(nèi)部操作控制操作控制所需的時(shí)間；所需的時(shí)間；24三、微操作控制信號(hào)的時(shí)序控制方式三、微操作控制信號(hào)的時(shí)序控制方式 指微操作控制信號(hào)的指微操作控制信號(hào)的定時(shí)方式定時(shí)方式，又稱控制器的，又稱控制器的控制方式控制方式。1 1、同步控制方式、同步控制方式 微操作控制信號(hào)的時(shí)序受微操作控制信號(hào)的時(shí)序受統(tǒng)一的統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí)標(biāo)信號(hào)控制控制25無統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)約束無統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)約束2 2、異步控制方式、異步控制方式 微操作控制信號(hào)的時(shí)序只受微操作控制信號(hào)的時(shí)序只受專門的應(yīng)

26、答線路專門的應(yīng)答線路控制控制 * *應(yīng)答協(xié)議應(yīng)答協(xié)議( (握手協(xié)議握手協(xié)議) )原理：原理： -應(yīng)答線路的時(shí)序約定應(yīng)答線路的時(shí)序約定 發(fā)出發(fā)出操作信號(hào)操作信號(hào)后，在對方發(fā)出后，在對方發(fā)出完成信號(hào)完成信號(hào)時(shí)，才時(shí)，才結(jié)束結(jié)束操作操作263 3、聯(lián)合控制方式、聯(lián)合控制方式 同步控制同步控制與與異步控制異步控制相結(jié)合的方式，又稱準(zhǔn)同步方式相結(jié)合的方式，又稱準(zhǔn)同步方式 即：即：為同步控制方式；為同步控制方式； 處理處理CPUCPU內(nèi)部操作內(nèi)部操作 同步同步異步異步同步控制方式同步控制方式 處理處理CPUCPU對外部操作對外部操作27四、微操作控制信號(hào)的形成四、微操作控制信號(hào)的形成1 1、CPUCPU基

27、本操作的實(shí)現(xiàn)與微操作命令序列基本操作的實(shí)現(xiàn)與微操作命令序列 * *CPUCPU功能實(shí)現(xiàn)：功能實(shí)現(xiàn)：執(zhí)行執(zhí)行微操作步序列微操作步序列執(zhí)行執(zhí)行微操作命令序列微操作命令序列28 例例11單總線通路單總線通路CPUCPU中，寫出指令中，寫出指令R2(R0)+(R1)R2(R0)+(R1)的微操作的微操作命令序列。命令序列。 解：解：指令的指令的微操作步序列微操作步序列： t1t1：PCMARPCMAR， 1Read1Read t2t2：(PC)+1PC(PC)+1PC，M(MAR)MDRM(MAR)MDR t3t3：MDRIRMDRIR t4 t4：R0Y R0Y t5t5：R1ALUR1ALU，AD

28、DALUADDALU，ALUZALUZ t6 t6：ZR2ZR2，1End1End t1 t1：PCPCoutout、MARMARinin、ReadRead t2 t2：PCPC+1+1、WMFCWMFC t3 t3：MDRMDRoutout、IRIRinin t4 t4：R0R0outout、Y Yinin t5 t5：R1R1outout、ADDADD、Z Zinin t6 t6：Z Zoutout、R2R2inin、EndEnd 指令的指令的微操作命令序列微操作命令序列：4445292 2、微操作控制信號(hào)的形成、微操作控制信號(hào)的形成 * *微操作控制信號(hào)的有效條件：微操作控制信號(hào)的有效條

29、件：時(shí)序系統(tǒng)的時(shí)序系統(tǒng)的時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí)標(biāo)信號(hào)CPUCPU工作流程的工作流程的不同功能名不同功能名 有效條件有效條件序列名序列名 & & 微操作步序號(hào)微操作步序號(hào)( (序列內(nèi)部序列內(nèi)部) )25操作類型、尋址方式、上條指令狀態(tài)操作類型、尋址方式、上條指令狀態(tài)機(jī)器周期、節(jié)拍周期等信號(hào)機(jī)器周期、節(jié)拍周期等信號(hào)30時(shí)序時(shí)序系統(tǒng)系統(tǒng)IRIRIDID機(jī)器狀態(tài)機(jī)器狀態(tài)狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器所有的微操作控制信號(hào)所有的微操作控制信號(hào) * *微操作控制信號(hào)形成電路：微操作控制信號(hào)形成電路： 功能功能按照按照約定功能約定功能實(shí)現(xiàn)需求實(shí)現(xiàn)需求，使使相應(yīng)控制信號(hào)相應(yīng)控制信號(hào)有效有效 組成組成實(shí)質(zhì)上是個(gè)實(shí)質(zhì)上是個(gè)編碼器編碼器

30、類型類型與控制器類型與控制器類型( (硬布線、微程序硬布線、微程序) )相對應(yīng)相對應(yīng) 輸出：輸出：實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 約定功能約定功能的所有微操作控制信號(hào)的所有微操作控制信號(hào) 輸入：輸入：表示表示約定功能約定功能及及尋址方式尋址方式、上條指令狀態(tài)上條指令狀態(tài)信號(hào)信號(hào), , 時(shí)標(biāo)時(shí)標(biāo)信號(hào)；信號(hào)； 編碼：所有信號(hào)編碼：所有信號(hào) 完成完成 各種各種約定功能約定功能 需求需求 的的有效邏輯有效邏輯315.3 5.3 硬布線控制器硬布線控制器 * *時(shí)序系統(tǒng)：時(shí)序系統(tǒng)：采用采用三級(jí)時(shí)序三級(jí)時(shí)序，循環(huán)周期為，循環(huán)周期為CPUCPU工作流程；工作流程；一、硬布線控制器的基本結(jié)構(gòu)一、硬布線控制器的基本結(jié)構(gòu)中斷中斷機(jī)構(gòu)機(jī)

31、構(gòu)PCPCIRIR譯碼器譯碼器IDID時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng)微操作控制微操作控制信號(hào)形成電路信號(hào)形成電路ALUALU狀態(tài)狀態(tài)REGREGMARMARMDRMDR總線總線邏輯邏輯REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CPUCPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路BIUBIUCUCU指令需求指令需求上條指令狀態(tài)上條指令狀態(tài)所有微操作控制信號(hào)所有微操作控制信號(hào)中斷請中斷請求狀態(tài)求狀態(tài)CPUCPU * *核心部件：核心部件：為為CUCU，CUCU的核心為的核心為微操作控制信號(hào)形成電路微操作控制信號(hào)形成電路； * *基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：與原理圖完全相同；與原理圖完全相同；30 * *類型：類型：有有組合邏輯組

32、合邏輯、PLAPLA兩種，兩種，32二、微操作控制信號(hào)形成電路的設(shè)計(jì)方法二、微操作控制信號(hào)形成電路的設(shè)計(jì)方法 第第步步列出所有的微操作命令序列列出所有的微操作命令序列 根據(jù)指令功能需求、根據(jù)指令功能需求、CPUCPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)列出列出，并，并劃分劃分成子序列成子序列 第第步步確定時(shí)序系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定時(shí)序系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 根據(jù)子序列個(gè)數(shù)及大小的規(guī)律根據(jù)子序列個(gè)數(shù)及大小的規(guī)律確定確定，包括節(jié)拍周期、機(jī)，包括節(jié)拍周期、機(jī)器周期、器周期、CPUCPU工作流程的組成參數(shù)工作流程的組成參數(shù) 第第步步形成所有微操作控制信號(hào)的有效邏輯表達(dá)式形成所有微操作控制信號(hào)的有效邏輯表達(dá)式 (a)(a)調(diào)整調(diào)整微操作命令序列，

33、盡量規(guī)整化微操作命令序列，盡量規(guī)整化 (b)(b)列出列出所有微操作控制信號(hào)的使用時(shí)間表，所有微操作控制信號(hào)的使用時(shí)間表， (c)(c)形成形成所有微操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式所有微操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式 第第步步畫出微操作控制信號(hào)形成電路及與相關(guān)部件連接圖畫出微操作控制信號(hào)形成電路及與相關(guān)部件連接圖 335.4 5.4 微程序控制器微程序控制器一、微程序控制思想一、微程序控制思想 * *微程序控制思想：微程序控制思想： -類似于類似于存儲(chǔ)程序原理存儲(chǔ)程序原理 * *術(shù)語：術(shù)語： 微命令微命令微操作微操作控制信號(hào)控制信號(hào)，微操作是微命令實(shí)現(xiàn)的功能；，微操作是微命令實(shí)現(xiàn)的功能； 微指令微指令用格

34、式及編碼表示、同時(shí)執(zhí)行的用格式及編碼表示、同時(shí)執(zhí)行的一組微命令一組微命令； 微程序微程序完成特定功能完成特定功能( (如機(jī)器指令如機(jī)器指令) )的的微指令序列微指令序列； 控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器專用于存放微程序的存儲(chǔ)器，簡稱專用于存放微程序的存儲(chǔ)器，簡稱控存控存(CM)(CM)； 控制器自動(dòng)、逐條控制器自動(dòng)、逐條取出取出微指令微指令并并執(zhí)行執(zhí)行?？刂破髟O(shè)計(jì)簡單控制器設(shè)計(jì)簡單 將將微操作命令序列微操作命令序列編寫編寫成成微程序微程序( (微指令串微指令串) )， 所有微程序所有微程序存放存放在專用的只讀存儲(chǔ)器中；在專用的只讀存儲(chǔ)器中； 微指令周期微指令周期取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行一條微指令的時(shí)間一條微

35、指令的時(shí)間34 * *微程序與微指令：微程序與微指令：微命令微命令 M+1M+1微命令微命令 M+2M+2微命令微命令 * * * * 微命令微命令 * * * * 微命令微命令 M M微命令微命令 P+1P+1微命令微命令 P+2P+2微命令微命令 M M或或K K 微命令微命令 Q+1Q+1微命令微命令 M M或或K K M MM+1M+1M+2M+2N NK KP PP+1P+1P+2P+2Q QQ+1Q+1控制存儲(chǔ)器空間控制存儲(chǔ)器空間取指微程序取指微程序間址微程序間址微程序ADDADD指令微程序指令微程序中斷微程序中斷微程序JMPJMP指令微程序指令微程序CPUCPU工作流程工作流程中

36、斷中斷請求請求間接間接尋址尋址操作操作類型類型 微指令格式組成微指令格式組成操作控制字段操作控制字段順序控制字段順序控制字段 微程序種類微程序種類取指、中斷等取指、中斷等公用公用微程序，指令微程序，指令操作操作微程序微程序35二、微程序控制器的組成原理二、微程序控制器的組成原理1 1、微程序控制器的基本組成、微程序控制器的基本組成 * *微操作控制信號(hào)形成部件：微操作控制信號(hào)形成部件：由由CMCM、微指令部件等組成、微指令部件等組成 * *時(shí)序系統(tǒng)：時(shí)序系統(tǒng)：只由節(jié)拍脈沖組成只由節(jié)拍脈沖組成 * *微指令部件：微指令部件：ARAR、IRIR、操作控制譯碼及微地址形成電路、操作控制譯碼及微地址形

37、成電路51機(jī)器狀態(tài)機(jī)器狀態(tài)時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng)IRIR狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器ARAR控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CMCMIRIR地址地址譯碼器譯碼器微地址形成電路微地址形成電路操作控制譯碼電路操作控制譯碼電路所有的微操作控制信號(hào)所有的微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào)形成電路形成電路操作控制字段操作控制字段順序控制字段順序控制字段PCPC362 2、微程序控制器的工作原理、微程序控制器的工作原理 * *微指令執(zhí)行過程：微指令執(zhí)行過程： 取微指令取微指令CM(AR)IRCM(AR)IR； 執(zhí)行微指令執(zhí)行微指令I(lǐng)RIR操作控制譯碼電路操作控制譯碼電路微操作實(shí)現(xiàn)；微操作實(shí)現(xiàn)；操作控制譯碼電路操作控制譯碼電

38、路 微地址形成電路微地址形成電路下條微指令地址下條微指令地址ARAR控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CMCM地址地址譯碼器譯碼器操作控制操作控制 順序控制順序控制IRIR微地址形成電路微地址形成電路狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器IRIR機(jī)器狀態(tài)機(jī)器狀態(tài)37 * *微程序執(zhí)行過程：微程序執(zhí)行過程：按微程序的邏輯順序、逐條執(zhí)行按微程序的邏輯順序、逐條執(zhí)行 微程序的微指令尋址微程序的微指令尋址末條末條為跳躍尋址、為跳躍尋址、其余其余為順序?qū)ぶ窞轫樞驅(qū)ぶ?8 * *微程序控制器的工作原理：微程序控制器的工作原理：CPUCPU加電時(shí)加電時(shí)PCPC引導(dǎo)程序引導(dǎo)程序 入口地址入口地址ARAR取指微程序取指微程序 入口地址入口地址

39、 循環(huán)地循環(huán)地產(chǎn)生產(chǎn)生按按(AR)(AR)取并執(zhí)行微指令取并執(zhí)行微指令的的微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào) AR AR的初值的初值系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由硬件直接給定系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由硬件直接給定CM(AR)IRCM(AR)IRARAR下條微指令地址下條微指令地址微取指周期微取指周期微執(zhí)行周期微執(zhí)行周期CPUCPU工作時(shí)工作時(shí)形成形成微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào)部件實(shí)現(xiàn)部件實(shí)現(xiàn)微操作功能微操作功能IRIR操作控制字段操作控制字段形成形成下條微指令地址下條微指令地址IRIR順序控制字段順序控制字段微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào) 與硬布線控制器比較與硬布線控制器比較循環(huán)周期非循環(huán)周期非CPUCPU工作流程工作流程6351

40、39三、微指令格式及編碼方式三、微指令格式及編碼方式操作控制字段操作控制字段 順序控制字段順序控制字段1 1、微指令的格式、微指令的格式 * *基本組成：基本組成： 組成組成操作控制字段操作控制字段，可表示，可表示所有微命令所有微命令 定長定長編碼編碼水平型微指令格式例水平型微指令格式例( (直接編碼直接編碼) )所有的微操作控制信號(hào)所有的微操作控制信號(hào)操作控制字段操作控制字段順序控制字段順序控制字段 * *種類：種類：有有水平型水平型和和垂直型垂直型兩種格式；兩種格式；( (按操作控制字段的功能分按操作控制字段的功能分) )同時(shí)實(shí)現(xiàn)的微操作同時(shí)實(shí)現(xiàn)的微操作下條微指令地址的形成方式下條微指令地

41、址的形成方式 * *水平型微指令格式：水平型微指令格式： 能同時(shí)定義并執(zhí)行能同時(shí)定義并執(zhí)行微命令微命令的微指令格式的微指令格式全部微命令數(shù)全部微命令數(shù) 順序控制字段順序控制字段，尋址方式須，尋址方式須顯式表示顯式表示40 * *垂直型微指令格式：垂直型微指令格式： * *兩種微指令格式比較：兩種微指令格式比較： 水平型格式水平型格式微操作能力強(qiáng)微操作能力強(qiáng)、靈活性強(qiáng)靈活性強(qiáng)、效率高效率高；全部為全部為功能性功能性微指令微指令多個(gè)多個(gè)微操作微操作任意任意組合組合 水平型格式執(zhí)行水平型格式執(zhí)行機(jī)器指令速度快機(jī)器指令速度快； 水平型格式微程序水平型格式微程序代碼效率低代碼效率低微指令數(shù)微指令數(shù)較少較

42、少字長字長較長較長、微操作、微操作很少很少412 2、微指令的編碼方式、微指令的編碼方式 指指操作控制字段操作控制字段的的編碼方式編碼方式，又稱為，又稱為微指令控制微指令控制方式方式微操作控制信號(hào)的微操作控制信號(hào)的形成方式形成方式位位1 1 位位2 2 位位n n順序控制順序控制所有的微操作控制信號(hào)所有的微操作控制信號(hào)直接形成直接形成 * *字段直接編碼方式：字段直接編碼方式： -譯碼控制方式譯碼控制方式 字段長度字段長度(log(log2 2子字段微命令數(shù)子字段微命令數(shù)) )，子字段編碼子字段編碼 微命令微命令所有的微操作控制信號(hào)所有的微操作控制信號(hào)譯碼譯碼譯碼譯碼子字段子字段1 1 子字段

43、子字段2 2 子字段子字段p p順序控制順序控制譯碼譯碼譯碼形成譯碼形成 子字段中微命令特性子字段中微命令特性各微命令各微命令互斥互斥( (同時(shí)有效數(shù)同時(shí)有效數(shù)11個(gè)個(gè)) ) * *直接編碼方式：直接編碼方式： -直接控制方式直接控制方式 字段長度字段長度n n位位( (所有微命令數(shù)所有微命令數(shù)) )，編碼位編碼位 微命令微命令42 * *字段間接編碼方式：字段間接編碼方式： -間接控制方式間接控制方式 部分微命令用多個(gè)子字段編碼的邏輯組合表示。部分微命令用多個(gè)子字段編碼的邏輯組合表示。譯碼譯碼+ +邏輯組合形成邏輯組合形成 * *編碼方式的應(yīng)用：編碼方式的應(yīng)用： 水平型微指令水平型微指令 所

44、有的微操作控制信號(hào)所有的微操作控制信號(hào)譯碼譯碼譯碼譯碼電路電路子字段子字段1 1 子字段子字段2 2 子字段子字段p p順序控制順序控制譯碼譯碼三種方式均可；三種方式均可； 長度與速度的權(quán)衡長度與速度的權(quán)衡43四、微指令地址形成方式四、微指令地址形成方式 指微指令指微指令形成形成下條微指令地址的方式，即下條微指令地址的方式，即微指令微指令尋址方式尋址方式微地址形成電路微地址形成電路順序控制字段順序控制字段編碼方式編碼方式 * *微指令尋址類型：微指令尋址類型： 順序型尋址順序型尋址AR=AR+1AR=AR+1； 跳躍型尋址跳躍型尋址AR=AR=目標(biāo)地址目標(biāo)地址1 1、微指令地址的形成方式、微指

45、令地址的形成方式方式位方式位F1F1順序控制順序控制顯式表示顯式表示隱式表示隱式表示( (操作碼隱含指明操作碼隱含指明) )或或XXXXXXXXXXXXXXXX操作控制操作控制順序控制順序控制XXXXXXXXXXXXXXXX操作控制操作控制 * *計(jì)數(shù)器法計(jì)數(shù)器法( (增量法增量法) )：AR=(AR)+1AR=(AR)+1，顯式或隱式顯式或隱式表示表示 應(yīng)用應(yīng)用適用于適用于順序型順序型微指令微指令6344 * *下址法：下址法：AR=(AR=(下址字段下址字段) )，顯式顯式表示表示方式位方式位F2F2下址下址順序控制順序控制ARAR 應(yīng)用應(yīng)用適用于適用于無條件轉(zhuǎn)移型無條件轉(zhuǎn)移型和和順序型順

46、序型微指令微指令45五、微程序控制器設(shè)計(jì)五、微程序控制器設(shè)計(jì) 第第步步列出所有的微操作命令步序列列出所有的微操作命令步序列 根據(jù)指令功能需求、根據(jù)指令功能需求、CPUCPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)列出列出（同硬布線控制器同硬布線控制器） 第第步步設(shè)計(jì)微指令集格式設(shè)計(jì)微指令集格式 確定確定微指令格式類型微指令格式類型( (水平型水平型/ /垂直型垂直型) )，按按CPUCPU的性能目標(biāo)的性能目標(biāo) 確定確定操作控制字段編碼方式操作控制字段編碼方式， 按微命令使用規(guī)律按微命令使用規(guī)律 確定確定微微地址形成方法地址形成方法 按按微程序調(diào)用規(guī)律微程序調(diào)用規(guī)律 第第步步微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì) 編制編制各功能模塊的微程序，各功能模塊的微程序，確定確定在在CMCM中的存放位置中的存放位置 第第步步設(shè)計(jì)相關(guān)電路設(shè)計(jì)相關(guān)電路 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)控制信號(hào)譯碼電路控制信號(hào)譯碼電路和和微地址形成電路微地址形成電路465.5 CPU5.5 CPU舉例舉例1 1、Intel 8086/8088 CPUIntel 8086/8088 CPU基本參數(shù)基本參數(shù) * *指令系統(tǒng)相關(guān)約定：指令系統(tǒng)相關(guān)約定：