第十章控制單元設計計算機組成原理2014年4月26日10.1硬布線控制器(組合邏輯控制器)組合邏輯線路指令譯碼器節(jié)拍電位/脈沖發(fā)生器微操作控制信號指令寄存器IR結果反饋信息M1MiT1TkI1ImC1CnB1Bj啟動/停止時鐘/復位10.1.1硬布線控制器基本原理微操作控制信號的函數(shù)表達式：

C=?(Im·Mi·Tk·Bj)

例：讀主存信號C3------

(RD)

取指令在M1被激活或LDAADDANDM3

C3=M1+M3（LDA+ADD+AND）

C3=T2M1+T1M3（LDA+ADD+AND）硬布線控制器基本原理微操作控制信號的函數(shù)表達式：

??···=immjkinIBTMC)(10.1.2設計過程1、列出所有機器指令的流程圖；2、確定指令周期的組成3、安排微操作的節(jié)拍，并建立指令系統(tǒng)的微操作清單4、列出指令的微操作序列表5、寫出各微操作控制信號的布爾表達式；化簡各表達式；6、利用電路或門陣列實現(xiàn)。1、實例機的指令系統(tǒng)指令符功能操作碼指令類型匯編記憶碼ADD加法0001地址指令ADDaddressSUBTRACT減法0011地址指令SUBTRACTaddressSTORE存儲0101地址指令STOREaddressLOAD讀出0111地址指令LOADaddressBRANCH條件轉移1001地址指令BRANCHaddressCALL轉子1011地址指令CALLaddressCLEAR清累加器1110000地址指令CLEARRETURN子程序返回1110010地址指令RETURNSHIFTR右移1111011地址指令SHIFTRcounterSHIFTL左移1111101地址指令SHIFTLcounter1五條指令的實現(xiàn)指令流控制的實現(xiàn)時間不確定指令的實現(xiàn)組合邏輯控制器設計與實現(xiàn)

2、指令周期的組成CLKT0T1T2T3時鐘周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T3

3.微操作的節(jié)拍安排采用

同步控制方式CPU內部結構采用非總線方式一個

機器周期

內有

3

個節(jié)拍（時鐘周期）控制信號C2

MDRPC

MARIRACCU時鐘ALU………C1C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8標志控制信號

(1).安排微操作時序的原則原則一微操作的先后順序不得隨意更改原則二被控對象不同的微操作盡量安排在一個節(jié)拍內完成原則三占用時間較短的微操作盡量安排在一個節(jié)拍內完成并允許有先后順序(2).取指周期微操作的節(jié)拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原則二原則二原則三(3).間址周期微操作的節(jié)拍安排M(MAR)MDRMDRAd（IR）T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R原則二原則一(4).執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)R(AC)0ACACAC④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)L(AC)AC0

ACnT0T1T20GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC(5).中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件關中斷向量地址

PC中斷隱指令完成1W組合邏輯設計步驟4、列出操作時間表T2T1T0

FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII1111111111111111111111111111111111111111111111組合邏輯設計步驟列出操作時間表T2

IND

間址T1T0JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111組合邏輯設計步驟列出操作時間表T2T1T0

EX執(zhí)行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W11111111111115、寫出微操作命令的最簡表達式=FE·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+

IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}7、畫出邏輯圖

龐雜調試困難修改困難

速度快（RISC）特點

思路清晰簡單明了M(MAR)MDR&&&11&&&&&≥FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1&&101.3硬布線控制器特點組成的網絡復雜；無規(guī)則；設計和調試困難；不可改變指令系統(tǒng)和指令功能適用于VLSI速度快1.假設CPU在中斷周期用堆棧保存程序斷點，且進棧時棧指針減一，出棧時棧指針加一。試寫出中斷返回指令（中斷服務程序的最后一條指令），在取指階段和執(zhí)行階段所需的全部微操作命令及節(jié)拍安排。答：組合邏輯設計的微操作命令：取指：

T0：PC→MART1：M[MAR]→MDR,PC+1→PCT2：MDR→IR,OP[IR]→微操作形成部件執(zhí)行：T0：SP→MART1：M[MAR]→MDRT2：MDR→PC,SP+1→SP

課堂練習與思考：2.寫出組合邏輯控制器完成STAX

（

X

為主存地址）指令發(fā)出的全部微操作命令及節(jié)拍安排；

T0PC→MAR1→RT1M(MAR)→MDR(PC)+1→PCT2MDR→IROP(IR)→ID

T0Ad(IR)→MAR

1→WT1ACC→MDR

T2MDR→M(MAR)

課堂練習與思考：3．數(shù)M在A寄存器中，數(shù)N在內存某單元內，請寫出實現(xiàn)F=2M-N，并將結果保存在A寄存器的微操作序列，并加以注解（設加法器ADDER的兩個輸入來自A、B寄存器）。

答案：實現(xiàn)該功能的微操作序列如下：（1）P0：A←2A；2M送A寄存器（2）P1：B←MBR；取N送B寄存器（3）P2：ADDER←非B，CIN←1；非N+1送加法器

P3：ADDER←A，ADD；2M送加法器（4）P4：A←ADDER；

2M–N送A寄存器課堂練習與思考：CU采用組合邏輯設計，因微操作控制信號全部由硬件產生，所以速度快，可用于構成高速的RISC機和巨型機。它的缺點：（1）邏輯實現(xiàn)復雜（2）不易擴展和修改。采用微程序設計方法可克服上述缺點。它是利用程序設計及存儲邏輯的概念，稱為微程序設計技術。它解決了設計的規(guī)整性問題，它將不規(guī)則的微操作命令變成了有規(guī)律的微程序，使控制單元的設計更科學合理。存儲邏輯又解決了可修改問題，簡化了控制器的設計任務，即不易出錯成本又較低；缺點是操作速度比較低。10.2微程序設計10.2.1微程序設計思想的產生1951英國劍橋大學教授

Wilkes完成一條機器指令微操作命令

1微操作命令

2微操作命令

n……微指令

110100000微指令n微程序00010010存儲邏輯一條機器指令對應一個微程序……存入

ROM微程序的基本思想假設一條指令OnTv

：開電視機兩個微操作：1插上電源插頭2按下電源開關2121CM1001組合邏輯微程序微程序設計將微操作用微指令表示，固化在存儲單元，編制對機器指令進行取指、譯碼和執(zhí)行的微指令序列（微程序），執(zhí)行該微程序，完成該機器指令的執(zhí)行OnTv1TOnTv2T微程序控制器的基本思想

仿照程序設計的方法，編制每個指令對應的微程序每個微程序由若干條微指令構成，各微指令包含若干條微命令

(一條微指令相當于一個狀態(tài)，一個微命令就是狀態(tài)中的控制信號)

所有指令對應的微程序放在只讀存儲器中，執(zhí)行某條指令時，取出對應微程序中的各條微指令，對微指令譯碼產生對應的微命令，這個微命令就是控制信號只讀存儲器稱為控制存儲器(ControlStorage)，簡稱控存微程序設計的特點具有規(guī)整性、可維性和靈活性，但速度慢1、微程序控制概念一條指令的處理包含許多微操作序列這些操作可以歸結為信息傳遞、運算將這些操作所需要的控制信號以多條微指令表示執(zhí)行一條微指令就給出一組微操作控制信號執(zhí)行一條指令也就是執(zhí)行一段由多條微指令組成的微程序10.2.1微程序控制的基本原理微程序控制基本概念微命令微操作的控制信號控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令微操作執(zhí)行部件接受微命令后所進行的最基本操作相容微操作指在同時或同一個CPU時鐘周期內并行執(zhí)行的微操作不相容（互斥）微操作指不能在同時或同一個CPU時鐘周期內并行執(zhí)行的微操作微程序控制器——基本概念程序機器指令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

2、微指令基本格式1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

LDLA

LDR1

＋

LDPC

BUS

↑

IR(A)

WE￠

P2

下

址

L

↑

R0

LDLB

LDR0

PC＋1

LDIR

RD￠

LDAR

LDDR

P1

順序控制

L

↑

R1

L

↑

R2

bus

↑

L

L

↑

bus

bus

↑

BUS

BUS

↑

bus

BUS

↑

ALU

BUS

↑

PC

BUS

↑

DR

DR(D)

↑

BUS

控制字段(微命令字段）

(下地址字段)1/01/01/01/0微指令格式…

操作控制字段操作控制字段直接給出多種微操作的控制信號順序控制字段用于控制微程序的執(zhí)行順序包括判斷邏輯字段和直接地址字段

直接地址字段存放下一條微指令的地址判斷邏輯非零，則按約定好的規(guī)則，根據狀態(tài)修正直接地址字段，從而得到下一條微指令的地址

控制字段測試字段下址字段

微指令周期取微指令周期

取指令周期？控制存儲器與主存差異？10.2.2微程序控制單元及工作原理1.機器指令對應的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序對應LDA操作的微程序對應STA操作的微程序間址周期微程序中斷周期微程序2.工作原理控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1…取指周期

微程序對應

LDA

操作的微程序對應

ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………對應STORE

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1LDADXADDYSTOREZ主存STP用戶程序工作原理(1)取指階段MCMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令形成下條微指令地址Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令M+1M+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR0010000M+2…100001M+1M…010010M+2M+1…形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序(取指令微程序的第一條微指令的微地址M)(2)執(zhí)行階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2

…M執(zhí)行LDA微程序

形成下條微指令地址P+1形成下條微指令地址P+2形成下條微指令地址

M(MCMAR)01

000P+2P+1…0001

00

1P+1P…(3)執(zhí)行階段CM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令Ad(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令Ad(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(Q

CMAR)Ad(CMBR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MBR0000000…10…0Q+2

Q+3執(zhí)行ADD微程序

形成下條微指令地址Q+1形成下條微指令地址Q+2形成下條微指令地址N(N

CMAR)01000Q+2Q+1…0001001Q+1Q…ADDALUACC0000000…01…0Q+3

N形成下條微指令地址Q+3Ad(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令(4)取指階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令MCMARPCMAR1R100001M+1M全部微指令存在CM中，程序執(zhí)行過程中只需讀出關鍵

微指令的操作控制字段如何形成微操作命令

微指令的后繼地址如何形成執(zhí)行取指微程序……2、微程序控制器組成原理框圖

微地址形成部件順序邏輯CMAR地址譯碼控制存儲器標志CLK下一地址CMBROPIR操作控制順序控制微指令基本格式3、取指令微程序取指令取指令的微指令(簡稱取指微指令)地址送μAR，并自動啟動控制存儲器進行讀操作，將讀出的微指令送

IR，執(zhí)行微指令,讀取指令到IR4、執(zhí)行指令微程序執(zhí)行指令：根據IR中指令的功能，產生該指令微程序入口地址，微程序入口地址送入

AR，讀CS，讀出的微指令送

IR、(下址字段送

AR)，控制字段的微命令控制完成一組微操作同時由微地址產生邏輯或微指令下址字段形成下條微指令地址，按取微指令，執(zhí)行微指令過程重復執(zhí)行完微程序實現(xiàn)指令的功能5、執(zhí)行指令微程序…

采用微程序控制的計算機的工作過程是執(zhí)行微指令序列的過程。微指令控制了取指令操作，多條微指令實現(xiàn)了指令的功能。而微指令中的微命令使執(zhí)行部件完成微操作，計算機的工作過程是執(zhí)行程序的過程，微觀看，是執(zhí)行指令的過程，再微觀一點看，是執(zhí)行部件進行微操作的過程

6、微程序存放示意圖下址字段地址…

…

1000XXXX0111XXXX0110XXXX0101XXXX0100XXXX0011XXXX0010XXXX0001XXXX0000操作控制字段…

HALT64STA(R1)，R0

63JO7562ADDR0，(81)61LADR0，(80)60控制存儲器CM取指微指令加法微程序取數(shù)微程序存數(shù)微程序轉移微程序0000000001100000000000110010主存儲器

機器指令與微指令的關系機器指令對應一個微程序，這個微程序由若干微指令組成，一個微指令又包含多個微操作機器指令與內存儲器有關，微指令與控制存儲器有關每一個CPU周期對應一條微指令幾個概念的對比微命令 VS.

微操作構成控制信號序列的最小單位，由控制部件向執(zhí)行部件發(fā)送，是微操作的控制信號執(zhí)行部件接受微命令后進行的最基本的操作，是微命令控制的操作過程實質是同一信號：對控制部件體現(xiàn)為微命令，對執(zhí)行部件體現(xiàn)為微操作機器指令VS.

微指令提供給用戶編程的基本單位，機器能完成的最基本操作，機器指令由微指令解釋執(zhí)行實現(xiàn)機器指令操作的一系列微命令的組合幾個概念的對比程序VS.

微程序由機器指令構成。用戶編制，存放在主存儲器中，允許修改微程序是微指令的有序集合，用于描述機器指令。計算機設計者編制，存放在控制存儲器中，不允許用戶修改主存儲器VS.

控制存儲器存放系統(tǒng)程序和用戶程序，容量大存放對應于機器指令系統(tǒng)的微程序，容量有限幾個概念的對比微程序控制VS.

組合邏輯控制可調整、速度慢、實現(xiàn)復雜指令不可調整、速度快、實現(xiàn)簡單指令典型RISC處理器一般采用組合邏輯控制實現(xiàn)CISC處理器采用兩種控制邏輯常用的簡單指令采用組合邏輯控制實現(xiàn)不常用的復雜指令采用微程序控制實現(xiàn)CPU周期與微指令周期的關系微指令周期：讀出微指令的時間加上指令該條微指令的時間。如：T1T2T3T4T1T2T3T4執(zhí)行微指令

微指令周期CPU周期CPU周期

讀微指令

在T4節(jié)拍脈沖期間（200ns）:取微指令；在T1的上升沿：微指令已經取好，在T1—T3期間（600ns）：執(zhí)行微操作。所以：在一個CPU周期內（800ns）：取址指令：占1/4CPU周期；執(zhí)行微指令：占3/4CPU周期。

設：一個CPU周期為0.8μs，它包含四個等間隔的節(jié)拍脈沖T1～T4，每個脈沖寬度為200ns。用T4作為讀取微指令的時間，用T1+T2+T3時間作為執(zhí)行微指令的時間。例如，在前600ns時間內運算器進行運算，在600ns時間的末尾運算器已經運算完畢，可用T4上升沿將運算結果打入某個寄存器。與此同時可用T4間隔讀取下條微指令，經200ns時間延遲，下條微指令又從只讀存儲器讀出，并用T1上升沿打入到微指令寄存器。如忽略觸發(fā)器的翻轉延遲，那么下條微指令的微命令信號就從T1上升沿起就開始有效，直到下一條微指令讀出后打入微指令寄存器為止。因此一條微指令的保持時間恰好是0.8μs，也就是一個CPU周期的時間。CPU周期CPU周期T1T2T3T40.8μs200ns10.2.2微指令設計有利于縮短微指令字長度有利于減少控制存儲器容量有利于提高微程序執(zhí)行速度有利于對微指令進行修改有利于提高微程序設計的靈活性1、微命令編碼直接表示法編碼表示法混合表示法⑴直接表示方法微指令中每一位代表一個微命令簡單直觀，便于輸出控制，字長太長，控制存儲器容量大

.1234567891011121314151617181920212223操作控制順序控制LDR1LDR2LDR3R1→XR3→YR2→XR2→YDR→XR1→Y+M-RDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址1/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/0⑵編碼表示方法字段直接譯碼法字長短，控制存儲器容量小，增加了譯碼電路

.1234567891011121314151617181920212223操作控制順序控制直接地址譯碼.譯碼.譯碼.微命令P1P2Pn1/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/0⑶混合表示法這種方法是把直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考慮指令字長、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。.1234567891011121314151617181920212223操作控制順序控制直接地址譯碼.譯碼.譯碼.微命令微命令R1→Y+M-RDLDDRLDIRLDAR直接表示編碼表示1/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/03、微地址形成方法計數(shù)器法

PC

下地址字段法微程序控制器——設計技術⑴計數(shù)器方式：設置一個微程序計數(shù)器μ

PC，在順序執(zhí)行微指令時，后繼微指令地址由現(xiàn)行微地址加上一個增量來實現(xiàn)。遇到轉移時，由微指令給出轉移微地址。微程序控制器——設計技術用計數(shù)器方式實現(xiàn)的微程序控制單元結構μOP轉移部分控制存儲器μPC

指令寄存器入口地址及轉移地址產生器條件碼

狀態(tài)標志

微程序控制器——設計技術計數(shù)器方式的優(yōu)點是微指令字較短，便于編寫微程序，后繼微地址產生機構比較簡單；缺點是執(zhí)行速度低，原因是計數(shù)器方式不易直接實現(xiàn)對應于各個測試條件的多路轉移，而微程序的主要特點是存在大量的分支。微程序控制器——設計技術⑵斷定方式（下址字段法）所謂斷定方式是指后繼微指令地址可由設計者指定或由設計者指定的測試判斷字段控制生產。在這種方式中，當微程序不產生分支時，后繼微指令地址直接由微指令的順序控制字段給出；當微程序出現(xiàn)分支時，按順序控制字段給出的測試判別字段和狀態(tài)條件來形成后繼微地址。這種方式因為要在微指令格式中設置一個字段用來指明下一條要執(zhí)行的微指令地址，所以也稱為下址字段法。微程序控制器——設計技術用斷定方式實現(xiàn)的微程序控制單元結構指令寄存器IRPLA微地址修改邏輯+控制存儲器μAR下址μIR測試條件碼狀態(tài)標志微程序控制器——設計技術μOP測試判別下址2400下址01按地址轉移10按Z轉移11空如：采用斷定方式的微指令格式如下：微地址微命令測試下址0000A0000010001B0000100010C0101000011E1010100100D0000110101H0010000110L0010010111P0010011000I0010111001M0011101010F0011001011J0011011100G0000001101K0000001110N0011111111O0000004、微指令格式水平型微指令（一次能并行多個微操作的指令）控制字段判別測試字段下地址字段000原寄存器目的寄存器其他001左輸入源編址右輸入源編址ALU010寄存器編址存儲器編址讀寫其他011測試條件垂直型微指令寄存器數(shù)據傳送型運算控制型訪問主存型條件轉移型微程序控制器——設計技術⑴水平型微指令：一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令?；咎卣鳎何⒅噶钭州^長一條微指令能控制數(shù)據通路中多個功能部件并行操作。微命令的編碼簡單，盡可能使微命令與控制門之間具有直接對應關系。格式如下：控制字段判別測試字段下地址字段微程序控制器——設計技術⑵垂直型微指令：在微指令中設置微操作碼字段，采用為操作碼編譯法，由操作碼規(guī)定為微指令的功能，在一條微指令中只有一、兩個微操作命令稱為垂直型微指令?；咎卣鳎何⒅噶钭侄?。微指令的并行操作能力有限，一條微指令只能控制數(shù)據通路中的一、兩個信息傳送。微指令編碼比較復雜，全部微命令組成一個微操作碼字段，經過完全譯碼，微指令的各個二進制位與數(shù)據通路的各個控制點之間完全不存在直接對應關系。5、水平型與垂直型微指令比較水平型微指令并行操作能力強，效率高，靈活性強水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間短由水平型微指令編的微程序微指令字較長，微程序短，垂直型的字長短，微程序長。水平型不便于用戶掌握，垂直型與指令相似，易于掌握。微程序控制器特點設計規(guī)整，設計效率高易于修改、擴展指令系統(tǒng)功能；結構規(guī)整、簡潔，可靠性高；速度慢訪存頻繁執(zhí)行效率不高用于速度要求不高、功能較復雜的機器中。特別適用于系列機

硬布線與微程序控制器比較硬布線控制器執(zhí)行速度快微程序控制器每條微指令都需要從控制存儲器中讀取一次，大大影響了速度，硬布線控制取決于電路延遲。硬布線控制器設計復雜，代價昂貴微程序控制器設計簡單，便于維護修改

(例）某機有8條微指令I1-I8，每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。

a-j分別對應10種不同性質的微命令信號。假設一條微指令的控制字段為8位，請安排微指令的控制字段格式。

微指令ABCDEFGHIJI1√√√√√I2√√√√I3√√I4√I5√√√√I6√√√I7√√√I8√√√解：因為８位要對應10種不同的信號，所以要將原來10種信號中不沖突的信號合在一起，用不同的二進制數(shù)來表示不同的狀態(tài)。分析發(fā)現(xiàn)E，Ｆ，H和B，I，J對于任何一條微指令，都是相斥性微操作，即不可能在同一個CPU周期中同時發(fā)生這些操作，因此可分別組成兩個小組或兩個字段，然后進行譯碼產生這六個微命令信號。剩下的a,c,d,g四個微命令信號可進行直接控制，所以分別用二位二進制數(shù)可以表示，如下：01：E，10:F，11:H；01：B，10：I，11：J。微指令的控制字段格式：GDCA##**編碼表示編碼表示直接表示其整個微指令控制字段組成如下：

譯碼譯碼0706050403020100efhbijacdg00:-01:e10:f11:h00:-01:b10:i11:je.f.h(b.i.j)微命令均無效10.3微程序控制器單元設計舉例設計一個微程序控制器，主要用微程序設計的方法來設計其微操作序列形成部件。一般可歸納為下列四個步驟：①擬定各條機器指令的操作流程圖，寫出其微操作序列；②根據全機的微操作序列選用微指令的編碼設計方案；③根據各條機器指令的功能編制出相應的微程序；④把已編好調試好的微程序寫入一個可高速讀出的只讀存儲器中。我們還是以前模型機的千條指令為例，來說明微程序控制器的設計過程。指令節(jié)拍ADDCLEARSUBTRACTSTORELOADIF·T0

MAR

PC，

IF·T1

IR

MBR，R

0

IF·T2

PC

PC+1

IF·T3

IF

0，EX

1

EX·T0MAR

IR,

R

1

MAR

IR,

R

1MAR

IR,W

1,MBR

AC

EX·T1R

0

R

0W

0

EX·T2ALU

AC+MBRALU

ACC-MDR

EX·T3EX·T3

EX

0,IF

1

AC

ALUAC

0AC

ALU

表4.13五條指令的控制流確定微指令的結構——指令控制流R

1MAR

IR,

R

1R

0AC

MBR微程序控制器中沒有節(jié)拍問題，只有微指令的執(zhí)行順序問題微命令控制信號位含義AC

01累加器清零AC

ALU2運算器結果送累加器ALU

AC+MBR3將累加器和緩沖寄存器送運算器，啟動加ALU

AC-MBR4將累加器和緩沖寄存器送運算器，啟動減EX

05清除執(zhí)行標志EX

16設置執(zhí)行標志IF

07清除取指令標志IF

18設置取指令標志IR

MBR9存儲緩沖寄存器送指令寄存器MAR

IR10指令寄存器送存儲緩沖寄存器MAR

PC11程序計數(shù)器送存儲緩沖寄存器MDR

AC12累加器送存儲緩沖寄存器PC

IR13指令寄存器送程序計數(shù)器PC

PC+114程序計數(shù)器加1R

015清除讀存儲器標志R

116設置讀存儲器標志W

017清除寫存儲器標志W

118設置寫存儲器標志確定微指令的結構——微命令清單（1）微命令控制信號位含義FCMAR

019FCMAR清零FCMAR

CM()20微地址碼送FCMARFCMAR

FCMAR+MAP(IR)21根據指令對FCMAR進行微地址碼變換確定微指令的結構——微命令清單（2）注：FCMAR---控存地址緩沖寄存器2、確定微指令的結構——微指令格式（1）(1)微指令的編碼方式(2)后繼微指令的地址形成方式采用直接控制編碼由機器指令的操作碼通過微地址形成部件產生由微指令的下地址字段直接給出(3)微指令字長確定操作控制字段 由21個微操作取26位確定微指令的下地址字段 由

40

條微指令取6位微指令字長

可取26＋6＝32

位2、確定微指令的結構——微指令格式（2）3、微程序設計和微代碼表4.13五條指令的控制流

IF·T0R

1

IF·T1IR

MBR,R

0

IF·T2

PC

PC+1

IF·T3

IF

0,EX

1

指令節(jié)拍ADDCLEARSUBTRACTSTORELOADEX·T0MAR

IR,R

1

MAR

IR,R

1W

1,MAR

IR,

MBR

AC

EX·T1R

0

R

0W

0

EX·T2ALU

AC+MBRALU

AC-MBR

EX·T3EX·T3

EX

0,IF

1

AC

ALUAC

0AC

ALU

取指令MAR

PC

MAR

IR,R

1AC

MBRR

0

取指令階段公共部分微程序控存地址控制信號（微命令）微地址碼說明0MAR

PC，R

1，F(xiàn)CMARCM(27..32)1

1IR

MBR，R0，F(xiàn)CMARCM(27..32)2

2PC

PC+1，F(xiàn)CMARCM(27..32)3

3IF0，EX1，F(xiàn)CMARFCMAR+MAP(IR)

按MAP(IR)，轉4-9行4FCMAR

CM(27..32)15轉向ADD5FCMAR

CM(27..32)19轉向CLEAR6FCMAR

CM(27..32)20轉向SUBTRACT7FCMAR

CM(27..32)24轉向STORE8FCMAR

CM(27..32)27轉向LOAD9（從此到14號單元空閑，備新指令使用）

15MAR

IR，

R

1，F(xiàn)CMARCM(27..32)16ADD指令16R

0，F(xiàn)CMARCM(27..32)17

17ALU

AC+MBR，F(xiàn)CMARCM(27..32)18

18EX0，IF1，ACALU，F(xiàn)CMARCM(27..32)0返回19EX0，IF1，AC0，F(xiàn)CMARCM(27..32)0CLEAR指令，執(zhí)行后返回20MAR

IR，

R

1，F(xiàn)CMARCM(27..32)21SUBTRACT指令21R

0，F(xiàn)CMARCM(27..32)22

22ALU

AC-MBR，F(xiàn)CMARCM(27..32)23

23EX0，IF1，ACALU，F(xiàn)CMAR00返回24MAR

IR，W

1,MBR

ACFCMARCM(27..32)25STORE指令25W

0,FCMARCM(27..32)2626EX0，IF1，F(xiàn)CMAR00返回

控制信號矩陣

微地址碼

控存0

1

2

3

地址1234567890123456789012345678901200

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

11

3

11

1

4

1

1111

5

1

1

11

6

1

1

1

7

1

11

8

1

11

1

1有控制信號的地方填“1”圖五條指令的微程序碼點圖微程序控制器的實現(xiàn)實例計算機的微程序實現(xiàn)微程序控制器的控制信號是由控制存儲器發(fā)出，而不是由組合邏輯電路產生完成指令操作碼的順序編號圖

采用微程序控制的實例計算機的控制系統(tǒng)方框圖4．微程序裝入控制存儲器當上表所示的微程序編好之后，經檢測、調試無誤后，即可寫入高速讀出的只讀存儲器ROM中，得到所需的微程序控制器。為了使讀者對微程序控制器有較深刻的理解，下圖畫出了模型機微程序控制器簡框圖。圖中打圓點的地方，表示有微操作命令輸出。即表示該微地址被選中后與信號輸出線上跨接上一個導通的二極管。其工作過程與表所示微程序一一對應。地址譯碼器CMARFCMAR指令寄存器IR…………條件碼傳送控制時鐘信號S控制存儲器CM控制信號字段微地址碼字段微指令寄存器uIR……微操作控制信號24232221201918171615141312111098765432100001020304050607080910111213141516171819微操作控制信號下地址控制存儲器CM10.4典型CPU--奔騰CPU結構框圖

總線接口部件64位數(shù)據總線32位地址總線控制分頁部件64位數(shù)據總線32位地址總線分支目標緩沖器BTBTLB代碼Cache8KB預取緩沖存儲器指令譯碼部件控制部件控制ROM預取地址地址生成(U流水線)地址生成(V流水線)整數(shù)寄存器組ALU(U流水線)ALU(V流水線)桶形移位器數(shù)據Cache8KBTLB乘法器除法器控制寄存器組加法器浮點部件FPU256位32位32位32位32位32位32位80位80位分支監(jiān)測和目標地址指令指針BIUMMUEUPentium微處理器體系結構1.奔騰CPU的結構框圖(1)超標量流水線

超標量流水線是pentium系統(tǒng)結構的核心。它由U和V兩條指令流水線構成，每條流水線都有自已的ALU、地址生成電路、與數(shù)據cache的接口。兩個指令預取緩沖器，每個都是32字節(jié)，負責由指令cache或主存取指令并放入其中。(2)指令cache和數(shù)據cache奔騰CPU則分設指令cache和數(shù)據cache，各8KB。指令cache是只讀的，以單端口256位(32B)向指令預取緩沖器提供超長指令字代碼。數(shù)據cache是可讀可寫的，雙端口，(3)浮點運算部件奔騰CPU內部包含了一個8段的流水浮點運算器。(4)動態(tài)轉移預測技術執(zhí)行轉移指令時為了不使流水線斷流，

2.Pentium的技術性能

Pentium是Intel公司生產的超標量流水處理器，

CPU內部的主要寄存器寬度為32位，故認為它是一個32位微處理器。但它通向存儲器的外部數(shù)據總線寬度為64位，每次總線操作可以同時傳輸8個字節(jié)。

Pentium具有非固定長度的指令格式，9種尋址方式，191條指令，但是在每個時鐘周期又能執(zhí)行兩條指令(超標量流水線）。因此它具有CISC和RlSC兩者的特性，不過具有的CISC特性更多一些，因此被看成為一個CISC結構的處理器。以CISC結構實現(xiàn)超標量流水線，并有BTB（轉移目標緩沖器）方式的轉移預測能力，堪稱為當代CISC機器的經典之作。

主要技術

1．超標量流水線，由U、V兩條指令流水線構成；

2．獨立指令Cache和數(shù)據Cache，采用2路組相聯(lián)結構；

3．流水浮點運算部件，采用8段子過程結構。前4段為指令預?。≒F）、指令譯碼（DI）、地址生成（D2）、取操作數(shù)（EX），在U、V流水線中完成；后4段為執(zhí)行1（X1）、執(zhí)行2（X2）、

結果寫回寄存器對（WF）、錯誤報告（ER），在浮點運算部件中完成；

4．動態(tài)轉移預測技術PentiumCPU

Pentium是Intel公司生產的超標量流水處理器，早期使用5V工作電壓，后期使用3.3V工作電壓。CPU的主頻是片外主總線時鐘頻率(60MHz或66MHz)的倍頻，有120，166，200MHz等多種。

CPU內部的主要寄存器寬度為32位，故認為它是一個32位微處理器。但它通向存儲器的外部數(shù)總線寬度為64位，每次總線操作可以同時傳輸8個字節(jié)。以主總線(存儲器總線)時鐘頻率66MHz計算，64位數(shù)據總線可使CPU與主存的數(shù)據交換速率達到528MB/s。

CPU支持多種類型的總線周期，其中一種稱猝發(fā)模式，在此模式下，可在一個總線周期內讀出或與入256位(32字節(jié))的數(shù)據。

CPU外部地址總線寬度是36位，但一般使用32位寬，故物理地址空間為4096MB(4GB)。虛擬地址空間為64TB，分頁模式除支持4KB頁面外(與486相同)，還支持2MB和4MB頁面。其中2MB頁面的分頁模式必須使用36位地址總線。

CPU內部分別設置指令cache和數(shù)據cache，外部還可接L2cache。CPU采用U，V兩條指令流水線，能在一個時鐘周期內發(fā)射兩條簡單的整數(shù)指令，也可發(fā)射一條浮點指令。操作控制器采用硬布線控制和微程序控制相結合的方式。大多數(shù)簡單指令用硬布線控制實現(xiàn)，在一個時鐘周期內執(zhí)行完畢。對微程序實現(xiàn)的指令，也在2—3個時鐘周期內執(zhí)行完畢。1、參見圖5.15的數(shù)據通路。畫出存數(shù)指令“STAR1,(R2)”的指令周期流程圖，其含義是將寄存器R1的內容傳送至（R2）為地址的主存單元中。標出個為操作信號序列。課堂練習與思考：PC→ARM→DRDR→IRR2→ARR1→DRDR→M~PC0，G，ARiDR0，G，IRiR20，G，ARiR10，G，DRiR/W=W

R/W=R2、參見圖的數(shù)據通路，畫出取數(shù)指令“LDA(R3),R0”的指令周期流程圖，其含義是將（R3）為地址主存單元的內容取至寄存器R0中。標出個為操作信號序列。課堂練習與思考：~PC→ARM→DRDR→IRR3→ARM→DRDR→R0PC0，G，ARiDR0，G，IRiR30，G，ARiDR0，G，R0IR/W=R

R/W=RPC→AR→RAM→DBUS→DR→IRPC+1P1R1+R2→R2R2+R3→R2R2-R3→R2P2Cy=1

Cy=0

R3=6

第一條微指令PC→AR→ABUS→DBUS→DR→IRPC+1LDARRDLDDRLDIRPC+1000000000000111111234567891011121314151617101819000020212223RDLDDRLDIRLDARPC+1P1直接地址第二條微指令R1→XR2→YX+YX+Y→R2R1→XR2→Y+LDR2010100100100000001234567891011121314151617001819100120212223LDR2R1→X+直接地址R2→Y010001001100000001234567891011121314151617011819000020212223LDR2R2→XR3→Y+P2直接地址R2→XR3→YX+YX+Y→R2R2→XR3→Y+LDR2第三條微指令010001001001000001234567891011121314151617001819000020212223LDR2R2→XR3→Y-P1P2直接地址R2→XR3→YX-YX-Y→R2R2→XR3→Y-LDR2第四條微指令第十章主要內容

10.2.1組合邏輯設計1．組合邏輯控制單元框圖如圖10.1所示。圖

控制單元框圖

組合邏輯線路指令譯碼器節(jié)拍電位/脈沖發(fā)生器微操作控制信號指令寄存器IR結果反饋信息M1MiT1TkI1ImC1CnB1Bj啟動/停止時鐘/復位2．組合邏輯設計步驟（1）列出微操作命令的操作時間表（2）寫出微操作命令的最簡表達式（3）畫出微操作命令的邏輯圖10.2.2微程序設計1．微程序設計思想2．機器指令對應的微程序不同機器指令所對應的微程序如圖10.2所示。

控制存儲器N+1NN+2P+1Q+1Q+3PP+2Q+2…取指周期

微程序對應

LOAD

操作的微程序對應

ADD

操作的微程序Q+1Q+3NN+1N+2P+1P+2N………對應

STORE

操作的微程序K+1K+2NKK+2K+1QQ+23．微程序控制單元的基本組成圖10.3虛線框內是微程序控制單元的基本組成。

微地址形成部件順序邏輯CMAR地址譯碼控制存儲器標志CLK下一地址CMBR至CPU內部和系統(tǒng)總線的控制信號

OPIR4．微指令的基本格式微指令的基本格式如圖10.4所示。圖微指令的基本格式5．微指令的編碼方式（1）直接編碼（直接控制）方式（2）字段直接編碼方式（3）字段間接編碼方式6．微指令序列地址的形成7．微指令格式8．微程序設計步驟（1）寫出對應機器指令的微操作命令及節(jié)拍安排（2）確定微指令格式（3）編寫微指令碼點微操作控制字段順序控制字段本章小結學習本章后要理解并掌握以下內容：試從設計思想、設計步驟、硬件組成和工作原理四個方面比較組合邏輯控制器和微程序控制器。組合邏輯控制器和微程序控制器的微操作命令節(jié)拍安排有何不同？為什么？解釋下列概念：微程序控制、指令、微指令、微操作、微操作命令、垂直型微指令、水平型微指令、靜態(tài)微程序設計、動態(tài)微程序設計、毫級程序設計。微指令的后續(xù)地址如何形成。已知一個指令系統(tǒng)，如何設計出全部微指令的碼點。本章結束:本課程結束!第十章測試題一、選擇題：

1．以下敘述中正確描述的句子是：______。

A同一個CPU周期中，可以并行執(zhí)行的微操作叫相容性微操作

B同一個CPU周期中,不可以并行執(zhí)行的微操作叫相容性微操作

C同一個CPU周期中，可以并行執(zhí)行的微操作叫相斥性微操作

D同一個CPU周期中,不可以并行執(zhí)行的微操作叫相斥性微操作2.存放微程序的存儲器稱為______。

A高速緩沖存儲器B控制存儲器

C.虛擬存儲器D

主存儲器

3.一般機器周期的時間是根據_______來規(guī)定的。

A主存中讀取一個指令字的最短時間

B主存中讀取一個數(shù)據字的最長時間

C主存中寫入一個數(shù)據字的平均時間

D主存中讀取一個數(shù)據字的平均時間

二、填空題：

1．微程序設計技術是利用.______方法設計.______的一門技術。具有規(guī)整性、可維護性、______等一系列優(yōu)點。

2.硬布線器的設計方法是：先畫出______流程圖，再利用______寫出綜合邏輯表達式，然后用______等器件實現(xiàn)。第十章自測題答案

一、1.A,D2.B3.A

二、1.軟件操作控制靈活性