计算机组成原理第5章

1、1第五章第五章 中央处理器中央处理器 25.1 CPU5.1 CPU的结构与工作原理的结构与工作原理一、一、CPUCPU的功能与结构的功能与结构1 1、CPUCPU的功能的功能 * *指令控制：指令控制：程序执行过程程序执行过程主存主存MMMM控制器控制器CPUCPU运算器运算器I/OI/O设备设备中断请中断请求求取指阶段取指阶段执行阶段执行阶段时间时间控制信号的控制信号的状态状态指令地址指令地址+1+1、时长及次序时长及次序 * *操作控制：操作控制： * *时间控制：时间控制： * *数据加工：数据加工： * *中断处理：中断处理：32 2、CPUCPU的基本结构的基本结构 * *CPUC

2、PU基本结构：基本结构：寄存器、运算器，寄存器、运算器，CUCU、BIUBIU、中断机构，通路、中断机构，通路 * *CPUCPU功能与组成部件：功能与组成部件： 指令控制指令控制 操作控制操作控制 时间控制时间控制 数据加工数据加工 中断处理中断处理时序系统、控制信号形成电路；时序系统、控制信号形成电路；PCPC、IRIR、指令译码器、指令译码器IDID；ALUALU及状态及状态REGREG、REGREG组；组；中断机构。中断机构。中断中断机构机构PCPCIRIR译码器译码器IDID时序系统时序系统控制信号控制信号形成电路形成电路ALUALU状态状态REGREGMARMARMDRMDR总线总

3、线逻辑逻辑REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CPUCPU内部数据通路内部数据通路BIUBIUCUCU43 3、CPUCPU的寄存器组织的寄存器组织 有有用户可见寄存器用户可见寄存器和和控制控制/ /状态寄存器状态寄存器两大类。两大类。 * *用户可见寄存器：用户可见寄存器： -存放地址及数据存放地址及数据 条件码条件码REGREG 数据数据REGREG 地址地址REGREG 通用通用REGREG5 * *控制控制/ /状态寄存器：状态寄存器： -控制控制CPUCPU的操作或运算的操作或运算 PC PC存放存放指令地址指令地址，作循环变量使用，作循环变量使用， 通常具有计数功能通常

4、具有计数功能； 顺序型指令顺序型指令占绝大多数占绝大多数 IR IR存放存放当前当前指令内容指令内容； MAR MAR存放存放CPUCPU所访问存储单元或所访问存储单元或I/OI/O设备的设备的地址地址； MDRMDR存放存放CPUCPU欲写出或已读入的欲写出或已读入的信息信息( (数据或指令数据或指令) )； 程序状态字程序状态字REG(PSW)REG(PSW)存放存放程序执行状态程序执行状态； 其他其他REGREG如段如段REGREG、系统模式、系统模式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取出并执行一条指令的时间。取出并执行一

5、条指令的时间。取指周期取指周期 执行周期执行周期 取指阶段取指阶段 执行阶段执行阶段( (取指、分析取指、分析) () (执行指令执行指令) )指令周期指令周期 * *指令周期的特征：指令周期的特征： 不同不同指令类型指令类型及及寻址方式寻址方式的指令周期可能不同。的指令周期可能不同。间址周期间址周期取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期加法指令加法指令: :( (间接寻址间接寻址) )加法指令加法指令: :( (直接寻址直接寻址) )取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期执行周期执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: :( (直接寻址直接寻址) )7三

6、、指令执行过程三、指令执行过程1 1、指令的执行过程、指令的执行过程 * *取指令阶段：取指令阶段： 取指令取指令操作步骤操作步骤 分析指令分析指令结果结果PCPCMARMAR访问访问MEMMEMMDRMDRIRIR； + +“1 1”PCPC * *执行指令阶段：执行指令阶段： 操作步骤操作步骤8 指令执行过程的特征：指令执行过程的特征： 指令执行过程由若干指令执行过程由若干有序有序的的操作操作组成；组成； 取指令阶段的取指令阶段的操作及步骤操作及步骤基本上基本上是是通用的通用的； 执行指令阶段的执行指令阶段的操作及步骤操作及步骤受受指令格式指令格式的影响的影响取指令阶段取指令阶段和和执行指

7、令阶段执行指令阶段的操作的操作必须取得必须取得操作类型操作类型/ /操作数长度、寻址方式操作数长度、寻址方式多字长指令的地址码多字长指令的地址码放在放在执行指令阶段取执行指令阶段取如操作类型、操作数长度、寻址方式、指令字长如操作类型、操作数长度、寻址方式、指令字长92 2、指令执行过程与、指令执行过程与CPUCPU的基本操作的基本操作 * *指令执行过程：指令执行过程：由若干由若干有序有序的的基本操作基本操作组成组成 * *CPUCPU的基本操作类型：的基本操作类型：由由CPUCPU结构及指令执行过程确定结构及指令执行过程确定REGREG间传送间传送存储器读存储器读存储器写存储器写算逻运算算逻

8、运算 R R源源1 1及及R R源源2 2ALU(ALU(运算运算)R R结果结果R R源源R R目标目标；MARMARMEM(MEM(读读)MDRMDR；MARMAR及及MDRMDRMEM(MEM(写写) )； 例例11指令指令R1(R0)R1(R0)执行过程的执行过程的CPUCPU基本操作序列：基本操作序列： 解解： PCMAR PCMAR 存储器读，存储器读，(PC)(PC)1PC1PC MDRIR MDRIR R0MAR R0MAR 存储器读存储器读 MDRR1 MDRR139103 3、CPUCPU的基本操作与微操作的基本操作与微操作 * *术语：术语：微操作微操作CPUCPU内部的

9、内部的原子操作原子操作( (不能再细化的操作不能再细化的操作) )； 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)寄存器间数据传送操作寄存器间数据传送操作 * *操作步骤：操作步骤：利用利用CPUCPU内部数据通路内部数据通路直接实现数据传送；直接实现数据传送；(2)(2)存储器读操作存储器读操作 * *操作步骤：操作步骤： 发地址信号、发读信号，发地址信号、发读信号， 等待操作完成、接收数据；等待操作完成、接收数据； * *微操作序列：微操作序列： 1Read 1Read ；实现；实现MARMAR、ReadRead操作操作 M(MAR)MDR M(MAR)MDR ；实

10、现等待完成、；实现等待完成、MDRMDR操作操作 * *微操作序列：微操作序列：R R源源RR目标目标311(3)(3)存储器写操作存储器写操作 * *操作步骤：操作步骤： 发地址信号、发写信号，发送数据、等待操作完成；发地址信号、发写信号，发送数据、等待操作完成； * *微操作序列：微操作序列： 1Write 1Write ；实现；实现MARMAR、WriteWrite操作操作 MDRM(MAR) MDRM(MAR) ；实现；实现MDRMDR、等待完成操作、等待完成操作12(4)(4)算术逻辑运算操作算术逻辑运算操作 * *操作需求：操作需求： 运算过程中，运算过程中，入端入端数据稳定数据稳

11、定， 运算结束时，运算结束时，出端出端数据存到稳定部件数据存到稳定部件； * *微操作序列：微操作序列： R R源源1 1ALUALU ；R R源源可为可为MDR MDR R R源源2 2ALUALU ；R R源源1 1、R R源源2 2的数据通路不冲突时，可并行的数据通路不冲突时，可并行 OPALU OPALU ；OPOP种类由种类由ALUALU功能决定功能决定 ALUR ALUR结果结果 ；R R结果结果可与可与R R源源为同一寄存器为同一寄存器 * *操作步骤：操作步骤： 2 2个源寄存器数据送个源寄存器数据送ALUALU入端并保持，入端并保持， 向向ALUALU发运算命令，运算后数据送

12、结果寄存器；发运算命令，运算后数据送结果寄存器；REGREG组组ALUALU13 例例22指令指令R1(R0)R1(R0)执行过程的微操作序列：执行过程的微操作序列： 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)执行过程的微操作序列：执行过程的微操作序列： 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、数据通路组织四、数据通路组织 * *数据通路：数据通路：是是CPUCPU内部部件间内部部件间传递数据传递数据的的物理通道物理通道， 有总线通路、专用通路两种；有总线通路、专用通路两种； * *数据通路对指令执行过程的影响：数据通路对指令执行过程的影响： 微操作序列微操作序列微操作步序列微操作步序列数据通路数据通路决定了步数；决定了步数； * *术语：术语：微操作步微操作步能够能够并行执行的并

14、行执行的微操作；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 * *指令执行性能：指令执行性能： 指令执行过程指令执行过程微操作序列微操作序列所对应所对应微操作步序列微操作步序列的的执行时间执行时间 数据通路的影响数据通路的影响决定了决定了指令执行性能指令执行性能， 影响影响运算器组织方法运算器组织方法3151 1、总线数据通路、总线数据通路 有单总线通路、双总线通路等多种类型。有单总线通路、双总线通路等多种类型。(1)(1)单总线数据通路单总线数据通路 * *连接方式：连接方式：各部件的各部件的输入输入/ /输出引脚输出引脚连接到连接到同一条总线同一条总线上；上

15、； * *微操作特性：微操作特性：同时只能执行同时只能执行数据传送操作，数据传送操作， 即即连续的连续的数据传送操作数据传送操作必须必须串行执行串行执行；REG0REG0REG7REG7ALUALUY YZ ZMARMARMDRMDRPCPCIRIRBIUBIU操作信号操作信号形成电路形成电路IDID时序时序系统系统中断机构中断机构基于寄存器的基于寄存器的CPUCPU结构结构ALUALUACACMARMARMDRMDRBIUBIU基于累加器的基于累加器的CPUCPU结构结构Y YPCPCIRIR操作信号操作信号形成电路形成电路IDID时序时序系统系统中断机构中断机构163 3、单总线通路、单总

16、线通路CPUCPU的指令执行过程的指令执行过程 以基于以基于REGREG的的CPUCPU为例，假设为例，假设PCPC具有计数功能具有计数功能 * *例例22单字长的取数指令单字长的取数指令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)读读MEMMEM t2t2：(PC)+1PC(PC)+1PC，M(MAR)MDR M(MAR)MDR ；(PC)+“1”(PC)+“1” t3t3：MDRIR MDRIR ；指令；指令IRIR t1 t1t3t3：略略 t4t4：R0MARR0MAR，1Read 1Read

17、 ；用；用(R0)(R0)读读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 ；数据；数据R1R1 * *例例11取指令阶段的微操作步序列：取指令阶段的微操作步序列：对所有指令通用对所有指令通用 注：注：PCMARPCMAR与与1Read1Read可放在可放在同一步同一步(MAR(MAR仅起传递作用仅起传递作用) )； PCMARPCMAR与与(PC)+1PC(PC)+1PC不能放在不能放在同一步同一步( (部件使用冲突部件使用冲突) ) 注：注：EndEnd为为“指令周期结束指令周期结束”信

18、号，可触发进入下个信号，可触发进入下个CPUCPU周周期期1921717 * *例例33单字长的存数指令单字长的存数指令(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)写写MEMMEM t5 t5：R0MDRR0MDR，MDRM(MAR)MDRM(MAR)，1End 1End ；写到；写到(R1)(R1)单元单元 注：注：R1MARR1MAR与与R0MDRR0MDR不能放在不能放在同一步同一步( (总线使用冲突总线使用冲突) ) * *例例44单字长的加法指令单字长的

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与与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 控制器的组成与工作原理控制器的组成与工作原理 * *CPUCPU工作流程的实现：工作流程的实现： *

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 时间控制时间控制 中断处理中断处理7 循环地循环地执行执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产生产生CPUCPU工作流程对应工作流程对应的的操作控制信号操作控制信号；实现实现操作控制信号的操作控制信号的时序时序( (时长及次序时长及次序) )；检测检测中断请求中断请求，适时进行处理，适时进行处理循环地循环地按按(PC)(PC)取指令、执行指令、改变取指令、执行指令、改变(PC)(PC)；19一、控制器的基本结构一、控制器的基本结构 * *基本结构：基本结构：由由CUCU、BIUBIU、中断机构组成；、中断

21、机构组成； * *种类：种类：硬布线控制器、微程序控制器硬布线控制器、微程序控制器中断中断机构机构PCPCIRIR译码器译码器IDID时序系统时序系统微操作控制微操作控制信号形成电路信号形成电路ALUALU状态状态REGREGMARMARMDRMDR总线总线逻辑逻辑REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CPUCPU内部数据通路内部数据通路BIUBIUCUCU指令需求指令需求上条指令状态上条指令状态所有微操作控制信号所有微操作控制信号中断请中断请求状态求状态CPUCPU * *工作原理：工作原理：循环地循环地产生产生实现实现CPUCPU功能功能的的微操作控制信号微操作控制信号20二、时

22、序系统组成二、时序系统组成 * *时序系统的目标：时序系统的目标：提供提供循环的、微操作级的循环的、微操作级的时间基准信号时间基准信号！1 1、CPUCPU工作流程的相关周期及时序工作流程的相关周期及时序 * *CPUCPU工作流程：工作流程：取指取指周期周期间址间址周期周期执行执行周期周期DMADMA周期周期中断中断周期周期指令周期指令周期由请求信号由请求信号是否有效是否有效决定决定2921(1)(1)机器周期机器周期 * *机器周期：机器周期：CPUCPU工作流程中的工作流程中的基本过程基本过程所需的时间；所需的时间； * *机器周期长度：机器周期长度：通常通常以以总线周期总线周期为基础为

23、基础确定长度；确定长度； * *机器周期的表示：机器周期的表示：机器周期机器周期( (取指取指) )机器周期机器周期( (间址间址) )机器周期机器周期( (执行执行) )机器周期机器周期(DMA)(DMA)机器周期机器周期( (中断中断) )机器周期机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个机器周期个机器周期组成；组成；触发器触发器输出信号输出信号 每个每个机器周期机器周期各用一个各用一个触发器触发器表示其状态；表示其状态；22(2)(2)节拍周期节拍周期( (又称时钟周期又称时钟周期) ) * *节拍周期：节拍周期：CPUCPU最基本

24、操作最基本操作( (即微操作即微操作) )所需的时间；所需的时间； * *节拍周期长度：节拍周期长度：maxmax微操作时长微操作时长 ， * *节拍周期的表示：节拍周期的表示： 每个每个机器周期机器周期由由m m个节拍周期个节拍周期组成；组成； 每个每个节拍周期节拍周期用一个用一个触发器触发器表示其状态；表示其状态；CPUCPU主时钟周期主时钟周期机器周期机器周期( (取指取指) )机器周期机器周期( (间址间址) )机器周期机器周期( (执行执行) )节拍周期节拍周期T T0 0节拍周期节拍周期T T1 1节拍周期节拍周期T T2 2指令周期指令周期触发器信号触发器信号触发器信号触发器信号

25、2923(3)(3)节拍脉冲节拍脉冲( (又称节拍状态、工作脉冲又称节拍状态、工作脉冲) ) * *节拍脉冲：节拍脉冲：微操作内部微操作内部操作控制操作控制所需的时间；所需的时间；24三、微操作控制信号的时序控制方式三、微操作控制信号的时序控制方式 指微操作控制信号的指微操作控制信号的定时方式定时方式，又称控制器的，又称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 微操作控制信号的时序受微操作控制信号的时序受统一的统一的时标信号时标信号控制控制25无统一的时钟信号约束无统一的时钟信号约束2 2、异步控制方式、异步控制方式 微操作控制信号的时序只受微操作控制信号的时序只受专门的应

26、答线路专门的应答线路控制控制 * *应答协议应答协议( (握手协议握手协议) )原理：原理： -应答线路的时序约定应答线路的时序约定 发出发出操作信号操作信号后，在对方发出后，在对方发出完成信号完成信号时，才时，才结束结束操作操作263 3、联合控制方式、联合控制方式 同步控制同步控制与与异步控制异步控制相结合的方式，又称准同步方式相结合的方式，又称准同步方式 即：即：为同步控制方式；为同步控制方式； 处理处理CPUCPU内部操作内部操作 同步同步异步异步同步控制方式同步控制方式 处理处理CPUCPU对外部操作对外部操作27四、微操作控制信号的形成四、微操作控制信号的形成1 1、CPUCPU基

27、本操作的实现与微操作命令序列基本操作的实现与微操作命令序列 * *CPUCPU功能实现：功能实现：执行执行微操作步序列微操作步序列执行执行微操作命令序列微操作命令序列28 例例11单总线通路单总线通路CPUCPU中，写出指令中，写出指令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、微操作控制信号的形成、微操作控制信号的形成 * *微操作控制信号的有效条件：微操作控制信号的有效条

29、件：时序系统的时序系统的时标信号时标信号CPUCPU工作流程的工作流程的不同功能名不同功能名 有效条件有效条件序列名序列名 & & 微操作步序号微操作步序号( (序列内部序列内部) )25操作类型、寻址方式、上条指令状态操作类型、寻址方式、上条指令状态机器周期、节拍周期等信号机器周期、节拍周期等信号30时序时序系统系统IRIRIDID机器状态机器状态状态寄存器状态寄存器所有的微操作控制信号所有的微操作控制信号 * *微操作控制信号形成电路：微操作控制信号形成电路： 功能功能按照按照约定功能约定功能实现需求实现需求，使使相应控制信号相应控制信号有效有效 组成组成实质上是个实质上是个编码器编码器

30、类型类型与控制器类型与控制器类型( (硬布线、微程序硬布线、微程序) )相对应相对应 输出：输出：实现实现 约定功能约定功能的所有微操作控制信号的所有微操作控制信号 输入：输入：表示表示约定功能约定功能及及寻址方式寻址方式、上条指令状态上条指令状态信号信号, , 时标时标信号；信号； 编码：所有信号编码：所有信号 完成完成 各种各种约定功能约定功能 需求需求 的的有效逻辑有效逻辑315.3 5.3 硬布线控制器硬布线控制器 * *时序系统：时序系统：采用采用三级时序三级时序，循环周期为，循环周期为CPUCPU工作流程；工作流程；一、硬布线控制器的基本结构一、硬布线控制器的基本结构中断中断机构机

31、构PCPCIRIR译码器译码器IDID时序系统时序系统微操作控制微操作控制信号形成电路信号形成电路ALUALU状态状态REGREGMARMARMDRMDR总线总线逻辑逻辑REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CPUCPU内部数据通路内部数据通路BIUBIUCUCU指令需求指令需求上条指令状态上条指令状态所有微操作控制信号所有微操作控制信号中断请中断请求状态求状态CPUCPU * *核心部件：核心部件：为为CUCU，CUCU的核心为的核心为微操作控制信号形成电路微操作控制信号形成电路； * *基本结构：基本结构：与原理图完全相同；与原理图完全相同；30 * *类型：类型：有有组合逻辑组

32、合逻辑、PLAPLA两种，两种，32二、微操作控制信号形成电路的设计方法二、微操作控制信号形成电路的设计方法 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 根据指令功能需求、根据指令功能需求、CPUCPU结构结构列出列出，并，并划分划分成子序列成子序列 第第步步确定时序系统相关参数确定时序系统相关参数 根据子序列个数及大小的规律根据子序列个数及大小的规律确定确定，包括节拍周期、机，包括节拍周期、机器周期、器周期、CPUCPU工作流程的组成参数工作流程的组成参数 第第步步形成所有微操作控制信号的有效逻辑表达式形成所有微操作控制信号的有效逻辑表达式 (a)(a)调整调整微操作命令序列，

33、尽量规整化微操作命令序列，尽量规整化 (b)(b)列出列出所有微操作控制信号的使用时间表，所有微操作控制信号的使用时间表， (c)(c)形成形成所有微操作控制信号的逻辑表达式所有微操作控制信号的逻辑表达式 第第步步画出微操作控制信号形成电路及与相关部件连接图画出微操作控制信号形成电路及与相关部件连接图 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： -类似于类似于存储程序原理存储程序原理 * *术语：术语： 微命令微命令微操作微操作控制信号控制信号，微操作是微命令实现的功能；，微操作是微命令实现的功能； 微指令微指令用格

34、式及编码表示、同时执行的用格式及编码表示、同时执行的一组微命令一组微命令； 微程序微程序完成特定功能完成特定功能( (如机器指令如机器指令) )的的微指令序列微指令序列； 控制存储器控制存储器专用于存放微程序的存储器，简称专用于存放微程序的存储器，简称控存控存(CM)(CM)； 控制器自动、逐条控制器自动、逐条取出取出微指令微指令并并执行执行。控制器设计简单控制器设计简单 将将微操作命令序列微操作命令序列编写编写成成微程序微程序( (微指令串微指令串) )， 所有微程序所有微程序存放存放在专用的只读存储器中；在专用的只读存储器中； 微指令周期微指令周期取出并执行取出并执行一条微指令的时间一条微

35、指令的时间34 * *微程序与微指令：微程序与微指令：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控制存储器空间控制存储器空间取指微程序取指微程序间址微程序间址微程序ADDADD指令微程序指令微程序中断微程序中断微程序JMPJMP指令微程序指令微程序CPUCPU工作流程工作流程中

36、断中断请求请求间接间接寻址寻址操作操作类型类型 微指令格式组成微指令格式组成操作控制字段操作控制字段顺序控制字段顺序控制字段 微程序种类微程序种类取指、中断等取指、中断等公用公用微程序，指令微程序，指令操作操作微程序微程序35二、微程序控制器的组成原理二、微程序控制器的组成原理1 1、微程序控制器的基本组成、微程序控制器的基本组成 * *微操作控制信号形成部件：微操作控制信号形成部件：由由CMCM、微指令部件等组成、微指令部件等组成 * *时序系统：时序系统：只由节拍脉冲组成只由节拍脉冲组成 * *微指令部件：微指令部件：ARAR、IRIR、操作控制译码及微地址形成电路、操作控制译码及微地址形

37、成电路51机器状态机器状态时序系统时序系统IRIR状态寄存器状态寄存器ARAR控制存储器控制存储器CMCMIRIR地址地址译码器译码器微地址形成电路微地址形成电路操作控制译码电路操作控制译码电路所有的微操作控制信号所有的微操作控制信号微操作控制信号微操作控制信号形成电路形成电路操作控制字段操作控制字段顺序控制字段顺序控制字段PCPC362 2、微程序控制器的工作原理、微程序控制器的工作原理 * *微指令执行过程：微指令执行过程： 取微指令取微指令CM(AR)IRCM(AR)IR； 执行微指令执行微指令IRIR操作控制译码电路操作控制译码电路微操作实现；微操作实现；操作控制译码电路操作控制译码电

38、路 微地址形成电路微地址形成电路下条微指令地址下条微指令地址ARAR控制存储器控制存储器CMCM地址地址译码器译码器操作控制操作控制 顺序控制顺序控制IRIR微地址形成电路微地址形成电路状态寄存器状态寄存器IRIR机器状态机器状态37 * *微程序执行过程：微程序执行过程：按微程序的逻辑顺序、逐条执行按微程序的逻辑顺序、逐条执行 微程序的微指令寻址微程序的微指令寻址末条末条为跳跃寻址、为跳跃寻址、其余其余为顺序寻址为顺序寻址38 * *微程序控制器的工作原理：微程序控制器的工作原理：CPUCPU加电时加电时PCPC引导程序引导程序 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、 循环地循环地产生产生按按(AR)(AR)取并执行微指令取并执行微指令的的微操作控制信号微操作控制信号 AR AR的初值的初值系统启动时由硬件直接给定系统启动时由硬件直接给定CM(AR)IRCM(AR)IRARAR下条微指令地址下条微指令地址微取指周期微取指周期微执行周期微执行周期CPUCPU工作时工作时形成形成微操作控制信号微操作控制信号部件实现部件实现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条微指令地址下条微指令地址IRIR顺序控制字段顺序控制字段微操作控制信号微操作控制信号 与硬布线控制器比较与硬布线控制器比较循环周期非循环周期非CPUCPU工作流程工作流程6351

40、39三、微指令格式及编码方式三、微指令格式及编码方式操作控制字段操作控制字段 顺序控制字段顺序控制字段1 1、微指令的格式、微指令的格式 * *基本组成：基本组成： 组成组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 定长定长编码编码水平型微指令格式例水平型微指令格式例( (直接编码直接编码) )所有的微操作控制信号所有的微操作控制信号操作控制字段操作控制字段顺序控制字段顺序控制字段 * *种类：种类：有有水平型水平型和和垂直型垂直型两种格式；两种格式；( (按操作控制字段的功能分按操作控制字段的功能分) )同时实现的微操作同时实现的微操作下条微指令地址的形成方式下条微指令地

41、址的形成方式 * *水平型微指令格式：水平型微指令格式： 能同时定义并执行能同时定义并执行微命令微命令的微指令格式的微指令格式全部微命令数全部微命令数 顺序控制字段顺序控制字段，寻址方式须，寻址方式须显式表示显式表示40 * *垂直型微指令格式：垂直型微指令格式： * *两种微指令格式比较：两种微指令格式比较： 水平型格式水平型格式微操作能力强微操作能力强、灵活性强灵活性强、效率高效率高；全部为全部为功能性功能性微指令微指令多个多个微操作微操作任意任意组合组合 水平型格式执行水平型格式执行机器指令速度快机器指令速度快； 水平型格式微程序水平型格式微程序代码效率低代码效率低微指令数微指令数较少较

42、少字长字长较长较长、微操作、微操作很少很少412 2、微指令的编码方式、微指令的编码方式 指指操作控制字段操作控制字段的的编码方式编码方式，又称为，又称为微指令控制微指令控制方式方式微操作控制信号的微操作控制信号的形成方式形成方式位位1 1 位位2 2 位位n n顺序控制顺序控制所有的微操作控制信号所有的微操作控制信号直接形成直接形成 * *字段直接编码方式：字段直接编码方式： -译码控制方式译码控制方式 字段长度字段长度(log(log2 2子字段微命令数子字段微命令数) )，子字段编码子字段编码 微命令微命令所有的微操作控制信号所有的微操作控制信号译码译码译码译码子字段子字段1 1 子字段

43、子字段2 2 子字段子字段p p顺序控制顺序控制译码译码译码形成译码形成 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( (同时有效数同时有效数11个个) ) * *直接编码方式：直接编码方式： -直接控制方式直接控制方式 字段长度字段长度n n位位( (所有微命令数所有微命令数) )，编码位编码位 微命令微命令42 * *字段间接编码方式：字段间接编码方式： -间接控制方式间接控制方式 部分微命令用多个子字段编码的逻辑组合表示。部分微命令用多个子字段编码的逻辑组合表示。译码译码+ +逻辑组合形成逻辑组合形成 * *编码方式的应用：编码方式的应用： 水平型微指令水平型微指令 所

44、有的微操作控制信号所有的微操作控制信号译码译码译码译码电路电路子字段子字段1 1 子字段子字段2 2 子字段子字段p p顺序控制顺序控制译码译码三种方式均可；三种方式均可； 长度与速度的权衡长度与速度的权衡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条微指令地址的方式，即下条微指令地址的方式，即微指令微指令寻址方式寻址方式微地址形成电路微地址形成电路顺序控制字段顺序控制字段编码方式编码方式 * *微指令寻址类型：微指令寻址类型： 顺序型寻址顺序型寻址AR=AR+1AR=AR+1； 跳跃型寻址跳跃型寻址AR=AR=目标地址目标地址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顺序控制顺序控制显式表示显式表示隐式表示隐式表示( (操作码隐含指明操作码隐含指明) )或或XXXXXXXXXXXXXXXX操作控制操作控制顺序控制顺序控制XXXXXXXXXXXXXXXX操作控制操作控制 * *计数器法计数器法( (增量法增量法) )：AR=(AR)+1AR=(AR)+1，显式或隐式显式或隐式表示表示 应用应用适用于适用于顺序型顺序型微指令微指令6344 * *下址法：下址法：AR=(AR=(下址字段下址字段) )，显式显式表示表示方式位方式位F2F2下址下址顺序控制顺序控制ARAR 应用应用适用于适用于无条件转移型无条件转移型和和顺序型顺

46、序型微指令微指令45五、微程序控制器设计五、微程序控制器设计 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 根据指令功能需求、根据指令功能需求、CPUCPU结构结构列出列出（同硬布线控制器同硬布线控制器） 第第步步设计微指令集格式设计微指令集格式 确定确定微指令格式类型微指令格式类型( (水平型水平型/ /垂直型垂直型) )，按按CPUCPU的性能目标的性能目标 确定确定操作控制字段编码方式操作控制字段编码方式， 按微命令使用规律按微命令使用规律 确定确定微微地址形成方法地址形成方法 按按微程序调用规律微程序调用规律 第第步步微程序设计微程序设计 编制编制各功能模块的微程序，各功能模块的微程序，确定确定在在CMCM中的存放位置中的存放位置 第第步步设计相关电路设计相关电路 设计设计控制信号译码电路控制信号译码电路和和微地址形成电路微地址形成电路465.5 CPU5.5 CPU举例举例1 1、Intel 8086/8088 CPUIntel 8086/8088 CPU基本参数基本参数 * *指令系统相关约定：指令系统相关约定：