计算机组成原理课件5.3时序产生器和控制方式

第五 返 CPU功能和组指令周时序产生器和控制方微程序控制硬连线控制流水 2CPU的功能和组3CPU的功能和组取指令执行指指令控制（程序的顺序控制操作控制（一条指令有若干操作信号实现时间控制（指令各个操作实施时间的定时数据加工（算术运算和逻辑运算45.1.2CPU的基本组55.1.2CPU的基本组处理器CPU+cache指令数据6CPU的基本组（3）控制 顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加送往PC指令寄存器IR(Instruction 7CPU中的主要寄存数据缓冲寄存器指 指 指令寄存器程序计数器数据地址寄存器通用寄存器状态字寄存器 操作控制器和时序产生 9指令周MOV指令的指令周LAD指令的指令周ADD指令的指令周STO指令的指令周JMP指令的指令周用方框图语言表示指令周指令周期的基本指令周期的基本概概可以用 一个CPU周期中，包含若干个节拍脉冲（T周期）单周期、多周期的概指令周期的基本概时钟周T指令周期的基本概MOV指令的指令5.2.2MOV指令的指令周期-取②⑤CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。寄存器IR②⑤5.2.2MOV指令的指令周期——执制器 送制器 送控制信号到通用存器选 ）作源存③注⑤OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R000变为10。至此，MOV指令LAD指令的指令周LAD指令的指令周 ADD指令的指令ADD指令的指令周STO指令的指令STO指令的指令周 JMP指令的指令JMP5.2.7引入目的主要是为了教学目的（控制器设计指令系统设计（模型机的五指令系统方框——按CPU周方框内内容——数据通路操作或控制操菱形符号——判别或测~——公操前边所讲述的5种操作的框图描5.2.7用方框图语言表示指令周5.2.7用方框图语言表示指令周[例1]双总线结构机器的数据通路

注意微操作控制信号（右边时序产生器和控制方、时序产生器作用和体作用、时序产生器作用和体、时序信号产生功能：产生时序信构成时钟时序信号产生图5.18节拍电位5.3.2时序信号产生器启停启停控制逻5.3.3控制方同步控制方异步控制方联合控制方控制方同步控制方式（指令的机器周期和时钟周期数不变异步控制方联合控制方微程序控制微程序控制原微程序设计技微程序控制信号编制成微指令，存放到控制器里，运微程序控制原1261、微命令和微操叫作微命令，它是构成控制序列的最小单位。 微操作：是微命令的操作过程1、微命令和微操举一个例子看一下：见下2、微指令和微程一周期内并行执行的微操作控制信息， 在控制 器里，称为一条微指令（Microinstruction） 器一系列微指令的有序集合就是微程 下面我们举一个十进制加法指令为实例2、微指令和3控 器(μCM)这是微程序控制器 微指令寄存器微地址形成部微地址寄存器 以十进制加法指令流数据通路操作四条微指令如执行取指令的共作取令公操通由段指口微址μR并C中出应微令μ机器指令的公共作取微序的 地一为的0号单元，当指程执完，主中出机指令就已存人指令存R了。

微程序设计技有利于缩短微指令的长有利于缩小CM的容有利于提高微程序的执行速有利于对微指令的修有利于提高微程序设计的灵活微程序设计技1编码有三种方法：直接表示法/编码表示法/控制计算机，不需要进行译码。微程序设计技 微程序设计技：F与RW微程序设计技 机器指令的操作码字段各段微程序的地微程序设计技2般情况下都是将微地址寄存器μMAR作为缺点是这种方式不能实 以上的并行微程序 微程序设计技2、微地址的形成方条件：状态条件/测试/微指令中微地址/[例2解：按所给设计条件，微程序有三种判别测试，分别为P1，P2，P3μA5-μA0内容具有很微程序设计技3、微指令格分为两类：水平型微指令和垂直型微指水平型微指格式如控制字判别测试字下地址字微程序设计技3、微指令格垂直型微指令：采用编码方微程序设计技性强，垂直型微指令则较差。水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。微程序设计技4对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，这一组微程序设计好之后，一般无须改变而且也不好采用EPROM作为控制器，可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。5.5硬连线控制1控制方式使用最少元件（复杂的树形网络速度最5.5硬连线控制图5.28硬连线控制器结构方框返返5.5硬连线控制微操作控制信号产5.5硬连线控制例R（）、RD（D）、WE（D）C、R、R、、PC+硬连线控制[例3]解：设M1、M2、M3为节拍电位信号，T1、T2、T3、T4为一个CPU周期中的节拍脉冲信号，MOV、LAD、ADD、RD(I)=M1(电位信号),RD(D)=M3LAD(电位信号),WE(D)=M3T3LDA脉冲信号LDPC=M1T4+M2T4JMPLDIR=M1T4,LDAR=M2T4(LAD+STO),LDDR=M2T3(MOV+ADD)+M3T3LDA,PC+1=M1,流水并行处理技并行性（Parrelism）同一时间间隔内（并发性）完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，他们在时间上相互了并行性并行处理技时间并行（）：错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部件，以加理部件空间并行（资源重复）：以数量取时间+空间并Pentium中采用了量流水线技术流水CPU的结

器体系：主存采用多体交叉储器指令流水指令队列流水CPU的结流水线CPUIF（InstructionFetch取指ID（InstructionDecode指令译码5.6.2流水CPU的结流水流水CPU的结上图中流水线满载时，每一个时钟周期可以执行2采用时间和空间并行技流水CPU的结指令流水算术流水处理机流水线（宏流水线5.6.3流水线中的主要三种相 ：资源相关、数据相关、控制相资源相关：多条指令进入流水线后在同一时钟周用同 能部件。流水线中的主要数据相RAW(ReadAfter后面指令用到前面指令所写的数WAW(WriteAfter两条指令写同一个单在简单流水线中没有此类相关，因为不会乱序执WAR(WriteAfter后面指令覆盖前面指令所读的单在简单流水线中没有此类相可以推后后继指令对相关单元的读设置相关的直接通路流水线中的主要 RAW(ReadAfterADDAND流水线中的主要【例4】流水线中有三类数据相 ：写后读（RAW）相关；读后（WAR）相关；写后写（WAW）型的数据相关。；（R2）+（R3）-；（R1）-（R5）-元；（R3）->M(x)，M(x)是器；（R4）+（R5）-；（R1）×（R2）-；（R4）+（R5）-解第（1）组指令中，I1指令运算结果应先写入R1，然后在I2指令中读出R1内容。由于I2指令进入流水线，变成I2指令在I1指令写入R1R1RAW 第（3）组指令中，如果I6指令的加法运算完成时间早于I5指令的乘I6I5R3R3R3的内容错误，发生WAW相关。奔腾PentiumCPU（第一代奔腾提供了更加灵活 ExclusionShare TLB（TranslationLookaside图5.34PentiumCPU RISC机器的特 U实动态流水线调RISC机器的特特 U实 总MC88110CPU结构框MC88110的指令流水量流水线WB按序发取两条指令，配对发送，一个周期可以有两条指令执行完如下图指令动态调度策5.7.2 U实怎样判断能否发射呢如何保证按序完成FIFO如何对待控制相关（转移指令5.7.2 U实例 量流水线结构如 5.7.2 U实AB

5.7.2 U实

5.7.2 U实5.7.3动态