计算机原理第六章中央处理部件CPU

第六章中央处理部件CPU

1946年冯・诺依曼(VonNeumann)根据他的“存储程序”的思想，|

开始在普林斯顿高级研究院(PrincetonInstituteforAdvanced

Studies)制造名为ISA的计算机，这台计算机包含的特征就是我们|

通常所说的存储程序计算机，又称为冯•诺依曼计算机。

电子数字计算机的控制器，又称为计算机控制电路，是计算

机中处理指令的部件，它按特定的顺序取出并解释每一条指令，'

然后产生对运算器和其它部件发出操作的控制信号。|

在程序运行时，计算机系统是在控制器的统一协调下进行工

作的。计算机执行的指令序列称之为指令流(InstructionStream)；I

根据指令要求依次访问的数据序列称为数据流(DataStream)。

因此，从程序运行的角度来看，控制器的基本功能是：在时

间和空间上，对计算机的指令流和数据流实施正确控制。

菊3b旗4湖南科技大学计算机科学当a

2

从逻辑实现的角度来看，通用计算机控制器包括对以下步骤

的控制：

•控制取指令字（指令流出控制）；

•解释指令字（指令分析控制）；

•组织计算机各个部件动作的信号序列，以完成指令的执

行（指令执行控制）；

,确定下一条指令的地址（指令流向的控制）。

计算机工作过程：

副加电

凰产生Reset信号：置PC初始值

解执行程序

-取指一分析指令一执行指令（周而复始）

副停机

副停电

湖南科技大学计算机科学叮

I:6.1计算机硬件系统3

当今世界上大多数计算机的中央处理器又下述方法实现：

♦（1）采用半导体公司（工厂）生产的微处理器构成通用的或专用的计

一♦算机系统及工作站等；

S（2）一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中、小型

.计算机的CPU。如IBM、DECo

.但随着用户开放系统兴趣的增长，这两家公司也逐步走向开

•放。例如IBM公司也选用Intel80X86构成微机。

•2002年9月28日，中国科学院在“中国科学院计算所创新成就

一展”上宣布：我国第一款商品化的通用高性能CPU芯片-拥有自主

.知识产权的“龙芯”1号CPU流片成功，可大批量生产提供广大用

..户使用。

.“狗剩”是中科院计算所（所长李国杰院士）CPU开发项目小

组给“龙芯”起的名字，源于英文Godson的发音。

GodsonCPU具有高性能的64位浮点流水线，采用了当代通用

*CPU先进体系结构的主要设计技术，在逻辑验证芯片上以12・5兆

.频率工作，其浮点性能已超过50兆主频的Intel486。

e采用0.18微米工艺制造，目前主频最高可以达到266MHZ。

湖南科技大学计算机科学叮

・2002年9月26日，曙光天演信息

•技术有限公司宣布中国第一款完全

自主知识产权的服务器“龙腾”问

世。该款服务器采用了中科院计算

♦所刚刚研制成功的中国自主知识产

，权的第一款通用CPU“龙芯”。

>“龙腾”服务器还采用了由曙

■光公司与中科院计算所联合研发的

“龙芯”专用主板（主板频率可达

・117兆）以及曙光自主研发的“曙光

•LINUX”操作系统。“龙腾”服务器

•的推出，标志着中国“龙芯”市场

.化遍界上惟一能与英特尔抗衡的芯片商是台湾的威盛公司（全

•球第三大的CPU生产厂商）。英特尔与威盛的竞争主要集中在个

・人电脑市场。个人电脑市场的CPU是基于英特尔的X86架构。

・“龙芯”主要是行业领域的服务器应用，比如银行、电信等。

•曙光“龙腾”服务器则基于RISC架构，这样不会陷入英特尔的

.知识产权陷阱。

・IntekAMD、威盛和Transmeta等公司的x86兼容型CPU,或

■是如IBM、MOTOROLA等公司的RISQ架构CPU。

'市如剑麻代,；，湖南科技大孽计算机科攀看"演，".桐，

5

1、Intel80386微机系统

.

图6.1Intel80386微机系统框图

湖南科技大学计算机科学叮擂|

(1)80386微处理器

是系统中主要的处理、控制部件。

⑵80384时钟发生器

机器加电时，首先由它产生复位信号(Reset)使计算机各部件

处于初始状态。加电后执行的第一条指令是转移指令，转到引

导程序入口。

时钟发生器产生CLK2和CLK时钟信号。其中CLK2为80386

提供了基本定时，它在80386内部被2分频为以便产生用于执行

指令的处理器内部时钟CLK。

CLK2=2*CLK

(3)80387协处理器

主要完成浮点运算和高精度整数运算。80386与协处理器并

行工作。

⑷总线控制逻辑

80386通过总线与存储器、I/O设备交换信息。

(5)存储器与输入/输出系统

存放数据、指令以及完成输入/输出操作的系统。

湖南科技大学计算机科学叮

7

▼(6)DMA控制器及中断控制器

•DMA是控制I/O设备与存储器直接传送数据的逻辑电路。在

♦一般情况下，数据是成组传送的，且不影响当前程序的执行。

»中断控制器主要用语传送一个数据或机器发生故障时进行

.处理。

.⑺READY逻辑

.当80386与存储器交换数据时，双方速度不匹配，有时

80386要等待。READY信号是存储器发向80386的。表示在此

•之前由80386发向存储器的读/写命令已完成。止匕时80386不必等

・待(若已处于等待状态则结束等待)，可继续执行下面的操作。

一

湖南科技大学计算机科学叮

2.80386结构及外部连线

地址总线

CLK2—A2—A31

BE3#32位

BE2HA地址

BE1：：「使能

数据总线

D0-D31<:——)BEO#

80386W/R#_

ADSttD/C#''

NA#总线周

M/IO。

总线控制BS16«期定义

LOCK1t

READY#

>----------------

HOLDPEREQ

总线仲裁协处理

HLDABUSY?

器侑信

1\TRERRORU

NMIVcc

中断-电源连接

RESETGND

湖南科技大孽计算机科举与工谆为里步

9

・386的主要外连线

•(1)DO-D31：32位数据总线，双向

.(2)A2-A31,BEO#〜BE3#：地址总线

3A0〜A31是32位地址线，其中AO,A1在80386内部转换成

.“字节使能”信号BEO#〜BE3#,分别是字节0〜字节3的选择信

•号。

BEO#:DO〜D7字节0(最低有效字节)

BE1#:D8-D15字节1

BE2#:D16〜D23字节2

BE3#:D24〜D31字节3(最高有效字节)

A1A0BE3#BE2#BE1#BE0#

00XXX低

01XX低高

10X低高高

11低高高高

湖南科技大学计算机科学叮

10

386的主要外连线

.(3)CLK2:输入到80386的时钟

；(4)Reset:总清信号或复位信号；

1,(5)W/R#、M/IO#、D/C#、LOCK#：总线周期信号

W/R#=1写周期W/R#=0读周期

M/IO#=1存储器操作M/IO#=0I/O操作

D/C#=1传送的是数据D/C#=0传送的是控制信号

LOCK#：总线锁定信号，当它为低电平时，不允许芯片外部

.•的信号打断当前总线周期的操作，即CPU不允许让出总线控制权。

.•(6)ADS#：地址状态信号

•当其为低电位时，表示BE0#〜BE3#、A2〜A31及总线周期定义

■信号W/R#、M/IO#、D/C#已有效。

(7)READY#：传送响应信号

■是当数据传送完成时由外部发给CPU的响应信号。当为低电位

.•时，表示当前的总线周期已完成，由BE0#〜BE3#规定的有效字节

湖南科技大学计算机科学叮

11

已由外部接收或已由外部提供。

读周期：READY#有效时，80386锁存输入数据，并结束这个

总线周期。

写周期：READY#有效时，80386终止这个总线周期(信号已被

外部接收)。

在所有总线周期的第一节拍(也称总线状态)，Ready#信号被

忽略，而这以后的每个节拍都对其进行采样，直至它有效才转入

下一个总线周期。

(8)NA#：是由存储器或I/O送到80386的信号。它表示本次读/写操

作虽未完成，但已允许80386送出下一个读/写周期的地址及控制

信号，这样可使两次读/写周期的部分操作重叠进行，以缩短一条

指令的执行时间。

(9)HOLD和HLDA:总线仲裁信号。

HOLD为占用总线请求；当处理器允许释放总线时，就发出应

答信号HLDA,并放弃总线控制权。________________________

「十，加而押「—_湖南科技大孽计司儿科软?工!?稼将^

12

(10)INTR和NMI:为中断请求信号和不可屏蔽中断请求信号；

(ll)PEREQ、BUSY#、ERROR:为协处理器接口信号。

3.控制器的作用

主要作用是：发出满足一定时序关系的控制信号，实现指令系

统所规定的各条指令的功能，并保证计算机系统正常运行。

1,■睡i赢.湖南科技大学计算机科学叮

13

:6.2CPU相关知识

•一、CPU的发展过程

>CPU是英语"CentralProcessingUnit/中央处理器”的缩写，其

.中X86CPU是目前个人电脑所使用最多的CPU。

.1978年美国Intel公司生产出了第一块16位的CPU—i8086芯

.片,它使用的指令代码就叫x86指令集。之后，Intel公司根据

i8086简化设计和生产了i8088,但它仍然使用x86指令集。

,1981年8月，美国IBM公司使用i8088芯片生产出了具有划时代

・意义的IBMPC机。以后，虽然Intel公司又不断设计和生产出更快、

e更先进的CPU,但也都保留了上一代CPU技术的精华，新一代的

>CPU都能在二进制代码级兼容x86指令。

,Intel生产的CPU芯片命名沿用了x86模式，如i80286、i80386、

i80486直到1993年因商标注册问题而将其后续产品586、686级

CPU改名为今天的Pentium系列。

•把Intel公司生产的兼容x86指令集的CPU（包括其他公司所生产

*的兼容产品）称之为x86系列CPU。以下为叙述方便，将X86CPU

♦简称为“CPU”。

湖南科技大学计算机科学叮

14

.二、X86CPU的技术结构和特点

•1.CPU的基本结构

>CPU一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元组成。在

,逻辑运算和控制单元中包括一些寄存器，这些寄存器用于CPU

,在处理数据过程中数据的暂时保存。

•2.CPU的总线

CPU的总线有数据总线、地址总线和控制总线，CPU对数

.据的处理、传送，对各种存储、输入输出设备的控制都是通过

.这些总线进行的。在一般情况下，CPU内、外总线的数据“位”

■数是一致的。

,CPU的数据总线在与L2Cache、内存和总线扩展槽之间的

•交换数据时的时钟频率并不完全一致，不同类型的CPU有所区

，别。

93.数学协处理器

少数学协处理器专门用于对数、指数和三角函数等数学运算，俗

称浮点运算。

湖南科技大学计算机科学叮

15

在i8088、i80286和i80386时代，CPU和数学协处理器是分别

安装在电脑主板上的，在i80486时代，凡型号上标有DX的CPU

均已内置协处理器，只有部分486CPU因生产需要而不内置，

所以在i8088至i80486时代除了常见的CPU外，还有对应的i8087、

i80287、i80387和i80487系列的协处理器，这些x87协处理器均

使用x87指令集。

至UPentium时代，所有的CPU中均内置协处理器。

CPU的浮点运算能力主要取决于协处理器，而浮点运算对

于电脑在处理3D图形数据时至关重耍，所以AMD、Cyrix公司

的CPU浮点运算能力不强也是它们竞争能力比Intel公司差的重

要原因之一。

4.CPU的封装和外形

所谓CPU封装是CPU生产过程中的最后一道工序，封装是采

用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保

护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。

1,■睡i赢.湖南科技大学计算机科学叮

•CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大

•的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA（栅格

•阵列）方式封装，而采用Slotx槽安装的CPU则全部采用SEC（单

•边接插盒）的形式封装。

.•由于市场竞争日益激烈，目前CPU封装技术的发展方向以

＞节约成本为主。

e我们常可以在CPU性能列表上看到“生产工艺”一项，其

中有“0.18unT或“0.25um”等。一般来说“生产工艺”中的数

[:据越小表明CPU生产技术越先进。

:目前，CPU生产工艺已达到0.13um的水平。

j.三、Intel及其他厂商的CPU；

I,目前使用的CPU有好几家公司的产品，除了Intel公司外，主

•要还有AMD、Cyrix和IDT（集成设备公司）等三家公司的产品。

..由于目前世界上CPU中有90%是Intel公司生产的，就是说世界

:.上有90%的x86型电脑中安装的是Intel公司生产的CPU。

忆Intel生产的CPU就成了事实上的X86CPU技术规范和标准。

海/缈谟墓；，湖南科技春计算机科钻基博，"'粕M

17

•四、CPU的技术参数和性能指数

•CPU的技术参数是生产厂家提供的有关CPU的技术指标或

标准。

'-CPU性能指数是该CPU在组装电脑后的表现情况，通常使

1•用专用软件进行测试，然后得出的有关数据。

[.1、CPU的主要技术参数

主频：单位为MHz,数值越高越好。

1时钟频率：CPU的外部时钟频率，由电脑主板提供。

•486的外频一般是33MHz,40MHz,Pentium主板的外频一般

；・是66MHz。一些主板由于技术精良，工艺先进，可以超频1/3以上

•稳定使用，成为超频爱好者的首选。

、＞目前新一代主板芯片支持133MHz、200MHz的外频。

:.倍频系数：CPU的主频=时钟频率X倍频系数

’.内部缓存（LICache）：封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用

*于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频

♦一致，L1缓存的容量单位一般为KB。L1缓存越大，CPU工作时与

[.存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少，相对电脑

的运算速度可以提高。

湖南科技大学计算机科学叮

18

总线：描述CPU外部的数据总线和地址总线”位“数。

安装插座：描述CPU安装时所用插座类型。

兼容性：说明CPU能正常运行的软件范围。

一工作电压：描述CPU工作时所需的电源条件。一般来说，工作电

压越低，CPU功耗越小。

其他：描述CPU的技术结构、能源管理等特点。如制作工艺、封

装形式等。

五、CPU的超频和锁频

L超频与Remark

CPU一般应工作在产品标称主频上，但如果人为的将工作

频率调高，并适当调整CPU的工作电压以保持电脑正常运行各

种软件，这就是超频。

由于Intel公司的CPU产品质量优越，将CPU主频调高一档并

没有问题，所以有少数奸商将CPU表面原生产厂家的标记型号

等打磨后重新标注成对应同类CPU高一档主频的型号，这就是

Remark,即英语"重新标记"的意思。

湖南科技大学计算机科学叮

-♦19

在超频使用时要注意CPU的散热，尤其是AMD和Cyrix的

•CPUo

[•2.锁频

,由于超频和Remark现象，无论是在经济上还是在产品声誉

命上都对Intel公司产生了不良影响，为此Intel公司在生产时对

♦CPU采取了“锁频”措施，以减少超频和Remark行为。

♦所谓的锁频实际就是将CPU的“倍频系数”固定起来，例

•如厂家将Pentium133的“倍频系数”固定为“2”，将Pentium

.166MMX的“倍频系数”固定为“2.5”，这样就使用户或商

.人不能随意将CPU超频或Remark了。

.五、CPU的插槽

・由于CPU的高速发展，主板内存、显卡远远跟不上CPU的|

,速度，为了配合不同形式的处理器，就须生产出不同接口的主

.板，所谓接口：即住板的CUU插槽。

=1、SLOT1

用于早期的赛扬、PentiumII、III系列。1998年推出。

:十第戌原理，湖南科技大学计算机科学当a・♦H

.2、SLOTA20

•用于AMD推出的K7上，是SLOT1的双生子，和SLOT1外

#观一样，只是左、右倒转了。

3、Socket7,Super7

'Socket7主板支持最初的Pentiu系列处理器及兼容的AMD、

命Cyrix以及Intel的芯片(133MHz〜266MHz),系统使用66MHz的

总线。

•Super7主板增加了对100MHz外频和AGP接口类型的支持。

.AMDK6系列的CPU可以达至U450MHz。

湖南科技大学计算机科刖鼻捉血f♦

/

、Socket370

二Socket370架构是新型PentiumIII和CeleronCPU的标准插座

三亶。支持的最大速度依赖于主板和BIOS。多数Socket370主

三有6行插脚，比Socket7多一圈插脚。

二

一

二

二

湖南科技大学计算机科学呵工程，

22

5、SocketA

SocketA架构是当前AMD的Athlon和Duron的插座标准。支

♦持的最大CPU速度依赖于主板和BIOS。SocketA主板可以支持

♦133MHz外频。

23

6、Socket423

使用Intel850芯片组，基本上要配价贵的RAMBUS内存。

支持IntelSocket423奔腾4处理器（OLGA封装）中央处理器。

湖南科技大学计目机科学与工程

24

7、Socket478

使用的芯片组有：Intel850、Intel845D、Intel845E、

・Intel845G>Intel845>威盛P4X333、威盛P4X266、硅统645、

*硅统648o

英特尔英特尔英特尔威盛威盛

芯片组硅统648

850E845G845EP4X333P4X266

发表日期2002年5月2002年5月2002年5月2002年5月2001年8月2002年7月

CPUSocket

Socket478Socket478Socket478Socket478Socket478

Socket423/478

支持的处IntelIntelIntelIntelIntelIntel

理器Pentium4Pentium4Pentium4Pentium4Pentium4Pentium4

前端总线100/133100/133100/133100/133100/133

100MHz

时钟频率MHzMHzMHzMHzMHz

最大内存量2048MB3072MB3072MB3072MB4096MB2048MB

SDRAM支持否是是是是否

是否支持

否否否否否否

・I)DRSDRAM

湖南科技大学计算机科学叮

25

6.3控制器的组成

一,一、控制器的功能

•控制器的功能:计算机快速、自动、连续工作是控制器在程

.•序的要求下不断对机器进行控制的结果。

.•(1)取指令(PC给出指令地址)

■(2)分析指令(得到操作命令、地址)

,(3)执行指令(完成一组微操作MOP)

(4)输入、输出(控制程序和数据的输入和结果输出)'

{(5)处理随机事件(中断、DMA)|

卜，二、控制器的组成

,1、程序计数器PC存放指令地址

顺序执行PC—PC+1

p非顺序执行PC—ADDR或PC—EA

：：2、指令寄存器IR：存放取出的现行指令

^^■_7帚出恪山谟中口」湖南科技大彝埒机科拈基淖fe，'

26

3、指令译码器ID

对IR中的指令操作码进行译码，产生相应控制电位，提供

给微操作序列形成部件，还形成计算EA所需的控制信息。

4、产生计算机所需定时信号，用以在指令执行过程中，对各

功能部件进行有节奏的时序控制。（周期、节拍、工作脉冲）

5、产生计算机所需定时信号，用以在指令执行过程中，对各

功能部件进行有节奏的时序控制。（周期、节拍、工作脉冲）

脉冲源：产生主脉冲（主频）

启停电路：控制是否允许主脉冲发送，并保证输出脉冲的完

整性，实现对计算机安全可靠的启动和停机

时序信号的产生部件：以主脉冲为基准，产生相应于不同机

器指令的时序信号（状态、节拍发生器）

6、决定指令执行所需不同微操作的相关信号

指令寄存器操作码的操作信号

・

湖南科技大学计算机科学叮

指令寄存器操作码的操作信号

冒程序状态字寄存器的状态条件信号

中断机构输出的信号

指令转移地址

_____________£6.3控制器基本:成框用

■如磔向wJ_湖南科技吴莉•曼机科攀匕途骤，’却

•三、指令执行过程28

•1、组成控制器的基本电路

・计算机中采用电路，基本上分为两种类型：

♦记忆电路：触发器以及由触发器组成的寄存器、计数器在存

•储单元等，特点是输入信号消失后，原信息仍然保留其中；

•没有记忆功能电路：加法器、算术逻辑单元等，当输入信号

.改变后，输出跟着变化。

♦2、指令执行过程举例

・(1)一条加法指令的执行过程

，假设运算器的框图如图6.6所示。运算器由8个GR、1个ALU,

•并有4个记忆运算结果状态的标志触发器N,Z,V和C。

・假设指令格式为：

OPrs,rdrs1Imm（或DISP）

.指令功能：将寄存器(rs)中的一个数与存储器中的一个数(其

地址为(rsl)+DISP)相加，结果放在寄存器rd中，rs与rd为同一

■寄存器:

《超M组磁训"一、湖南科技,十算机科密与潭匐，,械蟆

29

*

图6.6运算器框图

湖南科技大军计算机科学,jxsWiB

30

加法指令完成以下操作:

(1)从存储器取指令，送入IR,并进行操作码译码。PC加1,为下一

•条指令作好准备。控制器发出的控制信号：

.

.PC-AB;W/R#=0;M/IO#=1;DB-IR;PC+1

.(2)计算数据地址，将计算得到的有效地址送到AR。控制器发出

.的控制信号：

.rsl->GR;(rsl)一ALU;disp-ALU;“+ALU-AR

・(3)到存储器中取数。控制器发出的控制信号：'

・AR-AB;W/R#=0;M/IO#=1;DB-DR

f(4)进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果置状态位N、i

•Z、V、C.控器发出的控制信号：

:rs->GR;(rs)—ALU;DR-ALU;“+”；

.rd一GR;ALU-rd;N,Z,V,C

♦注意：一条微指令中的控制信号是同时发出的。

，腿领遍叫」、湖南科技大孽计算初科钻工潮

--------------------------------------

取用t1“算:地1止，2取散，3力11法运算•

7，Z|r>-T1丁2T!T231

CLK26

U1ULinRJLU11R1A

・•CPU内部CI,K_

byr仃5

「•的寄存器，

J1JIY」AB.r)B-IR/\_

।如JPLVC-/、ATARX.、pc41

1\_

等..都.是AR——AH.F)H——DR

''GR\_J

An7//

■-7r人国

在一个周W/R系X麻$$$\

MB

一期的末尾M/To滋

「♦一/

4接受信息…口念经蜜洽隘

!?X«L

7I、令/I

L.的，即在数据总线1小\2_1/_LZ

rs1—*CrR.(rsl)-A,1.1J/

)•TM2J时r」，'利14I“^isp—*A、I…-LJ\

L•用Li1CTLIKTkn时-L

t/\_/L_

管钟的下降—Sil.u/V

■4T、士DR-AIAJ

r*沿打入奇1

A1.1J—»AR\—

)•存器。

.1JTiffrd—(；R

/L

ALU-rd•宜Z、Z、V、C

《沁姓组同理,湖南科技孱计巢机科科遥

32

.(2)条件转移指令的执行过程

■指令功能：根据N、Z、V、C的状态，决定是否转换。

•完成以下操作：

•副从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码译码。

•PC+1,如不转移，即为下一条要执行的指令地址。

•本操作对所有指令都是相同的。

•t如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址，

,转移指令常采用相对寻址方式，转移地址=PC+disp。此处PC

・是指本条指令的地址，而在上一机器周期已执行PC+1操作，

e因此计算时应取原PC值。最后将转移地址送PC.

,本条指令只需两个机器周期，如转移条件成立，在第二机

•器周期增加一个ALU-PC信号；如为相对转移，则用PC

.一ALU信号取代加法指令第二周期中的(rsl)一ALU信号。其他

.信号与加法指令的前两个机器周期中的信号相同。

.某些计算机对条件转移指令的功能规定为:先进行比较运算，

—根据运算结果置条件码，并根据条件码决定是否转移。要完成

•这样的功能显然要增加周期数。、_

；：订组成原理，-_湖南科技大孽计算机科孽身邛册丽■一

6.4微程序控制计算机的基本工作原理33

一、微程序控制的基本概念

⑴微命令和微操作

微命令:构成控制信号序列的最小单位。例如：打开或关闭某个控制

门的电位信号。微命令由控制部件通过控制线向执行部件发出。

微操作:执行部件接受微命令后所进行的最基本的操作。

微命令是微操作的控制信号，而微操作是微命令控制的操作过程，在

计算机内部实质上是同一个信号。对控制部件为微命令，对执行部件为

微操作。很多情况下，两者常常不加区分地使用。

(2)控制存储器：一种固定存储器，字长较长，主要用于存放控制命

令和下址。控存字长比机器字长要长得多。

⑶微指令和微周期

微指令:一组实现一定操作功能的微命令的组合。通常用二进编码表

示。一条微指令包括微命令部分、微地址码部分或其它

微周期:指从控制存储器读取一条微指令并执行相应的微操作所需的

时间。与指令周期之间的差别是，微周期的时间一般是固定的。I

(4)微程序：完成一条指令功能的微指令序列集合；把不同指令的微

操作序列编成微程序来执行.使微操作控制信号码点化，所有指令对应

的微操作序列按编码的二进制信息方式存放在控制存储器中,执行指

令时，从控存中读出程序并转化为微操作是制点号序列._________

I鬲融圆面湖蚓技大学计0机科学L"懵a‘

・微程序设计:就是用类似程序设计的方法、组织和控制计算机内部信34

♦息的传送和互相的联系。

.(5)机器指令与微指令的关系

.机器指令：是提供给使用者编程的基本单位，它表示机器能够完成

•的一项基本功能。

•微指令：是实现机器指令的一系列微命令的组合。

・一条机器指令对应若干条微指令序列组成的微程序，机器指令由

.微指令进行解释并执行。

.⑹程序与微程序的关系

程序由机器指令构成，对用户程序而言，是为某项任务编制并放在

•主存储器中，允许修改。

・微程序由微指令构成，一条机器指令对应一段微程序，所以微程序

.用于描述机器指令的。

.微程序是在设计计算机时将它预先编制好，并存入控制存储器中，

,通常不允许用户修改。但也有机器向用户提供了微程序设计能力，允

•许用户自己编制微程序，扩充所需要的功能。

.(7)主存储器与控制存储器的关系

.主存储器中存放的系统程序和用户程序，容量很大；

控制存储器中存放的是对应于机器指令系统的全部微程序，控制实

♦现机器的整个指令系统，容量有限，速度比主存快。

湖南科技大学计算机科学叮

二、实现微程序控制的基本原理

，1、控制信号

一

一

序

•序

号

•号控制信号功能控制信号功能

•1PC-AB指令地址送地址总线13+ALU进行加法运算

2ALC-PC转移地址送PC14—ALU进行减法运算

3PC+1程序计数器加115AALU进行逻辑乘运算

■4imm—ALU立即数或偏移量送ALU16VALU进行逻辑加运算

.5DB-IR取指到指令寄存器17ALU-GRALU运算结果送通用寄存器

6DR—DB数据总线上数送数据寄存器18ALU—DRALU运算结果送数据寄存器

.7DR—DB数据寄存器数据送数据总线19ALU—ARALU运算结果送地址寄存器

.8rsl—*GR寄存器地址送送通用寄存器20AR—AB地寄存器内容送地址总线

•9rs,rd一GR寄存器地址送送通用寄存器21ADS地址总线上地址有效

■10(rsl)->ALU寄存器内容送送ALU22M/IO#访问存储器或I/O

.11(rs)-ALU寄存器内容送送ALU23W/R#写或读

12DR—ALU数据寄存器内容送ALU

号3组屈HL「机.程可•♦广检

・仍以执行一条加法指令为例，它由四条微指令解释执行，每条37

.微指令所需的控制信号如下：

.1、取指令：

PC—AB(1);W/R#=O(23);M/IO#=1(22);DB-IR(5);

♦PC+1(3)；ADS(21)

•2、计算地址

•rsl->GR(8);(rsl)一ALU(10);disp->ALU(4);(13);

ALU->AR(19)

3、取数

•AR一AB(20);W/R#=0(23);M/IO#=1(22);DB一DR(6)；

.ADS(21)

♦4、运算送结果

.rs->GR(9);(rs)-ALU(11);DR->ALU(12);(13);

・ALU->GR(17)

・微指令最简单的组成形式是将每个控制信号用一个控制位来表

»示。当该位为“1”表示有控制信号；当该位为“0”表示没有控

.制信号。M/IO#,W/R#则根据是访问存储器还是I/O设备，是写还是

・读而设置成“1”或“0”。

・本例共有23个控制信号，所以总共有23个控制位，若控存容量

♦为4K,则每条微指令还需12位地址来表示下址。

^■^州如触瀛闻：湖南科技大孽计算机科孽务工।潭"编

38

◄-—-控制字段-——►<----------下址字段--------►

12•••2324•••35

ALU->PC

PC->ABW/R#

则加法指令的4条微指令编码如下：

1〜23为控制字段，24〜35为下址字段（略去）。

11111111112222

12345678901234567890123

•取指111110

•算地址11111

・取数

11110

一加法11111

最।魄g湖南科技大学计算机科学叮

39

微程序也可用流程图来表示，如下图。

湖南科技大学计算机科学叮

40

2、微程序控制器

微程序控制器如右下图。

指令寄存器IR操作码地址码

形成本条指令

的微程序入口指令译码

地址

控制存储器

微指令寄存器控制字段下址

湖南科技大学计算机科学叮r.f'1,^H

41

3、时序信号及工作脉冲的形成

对于同步控制系统，统一的系统时钟，是协调各个部件协调工作

的基本手段。合理设计的时标系统，不仅仅可以保证系统工作的协调

和正确，也是系统能否高效工作的基础。

CLK2经过二分频得到CLK,CLK分频得到Tl0T2可从T1反相得至上

见“图6.12时序信号及工作脉冲”。

指令周期：对于绝大多数情况，一条计算机指令的执行时间，或者

简单地认为指令周期，指令周期为存储周期的整数倍。

例如：2个存储周期（一地址指令）

机器周期：根据指令执行的不同任务，将一个指令周期划分成几个时

间段，也称工作状态；

以存储周期为基准确定机器周期。

2个机器周期（标志触发器）：IF（取指周期）、EX（执行周期）

副节拍：机器周期划分为若干个相等时间段，每段称为一个节拍

系统时钟：一个节拍电位的宽度，所有微操作在一个节拍内完成

节拍一般用具有一定宽度的电位信号表示，称为节拍电位。

湖南科技大学计算机科学叮

I.42

在计算机系统中，节拍电位通常是具有周期性的，一条指令执

•行结束后，节拍电位在下一条指令执行中会从头开始；所以节拍

♦电位的周期和指令周期是相同的。表示一个划分成n个相等时间段

一，的指令周期T,有n个节拍电位T。、与指令周期的划分相对

«应。这样，将一条指令的微操作序列按时序性要求，分配到各个

.节拍中去执行。节拍电位的顺序性保证了微操作的时序性。

指令

周期

ToL_

T12______

T

a1n-1

•一般说来，节拍电位的宽度就是机器的系统时钟周期，因此,

＞所有微操作都是与计算机系统时钟信号同步。

湖南科技大学计算机科学叮

I43

.4、指令周期与存储周期之间关系

.早期的计算机，指令周期通常是存储周期的整数倍，如两倍、三

*倍、四倍等，具体的倍数与指令的功能相关。

*一条没有数据访存的指令通常指令周期为一个存储周期，这个存

•储周期用于取出指令；一条一地址访存（非存储器间接访存寻址）指令

•的指令周期需要两个存储周期；如果指令数据需要两次访存，则指令

.周期等于三倍存储周期，依此类推。这中间的主要原因是早期计算机

存储器的控制器需要由系统控制器担任，而且存储器与CPU系统在相

合同的系统时钟下工作。下图是一个一地址指令中指令周期与存储周期

一之间关系图。

指令周期

<——取指周期（IF）执行周期（EX）——A

ToT1T2T3ToTiT2T3

第一存储周期第二存储周期

取指令To访问存储器

指令译码Ti访问存储器结束

运算并保存结果

PC+1T2

送操作数地址送存储器

T3PC

湖南科技大学计算机科学叮

44

当前计算机系统的指令周期往往与系统存储器的存储周期没

有直接的关系，尤其在使用微处理器的环境中。

目前大多数微处理器和存储器系统采用独立时钟设计，以减少

存储器和处理器之间的关联，减少对彼此系统实际设计的相互影

响。但是这并不是说计算机的指令周期与存储器访问周期没有关

系。

由于现代计算机系统都使用了Cache存储器系统，缓冲了CPU与

系统存储器之间的时间关系。

计算机指令的执行周期与离CPU最近的Cache存储器系统（一般

为第一级Cache,Level1cache）的存储周期的关系与早期计算机与

系统存储器之间的关系是一样的，即指令周期为离CPU最近的存

储器系统的存储周期的整数倍。

对于工作频率非常高的微处理器，如工作频率达200MHz以上，

绝大多数存储器的工作是无法满足要求的，微处理器一般采用加

入“等待周期”来完成从存储器取出数据。当然在存储器系统和

结构设计中也需要采取相应的措施。

1,■睡i赢.湖南科技大学计算机科学叮

I・5、电路配合中的常见45

•副电路延迟引起的波形畸变

•售机器周期的确定

«一条微指令要完成若干个微操作，不同的微指令要完成的微操作是

一

不同的，所有的微操作都应在一个机器周期内完成。

也就是说机器周期时间应大于或等于执行时间最长的微操作时间。

•时钟脉冲CLK和工作脉冲CP的标准性

>CP主要作为寄存器和触发电路的打入脉冲。在控制打入脉冲的机

.器中，总是尽量将CP信号送到控制门的最后一级。

.在传送CLK的线上或产生打入脉冲的信号线上不允许出现“毛

・刺”，否则将引起误动作。

-6、微程序控制计算机的工作工程简单总结

・微程序控制也有其不足之外，其一是速度比组合逻辑控制慢，其

.二是几乎所有指令处理的速度是一样的。典型的RISC一般不采用微

程序控制。

而目前的CISC处理器，如Intel的Pentiumn/III等，一般采用混合控

»制逻辑，即常用的简单指令采用组合逻辑控制实现，如寄存器之间的

.数据传送指令等，而对于不常用的和复杂的指令则采用微程序控制实

现。采用混合控制逻辑实现计算机处理器，是目前处理器设计中最常

采用的方法。

万谦•湖南科技大学计算机科学叮

微程序46

主振

控制条件方案的

控制控制器

存储器

启停

输出输入

设备设备

I