第06章 中央处理器

1、1,第6章 中央处理器,6.1 控制器的基本组成和基 本原理 6.2 指令的执行过程 6.3 微程序控制器 6.4 硬布线控制器 6.5 控制器的控制方式,本章主要内容,2,本章着重讨论控制器的功能、基本组成、两种实现方法(硬布线和微程序)及工作原理，控制器的时序控制方式、指令执行控制方式等。,3,6.1 控制器的组成和基本原理,6.1.1 控制器的功能 计算机对信息进行处理(或计算)是通过程序的执行而实现的，程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行。,4,控制器的功能,1操作控制功能 每一个微操作必须在一个或多个微操作控制信号的控制下完成。控制器必

2、须具备将机器指令转换为微操作控制信号序列，并进行相应操作控制的功能。控制器的操作控制功能就是实现指令的正确执行。,5,控制器的功能,2指令顺序控制功能 控制器必须具备能够控制程序的执行顺序的功能。指令顺序控制功能就是实现指令的有序执行。,6,控制器的功能,3时序控制功能 计算机程序的实现即每条指令的执行，必须在时序电路的配合下，按时间顺序发出一系列微操作控制信号，才能保证计算机有条不紊地完成程序规定的工作。,7,控制器的功能,4对异常和某些请求的处理功能 控制器具有处理随机产生的异常情况(如掉电、运算结果溢出)及特殊请求的功能。特殊请求包括中断、DMA请求或其他主控设备的总线请求等。,8,6.

3、1.2 控制器的基本组成,1程序计数器(PC) 即指令地址寄存器。在某些计算机中用来存放当前正在执行的指令地址；而在另一些计算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地址；而在有指令预取功能的计算机中，一般还需要增加一个程序计数器用来存放下一条要取出的指令地址。,9,控制器的基本组成,2. 指令寄存器(IR) 用以存放当前正在执行的指令，以便在指令执行过程中，分析它的操作性质及操作数所在的地址，控制完成一条指令的全部功能。,10,控制器的基本组成,3指令译码器或操作码译码器(ID) 对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。在执行指令过程中，需要形成有一定时序关系的操作控制信号序列。

4、,11,控制器的基本组成,4脉冲源及启停线路 脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号。 启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机。,12,控制器的基本组成,5时序控制信号形成部件 又称为微操作控制信号形成部件。当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。,13,控制器基本组成的框图,14,6.1.3 控制器的时序系统,1指令周期和机器周期 完成一条指令所有操作所需要的时间，称为指令周期。 指令周期通常用若干机器周

5、期表示。为了便于对执行时间各不相同的指令进行控制，一般根据指令的操作性质和控制功能，将各指令分成一些基本操作，每一条指令由若干个不同的基本操作组成，对每一个基本操作规定一个基本时间称为机器周期或CPU周期。,15,控制器的时序系统,2节拍电位和工作脉冲 一个机器周期内要完成若干个微操作，这些微操作有的可以同时进行，有的则按先后次序串行执行。每个微操作都需要一定的时间，因此需要将一个机器周期分为若干相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。一般节拍用一个电平信号宽度表示，称为一个节拍电位。,16,节拍与工作脉冲的配合,17,6.1.4 控制器的实现方法,控制器的输入是机器的指令代码，输出是微操作控

6、制信号。控制器的核心是微操作信号发生器，它是控制器设计的关键。根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器分类： （1）硬布线控制器 （2）微程序控制器,18,1. 硬布线控制器,硬布线控制器又称为组合逻辑控制器，它是以组合逻辑电路来构成微操作控制信号发生器。它的控制方式是编排各个指令的微操作表，综合并化简微操作表，用组合逻辑进行控制。,19,硬布线控制器的特点,硬布线控制器的最大优点是速度快，但是微操作控制信号发生器的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难。 CISC机几乎不可能采用硬布线控制。RISC机为了追求高速度，一般采用硬布线控制。,20,2. 微程序控制器,微程序控制器用软件方法产生和

7、组织微操作控制信号，用存储逻辑控制取代组合逻辑控制。它是将指令用微指令编制成微程序存放在控制存储器中。,21,微程序控制器的特点,其设计思想和硬布线设计思想截然不同。它具有设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点。 但是，由于增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比硬布线控制器慢。CISC机一般采用微程序控制器实现。,22,6.2.2 指令执行的基本过程,1取指令 2分析指令 (1) 指令译码 (2) 计算操作数的有效地址 (3) 取操作数 3执行指令,23,6.2.3 指令执行的微操作序列,CPU的数据通路,24,6.3 微程序控制器,6.3.1 微程序控制的基本概念 1. 微命令和

8、微操作 控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令称为微命令，它构成控制序列的最小单位。,25,微操作,执行部件接受微命令后所进行的操作，称为微操作，它是最基本的、不可再分解的操作。在同一个微指令周期内可以并行执行的微操作称为相容性的微操作，所对应的微命令称为相容性微命令；不能在同一个微周期内并行执行的操作称为互斥性的微操作，所对应的微命令称为互斥性微命令。,26,2. 微指令和微地址,一个微指令周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。一条微指令由操作控制字段和顺序控制字段组成。操作控制字段用来发出管理和指挥计算机工作的控制信号。,27,微指令和微地址

9、,顺序控制字段又称为下址字段，它用来控制产生下一条微指令的地址。微地址即微指令的地址，是指存放微指令的存储器单元的地址。,28,3. 微程序,一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列称为微程序。,29,4. 控制存储器,微程序存放在存储器中，主要存放控制命令(信号)与下一条执行的微指令地址(简称为下址)，所以被称为控制存储器(Control Memory，CM)，简称控存。 一般计算机指令系统是固定的，所以实现指令系统的微程序也是固定的。,30,5. 微周期,从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的一组微命令所需的全部时间称为微指令周期，简称微周期。一个微周期可以是

10、一个机器周期时间，也可以是一个节拍周期时间。,31,6.3.2 实现微程序控制的基本原理,1微程序实现加法指令 用微程序实现加法指令。在所述的微操作序列中的每一个微操作控制信号就是一个微命令，组合这些微命令即为微指令。,32,微命令的编号及含义,33,加法指令对应微命令的编号,取指周期的微命令：1、3、5、22、23、24。 计算有效地址周期的微命令：4、8、10、14、20。 取数周期的微命令：6、21、22、23、24。 加运算周期的微命令：9、11、12、14、18。,34,微指令格式,操作控制字段用1位表示一个微命令，当该位信息为“1”时，表示发出该微命令，而该位信息为“0”时，表示不

11、发出该微命令；顺序控制字段(下址字段)直接给出下一条要执行微指令的微地址。,35,四条微指令的编码,(1) 取指微指令： 操作控制位 下址位 101010000000000000000110 ； (2) 计算有效地址微指令： 操作控制位 下址位 000100010100010000010000 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0； (3) 取数微指令： 操作控制位 下址位 000001000000000000001110 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1； (4) 加运算微指令： 操作控制位 下址位 000000001011010001000000 0 0 0 1 0

12、 0 0 0 0 0 0 0。,36,微程序流程图,37,2微程序控制器的基本工作原理,微程序控制器主要包括控制存储器CM、微指令寄存器IR、微地址形成部件、微地址寄存器MAR等部分。,38,微程序控制器的工作过程,执行取指公共操作。 形成微程序入口地址送MAR。 从控存CM中取微指令送IR。 微地址形成部件依据顺序控制字段及某些状态信息形成下地址送MAR中。 重复(3)、(4)，直到一条机器指令的微程序执行完毕。 当一条机器指令的最后一条微指令执行完毕后，返回到取指微程序的入口，重复上述过程，直到整个程序执行完毕。,39,3时序信号及工作脉冲的形成,1) 二分频电路及节拍电位的产生 系统的时

13、钟信号CLK是时钟发生器提供的CLK2的二分频信号，节拍电位与工作脉冲的产生电路。,40,3时序信号及工作脉冲的形成,2) 打入脉冲的形成 工作脉冲可以直接作为打入脉冲，也可和控制信号相“与”后形成打入脉冲。,41,6.3.3 微指令编码法,微指令由操作控制字段和下址字段组成，微指令编码是指对操作控制字段的编码，即在微指令中如何组织微命令。 微指令编码的主要目的是缩短微指令字长、减少微程序长度和提高微程序的执行速度。不同计算机系统的侧重点可能不同。,42,1直接控制法,微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微命令，每个微命令对应并控制数据通路中的一个微操作。在设计微指令时，是否发出某个微命令，

14、只要将控制字段中相应位置成“1”或“0”，这样就可打开或关闭某个控制门。,43,直接控制法,直接控制法简单直观，输出直接用于控制，并行性强，速度快。但微指令字很长，使控制存储器字单元位数很长。,44,2字段直接编码法,微命令互斥的概念 计算机中的各个控制门，在任一微周期内，不可能同时被打开，而且大部分是关闭的。如有若干个(一组)微命令，在每次选择使用它们的微周期内，只有一个微命令起作用，那么这若干个微命令是互斥的。,45,2字段直接编码法,选出互斥的微命令，并将这些微命令编成一组，成为微指令字的一个字段，用二进制编码来表示，字段增加一个译码器，该译码器的输出即为原来的微命令。,46,3字段间接

15、编码法,字段间接编译法是在字段直接编码法的基础上，还规定一个字段的某些微命令，要兼由另一字段中的某些微命令来解解释，称为字段间接编译法。,47,4常数源字段E,在微指令中，一般设有一个常数源字段E。E字段一般仅有几位，用来给某些部件发送常数。该常数有时作为操作数送入微指令ALU运算；有时作为计算器初值，用来控制微程序的循环次数等。,48,6.3.4 微程序流的控制,程序流的控制的目的 当前微指令执行完毕后，怎样控制产生后继微指令的微地址。包括指令操作码译码器产生后继微地址和每条微指令执行完毕后如何形成后继微地址，其中由指令操作码译码器产生后继微地址就是指令所对应的微程序在控存中的入口地址。,4

16、9,1微程序入口地址的形成,每条机器指令对应一段微程序，当执行公用的取指微程序从主存中取出机器指令之后，由指令的操作码字段得到相应微程序的入口地址。,50,2后继微地址的形成,获得微程序的入口地址之后，可以开始执行微程序，每条微指令执行完毕需要根据要求来形成后继微地址。后继微地址的形成方法对微程序编制的灵活性影响很大。 (1) 有增量方式 (2) 增量与下址字段结合方式 (3) 多路转移方式 .,51,(1) 增量方式,顺序执行微指令时，后继微地址由微程序计数器PC加上一个增量(通常为1)形成的；而在非顺序执行时则由形成转移微地址的逻辑电路产生后继微地址。,52,增量方式产生后继微地址,53,

17、方法特点,指令的下址字段(顺序控制字段)很短，仅起选择作用。 缺点是微程序转移很不灵活，使得微程序在控存中的物理空间分配相当困难。,54,(2) 增量与下址字段结合方式,将微指令的下址字段分成两部分： 转移控制字段BCF和转移地址字段BAF，当微程序实现转移时，将BAF送PC ，否则顺序执行下一条微指令(PC )+l。,55,增量与下址字段结合方式产生后继微地址,56,(3) 多路转移方式,路转移方式又称为断定方式，这是一种直接给定与测试断定相结合的方式，其顺序控制字段一般由非测试段和测试段组成。,57,6.3.5 微指令格式及执行方式,1微指令格式 微指令格式直接影响微程序控制器的结构和微程

18、序的编制，也直接影响计算机的速度和控制存储器的容量。,58,微指令格式设计需考虑因素,微指令格式的设计除了要实现计算机的整个指令系统之外，还要考虑具体的数据通路结构、控制存储器的速度以及微程序的编制等因素。,59,微指令格式分类,不同机器有不同的微指令格式，微指令的格式大体上可分成两类： （1）水平型微指令； （2）垂直型微指令。,60,(1) 水平型微指令,一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，称为水平型微指令。 如采用直接控制法、字段编码法的微指令都属于水平型微指令。从速度来看，直接控制法最快，字段编码法要经过译码，所以会增加一些延迟时间。,61,(2) 垂直型微指令,在微指令中设置

19、有微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能，称为垂直型微指令。其将点是不强调实现微指令的并行控制功能，通常一条微指令只要求能控制实现一种微操作。,62,垂直型微指令设计的特点,这种微指令设计只需注意微指令的功能，而对微命令及其选择、数据通路的结构则不用过多考虑，便于编制微程序。而且，编制的微程序规整、直观，便于实现设计的自动化。垂直微指令产生微命令要经过译码，微程序执行速度慢。,63,两种微指令的比较,水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则差。 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。,64,两种微指令的比较,水平型微指令解释指令的微

20、程序，具有微指令字比较长，但微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。 水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易理解。,65,2. 微指令的执行方式,1) 串行方式 取微指令和执行微指令两个过程是顺序进行的。该方式的微周期较长，但控制简单，形成后继微地址所用的硬件设备较少。 2) 并行方式 执行当前微指令的同时，可以预取下一条微指令。缩短了微周期。,66,6.4 硬布线控制器,6.4.1 硬布线控制器的设计步骤 设计时序系统 拟定指令流程 列出每条指令在各个操作步骤(机器周期)中所需的控制信号。 写出每个控制信号的逻辑表达式。 画出控制器的逻辑框图，实现控制器。,67,6.4.2 硬布线控制器的设计,在指令执行过程中，一条指令的实现一般可分成取指、计算地址、取数及执行等几个步骤。在微程序控制方式中，每一步由一条微指令实现，而在这里则由指令的操作码直接控制并产生实现上述各步骤所需的控制信号。,68,操作控制信号形成框图,69,6.4.