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1、Chapter6中央处理器中央处理器介绍介绍CPUCPU的功能和组成；的功能和组成；指令周期流程；指令周期流程；时序产生器和控制方式；时序产生器和控制方式；重点讲解微程序控制器；重点讲解微程序控制器；硬布线控制器和门阵列控制器；硬布线控制器和门阵列控制器；Pentium4Pentium4的逻辑结构的逻辑结构6.1 CPUCPU的功能和组成的功能和组成 CPUCPU的功能的功能控制器的基本组成与最简单控制器的基本组成与最简单CPUCPU模型模型 CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器CPUCPU操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器 1、CPU CPU 的功能的功能 CPUCPU是是计算
2、机的核心算机的核心组成部分，装入内存的程序在成部分，装入内存的程序在CPUCPU的控制下，完成取出指令和的控制下，完成取出指令和执行指令的任行指令的任务。CPUCPU的基本功能的基本功能：n指令控制指令控制：实现程序中指令的程序中指令的执行行顺序控制。（序控制。（结合指令合指令的的寻址方式，要址方式，要实现此控制，此控制，CPUCPU内部内部设置程序置程序计数器数器PCPC）n操作控制操作控制：就一条机器指令而言，指令不同其操作：就一条机器指令而言，指令不同其操作码也不也不同，同，该控制控制实现指令所需操作命令的控制，需要指令寄存指令所需操作命令的控制，需要指令寄存器（器（IRIR）和指令）和
3、指令译码器（器（IDID）。）。n时间控制控制：对各种操作命令各种操作命令实施施时间上的控制，保上的控制，保证计算算机有条不紊地自机有条不紊地自动工作，工作，设置操作控制器和置操作控制器和时序序发生器。生器。n数据加工数据加工：对数据数据进行算行算术运算和运算和逻辑运算运算处理。理。2、控制器基本组成与、控制器基本组成与CPU模型模型n控制器的控制器的组成成：程序：程序计数器、指令寄存器、指令数器、指令寄存器、指令译码器、器、时序序产生器和操作控制器。生器和操作控制器。3、CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器 CPU中最基本寄存器：中最基本寄存器：n指令寄存器（指令寄存器（IR）：保存正在
4、）：保存正在执行的指令行的指令n程序程序计数器（数器（PC）：存放要）：存放要执行的指令的地址行的指令的地址n地址寄存器（地址寄存器（AR）：保存当前所要）：保存当前所要访问的内存的内存单元的地址元的地址n数据数据缓冲寄存器（冲寄存器（DR）：）：l作作为CPU和内存、外和内存、外围设备之之间信息信息传送的中送的中转站；站；l补偿CPU和内存、外和内存、外围设备之之间在操作速度上的差在操作速度上的差别；l在在单累加器累加器结构的运算器中，数据构的运算器中，数据缓冲寄存器冲寄存器还可兼作可兼作操作数寄存器。操作数寄存器。n累加寄存器（累加寄存器（AC）：）：暂时存放存放ALU运算的运算的结果信息
5、果信息n状状态条件寄存器（条件寄存器（PSW）：）：4、CPUCPU操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器 n操作控制器操作控制器的功能的功能:根据指令操作根据指令操作码和和时序信号，序信号，产生各种生各种操作控制信号，以正确建立数据通路，完成取指令和操作控制信号，以正确建立数据通路，完成取指令和执行行指令的控制。指令的控制。n根据根据设计方法不同，操作控制器可分方法不同，操作控制器可分为：(1)(1)硬布硬布线控制器：采用控制器：采用组合合逻辑技技术来来实现；(2)(2)微程序控制器：采用存微程序控制器：采用存储逻辑来来实现；(3)(3)门阵列控制器：吸收前两种的列控制器：吸收前两种的
6、设计思想来思想来实现的。的。n时序序产生器生器:产生生对控制信号控制信号进行行时间上控制的定上控制的定时信号信号.6.2 指令周期指令周期n指令周期的基本概念指令周期的基本概念 n几种典型指令的指令周期分析几种典型指令的指令周期分析lCLACLA指令的指令周期指令的指令周期 lADDADD指令的指令周期指令的指令周期 lSTASTA指令的指令周期指令的指令周期 lNOPNOP指令和指令和JMPJMP指令的指令周期指令的指令周期 n用方框用方框图语言表示指令周期言表示指令周期 1、指令周期的基本概念、指令周期的基本概念 n指令周期指令周期：取出并：取出并执行一条指令的行一条指令的时间。指令不同，
7、其指令周。指令不同，其指令周期不尽相同。期不尽相同。n机器周期机器周期：也称也称CPUCPU周期周期。指令周期由若干个。指令周期由若干个CPUCPU周期周期组成。成。通常通常：用内存中用内存中读取一个指令字的最短取一个指令字的最短时间来来规定定CPUCPU周期周期。n时钟周期：周期：常称常称为节拍。一个拍。一个CPUCPU周期又包含若干个周期又包含若干个时钟周期，周期，它是它是处理操作的最基本理操作的最基本单位。位。2、几种典型指令周期分析几种典型指令周期分析 CLAnCLACLA指令功能：清累加器。是一个指令功能：清累加器。是一个非非访内指令内指令。n取指令取指令阶段：段：(1)(1)从内存
8、取出指令；从内存取出指令；(2)(2)对程序程序计数器数器PCPC加加1 1，为取下一条指令做好准取下一条指令做好准备；(3)(3)对指令操作指令操作码进行行译码或或测试，以确定，以确定进行什么操作。行什么操作。n执行指令行指令阶段：段：CPUCPU根据根据对指令操作指令操作码的的译码或或测试，进行行指令所要求的操作。指令所要求的操作。（1）CLA取指令取指令阶段段CLA执行指令行指令阶段段（2）ADDADD 30 ADD 30 指令功能：取存指令功能：取存储单元元(30)(30)中的操作数和累加器的内容中的操作数和累加器的内容相加，相加，结果送累加器。果送累加器。这是一条是一条访问内存取数并
9、内存取数并执行加法的行加法的指令指令。三个三个CPUCPU周期周期组成：取指、送操作数地址、去操作数成：取指、送操作数地址、去操作数进行相加运算并将行相加运算并将结果放回累加器。果放回累加器。ADD（3）STA）nSTA 40 指令的功能：把累加器内容送存指令的功能：把累加器内容送存储单元（元（4040）。这是一条是一条访内存存数指令内存存数指令。n由三个由三个CPU周期周期组成。成。STA（4）NOPNOP和和JMP）nNOPNOP：空操作指令。在第二：空操作指令。在第二CPUCPU周期中不周期中不发出任何控制信号。出任何控制信号。nJMPJMP指令是一个程序控制指令，在指令是一个程序控制指
10、令，在执行周期中只是改行周期中只是改变了了PCPC的内容。的内容。JMP指令周期分析需注意事项指令周期分析需注意事项小小小小结结：n指令周期分取指令指令周期分取指令阶段、段、执行指令行指令阶段；段；对所有的所有的指令取指令指令取指令阶段完全相同，指令之所以不同在于段完全相同，指令之所以不同在于执行指令行指令阶段不同，因此，取指令段不同，因此，取指令阶段作段作为公共操作。公共操作。n由于指令的由于指令的执行行阶段不同，所包括的段不同，所包括的CPU周期个数周期个数不同，究竟几个不同，究竟几个CPU周期与周期与寻址方式有关；址方式有关；nCPU周期的划分原周期的划分原则：不：不仅要考要考虑指令周期
11、的定指令周期的定义来来规定定CPUCPU周期周期，更要更要结合具体模型合具体模型，以信息在以信息在总线上上传输不冲突不冲突为原原则。6.3 指令周期流程图指令周期流程图n流程流程图的构成：的构成：l方框方框代表一个代表一个CPUCPU周期，其内容表示数据通路的操作或某周期，其内容表示数据通路的操作或某种控制操作。种控制操作。l菱形菱形表示某种判断或表示某种判断或测试，时间上依附于它前面方框的上依附于它前面方框的CPUCPU周期，不周期，不单独占用一个独占用一个CPUCPU周期。周期。l“”表示公操作，指一条指今表示公操作，指一条指今执行完行完毕后，后，CPUCPU所开所开始始进行的一些操作。行
12、的一些操作。这些操作可能是些操作可能是CPUCPU对外外设请求的求的处理，如中断理，如中断处理、通道理、通道处理等，若没有外理等，若没有外设请求，求，CPUCPU将将转入下一个入下一个“取指令取指令”。因此取指令也可以。因此取指令也可以认为是公操是公操作。作。n指令周期流程指令周期流程图指令周期流程图指令周期流程图指令周期流程图指令周期流程图(1)“ADDR2，R0”指令完成指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作，画出其指令周期流程的功能操作，画出其指令周期流程图，假，假设该指令的地址已放入指令的地址已放入PC中。并列出相中。并列出相应的微操作控制信号序列。的微操作控制信号序列。(2)“SU
13、BR1，R3”指指令令完完成成(R3)-(R1)R3的的操操作作，画画出出其其指指令令期期流流程程图，并并列出相列出相应的微操作控制信号序列的微操作控制信号序列 指令周期流程图指令周期流程图6.4 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 一、一、时序信号序信号二、二、时序信号序信号产生器生器 三、控制方式三、控制方式 一、时序信号一、时序信号时时序信号序信号序信号序信号：对各各种种控控制制信信号号实现在在时间上上进行行控控制制的的信信号号，他他正正如如控控制制信信号号的的“作作息息时间”表表，在在这个个时间小小段段控控制制产生生这个个控控制制信信号号，在在那那个个时间小小段段控控制制产生生那
14、那个个控控制制信信号号，而而控控制制信信号号又又控控制制着着执行行部部件件，机机器器一一旦旦启启动就就有有步步骤地地指指挥各各部部件件工工作作，规定定在在这一一脉脉冲冲到到来来之之前前做做什什么么，在在另另一一脉脉冲冲到到来来之之前前又又做做什什么。么。因因此此各各种种控控制制信信号号不不仅仅是是时间的的函函数数（时序序信信号号），也也是是空空间的函数（部件）的函数（部件）。如如果果每每一一个个时间小小段段称称为一一个个节拍拍脉脉冲冲，那那么么一一个个CPUCPU周周期期称称为一一个个节拍拍电位位，时序序信信号号最最基基本本的的体体制制便便是是节拍拍电位位节拍拍脉冲制。脉冲制。二、时序信号产生
15、器二、时序信号产生器 时序信号序信号产生器由生器由时钟源源、环形脉冲形脉冲发生器生器、节拍脉冲和拍脉冲和读写写时序序译码逻辑、启停控制启停控制逻辑等部分等部分组成。成。时序信号产生器时序信号产生器环形脉冲形脉冲发生器生器：产生一生一组有序的有序的间隔相等或不等隔相等或不等的脉冲序列，以的脉冲序列，以便最后形成所需便最后形成所需要的要的节拍脉冲。拍脉冲。C C1 1、C C2 2、C C3 3就是就是环形脉冲形脉冲发生器生器产生的信号。生的信号。（C C3 3C C2 2C C1 1的状的状态转移：移：000000001001011011111111000000）时序信号产生器时序信号产生器节拍
16、脉冲和拍脉冲和读写写时序序译码：T T1 10 0、T T2 20 0、T T3 30 0、T T4 40 0和和RDRD0 0、WEWE0 0、MREQMREQ0 0、IORQIORQ0 0，其中前四个，其中前四个信号是信号是环形脉冲形脉冲发生器生器产生，后四个信号受微程序生，后四个信号受微程序控制器控制器产生的控制信号生的控制信号RDRD、WEWE、MERQMERQ、IORQIORQ的控制。的控制。启停控制启停控制逻辑：T T1 10 0、T T2 20 0、T T3 30 0、T T4 40 0和和RDRD0 0、WEWE0 0在启停控制在启停控制电路控制下路控制下产生一生一组节拍信号拍
17、信号T T1 1、T T2 2、T T3 3、T T4 4三、节拍电位与节拍脉冲时序关系图三、节拍电位与节拍脉冲时序关系图四、四、控制方式控制方式1 1、同步控制方式、同步控制方式：该控制方式的控制方法控制方式的控制方法简单，取指令周期最，取指令周期最长的指令作的指令作为所有指令的指令周期，所有指令的指令周期，势必降低必降低CPUCPU效率。由于指令周期又效率。由于指令周期又包含包含CPUCPU周期和周期和时钟周期，所以，同步控制方式又可以周期，所以，同步控制方式又可以进一步一步分成多种同步方法，具体而言，分成多种同步方法，具体而言，CPUCPU周期和周期和时钟周期周期严格意格意义上同步和广泛
18、意上同步和广泛意义上同步。上同步。2 2、异步控制方式、异步控制方式：指指令令需需要要多多少少时间就就占占用用多多少少时间，控控制制复复杂，必必须采用采用应答方式。答方式。三、三、控制方式控制方式（2）3 3、联合控制方式合控制方式：上上述述两两种种情情况况的的结合合。大大部部分分操操作作序序列列安安排排在在固固定定的的机机器器周周期期中中，对某某些些时间难以以确确定定的的操操作作则以以执行行部部件件的的“回回答答”信信号号作作为本本次次操操作作的的结束束。机机器器周周期期的的节拍拍脉脉冲冲数数固固定定，但但是各条指令周期的机器周期数不固定。是各条指令周期的机器周期数不固定。6.5 微程序控制
19、器微程序控制器前言前言:n基本思想：利用基本思想：利用软件方法件方法设计硬件。早在硬件。早在1951年，英国年，英国剑桥大学的大学的M.V.Wilkes教授提出了微程序教授提出了微程序设计，其，其实质是用是用程序程序设计的思想方法来的思想方法来组织操作控制操作控制逻辑，把各条指令的，把各条指令的微操作序列微操作序列编制成微程序，并存放在控制存制成微程序，并存放在控制存储器中，器中，执行行机器指令机器指令时，通，通过读取并取并执行相行相应的微程序来的微程序来实现这条机条机器指令的功能。微程序控制器特点：具有器指令的功能。微程序控制器特点：具有规整性、灵活性、整性、灵活性、可可维护性等一系列性等一
20、系列优点。点。一、一、基本概念基本概念 n微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令；微命令是构成控制信号序列的最小单位令；微命令是构成控制信号序列的最小单位 n微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。微操作是微操作是执行部件中最基本的操作执行部件中最基本的操作 基本概念基本概念l相容性的微操作相容性的微操作：在同在同时或同一个或同一个CPUCPU周期内可以并行周期内可以并行执行的微操作行的微操作；l相斥性的微操作相斥性的微操作：不能同不能同时或同一个或同一个CPUCPU周期内并行周期内并行
21、执行行的微操作的微操作。基本概念基本概念 n微微指指令令：在在机机器器的的一一个个CPUCPU周周期期中中，一一组实现一一定定操操作作功功能能的的微微命命令令的的组合合。我我们知知道道一一条条机机器器指指令令的的指指令令周周期期包包含含多多个个CPUCPU周周期期，根根据据微微指指令令的的概概念念，一一个个CPUCPU周周期期对应一一条条微微指指令令，因因此此，一一条条机机器器指指令令的的功功能能是是由由多多条条微微指指令令组成成的的序序列列来来实现的的。这样的的一一个个实现一一条条机机器器指指令令的的功能微指令的有序集合称功能微指令的有序集合称为微程序微程序。n微微指指令令格格式式：不不仅要
22、要产生生一一组微微命命令令，还要要形形成成后后继微微地地址址，即即执行行完完某某一一条条微微指指令令后后，必必须给出出下下一一条条微微指指令令的的地地址址，下下一一条条微微指指令令的的地地址址也也称称为后后继微微地地址址，以以便便当当前前微微指指令令执行行完完毕后后能能正正确确取取出出下下一一条条微微指指令令。因因此此，微微指指令令的的格格式式应至至少少包包含含操操作作控控制制字字段段和和顺序序控控制制字字段段两两部部分。操作控制字段用来分。操作控制字段用来产生微命令，生微命令，顺序控制字段用来形成后序控制字段用来形成后继微地址微地址。基本概念基本概念 微指令微指令长度度为2323位，操作控制
23、字段占位，操作控制字段占1717位，位，顺序控制字段占序控制字段占6 6位，其中位，其中4 4位（位（20202323）用来直接形成后）用来直接形成后继微地址，第微地址，第1818、1919位两位作位两位作为判断判断测试标志。当此两位都志。当此两位都为“0”0”时，表示不，表示不进行行测试，直接将微指令中第，直接将微指令中第20202323位作位作为后后继微地址；当微指令的第微地址；当微指令的第1818位或第位或第1919位位为“1”1”时，表，表示要示要进行行P1P1或或P2P2的判断的判断测试，根据，根据测试结果，需要果，需要对微指令中第微指令中第20202323位的某一位或某几位位的某一
24、位或某几位进行修改，将修改后的地址作行修改，将修改后的地址作为后后继微地址。微地址。二、二、微程序控制器组成微程序控制器组成 微微程程序序控控制制器器的的组成成与与结构构如如图所所示示。它它主主要要由由控控制制存存储器器、微指令寄存器和微指令地址形成部件三大部分微指令寄存器和微指令地址形成部件三大部分组成。成。微程序控制器组成微程序控制器组成（1）控制存储器（CM）控制存储器是用来存放指令系统所对应的全部微程序，它是一种读出时间较快的只读存储器，其容量视指令系统而定，其字长由控制命令的多少、微指令的编码格式以及下址字段的宽度而定。（2）微指令寄存器（IR）微指令寄存器是用来存放从控制存储器读出
25、的一条微指令。顺序控制字段用来产生将要执行的下一条微指令的地址，操作控制字段则用来产生一组微命令。微程序控制器组成微程序控制器组成（3）微指令地址形成部件 微指令地址形成部件又称微指令地址发生器或后继微地址形成部件，是用来形成将要执行的下一条微指令的地址（简称后继微地址）。一般情况下，下一条微指令的地址由上一条微指令的顺序控制字段直接决定。当微程序出现分支时，将由状态条件的反馈信息去形成转移地址；当取指令公共操作完成后，可以根据指令的操作码去产生微指令入口地址。微程序的微程序的执行行过程程（1）读取并执行公共的“取指令”微指令 从控制存储器中取出一条公共的“取指令”微指令，并送到微指令寄存器I
26、R。由于这是一条公用的微指令，一般存放在控制存储器的0号或1号地址单元。微指令实现从主存中读取机器指令并将其送到指令寄存器IR。微程序控制器组成微程序控制器组成（2）形成微程序入口地址 根据指令寄存器IR中的指令操作码，通过微地址形成线路产生相应的微程序入口地址，并将微程序入口地址送往微地址寄存器AR。（3）执行微程序 根据微地址寄存器AR中的微地址，取出微程序中第一条微指令并送入微指令寄存器IR，开始执行IR中的微指令，该微指令执行结束时，将顺序控制字段所形成的后继微地址再送入微地址寄存器AR，去读取下一条微指令。如此重复，直至微程序中的最后一条微指令。（4）实现返回 执行完一条机器指令对应
27、的一段微程序后，返回0号或1号微地址单元，读取并执行“取指令”微指令。由此可见，微程序控制器的工作过程涉及到两个层面：一个层面是程序员所看到的传统机器级，包括指令、程序、主存储器；另一个层面是设计者所看到的微程序级，包括微指令、微程序、控制存储器（相对程序员是“透明”的）。三、三、微程序设计微程序设计 微程序微程序设计的关的关键是如何是如何设计微指令的微指令的结构，与微指令构，与微指令结构相关的因素构相关的因素较多，除机器硬件外，多，除机器硬件外，还要考要考虑如何如何缩短微指令字的短微指令字的长度，如何提高微度，如何提高微程序的程序的执行速度，如何有利于行速度，如何有利于对微指令的修改，以便提
28、高微程序微指令的修改，以便提高微程序设计的的灵活性。灵活性。1、微命令、微命令编码 微命令微命令编码是指是指对微指令中的操作控制字段所微指令中的操作控制字段所进行的行的编码，其，其编码方法方法有直接表示法、有直接表示法、编码表示法、混合表示法。表示法、混合表示法。（1）直接表示法）直接表示法 操作控制字段中的每一位代表一个微命令，其操作控制字段中的每一位代表一个微命令，其优点是点是简单、直、直观，输出出可直接用于控制，一条微指令可以定可直接用于控制，一条微指令可以定义并并执行多个并行的微命令。行多个并行的微命令。微程序设计微程序设计（2）编码表示法表示法 编码表示法把一表示法把一组相斥性的微命
29、令相斥性的微命令组成一个字段，然后通成一个字段，然后通过微命令微命令译码器器对每一个字段每一个字段进行行译码，译码输出作出作为微命令。微命令。采用采用编码表示法，可以用表示法，可以用较少的二少的二进制信息位表示制信息位表示较多的微多的微命令。命令。微程序设计微程序设计（3）混合表示法）混合表示法 混合表示法把直接表示法和混合表示法把直接表示法和编码表示法相混合使用，以便表示法相混合使用，以便能能综合考合考虑微指令字微指令字长、灵活性和、灵活性和执行速度等方面的要行速度等方面的要求。求。2、后、后续微地址的形成方法微地址的形成方法 微指令微指令执行的行的顺序控制序控制问题，实际上是如何确定下一条
30、上是如何确定下一条微指令的地址微指令的地址问题。通常，。通常，产生后生后续微地址的方法有微地址的方法有计数器方式、增量方式与断定方式数器方式、增量方式与断定方式结合、多路合、多路转移方式三移方式三种。种。（1）计数器方式数器方式 这种方式与用程序种方式与用程序计数器数器PC来来产生后生后续指令地址的方法指令地址的方法类似。似。微程序设计微程序设计nPC兼作控制存兼作控制存储器的地址寄存器，其器的地址寄存器，其输入有入有4个。下址字个。下址字段段仅有两位，其功能是有两位，其功能是选择3个个输入源的一个作入源的一个作为PC的的输入，而微程序入口是由入，而微程序入口是由专门的硬件的硬件电路路产生，不
31、受下址字段生，不受下址字段控制。控制。n计数器方式的基本特点是：微指令的数器方式的基本特点是：微指令的顺序控制字段序控制字段较短，微短，微地址地址产生机构生机构简单。但是多路并行。但是多路并行转移功能移功能较弱，速度弱，速度较慢，慢，灵活性灵活性较差。差。微程序设计微程序设计（2）增量方式与断定方式的）增量方式与断定方式的结合合 在在这种方式中，微指令种方式中，微指令顺序控制字段又分序控制字段又分为条件条件选择字段和字段和转移地址字段两部分，其中条件移地址字段两部分，其中条件选择字段用来字段用来规定定“条件条件转移移”微指令要微指令要测试的外部条件；的外部条件；转移地址字段可用作后移地址字段可
32、用作后继微微地址。地址。PC是微程序是微程序计数器，具有数器，具有计数和并行接受数据的数和并行接受数据的功能功能微程序设计微程序设计 假假设必必须测试的两个状的两个状态条件条件变量量为V1和和V2，故需使用一，故需使用一个个2位的条件位的条件选择字段字段S1S0：当当S1S0=00时，微程序，微程序不不转移。移。当当S1S0=01时，如果，如果V1=1则转移，否移，否则顺序序执行。行。当当S1S0=10时，如果，如果V2=1则转移，否移，否则顺序序执行。行。当当S1S0=11时，无条件，无条件转移。与此移。与此对应，多路开关，多路开关有有4个个输入入X0、X1、X2、X3，其中，其中X0=0，
33、X1=V1，X2=V2，X3=1。因此，当。因此，当S1S0=i时，它，它选通多路开关通多路开关输出出Xi。从而控制。从而控制“转移地址移地址”字段的内容送入或不送入字段的内容送入或不送入PC（3）多路）多路转移方式移方式 在在执行一条微指令行一条微指令时，可能会遇到从若干个微地址中，可能会遇到从若干个微地址中选择一个作一个作为后后续微地址的情况，微地址的情况，这种种转移方式称移方式称为多路多路转移。移。微程序设计微程序设计 微程序微程序设计实践表明，践表明，实现两路两路转移的情况移的情况较多，其次是四多，其次是四路路转移，而四路以上移，而四路以上转移的情况比移的情况比较少少见。两路。两路转移
34、只涉及移只涉及微地址的一位；四路微地址的一位；四路转移涉及微地址的两位，一般就定在微移涉及微地址的两位，一般就定在微地址的最后两位地址的最后两位。多路多路转移方式的特点是：移方式的特点是：能与能与较短的短的顺序控制字段配合，序控制字段配合，实现多路并行多路并行转移，灵活性好，速度快，但移，灵活性好，速度快，但转移地址移地址逻辑需需要用要用组合合逻辑方法方法实现。四、四、微程序设计举例微程序设计举例 微程序微程序设计的关的关键是是设计微指令的微指令的结构，而微指令的构，而微指令的结构构设计又取决于控制器和运算器的又取决于控制器和运算器的结构。在此我构。在此我们以以图6-20所所示的运算器、示的运
35、算器、图6-21所示的微指令格式所示的微指令格式为例，来具体例，来具体说明明“十十进制加法制加法”指令的微程序指令的微程序设计过程。程。1、十、十进制加法指令的功能制加法指令的功能 微程序设计举例微程序设计举例2、十、十进制加法指令的微程序流程制加法指令的微程序流程图 假假设两个一位十两个一位十进制数制数a和和b已存放在已存放在图6-20中的中的R1和和R2寄存器中，数寄存器中，数6存放在存放在R3寄存寄存器中。其算法采用先器中。其算法采用先进行行a+b+6运算，再判断运算，再判断结果有无果有无进位，位，若有若有进位位Cy=1，不减，不减6；若无若无进位位Cy=0，减去，减去6。因此，。因此，
36、完成十完成十进制加法指令的微程序流程制加法指令的微程序流程00000001000010011000 0000RD 0000Cy=0Cy=1PCARABUSDBUSDRIR,PC+1P1R1+R2R2R2+R3R2P2R2-R3R2微程序设计举例微程序设计举例3、十、十进制加法指令的微程序制加法指令的微程序根据根据图6-28可知，十可知，十进制加法指令的微程序由制加法指令的微程序由4条微指令条微指令组成。成。第一条微指令是完成取指操作，第一条微指令是完成取指操作，该微指令所在控制存微指令所在控制存储器器该微指令所在微指令所在控制存控制存储器的地址器的地址为0000,其其编码为：000 000 0
37、00 000 11111100000 这条微指令在条微指令在执行行时，一方面操作控制字段，一方面操作控制字段产生生5个微命令，他个微命令，他们分分别是是LDAR、RD、LDDR、LDIR、PC+1。LDAR执行行PCAR；PC+1执行行PC+1PC；RD和和LDDR执行行MDR；LDIR执行行DRIR。假。假设十十进制加法指令的操作制加法指令的操作码为1000，那么指令寄存器，那么指令寄存器IR中中的指令操作的指令操作码是是1000。另一方面，。另一方面，顺序控制字段指明下一条微指令的序控制字段指明下一条微指令的地址地址为0000。由于判断字段中。由于判断字段中P1=1，表示，表示测试的的“状
38、状态条件条件”是指令是指令寄存器寄存器IR中的指令操作中的指令操作码1000，即用指令操作，即用指令操作码1000作作为下一条微指下一条微指令的地址，因此，此微指令的下址令的地址，因此，此微指令的下址0000并不是下一条微指令的真正地并不是下一条微指令的真正地址。下一条微指令的真正地址是指令的操作址。下一条微指令的真正地址是指令的操作码1000，于是，微地址寄，于是，微地址寄存器存器AR的内容修改的内容修改为1000。微程序设计举例微程序设计举例 第二条微指令是完成第二条微指令是完成a+b运算操作，运算操作，该微指令的微地址微指令的微地址为1000，其，其编码为：010 100 100 100
39、 00000001001 根据微地址寄存器根据微地址寄存器AR的内容的内容1000，取出第二条微指令并，取出第二条微指令并执行。行。执行行时，一方面操作控制字段，一方面操作控制字段产生生4个微命令，他个微命令，他们分分别是是R1X、R2Y、+、LDR2。于是，运算器完成。于是，运算器完成R1+R2R2的操作。另一方面，的操作。另一方面，顺序控制字段中判断序控制字段中判断测试字段字段P1和和P2均均为0，表示不，表示不进行行测试，于是，于是，该微指令的下微指令的下址字段址字段1001直接作直接作为下一条微指令的地址，并下一条微指令的地址，并传送到微地送到微地址寄存器址寄存器AR。微程序设计举例微
40、程序设计举例 第三条微指令是完成第三条微指令是完成a+b+6运算操作，运算操作，该微指令的微地址微指令的微地址为1001，其，其编码为：010 001 001 100 00000010000 根据微地址寄存器根据微地址寄存器AR的内容的内容1001，取出第三条微指令并，取出第三条微指令并执行。行。执行行时，一方面操作控制字段，一方面操作控制字段产生生4个微命令，他个微命令，他们分分别是是R2X、R3Y、+、LDR2。于是，运算器完成。于是，运算器完成R2+R3R2的操作。另一方面，的操作。另一方面，顺序控制字段中判断序控制字段中判断测试字段字段P2为1，表示，表示对P2进行行测试，测试的的“状
41、状态条件条件”为进位位标志志Cy，根据，根据进位位标志志Cy的状的状态来修改微地址寄存器来修改微地址寄存器AR的最后一位：若的最后一位：若Cy=0时，下一条微指令的地址，下一条微指令的地址为0001；若；若Cy=1时，下一条微指令的地址，下一条微指令的地址为0000。由此可。由此可见，该微指令的下址微指令的下址0000并不是下一条微指令的真正地址。并不是下一条微指令的真正地址。下一条微指令的真正地址是下一条微指令的真正地址是对下址下址0000的修改。在此假的修改。在此假设Cy=0，则要要执行的下一条微指令的地址行的下一条微指令的地址为0001，送到微地，送到微地址寄存器址寄存器AR。微程序设计
42、举例微程序设计举例 第四条微指令是完成第四条微指令是完成a+b-6运算操作，运算操作，该微指令的微地址微指令的微地址为0001，其，其编码为：010 001 001 001 00000000000 根据微地址寄存器根据微地址寄存器AR的内容的内容0001，取出第四条微指令并，取出第四条微指令并执行。行。执行行时，一方面操作控制字段，一方面操作控制字段产生生4个微命令，他个微命令，他们分分别是是R2X、R3Y、-、LDR2。于是，运算器完成。于是，运算器完成R2-R3R2的操作。另一方面，的操作。另一方面，顺序控制字段中判断序控制字段中判断测试字段字段P1和和P2均均为0，表示不，表示不进行行测
43、试，于是，于是，该微指令的下微指令的下址字段址字段0000直接作直接作为下一条微指令的地址，并下一条微指令的地址，并传送到微地送到微地址寄存器址寄存器AR，按，按该地址取出的微指令地址取出的微指令为“取指取指”微指令。微指令。如果第三条微指令进行测试时Cy=1，那么，下一条微指令的地址为0000，将不执行第四条微指令，而是直接由第三条微指令就转向“取指”微指令，便开始从内存中取第二条机器指令，再转去执行该机器指令相应的微程序。五、五、CPUCPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系 n在串行方式的微程序控制器中，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期微指令周期 =读出微指令的出微指令的
44、时间 +执行行该条微指令的条微指令的时间n为了保了保证整个机器控制信号的同步整个机器控制信号的同步,一般将一般将一个微指令周期一个微指令周期时间设计得恰好和得恰好和CPUCPU周期周期时间相等相等。六、机器指令与微程序的关系六、机器指令与微程序的关系 图5.275.27很好地很好地说明了机器指令和微指令之明了机器指令和微指令之间的关系，也方便的关系，也方便深深层次地解次地解释程序的程序的执行行过程：取指令入程：取指令入IRIR后通后通过微程序微程序执行指令。行指令。小结小结:l一条机器指令的功能是由若干条微指令一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来成的序列来实现的。的。l从指令与微指令
45、，程序与微程序，地址与微地址的一一从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系来看，关系来看，前者前者与内存与内存储器有关，器有关，后者后者与控制存与控制存储器有器有关。关。l每一个每一个CPUCPU周期就周期就对应一条微指令。一条微指令。6.6硬布线控制器 硬布硬布线控制器控制器：把控制部件看做：把控制部件看做产生生专门固定固定时序控制信号的序控制信号的逻辑电路。由路。由门电路和触路和触发器构成器构成复复杂树形网形网络。与微程序。与微程序控制相比，硬布控制相比，硬布线控制的速度控制的速度较快。其原因是微程序控制中快。其原因是微程序控制中每条微指令都要从控存中每条微指令都要从控存中
46、读取一次，影响了速度，而硬布取一次，影响了速度，而硬布线控制主要取决于控制主要取决于电路延路延迟。由于硬布。由于硬布线控制器的控制器的电路路结构很构很复复杂，设计和和调试都非常困都非常困难，后来就被微程序控制器所替，后来就被微程序控制器所替代。但是随着新一代机器及代。但是随着新一代机器及VLSIVLSI技技术的的发展，硬布展，硬布线逻辑设计思想又得到了重思想又得到了重视。因此，近年来在某些超高速新型。因此，近年来在某些超高速新型计算算机机结构中，又构中，又选用了硬布用了硬布线控制，或与微程序控制器混合使控制，或与微程序控制器混合使用。用。硬布线控制器设计（1）n组合合逻辑控制器由控制器由组合合
47、逻辑线路、模路、模k时序序产生器和生器和1/k译码器等部件器等部件组成，其原理如成，其原理如图所示。所示。n n组组合合合合逻辑线逻辑线路的路的路的路的输输入信号有：入信号有：入信号有：入信号有：指令指令指令指令译码译码器的器的器的器的输输出出出出ImIm、执执行部件的反行部件的反行部件的反行部件的反馈馈信息信息信息信息BjBj、时时序序序序产产生器的生器的生器的生器的节节拍脉冲拍脉冲拍脉冲拍脉冲TkTk；组组合合合合逻辑线逻辑线路的路的路的路的输输出信号出信号出信号出信号就是微操作控制信号就是微操作控制信号就是微操作控制信号就是微操作控制信号CnCnCn=(Im,Tk,Bj)Cn=(Im,T
48、k,Bj)。硬布线控制器设计（2）例例4 图6.32中五条指令的微操作控制信号的中五条指令的微操作控制信号的产生。生。回回顾指令流程指令流程写出写出逻辑函数函数LDAR=M1T2+M2(ADD+STA)T2LDDR=M1T3+M3(ADD+STA)T3LDIR=M1T4RD=M1+M3ADDWE=M3STA其其中中：M1、M2、M3是是三三个个节拍拍电位位信信号号；T3、T4为时钟周周期期信号；信号；ADD、STA、JMP是指令是指令OP字段字段译码器的器的输出信号。出信号。6.7 门阵列控制器n采用通用可编程逻辑器件可以实现组合逻辑，也可以实现时序逻辑,由于通用可编程逻辑器件由大量的与门、或
49、门阵列等电路构成，所以简称为门阵列器件。为了与早期的组合逻辑控制器相区别，用门阵列设计的操作控制器称为门阵列控制器。n可可编程程逻辑器件器件PLA PLA是多个“与”门电路的集合，并且它可以在任何一个输出端上进行“或”运算。如下的PLA器件有四个输入变量x1、x2、x3、x4，每个变量有原码和反码两个输出；三个和项f1f3（“或”逻辑）中每一个可以包含8个乘积项y1y8（“与”逻辑），每一个和项fi控制一个输出函数，它可用外界电脉冲编制程序。交叉线上的圆点在矩阵上部相当于“与”门，而在矩阵下部的则相当于“或”门。输入变量的每一行可以被地址矩阵的每一列识别为逻辑“1”、“0”或者任意值（用d表示
50、）。门阵列控制器门阵列控制器n门阵列控制器基本思想列控制器基本思想 我们知道微操作控制信号既是操作码的函数，又是节拍电位、节拍脉冲和反馈条件等因素的函数。因此，在设计门阵列控制器时，通常把指令的操作码、节拍电位、节拍脉冲和反馈条件作为门阵列的输入，再按一定的“与或”关系来编排逻辑阵列的输出，便是所需要的微操作控制信号。假设某一微操作控制信号C6发生在指令A（设OP为I1I2）的节拍电位M2、节拍脉冲T4时间，也发生在指令B（设OP为I1I2）的节拍电位M3、节拍脉冲T2时间，且进位触发位Cy为“1”，那么C6的逻辑表达式如下：C6=I1I2M2T4+I1I2M3T2Cy 将上述输入变量送入门阵