第06章中央处理器精选文档.ppt

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1、第第06章中央处理器章中央处理器1本讲稿第一页，共七十五页 本章着重讨论控制器的功能、基本组成、本章着重讨论控制器的功能、基本组成、两种实现方法两种实现方法(硬布线和微程序硬布线和微程序)及工作原理，及工作原理，控制器的时序控制方式、指令执行控制方式控制器的时序控制方式、指令执行控制方式等。等。2本讲稿第二页，共七十五页6.1 控制器的组成和基本原理控制器的组成和基本原理6.1.1 控制器的功能控制器的功能 计算机对信息进行处理计算机对信息进行处理(或计算或计算)是通过程序是通过程序的执行而实现的，程序是完成某个确定算法的执行而实现的，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

2、制的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行。器的作用是控制程序的执行。3本讲稿第三页，共七十五页控制器的功能控制器的功能1操作控制功能操作控制功能 每一个微操作必须在一个或多个微操作控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。控制器必须具备将机制信号的控制下完成。控制器必须具备将机器指令转换为微操作控制信号序列，并进行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。能就是实现指令的正确执行。4本讲稿第四页，共七十五页控制器的功能控制器的功能2指令顺序控制功能指令顺序控

3、制功能 控制器必须具备能够控制程序的执行顺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序的功能。指令顺序控制功能就是实现指令的有序执行。令的有序执行。5本讲稿第五页，共七十五页控制器的功能控制器的功能3时序控制功能时序控制功能 计算机程序的实现即每条指令的执行，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。条不紊地完成程序规定的工作。6本讲稿第六页，共七十五页控制器的功能控制器的功能4对异常和某些请求的

4、处理功能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控制器具有处理随机产生的异常情况(如掉如掉电、运算结果溢出电、运算结果溢出)及特殊请求的功能。特及特殊请求的功能。特殊请求包括中断、殊请求包括中断、DMA请求或其他主控设请求或其他主控设备的总线请求等。备的总线请求等。7本讲稿第七页，共七十五页6.1.2 控制器的基本组成控制器的基本组成 1程序计数器程序计数器(PC)即指令地址寄存器。在某些计算机中用即指令地址寄存器。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些计算机中则用来存放即将要执行

5、的下一条指令地址；而在有指令预取功能的计算机中，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。一条要取出的指令地址。8本讲稿第八页，共七十五页控制器的基本组成控制器的基本组成 2.指令寄存器指令寄存器(IR)用以存放当前正在执行的指令，以便在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数所在的地址，控制完成一条指令的全部功能。能。9本讲稿第九页，共七十五页控制器的基本组成控制器的基本组成 3指令译码器

6、或操作码译码器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，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，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需要形成有一定时序关系的操作控制信号序列。列。10本讲稿第十页，共七十五页控制器的基本组成控制器的基本组成 4脉冲源及启停线路脉冲源及启停线路 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个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号。的基准信号。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉启停线路保证可靠地送出

7、或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动冲，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。机器工作或使之停机。11本讲稿第十一页，共七十五页控制器的基本组成控制器的基本组成 5时序控制信号形成部件时序控制信号形成部件 又称为微操作控制信号形成部件。当机又称为微操作控制信号形成部件。当机器启动后，在器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前时钟作用下，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。整时序控制信号。12本讲稿第十二页，共七十五页控制器基本组

8、成的框图控制器基本组成的框图 13本讲稿第十三页，共七十五页6.1.3 控制器的时序系统控制器的时序系统1指令周期和机器周期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。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期表示。为了便于对指令周期通常用若干机器周期表示。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，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，对每一个每一条指令由若干个不同的基本操作组成，对每一个

9、基本操作规定一个基本时间称为机器周期或基本操作规定一个基本时间称为机器周期或CPU周期。周期。14本讲稿第十四页，共七十五页控制器的时序系统控制器的时序系统 2节拍电位和工作脉冲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，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。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

10、，称为一一般节拍用一个电平信号宽度表示，称为一个节拍电位。个节拍电位。15本讲稿第十五页，共七十五页节拍与工作脉冲的配合节拍与工作脉冲的配合 16本讲稿第十六页，共七十五页6.1.4 控制器的实现方法控制器的实现方法 控制器的输入是机器的指令代码，输出控制器的输入是机器的指令代码，输出是微操作控制信号。控制器的核心是微操作是微操作控制信号。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，控制器分产生微操作控制信号的方式不同，控制器分类：类：（1）硬布线控制器）硬布线控制器（2）微程序控制器）微程序控制器17本讲稿第十

11、七页，共七十五页1.硬布线控制器硬布线控制器 硬布线控制器又称为组合逻辑控制器，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，用组合逻辑操作表，综合并化简微操作表，用组合逻辑进行控制。进行控制。18本讲稿第十八页，共七十五页硬布线控制器的特点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。

12、得设计、调试、维修较困难。CISC机几乎不可能采用硬布线控制。机几乎不可能采用硬布线控制。RISC机为了追求高速度，一般采用硬布线机为了追求高速度，一般采用硬布线控制。控制。19本讲稿第十九页，共七十五页2.微程序控制器微程序控制器 微程序控制器用软件方法产生和组织微微程序控制器用软件方法产生和组织微操作控制信号，用存储逻辑控制取代组合逻操作控制信号，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。存放在控制存储器中。20本讲稿第二十页，共七十五页微程序控制器的特点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。其

13、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、扩它具有设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点。充指令方便的优点。但是，由于增加了一级控制存储器，所但是，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。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。机一般采用微程序控制器实现。21本讲稿第二十一页，共七十五页6.2.2 指令执行的基本过程指令执行的基本过程1取指令取指令2分析指令分析指令 (1)指令译码指令译码 (2)计算操作数的有效地址计算操作数的有效地址 (3)取操作数取操作数3执行指令执行指令22本讲稿第二十二页，共七十五页

14、6.2.3 指令执行的微操作序列指令执行的微操作序列 CPU的数据通路的数据通路 23本讲稿第二十三页，共七十五页6.3 微程序控制器微程序控制器 6.3.1 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念1.微命令和微操作微命令和微操作 控制部件通过控制线向执行部件发出各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。令，它构成控制序列的最小单位。24本讲稿第二十四页，共七十五页微操作微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作，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、不可再分解的称为微操作

15、，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，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。所对应的微命令称为互斥性微命令。25本讲稿第二十五页，共七十五页2.微指令和微地址微指令和微地址 一个微指令周期中，一组实现一定操作一个微指令周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。一功能的微命令的组合，构成一条微指

16、令。一条微指令由操作控制字段和顺序控制字段组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。机工作的控制信号。26本讲稿第二十六页，共七十五页微指令和微地址微指令和微地址 顺序控制字段又称为下址字段，它用来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指令的地址，是指存放微指令的存储器单元的地址。的地址。27本讲稿第二十七页，共七十五页3.微程序微程序 一条机器指令的功能是用许多条微指令组一条机器指令的功能是用

17、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成的序列来实现的，这个微指令序列称为微程序。序。28本讲稿第二十八页，共七十五页4.控制存储器控制存储器 微程序存放在存储器中，主要存放控制微程序存放在存储器中，主要存放控制命令命令(信号信号)与下一条执行的微指令地址与下一条执行的微指令地址(简称简称为下址为下址)，所以被称为控制存储器，所以被称为控制存储器(Control Memory，CM)，简称控存。，简称控存。一般计算机指令系统是固定的，所以实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。现指令系统的微程序也是固定的。29本讲稿第二十九页，共七十五页5.微周期微周

18、期 从控制存储器中读取一条微指令并执行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。一个微周期可以是一令周期，简称微周期。一个微周期可以是一个机器周期时间，也可以是一个节拍周期时个机器周期时间，也可以是一个节拍周期时间。间。30本讲稿第三十页，共七十五页6.3.2 实现微程序控制的基本原理实现微程序控制的基本原理 1微程序实现加法指令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

19、微命令即为微指令。微命令，组合这些微命令即为微指令。31本讲稿第三十一页，共七十五页微命令的编号及含义微命令的编号及含义 32本讲稿第三十二页，共七十五页加法指令对应微命令的编号加法指令对应微命令的编号1.取指周期的微命令：取指周期的微命令：1、3、5、22、23、24。2.计算有效地址周期的微命令：计算有效地址周期的微命令：4、8、10、14、20。3.取数周期的微命令：取数周期的微命令：6、21、22、23、24。4.加运算周期的微命令：加运算周期的微命令：9、11、12、14、18。33本讲稿第三十三页，共七十五页微指令格式微指令格式 操作控制字段用操作控制字段用1位表示一个微命令，当该

20、位信位表示一个微命令，当该位信息为息为“1”时，表示发出该微命令，而该位信息为时，表示发出该微命令，而该位信息为“0”时，表示不发出该微命令；顺序控制字段时，表示不发出该微命令；顺序控制字段(下址字段下址字段)直接给出下一条要执行微指令的微地址。直接给出下一条要执行微指令的微地址。34本讲稿第三十四页，共七十五页四条微指令的编码四条微指令的编码(1)取指微指令取指微指令：操作控制位操作控制位 下址位下址位 101010000000000000000110 ；(2)计算有效地址微指令：计算有效地址微指令：操作控制位操作控制位 下址位下址位 000100010100010000010000 0 0

21、 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0；(3)取数微指令：取数微指令：操作控制位操作控制位 下址位下址位 000001000000000000001110 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1；(4)加运算微指令：加运算微指令：操作控制位操作控制位 下址位下址位 000000001011010001000000 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0。35本讲稿第三十五页，共七十五页微程序流程图微程序流程图 36本讲稿第三十六页，共七十五页2微程序控制器的基本工作原理微程序控制器的基本工作原理 微程序控制器主微程序控制器主要包括控制存储器要包括控制存储器CM、微指令寄存器、

22、微指令寄存器IR、微地址形成部、微地址形成部件、微地址寄存器件、微地址寄存器MAR等部分。等部分。37本讲稿第三十七页，共七十五页微程序控制器的工作过程微程序控制器的工作过程1.执行取指公共操作。执行取指公共操作。2.形成微程序入口地址送形成微程序入口地址送MAR。3.从控存从控存CM中取微指令送中取微指令送IR。4.微地址形成部件依据顺序控制字段及某些状态信息形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成下地址送MAR中。中。5.重复重复(3)、(4)，直到一条机器指令的微程序执行完，直到一条机器指令的微程序执行完毕。毕。6.当一条机器指令的最后一条微指令执行完毕后，返当一条机

23、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。程序执行完毕。38本讲稿第三十八页，共七十五页3时序信号及工作脉冲的形成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二分频电路及节拍电位的产生 系统的时钟信号系统的时钟信号CLK是时钟发生器提供是时钟发生器提供的的CLK2的二分频信号，节拍电位与工作脉的二分频信号，节拍电位与工作脉冲的产生电路。冲的产生电路。39本讲稿第三十九页，共七十五页3时序信号及工作脉冲的形成时序信号及工作脉冲的形成2)打入脉冲的形成打入脉冲的形成 工作脉冲可以直接作为打入脉

24、冲，也可工作脉冲可以直接作为打入脉冲，也可和控制信号相和控制信号相“与与”后形成打入脉冲。后形成打入脉冲。40本讲稿第四十页，共七十五页6.3.3 微指令编码法微指令编码法 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。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。度。不同计算机系统的侧重点可能不同。41本讲稿

25、第四十一页，共七十五页1直接控制法直接控制法 微指令的操作控制字段中，每一位代表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，是否路中的一个微操作。在设计微指令时，是否发出某个微命令，只要将控制字段中相应位发出某个微命令，只要将控制字段中相应位置成置成“1”或或“0”，这样就可打开或关闭某，这样就可打开或关闭某个控制门。个控制门。42本讲稿第四十二页，共七十五页直接控制法直接控制法 直接控制法简单直观，输出直接用于控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，制，并行性

26、强，速度快。但微指令字很长，使控制存储器字单元位数很长。使控制存储器字单元位数很长。43本讲稿第四十三页，共七十五页2字段直接编码法字段直接编码法微命令互斥的概念微命令互斥的概念 计算机中的各个控制门，在任一微周期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，而且大部分是关闭内，不可能同时被打开，而且大部分是关闭的。如有若干个的。如有若干个(一组一组)微命令，在每次选择微命令，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。用，那么这若干个微命令是互斥的。44本讲稿第四十四页，共七十五页2字段直接编码法字段直接编码

27、法 选出互斥的微命令，并将这些微命令编选出互斥的微命令，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。码器的输出即为原来的微命令。45本讲稿第四十五页，共七十五页3字段间接编码法字段间接编码法 字段间接编译法是在字段直接编码法的基础上，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。某些微命令来解解释，称为字段间接编译法。

28、46本讲稿第四十六页，共七十五页4常数源字段常数源字段E 在微指令中，一般设有一个常数源字段在微指令中，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发送常数。该常数有时作为操作数送入微指令令ALU运算；有时作为计算器初值，用来控运算；有时作为计算器初值，用来控制微程序的循环次数等。制微程序的循环次数等。47本讲稿第四十七页，共七十五页6.3.4 微程序流的控制微程序流的控制 程序流的控制的目的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

29、作码译码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。序在控存中的入口地址。48本讲稿第四十八页，共七十五页1微程序入口地址的形成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后，由指令的操作码字段得

30、到相应微程序的入口地址。入口地址。49本讲稿第四十九页，共七十五页2后继微地址的形成后继微地址的形成 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。法对微程序编制的灵活性影响很大。(1)有增量方式有增量方式 (2)增量与下址字段结合方式增量与下址字段结合方式 (3)多路转移方式多路转移方式 .50本讲稿第五十页，共七十五页(1)增量方式增量方式 顺序执行微指令时，后继微地址由微程顺序执行

31、微指令时，后继微地址由微程序计数器序计数器PC加上一个增量加上一个增量(通常为通常为1)形成的；形成的；而在非顺序执行时则由形成转移微地址的逻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。辑电路产生后继微地址。51本讲稿第五十一页，共七十五页增量方式产生后继微地址增量方式产生后继微地址 52本讲稿第五十二页，共七十五页方法特点方法特点 指令的下址字段指令的下址字段(顺序控制字段顺序控制字段)很短，很短，仅起选择作用。仅起选择作用。缺点是微程序转移很不灵活，使得微程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。序在控存中的物理空间分配相当困难。53本讲稿第五十

32、三页，共七十五页(2)增量与下址字段结合方式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：将微指令的下址字段分成两部分：转移控制字段转移控制字段BCF和转移地址字段和转移地址字段BAF，当微程序实现转移时，将，当微程序实现转移时，将BAF送送PC，否，否则顺序执行下一条微指令则顺序执行下一条微指令(PC)+l。54本讲稿第五十四页，共七十五页增量与下址字段结合方式产生后继微地址增量与下址字段结合方式产生后继微地址 55本讲稿第五十五页，共七十五页(3)多路转移方式多路转移方式 路转移方式又称为断定方式，这是一种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，其顺序直接

33、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。控制字段一般由非测试段和测试段组成。56本讲稿第五十六页，共七十五页6.3.5 微指令格式及执行方式微指令格式及执行方式1微指令格式微指令格式 微指令格式直接影响微程序控制器的结微指令格式直接影响微程序控制器的结构和微程序的编制，也直接影响计算机的速构和微程序的编制，也直接影响计算机的速度和控制存储器的容量。度和控制存储器的容量。57本讲稿第五十七页，共七十五页微指令格式设计需考虑因素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整个指令系

34、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路结构、控制存储器的速度以及微程序的编制等因素。制等因素。58本讲稿第五十八页，共七十五页微指令格式分类微指令格式分类 不同机器有不同的微指令格式，微指令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：的格式大体上可分成两类：（1）水平型微指令；）水平型微指令；（2）垂直型微指令。）垂直型微指令。59本讲稿第五十九页，共七十五页(1)水平型微指令水平型微指令 一次能定义并执行多个并行操作微命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。的微指令，称为水平型微指令。如采用直接控制法、字段编码法的微指如采

35、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。会增加一些延迟时间。60本讲稿第六十页，共七十五页(2)垂直型微指令垂直型微指令 在微指令中设置有微操作码字段，采用在微指令中设置有微操作码字段，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

36、种微操作。令只要求能控制实现一种微操作。61本讲稿第六十一页，共七十五页垂直型微指令设计的特点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，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，微化。垂直微指令产生微命令要经过译码，微程序执行速度慢。程序执行速度慢。62本讲稿第六十二页，共七十五页两种微指令的比较两种微指令的比较1.水平型

37、微指令并行操作能力强，效率高，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。灵活性强，垂直型微指令则差。2.水平型微指令执行一条指令的时间短，垂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。直型微指令执行时间长。63本讲稿第六十三页，共七十五页两种微指令的比较两种微指令的比较3.水平型微指令解释指令的微程序，具有微水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字比较长，但微程序短的特点。垂直指令字比较长，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型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。序长。4.水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微水平型微指令用户难以掌

38、握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容指令与指令比较相似，相对来说，比较容易理解。易理解。64本讲稿第六十四页，共七十五页2.微指令的执行方式微指令的执行方式1)串行方式串行方式 取微指令和执行微指令两个过程是顺序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，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。形成后继微地址所用的硬件设备较少。2)并行方式并行方式 执行当前微指令的同时，可以预取下一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。条微指令。缩短了微周期。65本讲稿第六十五页，共七十五页6.4 硬布线控制器硬

39、布线控制器6.4.1 硬布线控制器的设计步骤硬布线控制器的设计步骤设计时序系统设计时序系统拟定指令流程拟定指令流程列出每条指令在各个操作步骤列出每条指令在各个操作步骤(机器周期机器周期)中所需的控制信号。中所需的控制信号。写出每个控制信号的逻辑表达式。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。画出控制器的逻辑框图，实现控制器。66本讲稿第六十六页，共七十五页6.4.2 硬布线控制器的设计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

40、中，每一步由一个步骤。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直接控制并产生实现上述各步骤所需的控制信号。信号。67本讲稿第六十七页，共七十五页操作控制信号形成框图操作控制信号形成框图68本讲稿第六十八页，共七十五页6.4.3 硬布线控制器与微程序控制器的比较硬布线控制器与微程序控制器的比较1.指令执行步骤的控制方法不同指令执行步骤的控制方法不同2.提供微操作控制信号的方案不同提供微操作控制信号的方案不同3.实现途径与性能不同实现途径与性能不同69本讲稿第六十九页，共七十五页6.5 控制器的

41、控制方式控制器的控制方式 不同指令所对应的微操作数及繁简程度不同指令所对应的微操作数及繁简程度不一样，因此每条指令和每个微操作所需的不一样，因此每条指令和每个微操作所需的执行时间也不相同，形成控制不同微操作序执行时间也不相同，形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方式，称为控制器的控列的时序控制信号的方式，称为控制器的控制方式。常用方式有：制方式。常用方式有：(1)同步控制方式同步控制方式(2)异步控制方式异步控制方式(3)联合控制方式联合控制方式70本讲稿第七十页，共七十五页(1)同步控制方式同步控制方式 同步控制方式是指各项操作由统一的时同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制

42、，各个微操作必须在规序信号进行同步控制，各个微操作必须在规定时间内完成，达到规定时间就自动执行后定时间内完成，达到规定时间就自动执行后继的微操作。继的微操作。71本讲稿第七十一页，共七十五页(2)异步控制方式异步控制方式 异步控制方式形成的微操作控制序列没异步控制方式形成的微操作控制序列没有固定的节拍数或严格的工作脉冲同步。每有固定的节拍数或严格的工作脉冲同步。每条指令、每个微操作控制信号需要多少时间条指令、每个微操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。这是一种就占用多少时间。这是一种“应答应答”的方式，的方式，各微操作之间的衔接是由各微操作之间的衔接是由“结束一起始结束一起始”信信号来实现的

43、。号来实现的。72本讲稿第七十二页，共七十五页(3)联合控制方式联合控制方式 联合控制方式为同步控制与异步控制相联合控制方式为同步控制与异步控制相结合的方式。大部分操作序列安排在固定的结合的方式。大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间难似确定的操作则机器周期中，对某些时间难似确定的操作则以执行部件的以执行部件的“结束结束”信号作为本次操作的信号作为本次操作的结束。结束。73本讲稿第七十三页，共七十五页(3)联合控制方式联合控制方式 现代计算机中几乎没有完全采用同步或现代计算机中几乎没有完全采用同步或完全采用异步的控制方式，大多数是采用联完全采用异步的控制方式，大多数是采用联合控制方式

44、。通常的设计思想是：在功能部合控制方式。通常的设计思想是：在功能部件内部采用同步方式或以同步方式为主的控件内部采用同步方式或以同步方式为主的控制方式，在功能部件之间采用异步方式。制方式，在功能部件之间采用异步方式。74本讲稿第七十四页，共七十五页课堂讨论课堂讨论n简述控制器的组成和功能。简述控制器的组成和功能。n试述硬布线控制器与微程序控制器组成的同试述硬布线控制器与微程序控制器组成的同异之处，以及两种控制器各自的优缺点。异之处，以及两种控制器各自的优缺点。n试述微指令编码的方法和各自特点？试述微指令编码的方法和各自特点？nCPU的控制方式有几种？简述每种控制方式的控制方式有几种？简述每种控制方式的特点。的特点。75本讲稿第七十五页，共七十五页