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1、计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器第第6章中央处理器章中央处理器计算机组成原理计算机组成原理教学目标教学重点教学过程4/9/20231计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器教学目标教学目标l掌握中央处理器的基本工作原理掌握中央处理器的基本工作原理l掌握程序控制基本思想掌握程序控制基本思想4/9/20232计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器教学重点教学重点l中央处理器的总体结构中央处理器的总体结构l指令的执行与时序产生器指令的执行与时序产生器l微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器l硬布线控制器与门陈列控
2、制器硬布线控制器与门陈列控制器4/9/20233计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器教学过程教学过程l6.1中央处理器的总体结构中央处理器的总体结构l6.2指令的执行与时序产生器指令的执行与时序产生器l6.3微程序设计技术与微程序控制器微程序设计技术与微程序控制器l6.4硬布线控制器与门阵列控制器硬布线控制器与门阵列控制器l6.5CPU新技术新技术4/9/20234计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1中央处理器的总体结构中央处理器的总体结构l在计算机系统中，中央处理器在计算机系统中，中央处理器CPU是由控是由控制器和运算器两大部分组成的。控
3、制器是制器和运算器两大部分组成的。控制器是整个系统的指挥中心，在控制器的控制之整个系统的指挥中心，在控制器的控制之下，运算器、存储器和输入输出设备等部下，运算器、存储器和输入输出设备等部件构成了一个有机的整体。件构成了一个有机的整体。4/9/20235计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1.1中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成(1/5)一、一、CPU的基本功能的基本功能（1）程序控制）程序控制保证机器按一定顺序执行程序是保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。的首要任务。（2）操作控制）操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。一条
4、指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。（3）时间控制）时间控制对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。（4）数据加工）数据加工4/9/20236计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1.1中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成(2/5)二、控制器的功能（基本功能）二、控制器的功能（基本功能）控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥
5、协控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令。调各功能部件执行指令。三、程序控制原理三、程序控制原理1、编程、编程2、送、送MM（通过输入设备）通过输入设备）3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。4、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。4/9/20237计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1
6、.1中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成(3/5)四、控制器逻辑结构的四、控制器逻辑结构的3种组织方法种组织方法(1)常规组合逻辑法常规组合逻辑法(或称随机逻辑法或称随机逻辑法)；分立元件时代的产物；方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最分立元件时代的产物；方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化为原则，用逻辑门电路实现；不规整，可靠性低，造价高。小化为原则，用逻辑门电路实现；不规整，可靠性低，造价高。(2)可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)法；法；与前者本质相同，工艺不同；与前者本质相同，工艺不同；用大规模集成电路用大规模集成电路(LSI)来实现。来实现。(3)微程序控制逻
7、辑法。微程序控制逻辑法。将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑；将各种操作控制信号将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑；将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制存储器中（以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）；）；一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。的过程。4/9/20238计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1.1中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成(4/5)五、五、CPU的组成的组成（1）指令部件）指令部件程序计数器程序计数器(PC)、指令寄存器指令
8、寄存器(IR)、指令译码器（指令译码器（ID）、）、程序状态寄存器程序状态寄存器（PSW）和地址形成部件等。和地址形成部件等。（2）时序部件）时序部件时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。（3）微操作控制线路）微操作控制线路微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，用来产生机器所需的微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，用来产生机器所需的全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作
9、码译码器输出的控制电全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作码译码器输出的控制电位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时间顺序产生并发出一系位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时间顺序产生并发出一系列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操作。列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操作。（4）中断控制逻辑）中断控制逻辑中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。4/9/20239计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1.1中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成(5/5)去内存取指令或取数据对各功能部件产生控制
10、PSW地址形成部件时序部件OC译码器PC微操作信号产生器.图6-1 控制器基本结构ACOC4/9/202310计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.1.2操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器根据设计方法不同，操作控制器可分为：根据设计方法不同，操作控制器可分为：l时序逻辑型时序逻辑型称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的l存储型存储型称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的；称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的；l时序逻辑与存储逻辑结合型。时序逻辑与存储逻辑结合型。是前两种方式的组合。本书重点介绍微
11、程序控制器。是前两种方式的组合。本书重点介绍微程序控制器。4/9/202311计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2指令的执行与时序产生器指令的执行与时序产生器l6.2.1指令周期指令周期l6.2.2时序产生器时序产生器l6.2.3CPU的控制方式的控制方式4/9/202312计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(1/18)lCPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列的每取出并执行一条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指令周期。更简单地说，指令周期
12、是取出并执行一令周期。更简单地说，指令周期是取出并执行一条指令的时间。条指令的时间。l指令周期常常用若干个指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，周期数来表示，CPU周期也称为机器周期。周期也称为机器周期。l而一个而一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期周期时间又包含有若干个时钟周期（通常称为节拍脉冲或（通常称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最基周期，是处理操作的最基本单位）。本单位）。l计算机的程序执行过程实际上是不断地取出指令、计算机的程序执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。分析指令、执行指令的过程。4/9/202313计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第
13、六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(2/18)一、基本工作过程一、基本工作过程主要是指执行指令的过程。计算机执行指令的过程可主要是指执行指令的过程。计算机执行指令的过程可以分为三个阶段：取指令；分析指令；执行指令。以分为三个阶段：取指令；分析指令；执行指令。1、取指令、取指令(1)(PC)MAR，READ(2)(PC)+1PC(3)读操作（将读操作（将MAR所指定的地址单元的内容读出）所指定的地址单元的内容读出）MDR，并发出并发出MFC（WaitforMFC）(4)(MDR)IR，指令译码器对操作码字段指令译码器对操作码字段OC开始译码。开始译码。4/9/202314计算机组成原理计算
14、机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(3/18)一、基本工作过程一、基本工作过程2、分析指令、分析指令(1)OC：识别和区分不同的指令类别；识别和区分不同的指令类别；(2)AC：获取操作数的方法。获取操作数的方法。例如，假设目前在例如，假设目前在IR寄存器中的指令是一条加法指令：寄存器中的指令是一条加法指令：ADD（R0），），R1其中其中R0，R1是通用寄存器，事先由其它指令已送入了是通用寄存器，事先由其它指令已送入了内容。分析指令阶段能得到两个结果：内容。分析指令阶段能得到两个结果：这是一条加法指令；这是一条加法指令；源点操作数是寄存器间接寻址方式，操作数在
15、内存中，有效地址是源点操作数是寄存器间接寻址方式，操作数在内存中，有效地址是（R0），），终点操作数是寄存器直接寻址方式，操作数就是终点操作数是寄存器直接寻址方式，操作数就是R1寄存寄存器的内容。器的内容。4/9/202315计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(4/18)一、基本工作过程一、基本工作过程又如，若目前在又如，若目前在IR寄存器中的指令是一条减法指令：寄存器中的指令是一条减法指令：SUBD（R0），（），（R1）其中其中R0，R1是通用寄存器，事先由其它指令已送入了内是通用寄存器，事先由其它指令已送入了内容。分析指令阶段能得到两个
16、结果：容。分析指令阶段能得到两个结果：这是一条减法指令；这是一条减法指令；源点操作数是寄存器变址寻址方式，操作数在内存中，有效地址是源点操作数是寄存器变址寻址方式，操作数在内存中，有效地址是（R0）+D，终点操作数是通用寄存器间接寻址方式，有效地址是终点操作数是通用寄存器间接寻址方式，有效地址是R1寄存器的内容。寄存器的内容。4/9/202316计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(5/18)一、基本工作过程一、基本工作过程3、执行指令、执行指令执行指令阶段完成指令所规定的各种操作，具体实现执行指令阶段完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功
17、能。指令的功能。F(IR，PSW，时序时序)微操作控制信号序列微操作控制信号序列例如，例如，ADD（R0），），R1又如，又如，SUBD（R0），（），（R1）若无意外事件（如结果溢出）发生，机器就又从若无意外事件（如结果溢出）发生，机器就又从PC中中取得下一条指令地址，开始一条新指令的控制过程。取得下一条指令地址，开始一条新指令的控制过程。计算机的基本工作过程可以概括地说成是取指令，分计算机的基本工作过程可以概括地说成是取指令，分析指令，执行指令，再取下一条指令，依次周而复始地执析指令，执行指令，再取下一条指令，依次周而复始地执行指令序列的过程。行指令序列的过程。4/9/202317计算机组
18、成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(6/18)二、模型机结构二、模型机结构1、框图、框图（1）寄存器：）寄存器：R0R3是通用寄存器，是通用寄存器，S，D，T为为CPU内部的暂存数据的工作寄存器，分别称为源内部的暂存数据的工作寄存器，分别称为源点寄存器点寄存器(S)，终点寄存器终点寄存器(D)和临时寄存器和临时寄存器(T)。（2）暂存器：暂存器：X、Y、Z，其中其中X和和Y两个暂存器也两个暂存器也作为作为ALU的两个输入多路开关使用，可以采用锁的两个输入多路开关使用，可以采用锁定器的方式实现。定器的方式实现。（3）单总线结构：）单总线结构：PC，PS
19、W挂在总线上。挂在总线上。4/9/202318计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(7/18)二、模型机结构二、模型机结构2、微操作控制信号、微操作控制信号（1）助记符：）助记符：R1out：表示将表示将R1寄存器中的信息发送出去的微操作控制信号。寄存器中的信息发送出去的微操作控制信号。R0in：表示将信息接收至表示将信息接收至R0寄存器的微操作信号。寄存器的微操作信号。MFC：存储器功能完成信号。存储器功能完成信号。WMFC：等待等待MFC信号。信号。READ：读存储器微操作。读存储器微操作。WRITE：写存储器微操作。写存储器微操作。（2）
20、微操作：）微操作：A、控制器中：控制器中：(a)IRin；(b)PCin,PCout；(c)WMFC；(d)END：指令工作完成指令工作完成4/9/202319计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(8/18)B、运算器中：运算器中：(a)X暂存器接收总线数据控制信号暂存器接收总线数据控制信号Xin；(b)Y暂存器接收总线数据控制信号暂存器接收总线数据控制信号Yin；(c)Z暂存器接收，发送控制信号暂存器接收，发送控制信号Zin,Zout；(d)R0inR3in,R0outR3out；(e)Sin,Sout,Din,Dout,Tin,Tout.；
21、(f)ALU：ADD，SUB，ADC，.AND，XOR，1等；等；(g)0Y，RY；(h)0X，RX；C、内存：内存：(a)READ，WRITE；(b)内存地址寄存器接收控制信号内存地址寄存器接收控制信号MARin；(c)MDRin,MDRout；4/9/202320计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(9/18)3、指令格式：、指令格式：模型机的寻址方式采用通用寄存器寻址方式，以双操作数指令为模型机的寻址方式采用通用寄存器寻址方式，以双操作数指令为例，其指令格式如下：例，其指令格式如下：操作数地址字段由两部分组成：操作数地址字段由两部分组成：
22、寄存器编号的含义是：寄存器编号的含义是：00：R0；01：R1；10：R2；11：R3；源点操作数(4位)OC(4位)终点操作数(4位)寄存器编号(2位)方式位(2位)4/9/202321计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(10/18)4、寻址方式：、寻址方式：ACOC存储体微操作控制器MDRMARI/O设备时序信号总线I/O接口R0.R3,S,D,TIRZYXIDPSWPC微操作控制信号序列图6-3 模型计算机框图.4/9/202322计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(11/18)三、微
23、操作序列三、微操作序列（1）“从主存中取出一个字从主存中取出一个字”的微操作序列的微操作序列R1out，0X，0Y，RY，ADD，Zin（把有效地址送入暂存器把有效地址送入暂存器Z。）。）Zout，MARin，READ（将总线地址送入将总线地址送入MAR，并发送读命令并发送读命令READ。）。）WMFC（控制器等待存储器发来的操作完成信号控制器等待存储器发来的操作完成信号MFC。）。）MDRout，0X，Xin，0Y，ADD，Zin（控制器收到控制器收到MFC信号后，将信号后，将MDR中已读出的代码送入暂存器中已读出的代码送入暂存器Z。）。）Zout，R2in（将取得的数据装入将取得的数据装入
24、R2寄存器中。）寄存器中。）4/9/202323计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(12/18)（2）“指令计数器指令计数器PC递增递增”的微操作序列的微操作序列PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin（把有效地址送入暂存器把有效地址送入暂存器Z。）。）Zout，PCin（把暂存器把暂存器Z的内容送的内容送PC。）。）（3）“从主存中取出指令字从主存中取出指令字”的微操作序列的微操作序列PCout，0Y，Yin，MARin，READ（指令地址送到主存，发读命令。）指令地址送到主存，发读命令。）0X，1，ADD，Zin，WMFC（PC
25、）+1，并等待内存操作完成回答信号。）并等待内存操作完成回答信号。）MDRout，IRin，Zout，PCin（接收指令到接收指令到IR，开始译码，并且开始译码，并且PC内容已递增。）内容已递增。）4/9/202324计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(13/18)（4）双操作数加法指令）双操作数加法指令ADD（R0），），R1PCout，0Y，Yin，MARin，READ（指令地址送到主存，发读命令。）指令地址送到主存，发读命令。）0X，1，ADD，Zin，WMFC（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。）并等待内存操作完成回答信号。）M
26、DRout，IRin，Zout，PCin（接收指令到接收指令到IR，开始译码，并且开始译码，并且PC内容已递增。）内容已递增。）R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zin（源操作数间接寻址，送地址到源操作数间接寻址，送地址到Z。）。）Zout，MARin，READ（取源操作数）取源操作数）WMFC，R1out，0X，RX（等待内存回答，将终点数送至等待内存回答，将终点数送至X暂存器。）暂存器。）MDRout，0Y，Yin，ADD，Zin（将源点数送至将源点数送至ALU的的Y端，相加。）端，相加。）Zout，R1in（将结果送将结果送R1中）中）END（结束）结束）4/9/202325计算机组
27、成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(14/18)（5）双操作数减法指令）双操作数减法指令SUBR0，D（R1）PCout，0Y，Yin，MARin，READ（指令地址送到主存，发读命令。）指令地址送到主存，发读命令。）0X，1，ADD，Zin，WMFC（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。）并等待内存操作完成回答信号。）MDRout，IRin，Zout，PCin（接收指令到接收指令到IR，开始译码，并且开始译码，并且PC内容已递增。）内容已递增。）R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zin（源操作数内容送到源操作数内容送到Z暂存器。）暂存器。）
28、Zout，Sin（将源点操作数送将源点操作数送S暂存器保存。）暂存器保存。）PCout，0Y，Yin，MARin，READ（PC内容送到主存，发读命令。）内容送到主存，发读命令。）0X，1，ADD，Zin，WMFC（PC）+1，并等待内存操作完成回答。）并等待内存操作完成回答。）Zout，PCin，MDRout，0Y，Yin（将形式地址将形式地址D送送Y暂存器，并且暂存器，并且PC递增。）递增。）4/9/202326计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(15/18)R1out，0X，RX，ADD，Zin（将（将R1内容送至内容送至X暂存器，并进
29、行加法运算形成终点操作数有效地址。）暂存器，并进行加法运算形成终点操作数有效地址。）Zout，MARin，READ（取终点操作数）取终点操作数）WMFC，Sout，0X，RX（等待内存回答，并将源点操作数送等待内存回答，并将源点操作数送X暂存器。）暂存器。）MDRout，0Y，Yin，SUB，Zin（将源点数送至将源点数送至ALU的的Y端，两数相减。）端，两数相减。）Zout，MDRin，WRITE（将两数之差送内存。）将两数之差送内存。）WMFC（等待内存回答。）等待内存回答。）END（结束）结束）4/9/202327计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令
30、周期指令周期(16/18)（6）一条转移指令的微操作序列）一条转移指令的微操作序列PCout，0Y，Yin，MARin，READ（指令地址送到主存，发读命令。）指令地址送到主存，发读命令。）0X，2，ADD，Zin，WMFC（PC）+2，并等待内存操作完成回答信号。）并等待内存操作完成回答信号。）MDRout，IRin，Zout，PCin（接收指令到接收指令到IR，开始译码，并且开始译码，并且PC内容已递增。）内容已递增。）IFZ=1THENPCout，0X，RX；IFZ=0THENEND（判断判断Z值，若为值，若为1则将则将PC内容送内容送X中，否则结束）中，否则结束）ACout（=C），）
31、，0Y，Yin，ADD，Zin（Adr=（PC）+C）Zout，PCin（AdrPC）END（结束）结束）4/9/202328计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(17/18)四、指令运行过程中的事务处理四、指令运行过程中的事务处理(1)停机：当现行指令执行完由停机：当现行指令执行完由CPU控制停机。控制停机。(2)DMA：现行指令执行中，在当前一个现行指令执行中，在当前一个CPU周期结束，就冻周期结束，就冻结指令执行，结指令执行，CPU转让总线控制权，挪用一个存储器周期转让总线控制权，挪用一个存储器周期给这类高速外设进行数传处理。给这类高速外
32、设进行数传处理。(3)掉电：通常是当现行指令执行完成后，进行掉电事务处掉电：通常是当现行指令执行完成后，进行掉电事务处理。理。(4)故障：视其紧迫程度，或分别在当前故障：视其紧迫程度，或分别在当前CPU周期结束或现周期结束或现行指令执行完进行故障，错误处理。行指令执行完进行故障，错误处理。(5)程序中断：对一般性外部设备的数传请求，通常安排在程序中断：对一般性外部设备的数传请求，通常安排在CPU每个机器周期状态开始，进行采样扫描接收，在现行每个机器周期状态开始，进行采样扫描接收，在现行指令执行完后，指令执行完后，CPU视其请求的优先等级进行事务处理。视其请求的优先等级进行事务处理。一个机器周期
33、状态结束，下一个机器周期状态开始的转接一个机器周期状态结束，下一个机器周期状态开始的转接瞬间是查询有无各种事务处理要求的时刻，瞬间是查询有无各种事务处理要求的时刻，4/9/202329计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.1指令周期指令周期(18/18)停机指令停机指令?NNNNYYYY停机处理停机处理掉电掉电?掉电处理掉电处理DMA?当前周期结束当前周期结束下一周期开始下一周期开始中断周期中断周期DMA周期周期程序中断程序中断?图图6-4 6-4 指令执行中的事务处理指令执行中的事务处理4/9/202330计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处
34、理器6.2.2时序产生器时序产生器(1/4)一、一、概念概念1、时序部件：计算机的机内时钟。它用其产生的、时序部件：计算机的机内时钟。它用其产生的周期状态，节拍电位及时标脉冲去对指令周期进周期状态，节拍电位及时标脉冲去对指令周期进行时间划分，刻度和标定。行时间划分，刻度和标定。2、指令周期：在计算机中从指令的读取到指令的、指令周期：在计算机中从指令的读取到指令的执行完成，执行一条指令所需要的时间，称为指执行完成，执行一条指令所需要的时间，称为指令周期。令周期。指令周期通常由若干个指令周期通常由若干个CPU周期来表示，周期来表示，CPU周周期也称为机器周期。由于期也称为机器周期。由于CPU内部的
35、操作速度较内部的操作速度较快，而快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，通常访问一次内存所花的时间较长，通常用存储周期为基础来规定用存储周期为基础来规定CPU周期。周期。4/9/202331计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.2时序产生器时序产生器(2/4)二、二、3级时序信号级时序信号1、周期、周期（1）在一个控制阶段内均持续起作用的信号；）在一个控制阶段内均持续起作用的信号；（2）通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制；）通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制；（3）指令周期可分为取指周期、分析周期、执行周期。）指令周期可分为取指周期、分析周期、
36、执行周期。2、节拍、节拍（1）把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每一个时间段对应）把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称节拍电位；一个电位信号，称节拍电位；（2）一般都以能保证）一般都以能保证ALU进行一次运算操作作为一拍电位的时间宽进行一次运算操作作为一拍电位的时间宽度。度。3、时标工作脉冲、时标工作脉冲（1）及时改变标志状态；及时改变标志状态；（2）时标脉冲的宽度一般为节拍电位宽度的时标脉冲的宽度一般为节拍电位宽度的1/N，只要能保证所有只要能保证所有的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可。的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可。4/9/202332计算机组成原
37、理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.2时序产生器时序产生器(3/4)三、三、3级时序信号的关系级时序信号的关系1、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级级控制时序信号定时完成。控制时序信号定时完成。2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既不容许有重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该不容许有重叠交叉，又不容许有空白间
38、隙，应该是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升起而准确切换的同步信号。起而准确切换的同步信号。4/9/202333计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.2时序产生器时序产生器(4/4)图6-7 三级时序系统时标脉冲节拍周期4/9/202334计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.3CPU的控制方式的控制方式(1/4)l控制器的控制方式：形成控制不同微操作序列的时序控制器的控制方式：形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法。控制信号的方法。l控制方式的分类：控制方式的分类：同步控制方式同步
39、控制方式异步控制方式异步控制方式同异步联合控制方式同异步联合控制方式4/9/202335计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.3CPU的控制方式的控制方式(2/4)一、同步控制方式一、同步控制方式1、含义：又称为固定时序控制方式或无应答控制方式。、含义：又称为固定时序控制方式或无应答控制方式。任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先安排好的时序信号的控制。安排好的时序信号的控制。2、每个周期状态中产生统一数目的节拍电位及时标工、每个周期状态中产生统一数目的节拍电位及时标工作脉冲。作脉冲。3、以最复杂指令的实现需要
40、为基准。、以最复杂指令的实现需要为基准。4、优点：设计简单，操作控制容易实现。、优点：设计简单，操作控制容易实现。缺点：效率低。缺点：效率低。4/9/202336计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.3CPU的控制方式的控制方式(3/4)二、异步控制方式二、异步控制方式1、含义：可变时序控制方式或应答控制方式。执行一条指含义：可变时序控制方式或应答控制方式。执行一条指令需要多少节拍，不作统一的规定，而是根据每条指令的具令需要多少节拍，不作统一的规定，而是根据每条指令的具体情况而定，需要多少，控制器就产生多少时标信号。体情况而定，需要多少，控制器就产生多少时标信号。
41、2、特点：每一条指令执行完毕后都必须向控制时序部件发、特点：每一条指令执行完毕后都必须向控制时序部件发回一个回答信号，控制器收到回答信号后，才开始下一条指回一个回答信号，控制器收到回答信号后，才开始下一条指令的执行。令的执行。3、优点：指令的运行效率高；、优点：指令的运行效率高；缺点：控制线路比较复杂。缺点：控制线路比较复杂。4、异步工作方式一般采用两条定时控制线来实现。我们把、异步工作方式一般采用两条定时控制线来实现。我们把这两条线称为这两条线称为“请求请求”线和线和“回答回答”线。当系统中两个部件线。当系统中两个部件A和和B进行数据交换时，若进行数据交换时，若A发出发出“请求请求”信号，则
42、必须有信号，则必须有B的的“回答回答”信号进行应答，这次操作才是有效的，否则无效。信号进行应答，这次操作才是有效的，否则无效。4/9/202337计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.2.3CPU的控制方式的控制方式(4/4)三、同步，异步联合控制方式三、同步，异步联合控制方式1、含义：同步控制和异步控制相结合的方式即联、含义：同步控制和异步控制相结合的方式即联合控制方式，区别对待不同指令。合控制方式，区别对待不同指令。2、一般的设计思想是，在功能部件内部采用同步、一般的设计思想是，在功能部件内部采用同步式，而在功能部件之间采用异步式，并且在硬件实式，而在功能部件之间
43、采用异步式，并且在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制。现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制。4/9/202338计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.3微程序设计技术与微程序控制器微程序设计技术与微程序控制器l6.3.1微程序设计技术微程序设计技术l6.3.2微程序控制器微程序控制器4/9/202339计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器一、微程序设计一、微程序设计微程序控制技术在现今计算机设计中得到广泛的采用，其实质是微程序控制技术在现今计算机设计中得到广泛的采用，其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。用程序设计的思想方
44、法来组织操作控制逻辑。l微程序控制技术被广泛应用的原因微程序控制技术被广泛应用的原因（1）物质基础：物质基础：ROM（2）灵活性灵活性（3）提高了可靠性，可利用性及可维护性）提高了可靠性，可利用性及可维护性(简称简称RAS技术技术)，大大优化了硬件控制技术。大大优化了硬件控制技术。（4）有利于机器设计时的仿真。也就是说，在）有利于机器设计时的仿真。也就是说，在M1机器上使用机器上使用M2机器语言编写程序并运行，从用户角度来看，机器语言编写程序并运行，从用户角度来看，M1和和M2无区别，无区别，要能做到这一点，只有机器具有控存要能做到这一点，只有机器具有控存CM的微程序设计结构才行。的微程序设计
45、结构才行。（5）其他）其他6.3.1微程序设计技术微程序设计技术(1/13)4/9/202340计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.3.1微程序设计技术微程序设计技术(2/13)l微程序控制方法与组合逻辑控制方法的差别微程序控制方法与组合逻辑控制方法的差别（1）从实现方式上从实现方式上微程序控制：规整，增、删、改较容易微程序控制：规整，增、删、改较容易组合逻辑控制：零乱且复杂，当修改指令或增加指令时非常麻烦，组合逻辑控制：零乱且复杂，当修改指令或增加指令时非常麻烦，有时甚至没有可能。有时甚至没有可能。（2）从性能上来比较从性能上来比较在同样的半导体工艺条件下，微程序
46、控制的速度比组合逻辑控制在同样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比组合逻辑控制方式的速度低，这是因为执行每条微指令都要从控存中读取一次，影方式的速度低，这是因为执行每条微指令都要从控存中读取一次，影响了速度，而组合逻辑控制方式取决于电路延迟，因而在超高速计算响了速度，而组合逻辑控制方式取决于电路延迟，因而在超高速计算机中，对影响速度的关键部分例如机中，对影响速度的关键部分例如CPU，往往采用组合逻辑控制方法。往往采用组合逻辑控制方法。近年来在一些新型计算机结构中如近年来在一些新型计算机结构中如RISC结构，一般选用组合逻辑方结构，一般选用组合逻辑方法。法。（3）诊断能力）诊断能力微程序设计方
47、法：诊断能力强微程序设计方法：诊断能力强组合逻辑控制：诊断能力弱组合逻辑控制：诊断能力弱4/9/202341计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.3.1微程序设计技术微程序设计技术(3/13)二、基本概念二、基本概念1.控制字控制字(CW)表征微操作控制要求的二进制字，称为控制字。表征微操作控制要求的二进制字，称为控制字。2.微命令微命令微命令：微程序控制中，微操作控制信号微命令：微程序控制中，微操作控制信号微操作：微命令在时序的配合作用下的操作过程。微操作：微命令在时序的配合作用下的操作过程。3.微地址和微指令微地址和微指令微地址：存放控制字的单元地址。微地址：存放
48、控制字的单元地址。微指令：具有微地址的控制字。微指令：具有微地址的控制字。4.微程序微程序一系列微指令的有序集合构成微程序。一系列微指令的有序集合构成微程序。5.微周期微周期从控制存储器中读出一条微指令并执行相应操作所需要的时间。从控制存储器中读出一条微指令并执行相应操作所需要的时间。4/9/202342计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.3.1微程序设计技术微程序设计技术(4/13)三、微指令编译法三、微指令编译法l编译法的选择原则编译法的选择原则(1)减少微指令的长度；减少微指令的长度；(2)提高微操作的并行性；提高微操作的并行性；(3)提高机器的控制性能并降低
49、价格；提高机器的控制性能并降低价格；(4)有利于微程序设计的灵活性。有利于微程序设计的灵活性。l编译法编译法1、直接控制法（不译法）、直接控制法（不译法）(1)含义：每一个独立的二进制位代表一个微命令。按不译法编码的含义：每一个独立的二进制位代表一个微命令。按不译法编码的微指令，又称水平微指令。微指令，又称水平微指令。(2)本质特征：面向数据通路的控制门本质特征：面向数据通路的控制门(或控制点或控制点)。(3)优点：优点：A：并行执行，执行速度也比较快；并行执行，执行速度也比较快；B：微程序所需用的微微程序所需用的微指令条数少。指令条数少。(4)缺点：缺点：A：编制程序难度较大；编制程序难度较
50、大；B：微指令不能充分利用。微指令不能充分利用。4/9/202343计算机组成原理计算机组成原理第六章中央处理器第六章中央处理器6.3.1微程序设计技术微程序设计技术(5/13)l编译法编译法2、最短编译法、最短编译法（1）含义：每一条微指令只定义一个微命令。按最短编译含义：每一条微指令只定义一个微命令。按最短编译法编码的微指令又称垂直型微指令。法编码的微指令又称垂直型微指令。（2）本质特征：面向算法来编码的。类似于传统的程本质特征：面向算法来编码的。类似于传统的程序设序设计方法。计方法。（3）优点：编程简单；微指令字中各位都得到充分利用。优点：编程简单；微指令字中各位都得到充分利用。（4）缺