中央處理器課件

1、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第1頁，共28頁l中央處理器簡稱中央處理器簡稱CPU，是計算機(jī)系統(tǒng)的核心。是計算機(jī)系統(tǒng)的核心。l主要功能：控制各個部件協(xié)調(diào)工作，具體有：主要功能：控制各個部件協(xié)調(diào)工作，具體有：1. 指令控制：嚴(yán)格控制程序的執(zhí)行順序，是指令控制：嚴(yán)格控制程序的執(zhí)行順序，是CPU首要的任務(wù)首要的任務(wù)2. 操作控制：操作控制：CPU產(chǎn)生操作信號傳送給被控部件，并能檢測產(chǎn)生操作信號傳送給被控部件，并能檢測 各個部件發(fā)送的信號。各個部件發(fā)送的信號。3. 時序控制：對操作信號施加時間上的控制。時序控制：對操作信號施加時間上的控制。 只有嚴(yán)格的時序控制，才能保證各功能部件組只有嚴(yán)格的時序控制，才能保證各功能部件

2、組 合構(gòu)成有機(jī)的計算機(jī)系統(tǒng)。合構(gòu)成有機(jī)的計算機(jī)系統(tǒng)。4. 數(shù)據(jù)加工：數(shù)據(jù)加工處理是完成程序功能的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)加工：數(shù)據(jù)加工處理是完成程序功能的基礎(chǔ)，是CPU 的根本任務(wù)。的根本任務(wù)。l組成：由運(yùn)算器和控制器組成。組成：由運(yùn)算器和控制器組成。 控制器由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生控制器由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器組成。器和操作控制器組成。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第2頁，共28頁控制器的主要任務(wù)有：控制器的主要任務(wù)有：l取指取指 從主存中取出指令送到指令寄存器，指令的操作碼送給指令譯碼器，并從主存中取出指令送到指令寄存器，指令的操作碼送給指令譯碼器，并同時修改程

3、序計數(shù)器，以便于指出下一條指令在主存中的存放地址。同時修改程序計數(shù)器，以便于指出下一條指令在主存中的存放地址。l譯碼譯碼 對譯碼器中的指令操作碼進(jìn)行識別和解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制對譯碼器中的指令操作碼進(jìn)行識別和解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號。從而啟動相應(yīng)的部件，完成此指令規(guī)定的操作。信號。從而啟動相應(yīng)的部件，完成此指令規(guī)定的操作。l數(shù)據(jù)流控制數(shù)據(jù)流控制指揮和控制指揮和控制CPU、主存及輸入輸出部件之間的數(shù)據(jù)流動方向主存及輸入輸出部件之間的數(shù)據(jù)流動方向l 運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件ALU、累加器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、累加器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、寄存器組和狀態(tài)寄存器組成，是數(shù)據(jù)加工處理部件。寄

4、存器組和狀態(tài)寄存器組成，是數(shù)據(jù)加工處理部件。1.CPU主要組成部件邏輯結(jié)構(gòu)圖見書主要組成部件邏輯結(jié)構(gòu)圖見書157：圖圖61現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第3頁，共28頁l1、寄存器：、寄存器：l是是CPU中的重要組成部分，是中的重要組成部分，是CPU內(nèi)部的臨內(nèi)部的臨時存儲單元。時存儲單元。l寄存器增加可以提高寄存器增加可以提高CPU運(yùn)行速度。運(yùn)行速度。l2、存放內(nèi)容：、存放內(nèi)容：l數(shù)據(jù)、地址、控制信息、數(shù)據(jù)、地址、控制信息、CPU的工作狀態(tài)信的工作狀態(tài)信息息l3、分類：、分類：l可分為通用寄存器和專用寄存器兩大類?？煞譃橥ㄓ眉拇嫫骱蛯Ｓ眉拇嫫鲀纱箢悺，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第4頁，共28頁l數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR

5、用來存放用來存放CPU從主存讀來的一個指令字或一個數(shù)據(jù)字從主存讀來的一個指令字或一個數(shù)據(jù)字作用是：作用是：（1）作為）作為CPU與主存、外圍設(shè)備之間的信息中轉(zhuǎn)站與主存、外圍設(shè)備之間的信息中轉(zhuǎn)站（2）對數(shù)據(jù)起到緩沖作用，補(bǔ)償）對數(shù)據(jù)起到緩沖作用，補(bǔ)償CPU與主存、外圍設(shè)備之間的與主存、外圍設(shè)備之間的操作時間差異。操作時間差異。（3）緩沖寄存器為算術(shù)邏輯部件提供另一個操作數(shù)。）緩沖寄存器為算術(shù)邏輯部件提供另一個操作數(shù)。l指令寄存器指令寄存器IR當(dāng)當(dāng)CPU從主存中取指令時，取得的指令經(jīng)緩沖寄存器轉(zhuǎn)送到指令寄存從主存中取指令時，取得的指令經(jīng)緩沖寄存器轉(zhuǎn)送到指令寄存器。還有對指令中的操作碼進(jìn)行譯碼的任務(wù)

6、。器。還有對指令中的操作碼進(jìn)行譯碼的任務(wù)。l程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC用來確定下一條指令在主存中的地址。用來確定下一條指令在主存中的地址。修改修改PC值可以：順序執(zhí)行指令或者分支轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行。值可以：順序執(zhí)行指令或者分支轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行。l地址寄存器地址寄存器AR用來保存當(dāng)前用來保存當(dāng)前CPU所要訪問的主存單元或所要訪問的主存單元或I/O端口地址。端口地址?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第5頁，共28頁5. 累加寄存器累加寄存器AC簡稱累加器。信息來源于緩沖寄存器或算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)出口是簡稱累加器。信息來源于緩沖寄存器或算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)出口是ALU。6. 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器PSW用來保存執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)

7、算指令及各類測試指令時自動產(chǎn)生的用來保存執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令及各類測試指令時自動產(chǎn)生的狀態(tài)結(jié)果，為后續(xù)指令的執(zhí)行提供判斷條件。狀態(tài)結(jié)果，為后續(xù)指令的執(zhí)行提供判斷條件。6.1.4 操作控制器和時序產(chǎn)生器操作控制器和時序產(chǎn)生器數(shù)據(jù)通路：即許多寄存器之間傳送信息的通路。數(shù)據(jù)通路：即許多寄存器之間傳送信息的通路。在各類寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路的任務(wù)由操作控制器來完成在各類寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路的任務(wù)由操作控制器來完成 操作控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各操作控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各種操作控制信號，用來正確的建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行種操作控制信號，用

8、來正確的建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行指令的控制。指令的控制。 根據(jù)不同的設(shè)計，操作控制器分為：時序邏輯型、存儲邏輯根據(jù)不同的設(shè)計，操作控制器分為：時序邏輯型、存儲邏輯型、時序邏輯型與存儲邏輯型結(jié)合型型、時序邏輯型與存儲邏輯型結(jié)合型現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第6頁，共28頁l指令周期的基本概念指令周期的基本概念l非訪內(nèi)指令的指令周期非訪內(nèi)指令的指令周期l直接訪內(nèi)指令的指令周期直接訪內(nèi)指令的指令周期l間接訪內(nèi)指令的指令周期間接訪內(nèi)指令的指令周期l程序控制指令的指令周期程序控制指令的指令周期l用方框圖語言表示指令周期用方框圖語言表示指令周期現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第7頁，共28頁6.2.1 指令周期指令周期 CPU可以輕松

9、的區(qū)別出指令和數(shù)據(jù)是因為它能按程序中的指令序列可以輕松的區(qū)別出指令和數(shù)據(jù)是因為它能按程序中的指令序列取指，并對指令進(jìn)行譯碼、執(zhí)行。取指，并對指令進(jìn)行譯碼、執(zhí)行。 具體過程：先按程序計數(shù)器的值從主存中取得一條指令，然后譯碼、具體過程：先按程序計數(shù)器的值從主存中取得一條指令，然后譯碼、執(zhí)行，接著又取下一條指令，譯碼、執(zhí)行。直至遇到停機(jī)指令。執(zhí)行，接著又取下一條指令，譯碼、執(zhí)行。直至遇到停機(jī)指令。見見圖圖P160 6-2 指令周期指令周期：從主存中取出一條指令到執(zhí)行完這條指令的時間。：從主存中取出一條指令到執(zhí)行完這條指令的時間。機(jī)器周期機(jī)器周期：即：即CPU周期。周期。時鐘周期時鐘周期：處理操作的最

10、基本的單位又叫節(jié)拍脈沖或：處理操作的最基本的單位又叫節(jié)拍脈沖或T周期。周期。 指令周期常用機(jī)器周期來表示，一個機(jī)器周期又包含若干個時指令周期常用機(jī)器周期來表示，一個機(jī)器周期又包含若干個時鐘周期鐘周期。 如果指令執(zhí)行時間的節(jié)拍數(shù)與取指的節(jié)拍數(shù)相同，叫定長如果指令執(zhí)行時間的節(jié)拍數(shù)與取指的節(jié)拍數(shù)相同，叫定長CPU周周期。期。見見圖圖P160 6-3 為了提高指令的執(zhí)行速度，有的計算機(jī)采用不定長的為了提高指令的執(zhí)行速度，有的計算機(jī)采用不定長的CPU周周期，可以縮短指令的執(zhí)行時間。期，可以縮短指令的執(zhí)行時間。見見圖圖P161 6-4現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第8頁，共28頁一條這樣的指令的指令周期需要一條這樣的指令的

11、指令周期需要2個個CPU周期。周期。第第1個個CPU周期用來進(jìn)行取指和譯碼操作。周期用來進(jìn)行取指和譯碼操作。第第2個個CPU周期用于指令的執(zhí)行操作。周期用于指令的執(zhí)行操作。在整個取指，譯碼階段，在整個取指，譯碼階段，CPU完成下面的操作：完成下面的操作：圖圖6-5 （1）從主存中取出指令）從主存中取出指令（2）程序計數(shù)器）程序計數(shù)器PC的值加的值加1送送PC，確定下一條指令的地址確定下一條指令的地址（3）對取得的指令的操作碼進(jìn)行譯碼，確定該指令的操作。）對取得的指令的操作碼進(jìn)行譯碼，確定該指令的操作。l取指譯碼階段取指譯碼階段P162圖圖6-6l指令執(zhí)行階段指令執(zhí)行階段P162圖圖6-7l送操

12、作數(shù)地址送操作數(shù)地址1.取操作數(shù)和指令執(zhí)行取操作數(shù)和指令執(zhí)行P164圖圖6-8現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第9頁，共28頁6.2.4 間接訪內(nèi)指令的指令周期間接訪內(nèi)指令的指令周期l送地址指針?biāo)偷刂分羔榣取操作數(shù)地址取操作數(shù)地址l存儲結(jié)果存儲結(jié)果P166圖圖6-11l6.2.5 程序控制指令的指令周期程序控制指令的指令周期P168圖圖6-13l6.2.6 指令周期流程圖指令周期流程圖P169圖圖6-14l6.3 時序產(chǎn)生器和控制方式時序產(chǎn)生器和控制方式6.3.1 時序信號的作用和體制時序信號的作用和體制CPU 區(qū)別指令和數(shù)據(jù)是依靠：區(qū)別指令和數(shù)據(jù)是依靠：1. 1.從時間上：從時間上：取指令發(fā)生在指令周期的第取指

13、令發(fā)生在指令周期的第1 1個個CPUCPU周期中周期中。 取數(shù)據(jù)發(fā)生在指令周期的后幾個取數(shù)據(jù)發(fā)生在指令周期的后幾個CPUCPU周期中周期中。2.2.從空間上：從空間上：若取出的代碼是指令，則一定送到指令寄存器若取出的代碼是指令，則一定送到指令寄存器 若取出的代碼是數(shù)據(jù)，一定送到運(yùn)算器若取出的代碼是數(shù)據(jù)，一定送到運(yùn)算器。計算機(jī)的協(xié)調(diào)動作需要時間標(biāo)志，時間標(biāo)志是用時序信號體現(xiàn)的計算機(jī)的協(xié)調(diào)動作需要時間標(biāo)志，時間標(biāo)志是用時序信號體現(xiàn)的現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第10頁，共28頁 組成計算機(jī)硬件的器件特性決定了時序信號最基本的體制是組成計算機(jī)硬件的器件特性決定了時序信號最基本的體制是電位電位- -脈沖制脈沖制。 硬

14、布線控制器中，時序信號采用主狀態(tài)周期硬布線控制器中，時序信號采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖三級體制。三級體制。 一個節(jié)拍電位表示一個一個節(jié)拍電位表示一個CPUCPU周期的時間周期的時間，表示了一個較大的時間，表示了一個較大的時間單位。單位。 在在一個節(jié)拍電位中又包含若干個節(jié)拍脈沖一個節(jié)拍電位中又包含若干個節(jié)拍脈沖，表示較小的時間單，表示較小的時間單位；位；主狀態(tài)周期可包含若干個節(jié)拍電位主狀態(tài)周期可包含若干個節(jié)拍電位，它是最大的時間單位。主，它是最大的時間單位。主狀態(tài)周期可以用一個觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時間表示。狀態(tài)周期可以用一個觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時間表示。 在微程序控制器中，采用節(jié)

15、拍電位在微程序控制器中，采用節(jié)拍電位- -節(jié)拍脈沖二級體制節(jié)拍脈沖二級體制。只有。只有一個節(jié)拍電位，在節(jié)拍電位中又包含若干個節(jié)拍脈沖（時鐘周一個節(jié)拍電位，在節(jié)拍電位中又包含若干個節(jié)拍脈沖（時鐘周期）。期）。節(jié)拍電位表示一個節(jié)拍電位表示一個CPUCPU周期周期的時間，而的時間，而節(jié)拍脈沖把一個節(jié)拍脈沖把一個CPUCPU周周期劃分成幾個較小的時間間隔期劃分成幾個較小的時間間隔。6.3.2 時序信號產(chǎn)生器時序信號產(chǎn)生器1. 1. 時鐘源時鐘源現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第11頁，共28頁 用來為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時鐘脈沖信號。用來為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時鐘脈沖信號。由石

16、英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成。由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成。輸出送到環(huán)形脈沖發(fā)生器。輸出送到環(huán)形脈沖發(fā)生器。2. 2. 環(huán)形脈沖發(fā)生器環(huán)形脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，通過譯碼電路來產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，通過譯碼電路來產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖。產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖。3. 3. 啟停控制邏輯啟?？刂七壿?核心是一個運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器核心是一個運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器Cr6.3.3 控制方式控制方式控制器的控制方法：控制不同操作序列時序信號的方法?？刂破鞯目刂品椒ǎ嚎刂撇煌僮餍蛄袝r序信號的方法。常用的有：同步控制、異步控制、聯(lián)合控制。

17、常用的有：同步控制、異步控制、聯(lián)合控制。實質(zhì)反映了時序信號的定時方式。實質(zhì)反映了時序信號的定時方式。1. 1. 同步控制方式同步控制方式已定的指令在執(zhí)行時所需的機(jī)器周期數(shù)和時鐘周期數(shù)是固定不變的。已定的指令在執(zhí)行時所需的機(jī)器周期數(shù)和時鐘周期數(shù)是固定不變的?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第12頁，共28頁可選取的方案：可選取的方案：（1）采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。 對簡單指令和簡單操作來說，造成時間浪費(fèi)對簡單指令和簡單操作來說，造成時間浪費(fèi)。（2）采用不定長機(jī)器周期。將大多數(shù)操作安排在一個較短采用不定長機(jī)器周期。將大多數(shù)操作安排在一個較短 的機(jī)器周期內(nèi)完成

18、的機(jī)器周期內(nèi)完成。（3）中央控制與局部控制結(jié)合中央控制與局部控制結(jié)合。 中央控制：中央控制：將大部分指令安排在固定的機(jī)器周期完成將大部分指令安排在固定的機(jī)器周期完成。 局部控制：局部控制：對少數(shù)復(fù)雜指令采用另外的時序進(jìn)行定時對少數(shù)復(fù)雜指令采用另外的時序進(jìn)行定時。2. 2. 異步控制方式異步控制方式特點(diǎn)：特點(diǎn)：每個指令、操做控制信號需要多少時間就占用多少時間每個指令、操做控制信號需要多少時間就占用多少時間用這種方式形成的操作控制序列沒有固定的用這種方式形成的操作控制序列沒有固定的CPU周期數(shù)或嚴(yán)格的時鐘周周期數(shù)或嚴(yán)格的時鐘周期和它同步。期和它同步。3. 3. 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式是同步和異步

19、控制結(jié)合的方式是同步和異步控制結(jié)合的方式。一個是，大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中一個是，大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中一個是，機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定，但各條指令周期的機(jī)器周期數(shù)不固定。一個是，機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定，但各條指令周期的機(jī)器周期數(shù)不固定。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第13頁，共28頁微程序的控制原則：微程序的控制原則：以保存在只讀存儲器內(nèi)的專用程以保存在只讀存儲器內(nèi)的專用程 序代替邏輯控制電路。序代替邏輯控制電路。這種只讀存儲器稱為這種只讀存儲器稱為控制存儲器控制存儲器。以微程序形式保存控制信號叫以微程序形式保存控制信號叫微程序控制器微程序控制器。微程序控制器和硬布線控制器相比較，

20、具有歸整性、靈微程序控制器和硬布線控制器相比較，具有歸整性、靈活性、可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)?；钚?、可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。 微程序的基本思想：微程序的基本思想：仿照通常的方法，把操作控制信號仿照通常的方法，把操作控制信號編成所謂的編成所謂的“微指令微指令”，存放到一個只讀存儲器中。當(dāng)機(jī)，存放到一個只讀存儲器中。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時，一條又一條的讀出這些微指令，產(chǎn)生全機(jī)所器運(yùn)行時，一條又一條的讀出這些微指令，產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。作?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第14頁，共28頁6.4.1 微命令和微操作微命令和微操作控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)

21、出各種控制命令，這種控控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，這種控制命令制命令叫微命令叫微命令。而執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作而執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作叫微操作叫微操作。微操作在執(zhí)行部件中是最基本操作。微操作在執(zhí)行部件中是最基本操作。相容性微操作：相容性微操作：在同時或在同一個在同時或在同一個CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行得微周期內(nèi)可以并行執(zhí)行得微操作操作。相斥性微操作：相斥性微操作：指不能在同時或不能在同一個指不能在同時或不能在同一個CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作的微操作。6.4.2 微指令和微程序微指令和微程序在機(jī)器的一個在機(jī)器的一個CPU周期中，一組實現(xiàn)一定操作

22、功能的微命令的組合構(gòu)周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合構(gòu)成一條成一條微指令微指令。微指令由操作控制和順序控制組成。微指令由操作控制和順序控制組成。操作控制操作控制用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號。 微指令格式中的微指令格式中的順序控制順序控制部分用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。部分用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第15頁，共28頁 一條機(jī)器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的，這個微一條機(jī)器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的，這個微指令序列通常叫做指令序列通常叫做微程序微程序。6.4.3 6.4.3 微程序控制器原理

23、框圖微程序控制器原理框圖 主要由控制存儲器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成，主要由控制存儲器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成，其中微指令寄存器分為微地址寄存器和微命令寄存器兩部分。其中微指令寄存器分為微地址寄存器和微命令寄存器兩部分。控制存儲器：控制存儲器：用來存放實現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，它是一種只讀型存用來存放實現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，它是一種只讀型存儲器。一旦微程序固化，機(jī)器運(yùn)行時則只讀不寫儲器。一旦微程序固化，機(jī)器運(yùn)行時則只讀不寫。 讀出一條微指令并執(zhí)行微指令的時間總和讀出一條微指令并執(zhí)行微指令的時間總和稱為一個稱為一個微指令周期微指令周期?？刂拼鎯ζ鞯淖珠L就是微指令字

24、的長度，其存儲容量視機(jī)器指令系控制存儲器的字長就是微指令字的長度，其存儲容量視機(jī)器指令系統(tǒng)而定，即取決于微程序的數(shù)量。對控制存儲器的要求是速度快，統(tǒng)而定，即取決于微程序的數(shù)量。對控制存儲器的要求是速度快，讀出周期要短。讀出周期要短。微指令寄存器：微指令寄存器：用來存放由控制存儲器讀出的一條微指令信息用來存放由控制存儲器讀出的一條微指令信息。微地址微地址寄存器寄存器決定將要訪問的下一條微指令的地址，而微命令寄存器則決定將要訪問的下一條微指令的地址，而微命令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段的信息保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段的信息。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第16頁，共28頁 地

25、址轉(zhuǎn)移邏輯地址轉(zhuǎn)移邏輯：微指令由控制存儲器讀出后直接給出下一條微指令的微指令由控制存儲器讀出后直接給出下一條微指令的地址，簡稱微地址，這個微地址信息就存放在微地址寄存器中地址，簡稱微地址，這個微地址信息就存放在微地址寄存器中。 6. 4. 4 微程序舉例微程序舉例 一條機(jī)器指令是由若干條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。因此，一一條機(jī)器指令是由若干條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。因此，一條機(jī)器指令對應(yīng)著一個微程序，而條機(jī)器指令對應(yīng)著一個微程序，而微程序的總和便可實現(xiàn)整個的微程序的總和便可實現(xiàn)整個的指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)。6. 4. 5 6. 4. 5 CPUCPU周期與微指令周期的關(guān)系周期與微指令周期的關(guān)系 在

26、串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于讀出微指令的時間加在串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于讀出微指令的時間加上執(zhí)行該條微指令的時間。為了保證整個機(jī)器控制信號的同步，可以將一上執(zhí)行該條微指令的時間。為了保證整個機(jī)器控制信號的同步，可以將一個微指令周期時間設(shè)計得恰好和個微指令周期時間設(shè)計得恰好和CPUCPU周期時間相等。周期時間相等。 6.4.6 6.4.6 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系機(jī)器指令與微指令的關(guān)系 第一：第一：一條機(jī)器指令所完成的操作劃分成若干條微指令來完一條機(jī)器指令所完成的操作劃分成若干條微指令來完 成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第17頁，

27、共28頁 第二：第二：指令與微指令與內(nèi)存儲器有關(guān)；程序與微程序與控制指令與微指令與內(nèi)存儲器有關(guān)；程序與微程序與控制 存儲器有關(guān)，也有相對應(yīng)的硬設(shè)備存儲器有關(guān)，也有相對應(yīng)的硬設(shè)備第三：第三：每一個每一個CPUCPU周期就對應(yīng)一條微指令。周期就對應(yīng)一條微指令。 6. 5 6. 5 微程序設(shè)計技術(shù)微程序設(shè)計技術(shù)設(shè)計微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)是：設(shè)計微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)是： (1) (1) 有利于縮短微指令字長度；有利于縮短微指令字長度； (2) (2) 有利于減小控制存儲器的容量；有利于減小控制存儲器的容量； (3) (3) 有利于提高微程序的執(zhí)行速度；有利于提高微程序的執(zhí)行速度； (4) (4)

28、 有利于對微指令的修改；有利于對微指令的修改； (5) (5) 有利于提高微程序設(shè)計的靈活性。有利于提高微程序設(shè)計的靈活性。6. 5. 1 微命令編碼微命令編碼 微命令編碼，就是對微指令中的操作控制字段采用的表示方法。有微命令編碼，就是對微指令中的操作控制字段采用的表示方法。有以下三種方法以下三種方法 ： (1)(1)直接表示法直接表示法 ：特點(diǎn)是操作控制字段中的每一位代表一個微命：特點(diǎn)是操作控制字段中的每一位代表一個微命令。令。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀，其輸出直接用于控制。是簡單直觀，其輸出直接用于控制。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大。是微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大。

29、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第18頁，共28頁 （2）編碼表示法）編碼表示法 ：把一組相斥性的微命令信號組成一個小組（即一把一組相斥性的微命令信號組成一個小組（即一個字段），然后通過小組（字段）譯碼器對每一個微命令信號進(jìn)個字段），然后通過小組（字段）譯碼器對每一個微命令信號進(jìn)行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號 。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是是可以用較小的二進(jìn)制信息位表示較多的微命令信號?？梢杂幂^小的二進(jìn)制信息位表示較多的微命令信號。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是是由于增加譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速度稍稍減慢。由于增加譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速度稍稍減慢。（3 3）混合表示法）混合表示法 ：是把直接表示法與字段編碼法混

30、合使用，以便能綜合：是把直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考慮微指令字長、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求?？紤]微指令字長、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。 6. 5. 2 微地址的形成方法微地址的形成方法 微指令執(zhí)行的順序控制問題，實際上是如何確定下一條微指令的微指令執(zhí)行的順序控制問題，實際上是如何確定下一條微指令的地址問題。地址問題。產(chǎn)生后繼微地址有兩種方法：產(chǎn)生后繼微地址有兩種方法：1計數(shù)器方式計數(shù)器方式 同用程序計數(shù)器來產(chǎn)生機(jī)器指令地址的方法相類似。同用程序計數(shù)器來產(chǎn)生機(jī)器指令地址的方法相類似。 特點(diǎn)特點(diǎn)是：微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)簡單。是：微指令的順序控

31、制字段較短，微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是：是：多路并行轉(zhuǎn)移功能較弱，速度較慢，靈活性較差。多路并行轉(zhuǎn)移功能較弱，速度較慢，靈活性較差?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第19頁，共28頁2多路轉(zhuǎn)移方式多路轉(zhuǎn)移方式 一條微指令具有多個轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。一條微指令具有多個轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。 特點(diǎn)特點(diǎn)是：能以較短的順序控制字段配合，實現(xiàn)多路并是：能以較短的順序控制字段配合，實現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快。行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是：是：轉(zhuǎn)移地址邏輯需要用組合邏輯方法設(shè)計。轉(zhuǎn)移地址邏輯需要用組合邏輯方法設(shè)計。 6. 5. 3 微指令格式微指令格式 微指令的編譯方法是決定微指令格式的主

32、要因素。微指令的編譯方法是決定微指令格式的主要因素。微指令的格式大體分成兩類：水平型微指令和垂直型微指微指令的格式大體分成兩類：水平型微指令和垂直型微指令。令。1 1水平型微指令水平型微指令 一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令。一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令。2 2垂直型微指令垂直型微指令 微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能。作碼規(guī)定微指令的功能。3 3水平型微指令與垂直型微指令的比較水平型微指令與垂直型微指令的比較 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第20頁，共28頁 6. 5. 4 6. 5. 4 動態(tài)

33、微程序設(shè)計動態(tài)微程序設(shè)計 6. 6 6. 6 硬布線控制器硬布線控制器6. 6. 1 6. 6. 1 基本思想基本思想 是把控制部件看做為產(chǎn)生專門固定時序控制信號的邏輯電是把控制部件看做為產(chǎn)生專門固定時序控制信號的邏輯電路，而此邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設(shè)計路，而此邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設(shè)計目標(biāo)。一旦控制部件構(gòu)成后，除非重新設(shè)計和物理上對它重新目標(biāo)。一旦控制部件構(gòu)成后，除非重新設(shè)計和物理上對它重新布線，否則要想增加新的控制功能是不可能的。是一種由門電布線，否則要想增加新的控制功能是不可能的。是一種由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)。路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)

34、絡(luò)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第21頁，共28頁6. 6. 2 指令執(zhí)行流程指令執(zhí)行流程 6. 6. 3 微操作控制信號的產(chǎn)生微操作控制信號的產(chǎn)生 在微程序控制器中，微操作控制信號由微指令產(chǎn)生，并且可以重復(fù)使在微程序控制器中，微操作控制信號由微指令產(chǎn)生，并且可以重復(fù)使用。用。6. 7 6. 7 流水流水CPUCPU 6. 7. 1 6. 7. 1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù) 并行性有著兩種含義：并行性有著兩種含義：一是同時性一是同時性，指兩個以上事件在同一時刻發(fā)生；，指兩個以上事件在同一時刻發(fā)生；二是并發(fā)性二是并發(fā)性，指兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。，指兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 計算機(jī)的并行處理

35、技術(shù)可貫穿于信息加工的各個階段，概括起來計算機(jī)的并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個階段，概括起來主要有主要有三種形式三種形式：（1 1）時間并行；（）時間并行；（2 2）空間并行）空間并行；（；（3 3）時間并行）時間并行+ +空間并行?？臻g并行。 時間并行時間并行：指時間重疊，時間并行性概念的實現(xiàn)方式就是采用流：指時間重疊，時間并行性概念的實現(xiàn)方式就是采用流水處理部件。水處理部件?？臻g并行空間并行：指資源重復(fù)，主要體現(xiàn)在多處理器系統(tǒng)和多計算機(jī)系統(tǒng)。：指資源重復(fù)，主要體現(xiàn)在多處理器系統(tǒng)和多計算機(jī)系統(tǒng)。但是在單處理器系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。但是在單處理器系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第2

36、2頁，共28頁 時間并行時間并行+空間并行空間并行 ：指時間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用，既采用指時間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用，既采用時間并行又采用空間并行。時間并行又采用空間并行。6. 7. 2 6. 7. 2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 1 1水平型微指令流水計算機(jī)的系統(tǒng)組成水平型微指令流水計算機(jī)的系統(tǒng)組成 由三大部分組成：指令部件、指令隊列、執(zhí)行部件。這三個功由三大部分組成：指令部件、指令隊列、執(zhí)行部件。這三個功能部件可以組成一個能部件可以組成一個3 3級流水線。級流水線。2 2流水流水CPUCPU的時空圖的時空圖 3 3流水線分類流水線分類 （1 1）指令流水線）指令流水線 指令流水

37、線是指指令步驟的并行。指令流水線是指指令步驟的并行。（2 2）算術(shù)流水線）算術(shù)流水線 算術(shù)流水線是指運(yùn)算操作步驟的并行。算術(shù)流水線是指運(yùn)算操作步驟的并行。 （3 3）處理機(jī)流水線）處理機(jī)流水線 處理機(jī)流水線又稱為宏流水線，是指程序步處理機(jī)流水線又稱為宏流水線，是指程序步驟的并行。驟的并行。 6. 7. 3 6. 7. 3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題 由于由于流水過程中會出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突流水過程中會出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，實現(xiàn)流水線的不斷，實現(xiàn)流水線的不斷流是困難的。流是困難的。這三種相關(guān)是資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)這三種相關(guān)是資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第23頁，

38、共28頁1資源相關(guān)資源相關(guān) 是指多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時鐘周期內(nèi)爭用同一個功能部件是指多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時鐘周期內(nèi)爭用同一個功能部件所發(fā)生的沖突。所發(fā)生的沖突。 2數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān) 在一個程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行后一條指在一個程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的。令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的。 為了解決數(shù)據(jù)相關(guān)沖突，流水為了解決數(shù)據(jù)相關(guān)沖突，流水CPU的運(yùn)算器中特意設(shè)置若干運(yùn)算結(jié)果的運(yùn)算器中特意設(shè)置若干運(yùn)算結(jié)果緩沖寄存器，暫時保留運(yùn)算結(jié)果，以便于后繼指令直接使用，這稱為緩沖寄存器，暫時保留運(yùn)算結(jié)

39、果，以便于后繼指令直接使用，這稱為“向前向前”或定向傳送技術(shù)。或定向傳送技術(shù)。 3控制相關(guān)控制相關(guān) 由轉(zhuǎn)移指令引起的。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果，可由轉(zhuǎn)移指令引起的。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果，可能為順序取下條指令；也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，從而使流水能為順序取下條指令；也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，從而使流水線發(fā)生斷流。線發(fā)生斷流。 為了減小轉(zhuǎn)移指令對流水線性能的影響，為了減小轉(zhuǎn)移指令對流水線性能的影響，常用以下兩種轉(zhuǎn)移處理技術(shù)：常用以下兩種轉(zhuǎn)移處理技術(shù)： 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第24頁，共28頁 延遲轉(zhuǎn)移法延遲轉(zhuǎn)移法 由編譯程序重排指令序列來實現(xiàn)?；舅枷胧怯删幾g程序重排指令序列來實現(xiàn)?；舅枷胧恰跋葓?zhí)先執(zhí)行再轉(zhuǎn)移行再轉(zhuǎn)移” 轉(zhuǎn)移預(yù)測法轉(zhuǎn)移預(yù)測法 硬件方法來實現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為來預(yù)測將來的硬件方法來實現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為來預(yù)測將來的行為。行為。6. 7. 4 6. 7. 4 奔騰奔騰CPUCPU 1 1奔騰奔騰CPUCPU的結(jié)構(gòu)框圖（的結(jié)構(gòu)框圖（P187P187） 2 2 PentiumPentium的技術(shù)性能的技術(shù)性能( (1 1) )超標(biāo)量流水線（超標(biāo)量流