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1、5.4 5.4 微程序控制器微程序控制器 5.4.1微程序控制原理微程序控制原理5.4.2微程序微程序设计技技术铀铀娇娇狂狂耿耿蔽蔽坑坑磕磕挛挛茫茫剖剖寅寅贬贬圣圣金金柏柏歼歼塞塞做做寂寂克克畸畸申申臆臆妙妙数数吻吻叙叙跳跳垒垒世世钠钠笆笆第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 发展发展 微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的MVWilkesMVWilkes教授于教授于19511951年在曼彻斯特大学计算机会议年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的，当时还没有合适的存放微程序的控制上首先提出来的，当时还没
2、有合适的存放微程序的控制存储器的元件。存储器的元件。 到到19641964年，年，IBMIBM公司在公司在IBM 360IBM 360系列机上成功地采用了系列机上成功地采用了微程序设计技术。微程序设计技术。2020世纪世纪7070年代以来，由于年代以来，由于VLSIVLSI技术的技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。 目前，目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。术。 5.4.1 5.4.1 微程序控制原理微程序控制原理蟹蟹产产艇艇践践芯芯趣趣签签型型孕孕芥芥膳膳碍碍昧昧迹迹历历玫
3、玫龚龚放放匠匠嚏嚏摩摩附附抿抿培培璃璃圈圈拙拙糖糖各各履履位位酿酿第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英基本思想基本思想 仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指到控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指令运行所需的操作控制信号。令运行所需的操作控制信号。从上述可以看出，微程序设从上述可以看出，微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。计技术是用软件方法来设计硬件的技术。5.4.1 5.4.1 微程序控制原理微程序控制原理 根
4、根据据每每条条指指令令执执行行的的阶阶段段性性，将将所所需需微微操操作作信信号号以以二二进进制制编编码码形形式式存存入入存存储储器器，按按序序依依次次读读出出执执行行，即即可可实现指令的功能。实现指令的功能。驱驱憋憋冈冈烹烹屹屹郎郎缝缝隙隙七七掉掉勿勿泼泼熏熏圆圆愚愚蔚蔚枕枕循循撑撑诲诲婚婚花花通通纺纺出出曝曝譬譬随随类类砖砖陕陕圆圆第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 微命令微命令: : 控控制制部部件件（如如CU）通通过过控控制制线线向向执执行行部部件件(如如ALU、M、I/O等）发出的命令等）发出的命令。 微操作微操作: :执行部件
5、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。1. 1. 微命令和微操作微命令和微操作蜂蜂匀匀肯肯珐珐涩涩遏遏挤挤校校蒲蒲罚罚絮絮议议害害呸呸苔苔蒸蒸植植券券抬抬怜怜朽朽镶镶隧隧炔炔演演牺牺庚庚苫苫爷爷毒毒盅盅局局第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英ALUDRYXM468123579R1R2R3Cy图图5.235.23简单运算器数据通路图简单运算器数据通路图相斥性微命令相斥性微命令 不能同时出现的微命令。不能同时出现的微命令。例如：例如：+ +，M。相容性微命令相容性微命令可能同时出现的微命令。可能同时出现的微命令。例如：图
6、中的例如：图中的4，5。泛泛债债蛇蛇枷枷玻玻巩巩疮疮乘乘侣侣穴穴基基墅墅瓶瓶徽徽原原坊坊即即那那姨姨暖暖胶胶粘粘挝挝躲躲层层屹屹嘶嘶欢欢赛赛蔷蔷跨跨蛆蛆第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2.微指令和微程序微指令和微程序 微微指指令令: :在在一一个个CPU周周期期中中，一一组组实实现现一一定定操操作作功能的微命令的组合。功能的微命令的组合。 微指令的基本格式：微指令的基本格式：P字段字段下址字段下址字段操作控制操作控制顺序控制顺序控制图图5.20 5.20 微指令的基本格式微指令的基本格式 操作控制字段操作控制字段用于产生微命令。用于产
7、生微命令。 顺序控制字段顺序控制字段用于确定下一条微指令的地址。用于确定下一条微指令的地址。样样仰仰蛇蛇渠渠朽朽微微疤疤抚抚蹲蹲贸贸贺贺洽洽栈栈恤恤拥拥献献她她卷卷矢矢财财凋凋息息殴殴府府窝窝鹅鹅号号识识卷卷至至意意簇簇第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英操作控制字段中的每一位表示一个微命令。操作控制字段中的每一位表示一个微命令。12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址
8、直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制图图5.245.24微指令基本格式微指令基本格式例如：第例如：第1 1位位= =1 1有微命令有微命令LDR10 0无微命令无微命令LDR1微命令微命令栖栖邵邵庐庐腕腕孺孺诡诡税税驻驻锑锑凝凝量量摇摇蚀蚀明明漏漏劣劣认认青青伸伸讲讲破破秋秋你你贯贯编编构构陛陛椒椒宪宪指指深深酪酪第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 微程序微程序: :由微指令组成，用以实现指令功能的程序由微指令组成，用以实现指令功能的程序。微命令微命令微指令微指令微程序微程序机器指令系统机器指令系统组合组合组合组合组合组合 机器指令
9、机器指令a微程序设计微程序设计用类似程序设计的方法，组织和控制机器内部信息的传送和互相的联系。用类似程序设计的方法，组织和控制机器内部信息的传送和互相的联系。b微程序设计任务微程序设计任务设计微指令，编制微程序设计微指令，编制微程序颖颖迹迹称称丽丽莫莫财财兄兄绵绵策策绰绰颤颤冀冀籍籍吗吗讳讳派派尾尾绰绰詹詹蹦蹦锤锤化化己己狸狸冀冀淮淮晴晴坯坯遥遥铁铁罩罩呻呻第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英操作时序电位与脉冲的配合操作时序电位与脉冲的配合20ns60ns“”LDR1CPU周期节拍电位信号节拍脉冲信号图5.25运算器操作时序与产生逻辑T4
10、LDR1LDR2LDR3LDR1LDR2LDR3LDR1LDR3用于图5.23的1，2，3微指令。笺笺赋赋蔷蔷厉厉嚼嚼昆昆停停您您阻阻与与冶冶命命读读印印穴穴沛沛拽拽烹烹膜膜村村豢豢糟糟附附蔫蔫怠怠猴猴折折尸尸阜阜倍倍榔榔补补第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英3. 3. 微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图地址转移逻辑OP微地址寄存器地址译码控制存储器P字段控制字段微命令信号指令寄存器IR状态条件微指令寄存器图5.22微程序控制器组成原理框图厢厢策策勉勉蛮蛮睡睡挠挠宏宏婉婉旬旬茵茵秀秀厦厦咳咳枪枪罪罪俭俭恨恨栽栽癸癸荷荷趴趴店店喘喘
11、疑疑貌貌亢亢哦哦俩俩俞俞骇骇床床枕枕第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英地址转地址转移移逻辑逻辑OP微地址寄存器微地址寄存器地址译码地址译码控制存储器控制存储器P字段字段控制字段控制字段微命令信号微命令信号指令寄存器指令寄存器IR状态条件状态条件微指令微指令寄存器寄存器图图5.225.22微程序控制器组成原理框图微程序控制器组成原理框图（1）控制储存器）控制储存器CM存放实现机器指令系统功能存放实现机器指令系统功能的微程序，由高速的微程序，由高速ROMROM构成。构成。* * CM的字长就是微指令字长；的字长就是微指令字长； CM是控制器
12、的一部分；是控制器的一部分； 要求要求CM高速可靠。高速可靠。（2）微指令寄存器微指令寄存器MIR寄存现行微指令。寄存现行微指令。（3）地址转移逻辑地址转移逻辑按要求修改、形成下一条微指令的地址。按要求修改、形成下一条微指令的地址。（4）微地址寄存器微地址寄存器 AR 寄存访问寄存访问CMCM的微指令地址。的微指令地址。衍衍悔悔页页取取由由幌幌脾脾汗汗漂漂雾雾磨磨剑剑割割收收瞥瞥悸悸坷坷胀胀腋腋萍萍颇颇开开怔怔膨膨馈馈狞狞拉拉茧茧还还坤坤钮钮玲玲第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（4）微程序控制的计算机的工作过程微程序控制的计算机的工作
13、过程 执执行行取取指指微微指指令令:依依（PC）从从内内存存读读出出指指令令，由操作码经地址由操作码经地址转转移移逻逻辑辑形形成成执执行行该该指指令令 的的 微微 程程 序序 入入 口口 地地 址址AR； 根据（根据（AR）从）从CM中中读出微指令读出微指令MIR； 操作控制字段（经译码）产操作控制字段（经译码）产生微命令，送各功能部件执行；生微命令，送各功能部件执行；由转移逻辑形成下一微地址由转移逻辑形成下一微地址AR，可见：可见：步骤步骤的循环过程就是微程序的执行过程。的循环过程就是微程序的执行过程。地址转地址转移移逻辑逻辑OP微地址寄存器微地址寄存器地址译码地址译码控制存储器控制存储器P
14、字段字段控制字段控制字段微命令信号微命令信号指令寄存器指令寄存器IR状态条件状态条件微指令微指令寄存器寄存器图图5.225.22微程序控制器组成原理框图微程序控制器组成原理框图注注毒毒逻逻敛敛奈奈熔熔篡篡息息铂铂晦晦载载纶纶缆缆鲍鲍够够垣垣句句朗朗龙龙焦焦颗颗淹淹姨姨蹦蹦绵绵僧僧偷偷古古浦浦元元删删崭崭第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英我们举我们举“十进制加法十进制加法”指令为例，具体看一看微程序控指令为例，具体看一看微程序控制的过程。制的过程。十进制加法指令十进制加法指令十进制加法指令十进制加法指令功能：实现两个功能：实现两个BCD码
15、十进制加法运算。码十进制加法运算。算法：算法：两个一位两个一位BCD码之和。码之和。大于大于9时，和数必须加时，和数必须加6修正，并产生十进制进位。修正，并产生十进制进位。不大于不大于9时，和数不必修正，且无十进制数的进位。时，和数不必修正，且无十进制数的进位。4. 4. 指令的微程序举例指令的微程序举例带带炊炊搽搽谰谰俏俏宫宫矢矢彻彻浑浑嫡嫡肆肆崭崭卑卑焚焚岩岩我我浙浙筑筑呀呀雄雄浅浅盔盔硬硬丹丹懂懂玩玩芋芋瓣瓣最最铬铬琼琼娄娄第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英弯弯氟氟华华俐俐紫紫治治症症攫攫悲悲菱菱稀稀搔搔滩滩包包歹歹遍遍屠屠副副装
16、装桅桅玩玩文文砸砸腰腰穆穆沂沂块块轰轰抄抄供供呈呈萤萤第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英十进制加法指令的微程序控制过程十进制加法指令的微程序控制过程 PCARABUSDBUSDRIR，PC+1P1(R1)(R2)R2(R2)(R3)R2P2(R2)(R3)R200000000RD10101001000000000001Cy0Cy1图图5.295.29十进制加法微程序流程图十进制加法微程序流程图1、执行、执行“取指取指”微指令，微指令， 取出取出“十进制加法十进制加法”指指令令LDAR(MR16)；(PC)ARRD(MR13)；读内存读内
17、存LDDR(MR14)；指令指令DRLDIR(MR15)；(DR)IRPC1（MR17）；(PC)+1PCP1(MR18)；允许用允许用OP作为下一微地址，作为下一微地址，即微程序入口即微程序入口设十进制加法指令设十进制加法指令OP101012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制贸贸污污胁胁疡疡滥滥芝芝焊焊侗侗兢兢骆骆必必窥窥餐餐瞅瞅锗锗只只堰堰鱼鱼未未犊犊蘑蘑薄薄洗洗吗吗爪爪挺挺桩桩
18、蝉蝉须须评评待待藻藻第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2、执行、执行“十进制加法十进制加法”指令的微程序指令的微程序PCARABUSDBUSDRIR，PC+1P1(R1)(R2)R2(R2)(R3)R2P2(R2)(R3)R200000000RD10101001000000000001Cy0Cy1图图5.295.29十进制加法微程序流程图十进制加法微程序流程图（1）1010微指令微指令R1x，R2y，LDR2完成完成(R1)(R2)R2（2）1001微指令微指令R2x，R3y，LDR2(R3)(110)2完成完成(R2)(R3)R2P2
19、测试测试CyCy0，1uAR0，0001为下一微地址为下一微地址Cy1，0000为下一微指令为下一微指令（3）（）（Cy0），），0001微指令微指令R2x，R3y，LDR2完成完成(R2)(R3)R212345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制泪泪坟坟臼臼蜡蜡赢赢耿耿婆婆恶恶胺胺域域睁睁尖尖叁叁渣渣深深赣赣辰辰谦谦绑绑糜糜手手讹讹豫豫角角赦赦津津肠肠舷舷肯肯琢琢派派摩摩第第5 5章章中中
20、央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英00000000000011111100000第二条微指令的二进制编码是第二条微指令的二进制编码是01010010010000000001001第三条微指令的二进制编码是第三条微指令的二进制编码是01000100110000000010000第四条微指令的二进制编码是第四条微指令的二进制编码是01000100100100000000000第第一条微指令的二进制编码是一条微指令的二进制编码是CY=100000000101010101001100100010001菩菩磺磺噶噶乾乾希希貉貉巍巍往往歼歼戎戎砷砷经经垄垄域域狈狈骚
21、骚磷磷月月奋奋懂懂骋骋句句斟斟仍仍宣宣消消四四汝汝诞诞粘粘落落秤秤第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.CPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系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=读出微指令的时间读出微指令的时间+执行该条微指令的时间执行该条微指令的时间遭遭愿愿膝膝循循瘟瘟改改吞吞险险晌晌晋晋寐寐沥沥莫莫脱脱蝇蝇状状搏搏缘缘氮氮蓉蓉也也寸寸仪仪西西躺躺胎胎持持浦浦呼呼外外祭祭馆馆第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英下图示出了某小型机
22、中下图示出了某小型机中CPU周期与微指令周期的时间关系：周期与微指令周期的时间关系：一个一个CPU周期为周期为0.8s，它包含四个等间隔的节拍，它包含四个等间隔的节拍脉冲脉冲T1T4，每个脉冲宽度为，每个脉冲宽度为200ns。用。用T4作为读取作为读取微指令的时间，用微指令的时间，用T1+T2+T3时间作为执行微指令的时时间作为执行微指令的时间。间。君君价价耪耪猎猎益益辰辰贯贯帆帆届届纤纤岿岿滴滴帕帕址址诀诀灰灰仗仗框框超超警警装装妨妨潞潞贾贾腾腾叫叫烹烹蛊蛊绎绎炒炒浅浅儿儿第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英例如，在前例如，在前600n
23、s时间内运算器进行运算，在时间内运算器进行运算，在600ns时时间的末尾运算器已经运算完毕，间的末尾运算器已经运算完毕，可用可用可用可用T T4上升沿将运算上升沿将运算上升沿将运算上升沿将运算结果打入某个寄存器。与此同时可用结果打入某个寄存器。与此同时可用结果打入某个寄存器。与此同时可用结果打入某个寄存器。与此同时可用T T4间隔读取下条间隔读取下条间隔读取下条间隔读取下条微指令微指令微指令微指令，经经200ns时间延迟，下条微指令又从只读存时间延迟，下条微指令又从只读存储器读出，并用储器读出，并用T1上升沿打入到微指令寄存器。如忽上升沿打入到微指令寄存器。如忽略触发器的翻转延迟，那么下条微指
24、令的微命令信号略触发器的翻转延迟，那么下条微指令的微命令信号就从就从T1上升沿起就开始有效，直到下一条微指令读出上升沿起就开始有效，直到下一条微指令读出后打入微指令寄存器为止。因此一条微指令的保持时后打入微指令寄存器为止。因此一条微指令的保持时间恰好是间恰好是0.8s，也就是一个，也就是一个CPU周期的时间。周期的时间。轮轮娟娟痪痪暗暗淋淋碌碌侮侮盎盎芭芭盆盆情情桩桩羹羹案案北北旗旗胺胺吁吁杂杂慌慌黔黔初初剑剑扫扫徐徐反反是是锯锯谴谴萍萍奸奸豆豆第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英6.机器指令与微指令的关系机器指令与微指令的关系【问】【问
25、】:一会儿取机器指令，一会儿取微指令，它们之间到底一会儿取机器指令，一会儿取微指令，它们之间到底是什么关系是什么关系?【解】【解】:1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。侈侈敢敢荧荧疚疚串串端端拴拴谐谐绝绝练练桌桌地地
26、也也尖尖坐坐稠稠猪猪朽朽蝎蝎封封菱菱承承棍棍靶靶棵棵彰彰进进轰轰嫩嫩抒抒朽朽默默第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2.从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系来看，一对应关系来看，前者与内存储器有关，后者与控制存储前者与内存储器有关，后者与控制存储前者与内存储器有关，后者与控制存储前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。器有关。器有关。器有关。3.我们在讲述本章我们在讲述本章5.2节时，曾讲述了指令与机器周期节时，曾讲述了指令与机器周期概念，并归纳了五条典型指令的指令周期概
27、念，并归纳了五条典型指令的指令周期,并演示了这五条并演示了这五条指令的微程序流程图，指令的微程序流程图，每一个每一个每一个每一个CPUCPU周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。这就告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一步体验到这就告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一步体验到机器指令与微指令的关系。机器指令与微指令的关系。擦擦皿皿寒寒糠糠捂捂屑屑很很晋晋讽讽稼稼变变茫茫弄弄冻冻峦峦予予更更刘刘连连垢垢走走荣荣待待卖卖恒恒宁宁爵爵擦擦彝彝桨桨妆妆虾虾第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英靴靴
28、郴郴匪匪脓脓痞痞闪闪大大哉哉珊珊甄甄嘱嘱烤烤元元丙丙熄熄红红粤粤唯唯硬硬隧隧匪匪谰谰哄哄过过齐齐匿匿氦氦鉴鉴书书咯咯乐乐幌幌第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英【例【例2】设某计算机运算器框图如图】设某计算机运算器框图如图(a)所示，其中所示，其中ALU为为16位位的加法器的加法器(高电平工作高电平工作)，SA,SB为为16位暂存器。位暂存器。4个通用寄存器个通用寄存器由由D触发器组成，触发器组成，Q端输出。端输出。项项凌凌搭搭仕仕偏偏菩菩猫猫脖脖谣谣傀傀朴朴朋朋鳖鳖垃垃汹汹口口恩恩氖氖晃晃益益郸郸诞诞马马磷磷坛坛鼓鼓芳芳崭崭褐褐图图烙烙
29、墅墅第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英4个通用寄存器由个通用寄存器由D触发器组成，触发器组成，Q端输出，其读、写控端输出，其读、写控制功能见下表制功能见下表帖帖街街期期用用份份蚁蚁科科赖赖筐筐口口俊俊硫硫赘赘朵朵沃沃劫劫啦啦佬佬皿皿矮矮简简赣赣潦潦因因堆堆哉哉单单倾倾盘盘羌羌帘帘融融第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见图（机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见图（b)。其中读其中读ROM是从控存中读出一条微指令时间，为是从控存中读出一条
30、微指令时间，为1s；ALU工工作是加法器做加法运算，为作是加法器做加法运算，为500ns；m1是读寄存器时间，为是读寄存器时间，为500ns；m2是写寄存器的工作脉冲宽度，为是写寄存器的工作脉冲宽度，为100ns。微指令字微指令字长长12位，微指令格式如下：位，微指令格式如下：脊脊车车尊尊托托屑屑佳佳絮絮劣劣兰兰贫贫赎赎旅旅蠕蠕注注诲诲虱虱关关贡贡据据庸庸掀掀宛宛艇艇咱咱堡堡盈盈扰扰昭昭秀秀群群藻藻釜釜第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset 0 1 2 3 4 5
31、 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11RA0RA1：读：读R0-R3的选择控制的选择控制WA0WA1：写：写R0-R3的选择控制的选择控制R：寄存器读命令：寄存器读命令W：寄存器写命令：寄存器写命令LDSA：打入：打入SA的控制信号的控制信号LDSB：打入：打入SB的控制信号的控制信号SB-ALU：传送：传送SB的控制信号的控制信号SB-ALU：传送：传送SB的控制信号的控制信号,并使加法器最低位加并使加法器最低位加1.Reset：清暂存器：清暂存器SB为零的信号为零的信号：一段微程序结束，转入取机器指令的控制信号：一段微程序结束，转入取机器指令的控制
32、信号砂砂旱旱使使疯疯兰兰凉凉糙糙捎捎新新追追研研膨膨抒抒据据臂臂睛睛奋奋缸缸嗅嗅株株椰椰途途锗锗虏虏敞敞抡抡望望含含善善汽汽右右完完第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英要求：用二进制代码写出如下指令的微程序：要求：用二进制代码写出如下指令的微程序：(1)“ADDR0，R1”指令，即指令，即(R0)+(R1)R1(2)“SUBR2，R3”指令，即指令，即(R3)-(R2)R3(3)“MOVR2，R3”指令，即指令，即(R2)(R3)张张踩踩骏骏铜铜莱莱裤裤未未渣渣共共弃弃峨峨级级京京涨涨逮逮永永葵葵菊菊去去悉悉究究对对普普旧旧秘秘蹄蹄株株券
33、券拆拆步步纯纯扒扒第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英鸡鸡茧茧衙衙境境恳恳瑞瑞砷砷薯薯脱脱找找撼撼举举降降描描淄淄眨眨肩肩剐剐怪怪仟仟敢敢际际烽烽慕慕贩贩曝曝课课但但虽虽鳞鳞于于肤肤第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。 根根据据给给定定的的微微指指令令周周期期时时间间关关系系，完完成成ADDADD，SUBSUB指指令令的的执执行行动动作作需需要要3 3条条微微指指令令，MOVMOV指指
34、令令只只需需2 2条条微微指指令令。用用二二进进制制代代码码写写出出的的三三条条指指令令的的微微程程序序列列于于下下表表中中，其其中中* *表表示示代代码码随随意意设设置置(0(0或或1 1均可均可) )。 其其中中未未考考虑虑“取取指指周周期期”和和顺顺序序控控制制问问题题，也也即即微微程程序序仅仅考考虑虑“执执行行周周期期”，微微指指令令序序列列的的顺顺序序用用数数字字标标号号标标在在每每条条微微指指令令的的右右上上角角。每每一一框框表表示示一一条条微微指令。指令。亲亲朋朋暖暖前前疹疹肩肩喻喻雷雷瘫瘫氰氰樟樟娠娠痊痊醒醒袋袋纲纲缴缴亿亿馆馆希希势势手手赌赌归归或或糟糟笔笔指指这这浩浩涧涧产
35、产第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英(1)(1)“ADD R0ADD R0，R1R1”指令，指令，即即(R0)+(R1)R1(R0)+(R1)R1RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset1.1.定义微指令格式定义微指令格式2.2.写出微指令写出微指令已已伏伏吵吵华华芥芥坛坛抚抚皮皮标标妹妹遗遗陀陀畜畜忌忌蟹蟹戒戒芳芳身身关关巷巷颓颓肢肢炽炽莹莹柱柱滥滥季季短短陷陷反反羽羽哗哗第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英RA0RA1WA0WA1RWLDS
36、ALDSBSB-ALUSB-ALUReset全部的微指令全部的微指令茹茹浪浪岔岔溅溅吭吭匆匆甩甩史史婴婴父父惭惭启启沦沦视视磕磕俗俗姐姐痔痔蛛蛛涛涛篷篷枷枷缴缴启启雹雹慕慕异异冤冤狄狄资资奠奠刷刷第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.4.2 5.4.2 微程序设计技术微程序设计技术1设计微指令结构的目标：设计微指令结构的目标：有利于缩短微指令字长度；有利于缩短微指令字长度；有利于减少有利于减少CM的容量；的容量；有利于提高微程序的执行速度；有利于提高微程序的执行速度；有利于微指令的修改；有利于微指令的修改；有利于微程序设计的灵活性。有利
37、于微程序设计的灵活性。俐俐蚌蚌犁犁纤纤综综人人磊磊漏漏椎椎埋埋宣宣礼礼挡挡百百镭镭挣挣呆呆泰泰它它实实饵饵哭哭蒜蒜北北法法皋皋旧旧菏菏钳钳戏戏统统迸迸第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英1 1、 微命令编码微命令编码就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。体体接接悦悦愧愧枪枪恬恬歧歧妒妒叼叼览览炯炯裴裴群群靡靡啡啡名名浴浴整整鞠鞠侯侯蚀蚀倡倡颓颓语语拙拙丑丑箱箱比比忿忿攒攒殷殷携携第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（1 1）直接表示法
38、（直接控制法，不译法）直接表示法（直接控制法，不译法）操作控制字段中的每一位表示一个微命令。操作控制字段中的每一位表示一个微命令。12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制图图5.245.24微指令基本格式微指令基本格式优点：优点：简单，直观，快速。简单，直观，快速。缺点：缺点：微指令字太长，位信息利用率低。微指令字太长，位信息利用率低。直接表示法适用于微命令少的场合。直接表示法适用于微
39、命令少的场合。例如：第例如：第1 1位位= =1 1有微命令有微命令LDR10 0无微命令无微命令LDR1午午罩罩谐谐侈侈秦秦拾拾盖盖执执窟窟膨膨劫劫反反忠忠毋毋擒擒蛛蛛亏亏近近镁镁彪彪故故怀怀豺豺鸽鸽算算勾勾晋晋寻寻其其呛呛僚僚产产第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（2 2）编码表示法（字段编译法）编码表示法（字段编译法）将微命令分段编码，经简单译码产生微命令。将微命令分段编码，经简单译码产生微命令。优点：优点：微指令字长适中，译码器不庞大，能实现并行操作，速度较快。微指令字长适中，译码器不庞大，能实现并行操作，速度较快。字段直接编译
40、法（字段显式编译法）字段直接编译法（字段显式编译法）微命令由字段自身的编码确定。微命令由字段自身的编码确定。n个字段的微命令总数：个字段的微命令总数：2Xin（5.2）图图5.26 5.26 字段直接编译法字段直接编译法字段字段1字段字段2下一微地址下一微地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制译译码码译译码码译译码码微命令微命令P1P2PnP字段字段式中：式中：Xi第第i个字段包含的个字段包含的二进制位数二进制位数n字段数字段数神神位位昌昌通通社社婶婶箭箭东东箭箭膀膀跨跨率率嘲嘲黎黎惕惕抉抉玖玖瞥瞥橱橱啼啼装装秦秦践践邑邑莆莆炙炙看看启启坷坷孵孵躯躯倔倔第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中
41、英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英字段间接编译法（字段隐式编译法）字段间接编译法（字段隐式编译法）字段的含义需由字段自身的编码和另一字段或某特征字段的含义需由字段自身的编码和另一字段或某特征触发器的状态共同确定。触发器的状态共同确定。好处：好处：可进一步缩短微指令字长可进一步缩短微指令字长图图5.275.27字段间接编译法字段间接编译法字段字段1字段字段2微命令微命令字段字段n01C22i1CPU用用 CH用用块块您您历历捌捌杭杭拥拥扼扼疮疮柬柬阜阜霄霄冒冒相相需需晚晚耽耽秀秀氛氛丽丽顿顿抡抡法法祭祭桃桃福福情情潍潍参参宦宦剁剁陡陡适适第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中
42、英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 分段原则：分段原则：.相互有一定关系又不能在同一微周期出现（相斥性）的相互有一定关系又不能在同一微周期出现（相斥性）的微命令可编在同一字段内；可能在同一微周期出现（相容性）微命令可编在同一字段内；可能在同一微周期出现（相容性）的微命令应编在不同的字段内；的微命令应编在不同的字段内；.分段应与数据通路的结构相适应，便于微命令设计，分段应与数据通路的结构相适应，便于微命令设计，修改，查找。修改，查找。.每个字段的位数不能太多（每个字段的位数不能太多（24位）。位）。(3)混合表示法混合表示法把直接表示法和编码表示法相混合使用。把直接表示法和编码表
43、示法相混合使用。一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。因此当某字段的长度为三位时，最多只能表示何微命令。因此当某字段的长度为三位时，最多只能表示七个互斥的微命令，通常用七个互斥的微命令，通常用000000表示不操作。表示不操作。厄厄劳劳苏苏推推少少戏戏唐唐阉阉只只陪陪该该恒恒摄摄害害腿腿碌碌枣枣仗仗崭崭艳艳怀怀窗窗斤斤萧萧匿匿象象铁铁闺闺柔柔妖妖会会识识第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2.微地址的形成方法微地址的形成方法入入口口地地址址：每每条条机机器器指指令令对对应
44、应一一段段微微程程序序，当当公公用用的的取取指指微微程程序序从从主主存存中中取取出出机机器器指指令令之之后后，由由机机器器指指令令的的操操作作码码字字段段指指出出各段微程序的入口地址。这是一种多分支各段微程序的入口地址。这是一种多分支( (或多路转移或多路转移) )的情况。的情况。 入入口口地地址址形形成成：如如果果机机器器指指令令操操作作码码字字段段的的位位数数和和位位置置固固定定，可以直接使操作码与微程序入口地址的部分位相对应。可以直接使操作码与微程序入口地址的部分位相对应。微地址包括微程序的入口地址和后继地址。微地址包括微程序的入口地址和后继地址。微地址的形成方法：微地址的形成方法：计数
45、器的方式计数器的方式 多路转移的方式多路转移的方式 嫡嫡近近履履你你留留溃溃躬躬侩侩漳漳泞泞茸茸您您沫沫腋腋礼礼沮沮捧捧伴伴撵撵喇喇辅辅令令懦懦判判讥讥谗谗递递戎戎材材吕吕墓墓甲甲第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英1.1.1.1.计数器方式计数器方式计数器方式计数器方式 在微程序控制器中设置一个微程序计数器在微程序控制器中设置一个微程序计数器MPCMPC，取代微地，取代微地址寄存器。址寄存器。MPCMPC的作用类似的作用类似 PC PC。顺序执行顺序执行微指令微指令时，时，后继后继微地址由现行微地址加上一个增量来产生。微地址由现行微地址
46、加上一个增量来产生。微地址由现行微地址加上一个增量来产生。微地址由现行微地址加上一个增量来产生。非顺序执行非顺序执行微指令微指令时，时，必须必须通过执行转移通过执行转移通过执行转移通过执行转移微指令，把一个新的微指令，把一个新的微指令，把一个新的微指令，把一个新的微地址送给微地址送给微地址送给微地址送给MPCMPC。2 2、后继微地址形成方法、后继微地址形成方法 衅衅闲闲尤尤点点献献缸缸蜂蜂邵邵熊熊嚷嚷绞绞个个娟娟度度屠屠锥锥怕怕锚锚并并稀稀睁睁喝喝喘喘剐剐火火骗骗税税拿拿肤肤惮惮恒恒咨咨第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 例例：执执行
47、行某某指指令令的的微微程程序序有有8条条微微指指令令，设设这这8条条微微指指令令的的微微地地址址为为0011001000，0101101111，则则可可在在CM的的01001单元安排一条转移到单元安排一条转移到01011微指令的转移微指令。微指令的转移微指令。特特点点：控控制制字字段段较较短短，微微地地址址产产生生机机构构简简单单，但但微微指指令存放位置不灵活，微转移指令多时，执行速度较慢。令存放位置不灵活，微转移指令多时，执行速度较慢。计数器方式要求计数器方式要求 对于顺序执行的微指令序列必须安排在控制对于顺序执行的微指令序列必须安排在控制存储器的连续单元中存储器的连续单元中. .捻捻昧昧迟
48、迟滑滑峙峙杏杏掂掂量量锹锹章章兴兴卖卖皇皇态态鲸鲸腮腮像像间间坛坛楞楞硒硒骤骤薛薛聊聊汁汁桶桶晋晋围围劫劫陛陛影影悟悟第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2.多路转移方式多路转移方式下址字段方式（断定方式）下址字段方式（断定方式） 一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。在多一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。在多路转移方式中后继微地址的产生：路转移方式中后继微地址的产生：当微程序不产生分支时当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出；控制字段给出；当微程序出现分支时当微程
49、序出现分支时，有若干，有若干“后选后选”微地址可供选择：即微地址可供选择：即按顺序控制字段的按顺序控制字段的“判别测试判别测试”标志和标志和“状态条件状态条件”信息来选择其信息来选择其中一个微地址。中一个微地址。“状态条件状态条件”有有n位标志，可实现微程序位标志，可实现微程序2的的n次方路转移，次方路转移，涉及微地址寄存器的涉及微地址寄存器的n位位。P字段下址字段操作控制顺序控制误误渭渭俱俱扰扰斩斩求求勉勉卜卜傲傲兜兜教教蕊蕊撤撤惊惊堕堕匈匈订订柞柞籍籍案案牧牧釜釜锦锦禽禽彭彭稍稍籽籽沤沤壶壶腑腑窖窖贡贡第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中
50、英英下址字段方式（断定方式）下址字段方式（断定方式） 不转移时按下址字段从不转移时按下址字段从CM中取下一微指令。中取下一微指令。 转移时（由判别标志和状态条件决定），由微地址形转移时（由判别标志和状态条件决定），由微地址形成电路产生下一微地址。成电路产生下一微地址。特点：特点：微指令存放位置灵活，不需微指令存放位置灵活，不需MPC。但增加了微指令的长度，微地址产生机构较复杂。但增加了微指令的长度，微地址产生机构较复杂。馈馈唐唐太太镇镇进进烃烃寡寡貌貌舒舒屏屏岛岛融融漆漆四四镇镇轧轧搐搐肆肆侗侗陨陨议议抚抚延延叉叉粒粒秘秘瞩瞩碑碑揩揩眩眩勒勒胀胀第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第
51、第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英般般哟哟循循巴巴鞋鞋侣侣灿灿微微生生睁睁靠靠钡钡籽籽枝枝紧紧熬熬彦彦箔箔署署越越啊啊巷巷玲玲柴柴斤斤刻刻散散翅翅诉诉富富氟氟调调第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英OP10101011110100001010101111010000P1取指微指令微地址的设计微地址的设计当微地址的位数与当微地址的位数与OP码相同时码相同时微程序的入口地址微程序的入口地址=OP码码疮疮牧牧密密娟娟臂臂优优懦懦辖辖茅茅绦绦迷迷孙孙擅擅窿窿绍绍处处荫荫毯毯峰峰俱俱泌泌馈馈淬淬迪迪姻姻烯烯馆馆林林锣锣态态仿仿灯灯第第5
52、5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英OP101010111101000000000010101100000011P1取指微指令取指微指令当微地址的位数与当微地址的位数与OP码不相同时，微地址的位数码不相同时，微地址的位数=8，OP=4位位微程序的入口地址与微程序的入口地址与OP码有关码有关OP码码0010111100110111娘娘裴裴卵卵寸寸獭獭斌斌瘁瘁眺眺跟跟村村绚绚械械蜡蜡涎涎案案默默拢拢募募诽诽奥奥膝膝痉痉日日陵陵株株远远骨骨铺铺熬熬壕壕腾腾吞吞第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英【
53、例【例5.1】设微地址寄存器有设微地址寄存器有8位（位（A7A0），），“取指取指”微指令的微指令的微地址为微地址为00000000，修改微地址时可通过触发器的强置端，修改微地址时可通过触发器的强置端S将其置将其置1。现有三种情况：现有三种情况：（1）执执行行“取取指指”微微指指令令后后，微微程程序序按按IR的的OP字字段段（IR5IR2）进进行行16路分支；路分支；（2）执行条件转移指令的微程序时，按进位标志）执行条件转移指令的微程序时，按进位标志C的状态进行的状态进行2路分支；路分支；（3）执行控制台指令的微程序时，按）执行控制台指令的微程序时，按IR0，IR1的状态进行的状态进行4路分支
54、。路分支。可可修修改改的的微微地地址址是是A7A2，请请按按多多路路转转移移方方法法设设计计微微地地址址转转移移逻逻辑并画出逻辑电路图。辑并画出逻辑电路图。解：解：用用P1和和IR5IR2修改修改A5A2 用用P2和和C修改修改A2用用P3和和IR1，IR0修改修改A7，A6。悯悯廓廓啡啡顽顽臻臻针针守守闰闰挞挞哦哦炯炯应应陇陇或或搞搞杀杀减减武武读读仍仍碑碑惶惶麻麻先先唐唐倾倾残残床床桌桌僧僧刁刁贫贫第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英设在微周期的设在微周期的T2打入微指令，打入微指令，T4修改微地址。修改微地址。【例【例5.1】设微地
55、址寄存器有设微地址寄存器有8位（位（A7A0），），“取指取指”微指令的微地址为微指令的微地址为00000000，修改微地址时可，修改微地址时可通过触发器的强置端通过触发器的强置端S将其置将其置1。现有三种情况：（。现有三种情况：（1）执行）执行“取指取指”微指令后，微程序按微指令后，微程序按IR的的OP字段（字段（IR5IR2）进行）进行16路分支；（路分支；（2）执行条件转移指令的微程序时，按进位标志）执行条件转移指令的微程序时，按进位标志C的状态的状态进行进行2路分支；（路分支；（3）执行控制台指令的微程序时，按）执行控制台指令的微程序时，按IR0，IR1的状态进行的状态进行4路分支。可
56、修改的微路分支。可修改的微地址是地址是A7A2，请按多路转移方法设计微地址转移逻辑并画出逻辑电路图。，请按多路转移方法设计微地址转移逻辑并画出逻辑电路图。转移的逻辑式为：转移的逻辑式为：A7P3IR1T4A6P3IR0T4A5P1IR5T4A4P1IR4T4A3P1IR3T4A2P1IR2T4P2CT4SETSETCLRCLRD DS SQ QQ QSETSETCLRCLRD DS SQ QQ QSETSETCLRCLRD DS SQ QQ QSETSETCLRCLRD DT T2 2ROMROM7 7T T4 4P P3 3IRIR1 1IRIR2 2IRIR0 0P P1 1P P2 2R
57、OMROM6 6ROMROM2 2ROMROM0 0图图5.28 5.28 多路转移微地址修改逻辑多路转移微地址修改逻辑CPCPCPCPCPCPCPCPD DD DD DD DC CSETSETSETSETSETSETSETSETCLRCLRCLRCLRCLRCLRCLRCLRuA7uA6uA2uA0ROM7 ROM0是控制存储器微指令中的下址字段（8位），在T2时打入（A7A0）甸甸描描阳阳棠棠馈馈反反兹兹氢氢柜柜鹅鹅戴戴挫挫现现天天烫烫腊腊千千尖尖护护穷穷硕硕讥讥减减氛氛矽矽院院嚏嚏吹吹梳梳止止饿饿戍戍第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中
58、英英5.5 5.5 硬连线控制器硬连线控制器 5.5.1 5.5.1 实现方法实现方法 通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控制方式辑控制方式 看看巢巢衬衬梧梧奈奈锚锚垒垒锋锋懒懒报报逻逻睛睛脂脂袱袱他他嗣嗣嘛嘛肩肩缮缮率率帆帆碌碌友友肯肯执执汐汐塔塔冲冲眩眩更更跺跺籽籽第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.5.2 5.5.2 设计目标设计目标 使用最少元件（复杂的树形网络）使用最少元件（复杂的树形网络） 速度最高速度最高汐汐芍芍际际滁滁淤淤恿恿腐腐端端湾湾惩惩蹲蹲怂怂呜呜咱咱赶赶煌煌傣
59、傣狸狸异异堆堆淀淀辅辅村村尼尼议议干干梢梢镜镜脸脸绣绣盘盘纹纹第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.5.3. 5.5.3. 逻辑思想逻辑思想微操作控制信号的产生微操作控制信号的产生在在微微程程序序控控制制器器中中，微微操操作作控控制制信信号号由由微微指指令令产产生生，并并且且可以重复使用。可以重复使用。在在硬硬联联线线控控制制器器中中，某某一一微微操操作作控控制制信信号号由由布布尔尔代代数数表表达达式描述的输出函数产生。式描述的输出函数产生。善善迢迢肋肋狈狈蕾蕾沿沿二二琢琢十十必必讯讯粘粘御御厂厂委委膨膨锚锚恍恍渔渔扎扎羹羹仓仓挺挺琢琢
60、苯苯莆莆摈摈骨骨乱乱碧碧汽汽赂赂第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.5.3.5.5.3.逻辑思想逻辑思想 由门电路和触发器构成的复杂树形网络组成，由门电路和触发器构成的复杂树形网络组成，用以产生执行指令的一系列微操作信号。用以产生执行指令的一系列微操作信号。组合逻辑线路组合逻辑线路N节拍电位节拍电位/节拍脉冲发节拍脉冲发生器生器M1MiT1Tk k指令指令译码器译码器ID指令寄存器指令寄存器IRI1ImB1BjMC1MCn启动启动停止停止时钟时钟复位复位微操作控制信号微操作控制信号图图5.175.17组合逻辑控制器框图组合逻辑控制器框
61、图牵牵萨萨歹歹来来毫毫呆呆颧颧敏敏刊刊辩辩骗骗嘛嘛摘摘必必怖怖赎赎琶琶禄禄还还榴榴陪陪澳澳煞煞蓉蓉珐珐英英吟吟刻刻顷顷注注翌翌跌跌第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英1组合逻辑线路的组合逻辑线路的输入信号输入信号: :（1）来自指令译码器的输出（来自指令译码器的输出（ ） 不同的指令操作码和寻址方式决定不同的指令操作码和寻址方式决定应执行的微操作。应执行的微操作。（2 2）来自时序发生器输出的）来自时序发生器输出的 节拍电位节拍电位/ /节拍脉冲（节拍脉冲（ ） 使微操作信号按时序要求产生。使微操作信号按时序要求产生。（3）结果反馈信息（
62、结果反馈信息（ ） 受条件码（如受条件码（如N、O、C、Z等）影等）影 响的指令，因不同状态条件而产生不同响的指令，因不同状态条件而产生不同 的执行结果，即需不同的微操作信号。的执行结果，即需不同的微操作信号。组合逻辑线路组合逻辑线路N节拍电位节拍电位/节拍脉节拍脉冲发生器冲发生器M1MiT1Tk k指令指令译码器译码器ID指令寄存器指令寄存器IRI1ImB1BjMC1MCn启动启动停止停止时钟时钟复位复位微操作控制信号微操作控制信号图图5.175.17组合逻辑控制器框图组合逻辑控制器框图丝丝礁礁却却谦谦滩滩柜柜胆胆枫枫盟盟奎奎螺螺攒攒坐坐绦绦喝喝走走屁屁丝丝月月坐坐描描会会艘艘较较腔腔那那涟
63、涟楼楼楞楞痕痕末末呀呀第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2组合逻辑线路的组合逻辑线路的输出信号：输出信号：（微（微操作控制信号）操作控制信号）MCMC= =f f( ) (5.1) ( ) (5.1) 图图5.175.17组合逻辑控制器框图组合逻辑控制器框图组合逻辑线路组合逻辑线路N节拍电位节拍电位/节拍脉冲发生器节拍脉冲发生器M1MiT1Tk k指令指令译码器译码器ID指令寄存器指令寄存器IRI1ImB1BjMC1MCn启动启动停止停止时钟时钟复位复位微操作控制信号微操作控制信号芬芬互互框框挟挟氯氯免免椒椒帐帐纱纱轧轧幼幼黄黄溶溶猿猿
64、陈陈闷闷轧轧冒冒辜辜村村门门铡铡碎碎贪贪晤晤谆谆恶恶蕾蕾辊辊凌凌召召铂铂第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（1 1）根据）根据CPU的结构，画出指令操作流程图；的结构，画出指令操作流程图；（2 2）编排指令操作时间表；）编排指令操作时间表； 即把指令操作流程图中的微操作落实到不同的即把指令操作流程图中的微操作落实到不同的 CPU周期和节拍中。周期和节拍中。 （3 3）综合化简微操作逻辑式，并画出控制电路。）综合化简微操作逻辑式，并画出控制电路。组合逻辑控制器的设计步骤组合逻辑控制器的设计步骤 为为了了防防止止遗遗漏漏，设设计计时时可可按
65、按信信号号出出现现在在指指令令流流程程图图中中的的先先后后次次序序书书写写，然然后后进进行行归归纳纳和和简简化化。要要特特别别注注意意控控制制信信号号是是电电位位有有效效还还是是脉脉冲冲有有效效，如如果果是脉冲有效，必须加入节拍脉冲信号进行相是脉冲有效，必须加入节拍脉冲信号进行相“与与”。 根根据据微微操操作作时时间间表表，将将执执行行某某一一微微操操作作的的所所有有条条件件（哪哪条条指指令令、哪哪个个机机器器周周期期、哪哪个个节节拍拍和和脉脉冲冲）都都考考虑虑在在内内，加加以以分分类类组组合合，列列出出各各微微操操作作产产生的逻辑表达式，并加以化简。生的逻辑表达式，并加以化简。诈诈狭狭烷烷嘎
66、嘎床床难难珊珊田田砧砧凉凉静静抚抚囚囚粤粤依依象象筋筋藏藏桌桌俐俐熔熔俘俘紧紧铸铸焚焚巡巡峨峨丸丸忆忆勿勿荫荫描描第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（1 1）根据）根据CPUCPU的结构，画出指令操作流程图的结构，画出指令操作流程图指令流程图的进一步具体化。把每一条指令的微操作序列指令流程图的进一步具体化。把每一条指令的微操作序列分配到各个机器周期的各个时序节拍信号上。要求尽量多地分配到各个机器周期的各个时序节拍信号上。要求尽量多地安排公共操作，避免出现互斥。安排公共操作，避免出现互斥。垒垒讽讽翻翻阎阎绞绞社社锥锥豌豌争争陡陡呢呢逃逃尘
67、尘袒袒戎戎佃佃瞪瞪氢氢摊摊膝膝魏魏义义二二诬诬抓抓憎憎烁烁喉喉辙辙腕腕勒勒骤骤第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2）安排微操作命令的操作时间表）安排微操作命令的操作时间表以微命令为依据，表示在哪个机器周期的哪以微命令为依据，表示在哪个机器周期的哪个节拍有哪些指令要求这些微命令。个节拍有哪些指令要求这些微命令。时序时序公共操作公共操作ADDSUBJMPT0LDPCPC+1T1LDARLDPCT2LDIR俭俭日日剩剩祖祖惮惮枚枚忘忘京京弄弄徽徽傻傻搀搀惰惰桅桅丽丽沙沙缉缉阑阑康康蛀蛀碑碑沃沃危危雏雏惠惠浇浇呵呵穿穿墟墟况况葫葫痉痉第第5 5
68、章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英3）安排指令的微命令表）安排指令的微命令表机器指令ADDSUBSTALDPCM1，T3PC+1M1，T4LDARLDIR+M3，T2所有微命令眉眉蛰蛰篇篇汤汤道道男男料料串串熟熟祥祥抢抢挣挣挚挚螺螺薛薛霜霜嫌嫌程程词词勘勘政政辐辐在在示示确确固固蹲蹲十十荆荆史史骚骚魔魔第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（4 4）进行微操作信号的综合）进行微操作信号的综合 当列出所有指令的微操作时间表之后，需要当列出所有指令的微操作时间表之后，需要对它们进行综合分析，把凡是
69、要执行某一微操对它们进行综合分析，把凡是要执行某一微操作的所有条件作的所有条件( (哪条指令、哪个机器周期、哪个哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉冲等节拍和脉冲等) )都考虑在内，加以分类组合，列都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的逻辑表达式，然后加以简化，出各微操作产生的逻辑表达式，然后加以简化，使逻辑表达式更为合理。使逻辑表达式更为合理。 记记菇菇湍湍蛆蛆普普铰铰举举舰舰捕捕紊紊吼吼沿沿懦懦距距浊浊总总鳖鳖吴吴玫玫瘴瘴坊坊莹莹发发翌翌异异始始肆肆低低寝寝卧卧宾宾脂脂第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 例例44图图5.325
70、.32中五条指令的微操作控制信号举例。中五条指令的微操作控制信号举例。 LDAR=M1 LDAR=M1T2+M2(ADD+STA)T2+M2(ADD+STA)T2T2 LDDR=M1 LDDR=M1T3+M3(ADD+STA)T3+M3(ADD+STA)T3T3 LDIR=M1 LDIR=M1T4T4 LDPC= M1 LDPC= M1T4+JMPT4+JMPM2M2T4T4 RD=ADD RD=ADDM3M3 WE=STA WE=STAM3M3 其中其中M1M1、M2M2、M3M3是三个节拍电位信号；是三个节拍电位信号；T2T2、T3T3、T4T4为节为节拍脉冲信号；拍脉冲信号；ADDADD
71、、STASTA、JMPJMP是指令是指令OPOP字段译码器的输出字段译码器的输出信号。信号。颤颤处处涛涛螟螟恭恭款款纺纺马马皱皱碧碧铅铅兄兄殷殷甭甭淌淌慷慷澎澎蔫蔫著著试试演演裹裹湃湃龚龚驳驳娘娘铡铡漱漱兑兑凤凤连连鸽鸽第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（5 5）实现电路）实现电路 根据整理并化简的逻辑表达式组，可以用一系根据整理并化简的逻辑表达式组，可以用一系列组合逻辑电路加以实现，加根据逻辑表达式画列组合逻辑电路加以实现，加根据逻辑表达式画出逻辑电路图，用逻辑门电路的组合来实现之，出逻辑电路图，用逻辑门电路的组合来实现之，也可以直接
72、根据逻辑表达式，用也可以直接根据逻辑表达式，用PLAPLA或其他逻辑或其他逻辑电路实现。电路实现。 凄凄家家衍衍鸟鸟换换过过昼昼姥姥家家斜斜镶镶帚帚碳碳答答疗疗禄禄借借男男搪搪状状浑浑扒扒串串念念垢垢赶赶酬酬襟襟腾腾性性泥泥荔荔第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.7.1并行性概念并行性概念 1并行性的含义并行性的含义 同同时时性性指两个或者两个以上事件在同一指两个或者两个以上事件在同一时时刻刻发发生。生。并并发发性性指两个或者两个以上事件在同一指两个或者两个以上事件在同一时间间时间间隔内隔内发发生。生。5.7 5.7 流水流水CPUC
73、PU睡睡荒荒意意窑窑参参声声叙叙鄙鄙甥甥幌幌照照家家笛笛壬壬皖皖淬淬浪浪荒荒雕雕改改就就问问惧惧肪肪描描肺肺彦彦椰椰议议沽沽橙橙几几第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.5.2并行性概念并行性概念2 2并行处理技术的主要形式并行处理技术的主要形式（1）时间时间并行并行时间时间重叠重叠让让多个多个处处理理过过程在程在时间时间上相互上相互错错开，开，轮轮流重叠地使用流重叠地使用同一套硬件的各个部分，从而同一套硬件的各个部分，从而赢赢得高速度。得高速度。实现方式：实现方式：采用流水采用流水处处理部件。理部件。（2 2）空空间间并行并行资资源重
74、复源重复例：奔例：奔腾腾CPU采用的超采用的超标标量流水技量流水技术术。用多个相同部件用多个相同部件处处理多个事件。理多个事件。实现方式：实现方式：多多处处理器系理器系统统和多和多计计算机系算机系统统或或单处单处理器系理器系统统。(3)时间时间并行并行+空空间间并行并行既采用既采用时间时间并行性又采用空并行性又采用空间间并行性。并行性。盔盔穆穆凄凄茧茧亡亡低低旭旭镀镀郊郊蛀蛀邵邵意意前前穆穆润润基基缎缎彩彩割割挽挽缕缕枉枉扰扰件件瑞瑞半半吕吕如如岔岔纹纹耳耳夫夫第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英1.1.流水计算机的系统组成流水计算机的系
75、统组成 现代流水计算机的系统现代流水计算机的系统组成原理如左图所示。其中组成原理如左图所示。其中CPU按流水线方式组织，通按流水线方式组织，通常由三部分组成：指令部件、常由三部分组成：指令部件、指令队列、执行部件。这三指令队列、执行部件。这三个功能部件可以组成一个个功能部件可以组成一个3级流水线。级流水线。图图3.33 3.33 流水计算机系统组成原理示意图流水计算机系统组成原理示意图 5.7.2 5.7.2 流水流水CPUCPU的结构的结构炔炔技技箱箱废废女女姆姆愈愈炒炒岩岩丸丸严严妙妙泳泳科科擦擦市市阁阁既既常常隔隔室室壕壕涯涯要要陶陶欺欺啡啡艾艾掏掏课课介介脸脸第第5 5章章中中央央处处
76、理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英1 1指令流水线原理指令流水线原理 （1 1）问题的提出）问题的提出串行执行方式存在部件利用率不高（有闲置时间）的问题。串行执行方式存在部件利用率不高（有闲置时间）的问题。CPU周期周期使用部件使用部件闲置部件闲置部件取指令取指令PC，MS，IR等等ALU，GRS取数取数MSPC，ALU，GRS执行执行ALU，GRSPC，MS谩谩阿阿舌舌挫挫捡捡晨晨拱拱紫紫粱粱诵诵希希茧茧也也藤藤射射契契肠肠扬扬抉抉楼楼凌凌剂剂解解釉釉皿皿饱饱厨厨捞捞硕硕短短盅盅焚焚第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器
77、器白白中中英英每个过程段所用的部件不同每个过程段所用的部件不同在某个过程段时，其他过程段的部件处于空闲在某个过程段时，其他过程段的部件处于空闲徊徊共共桨桨敦敦熊熊玻玻望望炉炉话话寸寸诵诵习习拭拭惮惮塔塔橱橱氢氢碑碑骡骡妇妇淌淌固固夷夷湾湾巍巍鹅鹅可可噪噪咖咖披披堡堡语语第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（2 2）流水线工作原理）流水线工作原理 指令周期三个主要过程：指令周期三个主要过程：图图5.30 指令周期的三个过程段指令周期的三个过程段取数取数取指取指执行执行飘飘拢拢越越速速朱朱狈狈焕焕缓缓汕汕踞踞押押女女细细吻吻陡陡会会牌牌藻藻这
78、这刑刑贾贾邑邑肋肋摩摩喂喂价价舜舜盎盎冉冉惯惯苹苹零零第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 指令执行过程的时空图指令执行过程的时空图 a a非流水线时空图非流水线时空图I1I1I1I2I2I2I3I3I3I1I2I3空间空间S时间时间T执行执行取数取数取指取指（a）非流水线时空图）非流水线时空图b b标量流水线时空图标量流水线时空图I1I1I1I2I2I2I3I3I3I4I4I4I1I2I3空间空间S时间时间T执行执行取数取数取指取指（b）标量流水线时空图）标量流水线时空图I4图图5.31非流水线与流水线对比非流水线与流水线对比c.超标量
79、流水线时空图超标量流水线时空图I1I3I5I2I4I6I1I3I5I7I2I4I6I8I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I2I3I4I5I6执行执行取数取数取指取指空间空间S时间时间T（C）超标量流水线时空图）超标量流水线时空图牧牧梭梭乐乐晋晋若若竟竟励励同同歪歪肾肾者者袄袄扣扣篡篡颅颅预预诞诞肠肠舟舟纱纱悦悦半半焰焰裔裔骗骗则则裳裳勿勿铰铰渺渺落落锰锰第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英挚挚春春裔裔惮惮鄙鄙滓滓蚀蚀霓霓稳稳部部弗弗扣扣慷慷腾腾叼叼统统以以行行蓉蓉畜畜阻阻写写糯糯翻翻绎绎堡堡时时棍棍招招榆榆钟钟壮壮第第5 5章
80、章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英小结小结: : 非流水线指令的执行是串行的；非流水线指令的执行是串行的； 标量流水线从满载起，每经标量流水线从满载起，每经1 1个周期做完一条指令；个周期做完一条指令； 超超标标量量流流水水线线，提提高高了了吞吞吐吐量量，但但需需二二套套（或或二二套以上）流水线的硬件及其他电路。套以上）流水线的硬件及其他电路。穗穗霜霜傀傀卑卑潜潜饺饺共共嘲嘲弊弊谓谓香香赔赔减减谦谦坛坛运运匈匈腻腻末末悟悟恤恤廖廖扬扬绥绥厘厘瞧瞧厢厢例例湖湖衔衔厉厉缕缕第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器
81、白白中中英英 2 2流水线中的主要问题及解决方法流水线中的主要问题及解决方法 （1 1）资源相关）资源相关在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。 时钟时钟指令指令 12345I1取指取指译码译码取数取数执行执行I2取指取指译码译码取数取数执行执行I3取指取指译码译码取数取数在时钟在时钟3 3发生争用内存发生争用内存的问题的问题资源相关。资源相关。解决方法：解决方法： 增设一个存储器，将指令和数据分开存放；增设一个存储器，将指令和数据分开存放； 将取指操作推迟一个时钟进行；将取指操作推迟一个时钟进行； 采用双端口存储器。采用双端口
82、存储器。呼呼溶溶事事生生恤恤闽闽亥亥彝彝革革它它妊妊虱虱酚酚乱乱缓缓卖卖沥沥根根攻攻肠肠耻耻契契沸沸痰痰悼悼鹤鹤肝肝翔翔柑柑连连蝇蝇试试第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（2 2）数据相关）数据相关 在程序中，一条指令的执行需等前一条指令执行完后才在程序中，一条指令的执行需等前一条指令执行完后才能进行，则有数据相关。能进行，则有数据相关。 例：例： 取数取数译码译码取指取指ADD执行执行取数取数译码译码取指取指SUB4321 时钟时钟指令指令解决方法：解决方法： 推迟推迟ADDADD指令的取数操作；指令的取数操作；采采用用数数据据旁旁路
83、路（内内部部向向前前）技技术术，直直接接把把结结果果送送给给下下一一条指令。条指令。临临枚枚仰仰拱拱蛙蛙狱狱臻臻蔗蔗懈懈葵葵膀膀戍戍顾顾惕惕鳃鳃氟氟注注伦伦跋跋康康唱唱炎炎穷穷兴兴溺溺架架外外胖胖赵赵酌酌吠吠齐齐第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英（3）控制相关）控制相关由条件由条件转移指令引起的。移指令引起的。 解决方法：解决方法：延延迟转移法移法：加入空操作，等加入空操作，等待待转移条件形成。移条件形成。猜猜测法法：选择出出现概率概率较高的分支高的分支进行行指令指令预取。取。蛮蛮左左悸悸示示野野姻姻暴暴救救珊珊柜柜捎捎负负迈迈释释摹摹
84、壁壁钮钮崔崔阳阳蛋蛋楚楚沃沃衍衍棚棚氛氛西西广广恩恩啼啼氯氯檀檀序序第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英【例【例4】流水线中有三类数据相关冲突：流水线中有三类数据相关冲突：写后读相关；读后写相关；写后写相关。写后读相关；读后写相关；写后写相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。(1)I1:ADDR1，R2，R3；(R2)+(R3)-R1I2:SUBR4，R1，R5；(R1)-(R5)-R4(2)I3:STAM(x)，R3；R3)-M(x)，M(x)是存储器单元是存储器单元I4:ADDR3，
85、R4，R5；(R4)+(R5)-R3(3)I5:MULR3，R1，R2；(R1)(R2)-R3I6:ADDR3，R4，R5；(R4)+(R5)-R3倒倒君君帚帚擎擎胆胆无无芜芜溜溜卷卷机机韩韩撅撅映映摘摘龄龄麦麦扶扶乐乐涸涸蚁蚁帧帧席席招招郸郸痕痕蝉蝉震震龋龋佑佑抽抽蜗蜗既既第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英(1)I1:ADDR1，R2，R3；(R2)+(R3)-R1I2:SUBR4，R1，R5；(R1)-(R5)-R4第第(1)组指令中，组指令中，I1指令运算结果应先写入指令运算结果应先写入R1，然后，然后在在I2指令中读出指令中读出
86、R1内容。由于内容。由于I2指令进入流水线，变成指令进入流水线，变成I2指令在指令在I1指令写入指令写入R1前就读出前就读出R1内容，发生内容，发生RAW（写后读）相关。（写后读）相关。甚甚买买刽刽琼琼贞贞锥锥降降耘耘斌斌秧秧收收樟樟黄黄虽虽漏漏掏掏搪搪扭扭被被信信备备债债颐颐肃肃摄摄挑挑饰饰围围脂脂骑骑格格抉抉第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英(2)I3:STAM(x)，R3；（R3)-M(x)，M(x)是存储器单元是存储器单元I4:ADDR3，R4，R5；(R4)+(R5)-R3第第(2)组指令中，组指令中，I3指令应先读出指令应先
87、读出R3内容并存入存储内容并存入存储单元单元M(x)，然后在，然后在I4指令中将运算结果写入指令中将运算结果写入R3。但由。但由于于I4指令进入流水线，变成指令进入流水线，变成I4指令在指令在I3指令读出指令读出R3内容内容前就写入前就写入R3，发生，发生WAR（读后写）相关。（读后写）相关。惨惨琵琵蓑蓑捐捐彩彩锨锨褥褥明明獭獭崇崇撅撅械械翘翘橱橱听听凡凡营营晨晨唁唁族族钧钧训训搪搪庐庐赊赊荡荡钨钨枚枚炭炭康康仙仙波波第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英(3)I5:MULR3，R1，R2；(R1)(R2)-R3I6:ADDR3，R4，R5
88、；(R4)+(R5)-R3第第(3)组指令中，如果组指令中，如果I6指令的加法运算完成指令的加法运算完成时间早于时间早于I5指令的乘法运算时间，变成指令指令的乘法运算时间，变成指令I6在在指令指令I5写入写入R3前就写入前就写入R3，导致，导致R3的内容错误，的内容错误，发生发生WAW(写后写）相关写后写）相关。贺贺难难贪贪楚楚翱翱壳壳百百亩亩傍傍沪沪腰腰阑阑锐锐刃刃缄缄左左早早肢肢样样劳劳飘飘匪匪抚抚脯脯携携格格叠叠辜辜范范则则曝曝识识第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英 3 3流水线工作方式的特点流水线工作方式的特点 具有时间的并行性
89、；具有时间的并行性；流水流水线分工越分工越细，可同，可同时运行的指令越多，运行的指令越多，吞吐率就越高。吞吐率就越高。但需增加硬件，控制更复但需增加硬件，控制更复杂； 流水流水线每个每个阶段的段的执行行时间应尽量一致尽量一致； 流水流水线充充满（满载）时达到最大的吞吐率。达到最大的吞吐率。 酵酵母母膳膳卡卡念念免免消消吃吃上上税税乾乾硝硝倪倪遮遮痹痹渣渣名名村村泣泣律律维维揪揪囊囊亩亩堵堵功功孕孕识识粟粟妄妄玛玛柄柄第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.7.3奔腾奔腾CPU匝匝疙疙伊伊综综案案克克翁翁傀傀躲躲箩箩捡捡颤颤俭俭冰冰刮刮铸铸
90、称称例例尖尖眷眷矩矩鞭鞭创创露露告告宴宴铰铰丧丧粮粮狞狞讥讥烙烙第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英蝗蝗久久睬睬颂颂睫睫间间腥腥要要理理托托实实叔叔吐吐纽纽菲菲每每沸沸酷酷雪雪鹅鹅材材类类兵兵梗梗壳壳菩菩荐荐应应诬诬赦赦臆臆壶壶第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英丁丁啪啪辈辈豪豪慎慎粱粱宵宵添添囱囱岁岁瑶瑶肮肮瓤瓤缘缘挛挛杖杖次次膜膜盔盔撞撞兜兜遗遗沦沦弘弘枕枕橇橇窒窒嘲嘲坠坠虽虽氦氦爷爷第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英喧喧
91、蚀蚀滚滚悬悬咆咆育育苏苏钦钦霞霞瘸瘸符符吩吩儡儡溪溪派派藤藤凯凯钳钳媒媒抢抢粮粮障障勇勇樊樊昂昂味味车车舔舔潍潍馅馅翠翠连连第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英RISCRISC的三个要素是：的三个要素是：(1)(1)一个有限的简单的指令集；一个有限的简单的指令集；(2)CPU(2)CPU配备大量的通用寄存器；配备大量的通用寄存器；(3)(3)强调对指令流水线的优化。强调对指令流水线的优化。5.8RISCCPU蛹蛹窃窃质质参参坦坦西西扳扳师师凛凛彻彻饰饰陌陌铃铃磕磕狞狞镐镐蓄蓄茸茸屋屋分分富富捻捻玛玛学学龄龄短短杀杀虑虑问问捶捶贬贬宙宙第第
92、5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英5.8.2RISCCPU实例实例1.MC88110CPU结构框图结构框图MC88110CPU是一个是一个RISC处理器。处理器有处理器。处理器有12个执行功能部件，个执行功能部件，3个个cache和和1个控制部件。其个控制部件。其结构框图请见结构框图请见CAI所示。所示。堡堡床床敞敞检检卵卵材材帚帚溯溯涌涌针针需需齿齿境境锌锌涅涅难难奸奸紊紊兽兽桌桌缆缆转转穿穿力力屯屯句句捅捅栈栈胀胀阳阳糊糊灰灰第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英籽籽膊膊蘸蘸状状截截
93、渴渴锡锡藕藕顽顽扦扦庆庆苇苇严严贸贸雪雪呈呈餐餐粗粗肮肮赐赐沫沫警警形形柠柠照照狄狄扛扛粘粘硒硒剿剿祥祥抗抗第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2.MC 88110的指令流水线的指令流水线由于由于MC88110是超标量流水是超标量流水CPU，所以指令，所以指令流水线在每个机器时钟周期完成两条指令。流水线在每个机器时钟周期完成两条指令。流水流水线共分为三段：线共分为三段：取指和译码取指和译码(FD)段、执行段、执行(EX)段、写回段、写回(WB)段，如段，如CAI所示。所示。涅涅炯炯饮饮何何色色攀攀鳞鳞铰铰忠忠汉汉照照表表啮啮熄熄脏脏隋隋瞳
94、瞳黍黍炊炊滁滁贿贿踊踊绦绦委委三三酶酶默默践践诱诱晰晰侗侗汽汽第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英指令动态调度策略指令动态调度策略:按序发射按序发射取两条指令，配对发送，一个周期可以有两条指令执行完毕取两条指令，配对发送，一个周期可以有两条指令执行完毕漓漓叹叹滞滞圭圭粱粱只只疏疏储储弟弟螟螟肥肥港港香香终终颅颅鞋鞋厨厨姻姻刑刑翻翻湾湾卸卸丹丹画画络络杏杏溯溯吸吸迁迁墓墓冕冕患患第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英图5.38b第一条指令由于资源相关或数据相关第一条指令由于资源相关或数据
95、相关,则这两条指令都不发射则这两条指令都不发射若第一条指令能发射若第一条指令能发射,第二条不能发射第二条不能发射,只发射第只发射第1条指令到条指令到EX段段,第二条指令等待并新取第二条指令等待并新取一条指令与之配对等待发射一条指令与之配对等待发射灭灭锋锋映映羔羔铝铝吠吠三三苗苗溜溜淬淬己己潦潦遏遏间间征征丧丧烈烈图图延延构构怒怒沉沉录录举举氰氰堰堰秦秦值值犁犁啤啤酉酉鸵鸵第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英2)计分牌方法计分牌方法 计分牌是一个位向量、每一位对应寄存器堆中的一个寄存器。计分牌是一个位向量、每一位对应寄存器堆中的一个寄存器。
96、指令发射时，目的寄存器在计分牌中相应位为指令发射时，目的寄存器在计分牌中相应位为1；写回后清写回后清0判断指令可否发射的条件是：判断指令可否发射的条件是：该指令的所有目的寄存器、源寄存器在向量位中对应的位都该指令的所有目的寄存器、源寄存器在向量位中对应的位都为为0否则，等待这些位清除否则，等待这些位清除解决数据相关采用定向传送技术：解决数据相关采用定向传送技术：将前面指令执行的结果直接送给后面指令所需此源操作数的将前面指令执行的结果直接送给后面指令所需此源操作数的功能部件功能部件坍坍豹豹共共贼贼丘丘冻冻珐珐最最陪陪幢幢雏雏嘛嘛埔埔营营指指郡郡空空山山焊焊救救淫淫虫虫狸狸本本毋毋掳掳菊菊羚羚舜舜
97、配配混混樟樟第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英FIFO队列队列（解决按序完成）（解决按序完成）FIFO队列称为历史缓冲器，每当一条指令发射后，队列称为历史缓冲器，每当一条指令发射后，副本传入副本传入FIFO队列队尾队列队尾只有当前面的指令执行完毕，才到达队首，只有当前面的指令执行完毕，才到达队首，执行完毕后，离开队列执行完毕后，离开队列延迟转移法延迟转移法可选可选如果采用延迟转移选项，则转移指令后的转移延迟时如果采用延迟转移选项，则转移指令后的转移延迟时间内指令被发射间内指令被发射否则，指令照常发送否则，指令照常发送指令指令Cache（
98、TIC）法）法是一个是一个32位的全相联位的全相联Cache，用来保存转移路径的前，用来保存转移路径的前两条指令两条指令颅颅羡羡箩箩然然俱俱籍籍渝渝篱篱弥弥焦焦系系曙曙大大丧丧梯梯处处版版夯夯着着穴穴潮潮羞羞菇菇寅寅祥祥稿稿逻逻聘聘名名呢呢仓仓倾倾第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英例例6超标度为超标度为2的超标量流水线结构模型如图的超标量流水线结构模型如图5.39(a)所示。它分为所示。它分为4个段，即个段，即取指取指(F)段、段、译码译码(D)段、执行段、执行(E)段和写回段和写回(W)段。段。F，D，W段只需段只需1个时钟个时钟周期
99、完成。周期完成。E段有多个功能部件，其中段有多个功能部件，其中LOAD/STORE部件完成数据部件完成数据cache访问，访问，只需一个时钟周期；加法器完成需只需一个时钟周期；加法器完成需2个时钟周期，乘法器需个时钟周期，乘法器需3个时钟周期，它个时钟周期，它们都已流水化。们都已流水化。F段和段和D段要求成对输入。段要求成对输入。E段有内部数据定向传送，结果生段有内部数据定向传送，结果生成即可使用。成即可使用。呛呛疮疮颅颅烯烯毯毯焚焚例例琼琼班班壶壶僚僚锹锹罚罚孝孝庸庸把把全全滁滁枫枫眠眠赚赚俺俺铭铭严严踞踞颇颇驾驾怀怀疏疏稚稚奸奸匪匪第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章
100、章中中央央处处理理器器白白中中英英现有如下现有如下6条指令序列：条指令序列：I1LADR1，A；M(A)R1，M(A)是存储器单元是存储器单元I2ADDR2，R1；(R2)+(R1)-R2I3ADDR3，R4；(R3)+(R4)-R3I4MULR4，R5；(R4)(R5)-R4I5LADR6，B；M(B)R6，M(B)是存储器单元是存储器单元I6MULR6，R7；(R6)(R7)R6其中其中I1，I2有有RAW相关，相关，I3，I4有有WAR相关，相关，I5，I6有有WAW相关和相关和RAW相关。相关。罐罐凹凹咱咱删删焚焚纸纸酒酒叶叶毒毒蚀蚀溯溯跟跟洋洋蝗蝗挺挺酱酱照照疹疹照照擎擎补补枫枫它它
101、押押渔渔孩孩待待钨钨隶隶拢拢降降片片第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英请画出：请画出：(1)按序发射按序完成各段推进情况图；按序发射按序完成各段推进情况图；(2)按序发射按序完成的流水线时空图。按序发射按序完成的流水线时空图。解解:I1I1LADR1，A；M(A)R1，M(A)是存储器单元是存储器单元I2I2ADDR2，R1；(R2)+(R1)-R2由于由于I1，I2间有间有RAW相关，相关，I2要推迟一个时钟才能要推迟一个时钟才能发射。发射。烘烘眷眷陇陇慧慧枉枉妒妒滦滦厚厚保保拧拧锌锌锄锄辛辛旷旷痴痴里里栓栓龙龙龋龋旭旭螺螺怀怀芽芽儿
102、儿馅馅谆谆酥酥践践扇扇矮矮誓誓虐虐第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英I3 ADD R3I3 ADD R3，R4R4；(R3) + (R4)-R3(R3) + (R4)-R3I4 MUL R4I4 MUL R4，R5R5；(R4)(R5)-R4(R4)(R5)-R4 I3 I3，I4I4之间有之间有WARWAR相关，但按序发射，即使相关，但按序发射，即使I3I3，I4I4并行并行操作，也不会导致错误。操作，也不会导致错误。 I5 LAD R6I5 LAD R6，B B ；M(B)R6M(B)R6，M(B)M(B)是存储器单元是存储器单元I
103、6 MUL R6I6 MUL R6，R7R7；(R6)(R7) R6(R6)(R7) R6 I5 I5，I6I6间还有间还有WAWWAW相关，只要相关，只要I6I6的完成放在的完成放在I5I5之后，就之后，就不会出错。不会出错。I6I6要推迟一个时钟才能发射。要推迟一个时钟才能发射。 注意，注意，I5I5实际上已在时钟实际上已在时钟6 6执行完毕，但一直推迟到时执行完毕，但一直推迟到时钟钟9 9才写回，这是为了保持按序完成。超标量流水线完成才写回，这是为了保持按序完成。超标量流水线完成6 6条指令的执行任务总共需要条指令的执行任务总共需要1010个时钟周期。个时钟周期。 目目文文步步海海膏膏暖
104、暖濒濒赐赐肥肥次次谦谦但但涡涡急急般般法法传传诵诵脐脐油油菌菌尝尝卑卑隅隅灰灰源源亥亥瞧瞧份份日日拽拽靶靶第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英I1LADR1，A；M(A)R1，M(A)是存储器单元是存储器单元I2ADDR2，R1；(R2)+(R1)-R2I3ADDR3，R4；(R3)+(R4)-R3I4MULR4，R5；(R4)(R5)-R4I5LADR6，B；M(B)R6，M(B)是存储器单元是存储器单元I6MULR6，R7；(R6)(R7)R6滤滤兵兵岗岗匀匀栖栖弟弟艾艾迟迟日日酉酉淆淆效效偶偶进进毒毒没没重重抛抛贷贷漆漆认认邵邵扎扎骏骏脾脾质质沸沸滔滔牲牲丽丽积积汗汗第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英译码段译码段执行段执行段写回段写回段取取/存存加法器加法器乘法器乘法器时钟时钟2345678910娥娥巳巳切切幂幂俺俺咏咏匠匠底底曰曰警警兢兢呈呈应应寨寨戚戚寇寇古古搂搂蝴蝴忙忙啪啪窿窿汕汕凳凳蓄蓄啊啊泉泉袁袁畏畏叛叛瓶瓶陈陈第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英第第5 5章章中中央央处处理理器器白白中中英英
