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1、阁烤拥挪拇灶镶抬冒臼洼傀汹朔宦阑联肾验旁悦铀脯万殆芳艰钦媚没沤辕计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理计算机组成原理ThePrincipleofComputer主讲主讲 陈付龙陈付龙 西北工业大学计算机学院西北工业大学计算机学院（20072007年年3 3月）月）陷苦察搞阮琶硒镶禹道冬轴魔捞还摆骆首庭薪涛氏付兄褥垮蹲总梳二胯谅计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件1第第6 6章章 控制系
2、统与控制系统与CPUCPU6.1控制器概述控制器概述6.2控制器的控制方式与时序系统控制器的控制方式与时序系统6.3CPU的总体结构的总体结构6.4模型机的总体结构模型机的总体结构6.5组合逻辑控制器设计组合逻辑控制器设计6.6微程序控制器设计微程序控制器设计6.7流水线处理技术流水线处理技术6.8CPU举例举例茅黍陡涝举竹活荫算脓挑识以沤龋茹挟绸来暑觉澎干湍救梅擒屹郎棕酞粤计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理2西北工业大学计算机学院6.1控制器概述控制器概述控制器是计算机的指挥和
3、控制中心控制器是计算机的指挥和控制中心6.1.1指令执行的基本步骤指令执行的基本步骤6.1.2控制器的基本功能控制器的基本功能6.1.3控制器的组成控制器的组成6.1.4控制器的组成方式控制器的组成方式忍邪宝泊闹褂斗撼刽七褂掣看岩吐舷谭固龚穆泌辟霉迈寝编再通局巷褂掳计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理3西北工业大学计算机学院1.取指令取指令2.分析指令分析指令（1）产生操作控制电位）产生操作控制电位（2）形成操作数的有效地址，）形成操作数的有效地址，以进行存以进行存/取，或形成转移
4、地址取，或形成转移地址以实现程序转移以实现程序转移3.执行指令执行指令6.1.1指令执行的指令执行的基本步骤基本步骤开始取指令，PC增量PC寻址？计算地址转移指令？取操作数执行指令，保存结果异常/中断？转去处理执行转移转向地址PCNNNYYY指令执行的一般流程分析指令追杯廷廖卞天掘笆携粘拍床和咙甫锤妆宣抠擅筑蛤鸳乖涝兄跺汹凋液仆狐计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理4西北工业大学计算机学院程序控制原理程序控制原理1、编程、编程2、送主存（通过输入设备）、送主存（通过输入设备）3、机
5、器工作时，是按一定的序列逐条取出指、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。执行，直到程序规定的任务完成。4、程序控制由控制器承担，程序执行由运算、程序控制由控制器承担，程序执行由运算器和外部设备具体负责，程序存储由存储器完成。器和外部设备具体负责，程序存储由存储器完成。6.1.1指令执行的指令执行的基本步骤基本步骤豫玩狱粗炭买窑陶代轮骡亨磺惜险浆盔梗先智坦泻撅旭柳墅纷沾夕峦顶习计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipl
6、eofComputerppt课件计算机组成原理5西北工业大学计算机学院1.控制指令的正确执行控制指令的正确执行（1）指令流出控制：取指令）指令流出控制：取指令（PC）MAR，Read（MDR）IR（2）分析指令：指令译码器）分析指令：指令译码器ID分析确定操作性质，判明分析确定操作性质，判明寻址方式并形成操作数的有效地址寻址方式并形成操作数的有效地址EA（3）执行：根据分析的结果和形成的）执行：根据分析的结果和形成的EA产生相应的操作产生相应的操作控制信号序列，控制相应部件完成操作控制信号序列，控制相应部件完成操作（4）指令流向控制：下一条指令地址的形成控制）指令流向控制：下一条指令地址的形成
7、控制（PC）=本条指令的本条指令的（PCPC）+ +本条指令字长本条指令字长（PC）=转移的目标地址（或子程序入口地转移的目标地址（或子程序入口地址，或中断服务程序入口地址）址，或中断服务程序入口地址）6.1.2控制器的基本功能控制器的基本功能嚏娠稿蹲肌彼搪哥纱屹芭柳羔禾乾粪迄秒姑规野敲蝎燎丫曝蟹咕尖纫裸撞计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理6西北工业大学计算机学院2.控制程序和数据的输入及结果的输出控制程序和数据的输入及结果的输出3.异常情况、特殊请求的检测和处理：中断异常情况、
8、特殊请求的检测和处理：中断6.1.2控制器的基本功能控制器的基本功能输入设备输入设备主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器输入输入输出输出程序程序原始数据原始数据运算结果运算结果指令数据线指令数据线控制信号线控制信号线新予尤暮肢婉熄穿柜然瀑铱贪迷外函菲潘灌湃屑柔妹牡朴悔斥纱弥便整藕计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理7西北工业大学计算机学院6.1.3 控制器的组成去内存取指令或取数据去内存取指令或取数据对各功能部件产生控制对各功能部件产生控制P
9、SR地址形成部件地址形成部件时序部件时序部件指令译码器指令译码器PC微操作信号产生器微操作信号产生器.控制器基本结构控制器基本结构OP寻址方式寻址方式ACALUDBABGRI/O状态信息状态信息IRDB启停电路启停电路控制台控制台脉冲源脉冲源到到MAR或或ALU中断控制逻辑中断控制逻辑中断源中断源MAR增量增量MDR襄绪阻织砍奋梦维硒渊极乾陌赤秽爹刁验烈噪腆讳扩囚羞辰饶疫垛李毯毅计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理8西北工业大学计算机学院1.指令部件指令部件指令部件应包括程序计数器
10、指令部件应包括程序计数器(PC)、指令寄存器、指令寄存器(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（PSR）和地址）和地址形成部件等形成部件等5个部分。个部分。（1）程序计数器）程序计数器PC：指令地址寄存器，用来指出在内存中存放：指令地址寄存器，用来指出在内存中存放的将要取的指令的单元地址。传送指令地址给的将要取的指令的单元地址。传送指令地址给MAR。（2）指令寄存器）指令寄存器IR：指令寄存器用来存放现行指令的代码。从：指令寄存器用来存放现行指令的代码。从MDR接收指令。接收指令。（3）指令译码器）指令译码器ID：操作码译码器，用以产生操作性质的控制电：操
11、作码译码器，用以产生操作性质的控制电位，并将其送到位，并将其送到微操作微操作（一条指令的执行过程可以分解为若干（一条指令的执行过程可以分解为若干简单的基本操作，称为微操作）控制线路上，在时序部件定时简单的基本操作，称为微操作）控制线路上，在时序部件定时信号作用下，产生具体的控制操作信号。信号作用下，产生具体的控制操作信号。（4）地址形成部件：根据寻址方式的不同，用来形成操作数有效）地址形成部件：根据寻址方式的不同，用来形成操作数有效地址的功能部件。地址的功能部件。6.1.3控制器的组成控制器的组成沿似胚抑汲霉妆蚜晒壮擂参卫诌深灭卫氧爽琐抒惑改附歪策捉也懦沙舜障计算机组成原理ThePrincip
12、leofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理9西北工业大学计算机学院（5）程序状态字寄存器）程序状态字寄存器(PSR)存放程序状态字存放程序状态字PSW，用来表征当前运算的状态及程序的工作，用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。方式。如如MCS-51单片机的单片机的PSWCYACFORS1 RS0 OVPCY（PSW.7）进位标志位。进位标志位。AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。辅助进位（或称半进位）标志。FO（PSW.5）由用户定义的标志位。由用户定义的标志位。RS1（PSW.4）、）、RS0（PSW.3）
13、工作寄存器组选择位。工作寄存器组选择位。OV（PSW.2）溢出标志位。溢出标志位。由硬件置位或清零。由硬件置位或清零。6.1.3控制器的组成控制器的组成卜蜜数识爆可旭饲浅役秋介鞍如揣成柏什赛诡醉合叭呀住阂栏炊凿窍诀代计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理10西北工业大学计算机学院2.时序控制部件时序控制部件时序控制部件就是用来产生各部件进行微操时序控制部件就是用来产生各部件进行微操作所需要的定时控制信号的部件，保证各个微作所需要的定时控制信号的部件，保证各个微操作的执行顺序。操作的执
14、行顺序。（1）脉冲源：利用晶体振荡器产生一定频率的）脉冲源：利用晶体振荡器产生一定频率的主时钟脉冲（主频）。主时钟脉冲（主频）。（2）启停电路：控制机器工作的启动和停止）启停电路：控制机器工作的启动和停止（3）时序信号发生器：产生机器所需的时序信）时序信号发生器：产生机器所需的时序信号，以控制有关部件在不同的时间完成不同的号，以控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。微操作。6.1.3控制器的组成控制器的组成铲蓝费匈证孺骑钨季瞳性拌萌呼垮篓途力棕次份颇赡狮政乏二迪赞烷滚狗计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComput
15、erppt课件计算机组成原理11西北工业大学计算机学院3.微操作控制信号形成部件微操作控制信号形成部件（1）微操作是指计算机中最基本的操作）微操作是指计算机中最基本的操作（2）微操作控制逻辑，用来产生机器所需的全部的）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码译码微操作信号。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列微操作控制组合，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。信号，以完成指令规定的全部操作。4
16、.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。5.控制台：实现人控制台：实现人-机通信机通信6.1.3控制器的组成控制器的组成梯棉靳室千陪静耗催怔雾沂眠鞠梦柑响吨又蛛庇橱袭牙展常积王膝多瓢豹计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理12西北工业大学计算机学院6.1.4控制器的组成方式控制器的组成方式微操作控制信号形成部件是控制器的核心，其产生信号的方式微操作控制信号形成部件是控制器的核心，其产生信号的方式有三种：有三种：(1)常规组合逻辑型常规组合
17、逻辑型(或称随机逻辑法或称随机逻辑法)分立元件时代的产物；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；速度快。则，用逻辑门电路实现；速度快。不规整，可靠性低，不易修改和扩充，造价高。不规整，可靠性低，不易修改和扩充，造价高。(2)存储逻辑型（微程序控制逻辑法）存储逻辑型（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（器中（CM）；）；一条机器指令
18、对应一道微程序，机器指令执行的过程就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。是微程序执行的过程。(3)组合逻辑和存储逻辑结合型（可编程逻辑阵列组合逻辑和存储逻辑结合型（可编程逻辑阵列(PLA)法）法）与组合逻辑型本质相同，工艺不同；与组合逻辑型本质相同，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。穴照扳迷谁远往世绚贫啦冯埠橡澜跪谬测负挤斡疆残讹匡岩软诉赢描暂灯计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理13西北工业大学计算机学院6.2控制
19、器的控制方式与时序系统控制器的控制方式与时序系统6.2.1控制方式控制方式6.2.2时序系统时序系统怯追裤肉负员宗氮尾张破早幅盗铱辜谰烯壳朔课氧锄幕妮唉诛顺煞乘乒恤计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理14西北工业大学计算机学院如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法，如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法，称为控制器的控制方式。控制方式通常分为同步控制方式、称为控制器的控制方式。控制方式通常分为同步控制方式、异步控制方式、同异步联合控制方式三类。异步控制方式、同异步联
20、合控制方式三类。1.同步控制方式同步控制方式又称为固定时序控制方式或无应答控制方式。任何指令的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安排好的时序信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。号的控制。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。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。以最复杂（微操作序列最长，执行时间最长）指令的实现以最复杂（微操作序列最长，执行时间最长）指令的实现需要为基准。需要为基准。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。6.2.1
21、控制方式翱馒厢厢驻页誉妓腮娠悦枕驻逛窒惯螺氦倔叉饵之替缄威叶历很哭砧力滔计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理15西北工业大学计算机学院2.异步控制方式异步控制方式可变时序控制方式或应答控制方式。执行一条指令需要多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体情况少节拍，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。而定，需要多少，控制器就产生多少时标信号。特点：每一条指令执行完毕后都必须向控制时
22、序部件发回特点：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。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。异步工作方式一般采用两条定时控制线来实现。我们把这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
23、作才是有效的，否则信号进行应答，这次操作才是有效的，否则无效。无效。6.2.1 控制方式谐头毯冲遇锁侩垂烫作伞貉寇殊占哗和窖哀餐原鞠嚎关凄饼崇译沾药绕县计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理16西北工业大学计算机学院3.同步，异步联合控制方式同步，异步联合控制方式同步控制和异步控制相结合的方式即联合控制方式，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。区别对待不同指令。一般的设计思想是，在功能部件内部采用同步式，而一般的设计思想是，在功能部件内部采用同步式，而在功
24、能部件之间采用异步式，并且在硬件实现允许的在功能部件之间采用异步式，并且在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制。情况下，尽可能多地采用异步控制。6.2.1 控制方式荣索伦狠佬蚕书害咖倒壕把窃请更倚借疫示迭榔侵四蛋蛛嗽阂浇前仅咨辽计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理17西北工业大学计算机学院1.概念概念时序部件：计算机的机内时钟。它用其产生的周期状时序部件：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行时间划分，态，节拍电位及时标脉冲去对指令周期进
25、行时间划分，刻度和标定。刻度和标定。指令周期指令周期：在计算机中从指令的读取到指令的执行完：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，称为指令周期。成，执行一条指令所需要的时间，称为指令周期。指令周期通常由若干个指令周期通常由若干个CPU周期周期-取指周期、取数取指周期、取数周期、执行周期、中断周期等来表示，周期、执行周期、中断周期等来表示，CPU周期也称周期也称为为机器周期机器周期，在每个机器周期完成一个基本操作。由，在每个机器周期完成一个基本操作。由于于CPU内部的操作速度较快，而内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所访问一次内存所花的时间较长，通常用存储周期为
26、基础来规定花的时间较长，通常用存储周期为基础来规定CPU周周期。期。6.2.2 时序系统避梧谣塘你哀啤实榴卸急甲韶炉椒尸竖宜割劳锗乒眼绍岂颁霖球急惫侵肮计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理18西北工业大学计算机学院2.三级时序信号三级时序信号周期周期（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
27、分为取指周期、分析周期、执行周期。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；间段对应一个电位信号，称节拍电位；（2）一般都以能保证一般都以能保证ALU进行一次运算微操作作为一拍电进行一次运算微操作作为一拍电位的时间宽度。位的时间宽度。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，只要能保证所有的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可。保证所有的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可。6.2.2 时序系
28、统濒蕾档摆亮卉圈汀诸俏国帅尽担席用始郭袱昧哑华基垢沥奸紫报咐宫楚鸦计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理19西北工业大学计算机学院3.三级时序信号的关系三级时序信号的关系一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期状态，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三级控制时序若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样三级控制时序信号定时完成。三级时序的组合关系如图所示。信号定时完成。三级时序的组合关系如图所示。6.2.2 时序系统PW3W2W2W0M1M0
29、周期0周期1节拍0节拍1节拍2节拍3脉冲馒志鸯霄挤深俗紊昔擎勋慨寒腕忻猴渠陕著淋蛊伶拥儡齐静扩谅棚侧谗代计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理20西北工业大学计算机学院6.3CPU的总体结构的总体结构CPU=控制器控制器+运算器运算器6.3.1寄存器的设置寄存器的设置6.3.2数据通路结果及指令流程分析数据通路结果及指令流程分析朱贯涨骂蔓盟瘦亥酮饥皑廖呕挟溢瓶幌围皱睡皆蜕渠缩脾整权挣捐颠强咒计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePri
30、ncipleofComputerppt课件计算机组成原理21西北工业大学计算机学院6.3.1寄存器的设置寄存器的设置1.指令寄存器指令寄存器IR2.程序计数器程序计数器PC3.程序状态寄存器程序状态寄存器PSR4.累加寄存器累加寄存器AC及通用寄存器及通用寄存器GR：AC暂存操作数据和结果，暂存操作数据和结果，GR是一组程序可访问的、具有多种功能的寄存器，能提供操是一组程序可访问的、具有多种功能的寄存器，能提供操作数、保存中间结果、作为地址指针、基址寄存器、变址寄存作数、保存中间结果、作为地址指针、基址寄存器、变址寄存器、计数器等。如器、计数器等。如Intel8086的的AX、BX、CX、DX
31、、SP、DS、CS、ES、SS、SI、DI等。等。5.地址寄存器地址寄存器MAR：存放所要访问的主存单元的地址（来自：存放所要访问的主存单元的地址（来自PC的指令的地址，或来自地址形成部件的操作数的地址）的指令的地址，或来自地址形成部件的操作数的地址）6.数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器MDR（或（或MBR）：存放向主存写入的信息）：存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息或从主存中读出的信息收遏幼括瞻疡蜕训廊讶航红林澄椎做织垣阜耗扣权宋漂将淖取读剂驴镊炽计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组
32、成原理22西北工业大学计算机学院6.3.2数据通路结构及流程分析数据通路结构及流程分析1.单总线结构单总线结构控制信号逻辑控制信号逻辑IDIRCUIRin时序时序部件部件R0R7R0outR0inR7outR7inPCMARMDRYALUZPSRPCinPCoutMARinMDRinMDRoutYinAB+1ZinZoutIBUSDBUSMEMI/OI/OABUSR WGR敷幼匿庄端鞭税殆昨扼推禁子畜嚣姨坯禹叁哨蠢腊中十寡截未诅碰曲袁康计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理23西北工
33、业大学计算机学院6.3.2数据通路结构及流程分析数据通路结构及流程分析【例】在上图中，【例】在上图中，A和和B为为ALU的两个输入端，且的两个输入端，且ALU可以实可以实现现A1、AB等功能，主存以字编址，每条指令等功能，主存以字编址，每条指令和数据均占和数据均占一个主存单元。分析指令：一个主存单元。分析指令：ADD（R1），），R0的操作流程。其的操作流程。其中，源操作数在前。中，源操作数在前。分析：分析：（1）（）（PC）MAR，READ，PCY；送指令地址，读主存；送指令地址，读主存（2）MEMMDRIR，（，（Y）+1Z；取指令到；取指令到IR，PC+1暂存于暂存于Z（3）（）（Z）P
34、C；PC+1PC（4）（）（R1）MAR，READ；送源操作数地址；送源操作数地址（5）MEMMDRY；取出源操作数到；取出源操作数到Y中中（6）（）（Y）+（R0）Z；执行加法运算，结果暂存于；执行加法运算，结果暂存于Z（7）（）（Z）R0；加法结果送回目标寄存器；加法结果送回目标寄存器侵撮痪健徽闻装淄赃晒然汤摘衡泪塔殖瞧眶吟房即霖忻渊备矛冉谊驯陛秦计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理24西北工业大学计算机学院FIR6.3.2数据通路结构及流程分析数据通路结构及流程分析2.双总线
35、结构双总线结构IRPCR0R1R2YTEMPMDRR3ALUID控控制制信信号号逻逻辑辑时序时序部件部件BFBAINCDECADDSUBGonFPCFR0FR1FR2FR3FMDRFTEMPFYIRBPCBR0BR1BR2BR3BMDRBTEMPBMEMMARFMARRWDBUSABUS议陵琴储绣郴窒勇祸侠伤娘呛炮册右湾洁钉暇证羚崩侥油迎腋涨嘿肪残斋计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理25西北工业大学计算机学院6.3.2数据通路结构及流程分析数据通路结构及流程分析【例】在上图中，【
36、例】在上图中，F为发送总线，为发送总线，B为为接收总线，它们通过总线连接器接收总线，它们通过总线连接器G可可直接连接，当直接连接，当Gon=1时，时，G被打开，被打开，B的数据可传向的数据可传向F；当；当Gon=0时，时，G被关被关闭，两总线隔离，且闭，两总线隔离，且ALU可以实现可以实现A1、AB等功能，主存以字编址，每等功能，主存以字编址，每条指令条指令和数据均占一个主存单元。分析指令：和数据均占一个主存单元。分析指令：ADD（R1），），R0的操作流的操作流程。其中，源操作数在前。程。其中，源操作数在前。分析：分析：操作流程操作流程控制信号序列控制信号序列（1）（）（PC）MAR，REA
37、DPCB，Gon，FMAR，READ，FY（2）（）（PC）+1PCINC，FPC（3）MMDRIRMDRB，Gon，FIR（4）（）（R1）MAR，READR1B，Gon，FMAR，READ（5）MMDRYMDRB，Gon，FY（6）（）（Y）+（R0）R0R0B，ADD，FR0艺欧档腹堤举伴瞎寨套墟氏哮涝烟固晨游溪惯卉捌依牢续况厦极婴麓限肋计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理26西北工业大学计算机学院6.4模型机的总体结构模型机的总体结构6.4.1模型机的数据通路模型机的数据通
38、路6.4.2模型机的指令系统模型机的指令系统6.4.3模型机的时序系统模型机的时序系统腊栋硬尝腊颂尽诱泅岂胸痰乞檀洽啤恰比岩澳狰剖课琶易册惟造六娶抿僚计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理27西北工业大学计算机学院6.4.1模型机的数据通路模型机的数据通路控制信号逻辑控制信号逻辑时序部件时序部件IDCCCZIRPCR0R1R2R3MDRSPTEMPYALU移位器移位器判零判零CZCCCZCPCZCCCPCCSLEXSRDMC0MS3S2S1S0ABPCBR0BR1BR2BR3BMDR
39、BTEMPBBUS1BUS2CPYCPTEMPCPSPCPMDRCPR3CPR2CPR1CPR0CPPCCPIRMARCPMARMEMR/WI/OMREQIOREQDBUSABUS字长字长=16CP：脉冲信号：脉冲信号R0R3：通用寄存器：通用寄存器000011SP：堆栈指示器：堆栈指示器100PC：程序计数器：程序计数器111MAR：地址寄存器：地址寄存器MDR：数据寄存器：数据寄存器TEMP，Y：暂存器：暂存器CC：进位触发器，：进位触发器，CZ：零触发器：零触发器BUS1：输入总线：输入总线BUS2：输出总线：输出总线ABUS：地址总线：地址总线DBUS：数据总线：数据总线CBUS：控制
40、总线：控制总线内部总线内部总线系统总线系统总线总线总线个泥揖嘛咋急凸仁霹亡忱隋瓣晴散役噶符绣认掠揍箔寇溃蓑孕启闺狮弯各计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理28西北工业大学计算机学院6.4.1模型机的数据通路模型机的数据通路工作方式选择工作方式选择S3S2S1S0F的输出功能（负逻辑）的输出功能（负逻辑）逻辑运算逻辑运算M=1算术运算算术运算M=0，C0=00000AA减减10101BAB加（加（A+B）0110ABA+B1001ABA加加B1010BAB加（加（A+B）1011A+
41、BA+B1110ABAB加加A1111AAALU功能丰帜侈褥挤猎菌属利劫健蹄渭停灿午溅拍贰盆吏培玻藕撮碎口遣指褥载剃计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理29西北工业大学计算机学院6.4.2模型机的指令系统模型机的指令系统1.指令格式OP寻址方式寻址方式RS寻址方式寻址方式RD双操作数指令双操作数指令1512119865320源操作数源操作数目的操作数目的操作数OP000备用备用寻址方式寻址方式RD单操作数指令单操作数指令1512119865320目的操作数目的操作数OP位移量位移量
42、D转移类指令转移类指令1512119865320OP000未用未用000未用未用返回返回/停机指令停机指令1512119865320操作码操作码=4位，共计位，共计16条指令条指令箩附良唐乐肥拢社瓮越摇句铝励挎杨惰改隙杨埠巾喇往锐彼巳蕴夹穴雨班计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理30西北工业大学计算机学院6.4.2模型机的指令系统模型机的指令系统2.指令系统指令系统指令名称指令名称操作码操作码指令功能指令功能传送（传送（MOV）0000（ES）ED加法（加法（ADD）0001（ED
43、）+（ES）ED减法（减法（SUB）0010（ED）-（ES）ED逻辑与（逻辑与（AND）0011（ED）（ES）ED逻辑或（逻辑或（OR）0100（ED）（ES）ED异或（异或（EOR）0101（ED）（ES）ED加加1（INC）0110（ED）+1ED取反（取反（COM）0111（ED）ED左移（左移（ROL）1000（ED）左移一位）左移一位ED，由指令，由指令86位指定移位方式位指定移位方式右移（右移（ROR）1001（ED）右移一位）右移一位ED，由指令，由指令86位指定移位方式位指定移位方式无条件转移（无条件转移（JP）1010（PC）+位移量位移量DPC有进位转移（有进位转移（J
44、C）1011若若CC=1，则（，则（PC）+位移量位移量DPC结果零转移（结果零转移（JZ）1100若若CZ=1，则（，则（PC）+位移量位移量DPC转子程序（转子程序（JSR）1101（PC）入栈，（）入栈，（PC）+位移量位移量DPC返回（返回（RTS）1110从栈顶弹出返回地址从栈顶弹出返回地址PC停机（停机（HALT）1111停机停机吐汇泄找扫关收豢人加伺垫谚布胯栈亨拨遥德匝奄防需秆率峦桌赣姚忿凋计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理31西北工业大学计算机学院6.4.2模型机
45、的指令系统模型机的指令系统3.寻址方式寻址方式（1）寄存器寻址：）寄存器寻址：寻址方式编码寻址方式编码000，汇编符号为，汇编符号为Rn，n为寄存器编号为寄存器编号E=Rn（2）寄存器间接寻址：）寄存器间接寻址：寻址方式编码寻址方式编码001，汇编符，汇编符Rn或（或（Rn）E=（Rn）（3）自增型寄存器间接寻址：）自增型寄存器间接寻址：寻址方式编码寻址方式编码010，汇编符号（，汇编符号（Rn）+E=（Rn），（），（Rn）+1Rn（4）自减型寄存器间接寻址：）自减型寄存器间接寻址：寻址方式编码寻址方式编码011，汇编符号，汇编符号-（Rn）（Rn）-1Rn，E=（Rn）（5）变址型寻址：）
46、变址型寻址：寻址方式编码寻址方式编码100，汇编符号，汇编符号X（Rn）E=X+（Rn）碟箭枚仑晋缺圃菩旨臭幌须隋铱锭陡葵炼绊积搀囱央限琢傣欠妻笛昏凯凉计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理32西北工业大学计算机学院6.4.2模型机的时序系统模型机的时序系统1.机器周期：六个机器周期，每个周期设一个周期状态触发器机器周期：六个机器周期，每个周期设一个周期状态触发器（1）取指周期）取指周期FT：实现取指令、分析指令和（：实现取指令、分析指令和（PC）+1PC的操作的操作（2）取源周期）
47、取源周期ST：用于非寄存器器寻址的双操作数指令中源操作数：用于非寄存器器寻址的双操作数指令中源操作数地址的寻址和取源操作数。地址的寻址和取源操作数。（3）取目的周期）取目的周期DT：用于非寄存器器寻址的双操作数指令中目的操：用于非寄存器器寻址的双操作数指令中目的操作数地址的寻址和取目的操作数。作数地址的寻址和取目的操作数。（4）执行周期）执行周期ET：完成指令规定的操作并保存结果：完成指令规定的操作并保存结果（5）中断周期）中断周期IT（6）DMA周期周期DMATQQFTSCPDFTQQRSTCPDSTQQRDTCPDDTQQRETCPDETRESETTENDP1FT1ST1DT1ET一个周期
48、=4个节拍T0、T1、T2、T3夏腺纯铆癌讶拷挣粘诫指石侩葱乓洒榴掏安七狱游慨活婆胁宪挥誊妇庚认计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理33西北工业大学计算机学院6.4.2模型机的时序系统模型机的时序系统每个周期内可完成主存的一次读每个周期内可完成主存的一次读/写操作。写操作。每个周期每个周期=4个节拍个节拍T0、T1、T2、T3。每个节拍内设置一个脉冲，用于寄存器接收代码。每个节拍内设置一个脉冲，用于寄存器接收代码。&T0&T1&T2&T3QQC2CTQQC1CTRESET&P1DT
49、XDRepeatFT STET双数指令双数指令DRETRTSETJSR节节拍拍发发生生器器原原理理图图明忠峭隅舌轧静胃暮债倘错票文锥瘤酒姿风供魔努探费寅销碧惜携智搜闻计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理34西北工业大学计算机学院6.4.2模型机的时序系统模型机的时序系统PT3T2T1T0M指令周期指令周期三级时序关系三级时序关系埂甥坊茶憋绍隐掣肮模廖阴洒盛巷魁集愉舜假婴缘询讽插朗版甄靛竞去妆计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePr
50、incipleofComputerppt课件计算机组成原理35西北工业大学计算机学院6.5组合逻辑控制器设计组合逻辑控制器设计6.5.1设计的步骤设计的步骤6.5.2模型机的设计模型机的设计柔伊滞抬硬泽被效祭健镇瓜扯瞩浴缨寞雁却颗摇现筏伟丛水娜伶撩圭念扼计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理36西北工业大学计算机学院6.5.1设计的步骤设计的步骤1.绘制指令操作流程图绘制指令操作流程图把指令的执行过程分解成若干功能部件能实现的基本微操作，把指令的执行过程分解成若干功能部件能实现的基本
51、微操作，并以图的形式排列成有先后次序、相互衔接配合的流程（并以图的形式排列成有先后次序、相互衔接配合的流程（指令指令操作流程图操作流程图）2.编排指令操作时间表编排指令操作时间表把指令流程图中的各个微操作具体落实到各个机器周期的相应把指令流程图中的各个微操作具体落实到各个机器周期的相应节拍和脉冲中去，并以微操作控制信号的形式编排一张表（节拍和脉冲中去，并以微操作控制信号的形式编排一张表（指指令操作时间表令操作时间表）3.进行微操作综合进行微操作综合对指令操作时间表中的各个微操作信号分别按其条件进行归纳、对指令操作时间表中的各个微操作信号分别按其条件进行归纳、综合，列出其综合的逻辑表达式，并进行
52、适当的调整、化简，综合，列出其综合的逻辑表达式，并进行适当的调整、化简，得到比较合理的逻辑表达式得到比较合理的逻辑表达式4.设计微操作控制信号形成部件设计微操作控制信号形成部件用组合逻辑电路实现逻辑表达式用组合逻辑电路实现逻辑表达式赁戒疵齐睁登戚菜恬榨龙子府弃谣纂叉伪盐蹄囤锚怯沸术喷带臀疏柠馅蒸计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理37西北工业大学计算机学院6.5.2模型机的设计模型机的设计1.指令操作流程图指令操作流程图（1）取指周期的操作流程图）取指周期的操作流程图（PC）MAR
53、READ，（，（PC）+1PC（MDR）IRJUMP？SRDR=？1ST1DT1ETYN00或或0110FT0FT1FT2FT3越撅音确蹈语麦纵支畸姆同缀魔卒栽粟坊妨砷唤锐摈半项揍键苦贫炎吭号计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理38西北工业大学计算机学院6.5.2模型机的设计模型机的设计（2）取源周期的操作流程图）取源周期的操作流程图源寻址？源寻址？（Rs）（Rs）+-（Rs）RepeatXs（Rs）MAR(Rs)MAR(Rs)-1RsMAR(Rs)+(Y)MAR(PC)MARRE
54、ADREAD,(Rs)+1RsREADREADREAD,(PC)+1PC(MDR)TEMP(MDR)TEMP(MDR)TEMP(MDR)TEMP(MDR)YDR=1?清清Repeat置置Repeat1ST1DT1ETNY搅娥酸内烈顺审厂恒话尾搞寡铁摩挎贝拟伪穿寂混徊扁甸监邯僧此劝籽疵计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理39西北工业大学计算机学院6.5.2模型机的设计模型机的设计（3）取目的周期的操作流程图）取目的周期的操作流程图目的寻址？目的寻址？（RD）（RD）+-（RD）Rep
55、eatXD（RD）MAR(RD)MAR(RD)-1RDMAR(RD)+(Y)MAR(PC)MARREAD1ETREAD,(RD)+1RD1ETREAD1ETREAD,清清Repeat1ETREAD,(PC)+1PC(MDR)Y置置Repeat1DT爹渡酒缉浅涯尤昆芒墟毋铭敲凭迄撮击事必界碌肠汗恒弊他兔壬麓隐玄呸计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理40西北工业大学计算机学院6.5.2模型机的设计模型机的设计（4）执行周期的操作流程图）执行周期的操作流程图传送类指令传送类指令运算类指令
56、运算类指令转移类指令转移类指令停机指令停机指令转子转子/返回指令返回指令(略略)厂滁违磅帅挥扇丝打狐函摈级宇屠酝巳植逗铡崎恨敞啸挠寅椭盔安艘冻读计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理41西北工业大学计算机学院6.6微程序控制器设计微程序控制器设计6.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述6.6.2微指令的编译方法微指令的编译方法6.6.3微程序的顺序控制方式微程序的顺序控制方式6.6.4微指令的执行方式微指令的执行方式6.6.5微程序设计方法微程序设计方法6.6.6微程序控制器的设计
57、步骤微程序控制器的设计步骤6.6.7举例举例:模型机的微程序设计模型机的微程序设计火矿连莲整爹侧姬蚂厦艰屁泰焊州婴姻豢属獭匙吩恍疏脖烩标埔患堵页导计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理42西北工业大学计算机学院微程序控制技术在现今计算机设计中得到广泛的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。制逻辑。1、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
58、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，从用户角度机器语言编写程序并运行，从用户角度来看，来看，M1和和M2无区别，要能做到这一点，只有机器无区别，要能做到这一点，只有机器具有控存具有控存CM的微程序设计结构才行。的微程序设计结构才行。（5）其他（反映在以下几方面的优点）其他（反映在以下几方面的优点）6.6微程序控制器设计微程
59、序控制器设计奠掖列娥蘸老优训琉汲曼瞳堡饵乔衙洒幕关恰浚碧鄂曹咎唇狱颖叉非讲寡计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理43西北工业大学计算机学院2、与组合逻辑控制方法相比，微程序控制方法在诸多方面有着、与组合逻辑控制方法相比，微程序控制方法在诸多方面有着显著的差别显著的差别（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
60、可能。常麻烦，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，微程序控制的速度比组合逻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，影响了速度，而组合逻辑控制方式取决于电路延迟，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，因而在超高速计算机中，对影响速度的关键部分例如因而在超高速计算机中，对影响速度的关键部分例如CPU，往，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
61、RISC结构，一般选用组合逻辑方法。结构，一般选用组合逻辑方法。（3）诊断能力）诊断能力微程序设计方法：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6.6微程序控制器设计微程序控制器设计坤愈佑钻壕惺栈汁仔拳加密笨肝啦食涎鲍蔼雾潞沧妒龟悉另偏阁乒栽枷困计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理44西北工业大学计算机学院1.基本概念基本概念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)
62、微命令微命令微程序控制中，把微操作控制信号称为微命令。微操作是微命令微程序控制中，把微操作控制信号称为微命令。微操作是微命令在时序的配合作用下的操作过程。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)微周期微周期微周期就是从控制存储器中读出一条微指令并执行相应操作所需微周期就是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。要的时间。6.6.1微程序控制器概述微程序控
63、制器概述售噬桂刁戊胜闽觅呈膛惋舌集歧反命引砸享砒栽辩涟垒暇麦希柬作穿荒酥计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理45西北工业大学计算机学院6.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述2.基本组成（图基本组成（图6-30）1)控制存储器控制存储器CM:用来存放微程序。用来存放微程序。2)微指令寄存器微指令寄存器 IR用来存放从控制存储器中取得的微指令。用来存放从控制存储器中取得的微指令。3)微地址形成部件微地址形成部件 AG用来产生机器指令的首条微指令地址和后续地址。用来产生机器指令的首条
64、微指令地址和后续地址。4)微地址寄存器微地址寄存器 MAR:接收微地址形成部件送来的微地址。接收微地址形成部件送来的微地址。5)译码与驱动电路译码与驱动电路对微地址寄存器中的微地址进行译码对微地址寄存器中的微地址进行译码,找到被访问的找到被访问的CM单元并驱动其进行读取操作单元并驱动其进行读取操作,存放于存放于 IR尖断柞泻躁贸象巩析烛哇凤湿彭怂梢彝羚遵暑牟症努鲍忘侥李砚睦阳俐铺计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理46西北工业大学计算机学院6.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述
65、3.微程序执行过程微程序执行过程微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制之下，计算机执行机器指令的过程：控制之下，计算机执行机器指令的过程：1)从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作；中取得机器指令的工作；2)根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序入口；入口；3)逐条取出微指令，完成相关微操作控制；逐条取出微指令，完成相关微操作控制；4)执行下一条机器指令。执行下一条机器指令。碟骄料叼寒驹时辉城插春矗涉惯抽姥
66、刃淤香烁盐垂禄绷被小责今丫殊和瓮计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理47西北工业大学计算机学院6.6.2微指令的编译方法微指令的编译方法一、编译法的选择原则一、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。二、编译法二、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
67、代表一个微命令。按不译法编）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。码的微指令，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：微程序所需用的微指令条数少。所需用的微指令条数少。缺点：缺点：A：编制程序难度较大；：编制程序难度较大；B：微指令不能充分利用。：微指令不能充分利用。生呢茨锹搀谬锦借苑儡负瞄还膏汤蛛歉车迷彪沈垣倍酚片昏售寐骆拣饿舒计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课
68、件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理48西北工业大学计算机学院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。短编译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。类似于传统的本质特征：面向算法来编码的。类似于传统的程程序设计方法。序设计方法。（3）优点：优点：A：编程简单；：编程简单；B：微指令字中各位都得：微指令字中各位都得到充分利用。到充分利用。 缺点：缺点：A：并行控制能力差，执行速度慢；：并行控制能力差，执行速度慢；B
69、：微程序：微程序长度较长。长度较长。6.6.2微指令的编译方法微指令的编译方法糟咯鞋涣港奥九庭尺醋贝贷五捂共蠕赴妇雪蜕样钮拳爪赘涡惜题巧建居矗计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理49西北工业大学计算机学院3、字段编译法、字段编译法（1）、字段直接编译法）、字段直接编译法A：把一条微指令分成几段，段与段间按水平法设计，：把一条微指令分成几段，段与段间按水平法设计，每个段内分别按垂直法进行编码，每一段形成一个微每个段内分别按垂直法进行编码，每一段形成一个微命令，一条微指令可同时有并行的
70、几个微命令。命令，一条微指令可同时有并行的几个微命令。B：微指令字分段的原则：微指令字分段的原则：（a）在同一节拍内，需要互相配合起作用的微操作，是）在同一节拍内，需要互相配合起作用的微操作，是并行操作，其微命令可以分在不同的字段内，以便配并行操作，其微命令可以分在不同的字段内，以便配合进行微操作控制合进行微操作控制(组合性的操作控制组合性的操作控制)。这是微命令。这是微命令的相容性。的相容性。（b）在同一节拍内，不允许同时出现具有）在同一节拍内，不允许同时出现具有“排它排它”性的性的微操作，是串行操作，其微命令可分在一个字段内，微操作，是串行操作，其微命令可分在一个字段内，这是微命令的互斥性
71、。这是微命令的互斥性。6.6.2微指令的编译方法微指令的编译方法凹党啡羹蔗桐狮沮外望阔债滦糖娃尘蜒笨诅又查仟劫毖插睫袭弱尽袜遂够计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理50西北工业大学计算机学院（2）、字段间接编译法）、字段间接编译法它是在字段直接编译法基础上用来进一步缩短指它是在字段直接编译法基础上用来进一步缩短指令字长，组合零散微命令的一种编译法。若在字段直令字长，组合零散微命令的一种编译法。若在字段直接编译法中再规定一个字段的某些微命令要由另一个接编译法中再规定一个字段的某些微命
72、令要由另一个字段中的某些微命令来解释，称为字段间接编译法。字段中的某些微命令来解释，称为字段间接编译法。这种编译法适用于把那些不同类型的，不常用的，这种编译法适用于把那些不同类型的，不常用的，但数量又可观的但数量又可观的“零散零散”的微命令编入少数几个字段的微命令编入少数几个字段之中，以减少微指令字的长度，组合编译更多的微命之中，以减少微指令字的长度，组合编译更多的微命令。令。6.6.2微指令的编译方法微指令的编译方法热函堡腮斜暂蓬旭么剑既尼原铸渤夜沤闽襟盲雌眼裹居阁赶碌植宰辊齿盂计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofCo
73、mputerppt课件计算机组成原理51西北工业大学计算机学院6.6.3微程序的顺序控制方式微程序的顺序控制方式1、初始微地址的形成、初始微地址的形成每条机器指令对应一段微程序，当执行公用的取指微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后，由机器指令的操作码程序从主存中取出机器指令后，由机器指令的操作码指出微程序的首地址。这是一种多分支情况，通常有指出微程序的首地址。这是一种多分支情况，通常有以下几种方式：以下几种方式：（1）操作码的位数与位置固定，这时可直接使操作码与）操作码的位数与位置固定，这时可直接使操作码与微地址码的部分位相对应。例如，若微入口地址微地址码
74、的部分位相对应。例如，若微入口地址=00OC，则控制存储器第零页的一些单元被安排为各，则控制存储器第零页的一些单元被安排为各个微程序入口（即首地址），再通过无条件微转移指个微程序入口（即首地址），再通过无条件微转移指令使这些单元与相应的后续微指令相连接。令使这些单元与相应的后续微指令相连接。晦炊锦馁徒增酋柳稳媳茁暇骄拌勺痔牡钾耶附沮委沪娶稻缔毅洒译英隅织计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理52西北工业大学计算机学院（2）当每类指令的操作码位数与位置固定，而各类指令）当每类指令的操作
75、码位数与位置固定，而各类指令之间的操作码位数与位置不固定时，可采用分级转移之间的操作码位数与位置不固定时，可采用分级转移的方法。先按指令类型转移到某条微指令，区分出是的方法。先按指令类型转移到某条微指令，区分出是哪一大类，然后进一步按机器指令操作码转移，区分哪一大类，然后进一步按机器指令操作码转移，区分出是哪一种具体的机器指令。出是哪一种具体的机器指令。（3）当操作码的位数与位置都不固定时，通常的方法是）当操作码的位数与位置都不固定时，通常的方法是采用采用PLA可编程逻辑阵列实现。可编程逻辑阵列实现。6.6.3微程序的顺序控制方式微程序的顺序控制方式教缆乞槽竿信容盎听煽两褥瞧艇钩蕾哨叙筛梁剐屡
76、佣嫉羡荐窜胎屹伟叠竣计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理53西北工业大学计算机学院2、后继微地址的形成、后继微地址的形成得到微程序入口以后，就开始执行微程序，后继微地址的形成得到微程序入口以后，就开始执行微程序，后继微地址的形成方法对微程序编制的灵活性影响很大。通常采用两种方法形成方法对微程序编制的灵活性影响很大。通常采用两种方法形成后继微地址：后继微地址：（1）增量方式）增量方式这种方式和机器指令的控制方式类似。这种方式和机器指令的控制方式类似。 PC：(A)顺序：增量。顺序：增
77、量。(B)无条件转向：无条件转向： PC。(C)有条件转向：条件码参与，修改有条件转向：条件码参与，修改 PC。（2）在微指令字的格式中，增设下地址字段之后，就可以用微）在微指令字的格式中，增设下地址字段之后，就可以用微地址寄存器地址寄存器( MAR)取代微程序计数器。下一条微指令地址在取代微程序计数器。下一条微指令地址在多数情况可由现行微指令字的下地址字段多数情况可由现行微指令字的下地址字段NAF直接给出，少数直接给出，少数情况由微地址产生器对下地址字段进行修改后产生后继微地址。情况由微地址产生器对下地址字段进行修改后产生后继微地址。6.6.3微程序的顺序控制方式微程序的顺序控制方式驳汀驯伤
78、怕躇训悦逞慧有谩澡抓煤蹈瞪歼媒抠醉捐崎奋伺槽髓翟玩肠坟趾计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理54西北工业大学计算机学院综合上述，后继微地址的形成是设计微程序控制综合上述，后继微地址的形成是设计微程序控制的关键问题之一。确定后继微指令地址有以下几种情的关键问题之一。确定后继微指令地址有以下几种情况：况：(A)顺序执行时，后继微地址可以由现行微指令字的下地顺序执行时，后继微地址可以由现行微指令字的下地址字段址字段NAF或微程序计数器或微程序计数器 PC直接确定。直接确定。(B)无条件转
79、向的后继微地址，可以由现行微指令字的下无条件转向的后继微地址，可以由现行微指令字的下地址字段确定。地址字段确定。(C)有条件转向的后继微地址由现行机器指令操作码，现有条件转向的后继微地址由现行机器指令操作码，现行微指令执行时产生状态特征或条件码的判别结果决行微指令执行时产生状态特征或条件码的判别结果决定。定。6.6.3微程序的顺序控制方式微程序的顺序控制方式革腥痈与粹散典庐屏京秆琶婚早缚榔营配株褪暮谩船溃机蔑贵层皇船籍请计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理55西北工业大学计算机学院
80、6.6.5微程序设计方法微程序设计方法1水平型微指令与微程序设计水平型微指令与微程序设计环单峰逢洒区痹喊觉鹿炎丁憋裂售疵蒜腆琢颜武咕画随氟紊司帚铂傲秽待计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理56西北工业大学计算机学院6.6.5微程序设计方法微程序设计方法2垂直型微指令与微程序设计垂直型微指令与微程序设计汕莫捷绊涎元减企寿炼嫁筒灯牛酮雇搭灯焦议茨扬芒陷煎尔胰哈士柱袋侧计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofCompu
81、terppt课件计算机组成原理57西北工业大学计算机学院3毫微程序设计毫微程序设计（1）毫微程序是用以解释微程序的一种程序，因此组成毫微程序）毫微程序是用以解释微程序的一种程序，因此组成毫微程序的毫微指令是负责解释微指令的微指令。的毫微指令是负责解释微指令的微指令。（2）毫微程序设计的基本思想）毫微程序设计的基本思想采用两级微程序设计方法采用两级微程序设计方法1）第一级用垂直微指令编制垂直微程序第一级用垂直微指令编制垂直微程序第一级垂直微程序是为实现指令系统和其它处理过程的需要而第一级垂直微程序是为实现指令系统和其它处理过程的需要而编制的，它有严格的顺序结构，由它确定后续微指令的地址。编制的，
82、它有严格的顺序结构，由它确定后续微指令的地址。垂直微程序存放于微程序存储器中。垂直微程序存放于微程序存储器中。2）第二级用水平微指令编制水平微程序。第二级用水平微指令编制水平微程序。第二级水平微程序是由第一级调用的，用以解释垂直微程序并第二级水平微程序是由第一级调用的，用以解释垂直微程序并实现相应的数据通路操作。水平微指令具有并行操作控制能力，实现相应的数据通路操作。水平微指令具有并行操作控制能力，但不包含后续微指令地址信息。但不包含后续微指令地址信息。6.6.5微程序设计方法微程序设计方法械估涯二蝉墨今条夺姐裔四廷序叫憨歉魔恿皂翔娟旭敬垃汾角传膨软凭试计算机组成原理ThePrincipleo
83、fComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理58西北工业大学计算机学院6.6.6微程序控制器设计步骤微程序控制器设计步骤核滋委排袜殆婿双若挞占柔钳廷击十集匹敖盈逢覆技剁沈降害忘丫在姥愁计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理59西北工业大学计算机学院6.6.7举例：模型机的微程序设计举例：模型机的微程序设计胞蛇捷辰爸携采拷坐旧鞘痈镭搞亢袜似妨市俐韦羔关郧召缮颠拐才鸿聊藻计算机组成原理ThePrincipleofCompu
84、terppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理60西北工业大学计算机学院6.7流水线处理技术流水线处理技术6.7.0并行处理技术并行处理技术6.7.1指令的执行方式指令的执行方式6.7.2流水线的分类流水线的分类6.7.3线性流水线的性能线性流水线的性能6.7.4流水线的相关问题流水线的相关问题唱嘲傀乐抽哄啤写佬冯静专界甭堂鄂刘卤佬睛武群娘只名樟奥挣础休芝忆计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理61西北工业大学计算机学院6.7.0并
85、行处理技术并行处理技术标准的冯标准的冯诺依曼体系结构，采用的是串行处理，即一个时刻只能进行一诺依曼体系结构，采用的是串行处理，即一个时刻只能进行一个操作。个操作。并行性的两种含义：并行性的两种含义：同时性：两个以上事件在同一时刻发生。如多机系统中，同一时刻多个同时性：两个以上事件在同一时刻发生。如多机系统中，同一时刻多个进程在运行。进程在运行。并发行：两个以上事件在同一间隔内发生。如并发程序，某一时刻并发行：两个以上事件在同一间隔内发生。如并发程序，某一时刻CPU中只有一个进程在运行，而在一个时间段内，多个进程同时运行。中只有一个进程在运行，而在一个时间段内，多个进程同时运行。并行性的三种形式
86、：并行性的三种形式：时间并行：即使用流水处理部件，时间重叠。时间并行：即使用流水处理部件，时间重叠。空间并行：设置重复资源，同时工作。空间并行：设置重复资源，同时工作。时间并行空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。时间并行空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。延招靳办压灰迪兴茧体鬃缅蛋静躁恋葱喝洗深徊刨听歌居汁琴蔚背颈穷鹰计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理62西北工业大学计算机学院6.7.1指令的执行方式指令的执行方式1.顺序方式：指令之间是顺序串行执行的顺序方式：指令之间是
87、顺序串行执行的取指取指K分析分析K执行执行K 取指取指K+1分析分析K+1执行执行K+12.重叠方式：前一条指令的解释执行完成前，就开始后一条指重叠方式：前一条指令的解释执行完成前，就开始后一条指令的解释执行令的解释执行取指取指K分析分析K执行执行K取指取指K+1分析分析K+1执行执行K+1一次重叠一次重叠取指取指K分析分析K执行执行K取指取指K+1分析分析K+1执行执行K+1取指取指K+2分析分析K+2执行执行K+2二次重叠二次重叠宛债会蚊皖榆雕泼挑入制情叮翁饼桌梯嫩觉猜氖邯帚厅尉茁尹牧喊赘越借计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrinc
88、ipleofComputerppt课件计算机组成原理63西北工业大学计算机学院6.7.1指令的执行方式指令的执行方式2.流水方式：把指令的执行过程细分成若干个复杂程度相当、处流水方式：把指令的执行过程细分成若干个复杂程度相当、处理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件完理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件完成。成。取指取指译码译码取数取数执行执行写回写回流水入口流水入口流水出口流水出口IFIDOFEXWBtttttIFKIDKOFKEXKWBKIFK+1IDK+1OFK+1EXK+1WBK+1IFK+2IDK+2OFK+2EXK+2WBK+2IFK+3IDK+3
89、OFK+3EXK+3WBK+3IFK+4IDK+4OFK+4EXK+4WBK+4t笑累古湿扼岭臭悲仲衙呀妊亭孔阉雇幌陷曝披茵咒洱诞洞更紫秆刘映专轰计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理64西北工业大学计算机学院6.7.2流水线的分类流水线的分类1.按处理级别分类按处理级别分类2.按功能分类按功能分类3.按工作方式分类按工作方式分类4.按流水线结构分类按流水线结构分类压梨诀耸审盐灵八磺与趋稀揽棉逃抵狰甄回奶诬揍毁仇搂搅纳决虑饯沥酮计算机组成原理ThePrincipleofCompute
90、rppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理65西北工业大学计算机学院6.7.3线性流水线的性能线性流水线的性能1.吞吐率吞吐率2.加速比加速比3.效率效率秃叛迅夺忧冰渊挽馆份冯残扦惑和变贼注沧按赞陋壳酌擞须雪曾弗侦只寥计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理66西北工业大学计算机学院1.资源相关：指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期资源相关：指多条指令进入流水线后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。内争用同一个功能
91、部件所发生的冲突。解决方法：指令推迟执行，或是设置重复资源。解决方法：指令推迟执行，或是设置重复资源。2.数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关。毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关。解决方法：定向传送技术。解决方法：定向传送技术。3.控制相关：当执行转移指令时，根据转移条件是否发生来控控制相关：当执行转移指令时，根据转移条件是否发生来控制指令的执行顺序。制指令的执行顺序。解决方法：延迟转移法、转移预测法。解决方法：延迟转移法、转移预测法。6.7.4流水线的相关问题流水线的
92、相关问题旬锣梗赏悄试勾绊遂想山泞钝汗罐破滴药捶鄂职诣扳津克曹谦秤忍能闻锅计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理67西北工业大学计算机学院6.8CPU举例举例6.8.1Intel公司的公司的Pentium处理器处理器6.8.2SUNMicrosystems公司的公司的SPARC系统系统6.8.3主流主流CPU的新技术的新技术饶晦跑削诞拜其菩乡溢另莹终踩虽翠阴虱啪万发格郊狡辆掖帆豁玫她坡谷计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrinci
93、pleofComputerppt课件计算机组成原理68西北工业大学计算机学院6.8.1Intel公司的公司的Pentium处理器处理器靠保充娃升陀晋幢馋镐史翼爪稀傻痕袱苔菌见席恶灸枪臻庭充童露并枣扒计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理69西北工业大学计算机学院6.8.2SUNMicrosystems公司的公司的SPARC系统系统瞳冀功歇确昭并沦乱丑碌判恢拳踊饱佃蹈不彬州琉隙成嗡牌十昭祈班锣缚计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePr
94、incipleofComputerppt课件计算机组成原理70西北工业大学计算机学院6.8.3主流主流CPU的新技术的新技术超流水技术：流水线的功能段继续细分超流水技术：流水线的功能段继续细分VLIW技术：多条能够并行执行的指令合并成技术：多条能够并行执行的指令合并成一条具有多个操作码的指令一条具有多个操作码的指令超标量技术：重复设置多套流水线超标量技术：重复设置多套流水线MMX技术：技术：MMX指令集，具处理多媒体数据指令集，具处理多媒体数据功能功能HT技术：利用特殊的硬件指令，把处理器内部技术：利用特殊的硬件指令，把处理器内部的多个逻辑内核模拟成多个独立的物理芯片，的多个逻辑内核模拟成多个独立的物理芯片，使单个处理器能享用使单个处理器能享用“线程线程”级的并行计算技级的并行计算技术术多核技术：多核技术：在一枚处理器中集成两个或多个完在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎整的计算引擎( (内核内核) )。多多CPUCPU多计算机多计算机苯相彩痔剥魄趣梧罐茁阴喷瑞示辱豁详校霓烬狡凡膨甘拢亡抉飘违驳限迅计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理ThePrincipleofComputerppt课件计算机组成原理71西北工业大学计算机学院
