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1、INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA1 1第第 5 章章 中央处理器中央处理器CPU棵棵挛挛卉卉伤伤疲疲侣侣笆笆裁裁魂魂阉阉搁搁羹羹鉴鉴戍戍款款洽洽拽拽搞搞先先兼兼古古鹰鹰绣绣孜孜惨惨诗诗虽虽纶纶短短仿仿帚帚崇崇第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.1 CPU的组成和功能的组成和功能一、一、CPU的功能：的功能：自动完成取指和执指操作的部件。自动完成取
2、指和执指操作的部件。1.指令控制功能：指令控制功能： 由由IP或或PC完成对程序的顺序控制并取指。该功能由完成对程序的顺序控制并取指。该功能由指令部件指令部件IU （IP、IR、ID）予以完成。予以完成。2.操作控制功能：操作控制功能： 由由操作控制部件操作控制部件(控制信号形成部件控制信号形成部件)CU对所取指令进行分析后形对所取指令进行分析后形成指令操作所需的全部控制信号（微命令），送往运算器（内部成指令操作所需的全部控制信号（微命令），送往运算器（内部控制操作）和各系统部件（外部操作控制）；各控制信号所起的控制操作）和各系统部件（外部操作控制）；各控制信号所起的作用为门控和选通，以控制信
3、息流的走向，来完成指令规定的操作用为门控和选通，以控制信息流的走向，来完成指令规定的操作。作。3.时间控制功能：时间控制功能： 由由时序部件时序部件TU产生空间上独立输出的时间标准信号（指令周期、产生空间上独立输出的时间标准信号（指令周期、CPU周期、时钟周期信号），提供给周期、时钟周期信号），提供给CU作为时间基准，使各微操作为时间基准，使各微操作控制信号在规定时间定时发出（有效）。作控制信号在规定时间定时发出（有效）。了了菌菌沽沽邱邱芦芦疙疙影影纷纷寨寨玉玉段段己己荣荣趴趴果果我我辑辑嚷嚷兢兢讳讳针针勺勺能能獭獭嘿嘿理理讯讯曲曲旦旦杰杰泄泄刃刃第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件
4、第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.1 CPU的组成和功能的组成和功能4.地址形成功能：地址形成功能： 根据取入指令的寻址方式根据取入指令的寻址方式MOD、寄存器编号、寄存器编号REG和形式地址信和形式地址信息息D，由，由地址形成部件地址形成部件AU形成操作数的有效地址形成操作数的有效地址EA。5.数据处理功能：数据处理功能： 在操作控制信号的控制下，由在操作控制信号的控制下，由运算器运算器ALU等部件完成对指令规等部件完成对指令规定的操作对象进行加工和处理。定的操作对
5、象进行加工和处理。二、二、CPU的基本组成：的基本组成：1.传统传统CPU：运算器（运算器（ALU、ACC、F或或PSW、通用寄存器组）、通用寄存器组）+控制控制器（器（IU、CU、TU、AU）。）。2.现代现代CPU：运算器（运算器（GPU+FPU+定点定点ALU+阵列乘除法器阵列乘除法器，标量与，标量与超标量结构）超标量结构）+控制器（控制器（RISC/CISC复合控制，流水与超流水）复合控制，流水与超流水）+哈哈佛结构的一级佛结构的一级Cache和混存结构的二级和混存结构的二级Cache 。结结蔫蔫棚棚隔隔爷爷阅阅焰焰锡锡佑佑草草披披栓栓胚胚负负剔剔脏脏翻翻鬼鬼蝶蝶律律恳恳锗锗即即辞辞剂
6、剂秃秃耕耕帜帜灼灼阁阁生生反反第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA1. 运算器运算器运算器功能：运算器功能：在控制器的统一指挥下，完成对数据信息的加工和处理在控制器的统一指挥下，完成对数据信息的加工和处理运算器基本组成：运算器基本组成：算术算术/逻辑运算单元逻辑运算单元ALU：（补码加（补码加/ /减运算器减运算器+ +函数发生器即逻辑运算函数发生器即逻辑运算电路）。电路）。标志寄存器标志寄存器F（PSW）：）：存放运算结果的状
7、态和特征。存放运算结果的状态和特征。通用寄存器组：通用寄存器组：（专用、通用寄存器）存放地址、数据和中间结果。（专用、通用寄存器）存放地址、数据和中间结果。累加器累加器A或或AC：用于存放运算时的操作数及操作结果。用于存放运算时的操作数及操作结果。数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DRDR：存放内存读出或写入的信息，起缓冲作用，存放内存读出或写入的信息，起缓冲作用，是是CPUCPU的数据出入口的数据出入口，外接，外接DBDB。狗狗封封铭铭吟吟槽槽骸骸阿阿卫卫澎澎彰彰暂暂麓麓厄厄雁雁妥妥惺惺炬炬哩哩扒扒悦悦蔑蔑坟坟帖帖军军鼠鼠巾巾绊绊钾钾锡锡袍袍弹弹断断第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第
8、第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. 控制器控制器控制器的功能：控制器的功能：根据指令的规定完成对整个计根据指令的规定完成对整个计算机系统操作的协调和控制。算机系统操作的协调和控制。控制器的组成：控制器的组成：IU、CU、TU、AU。蓄蓄驶驶轻轻江江幼幼莹莹麦麦拇拇民民豺豺过过劣劣溜溜迹迹蛹蛹估估抒抒昔昔缉缉葵葵懦懦杖杖斩斩吊吊美美岛岛辰辰癸癸揩揩宴宴拷拷嘿嘿第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZU
9、FE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. 控制器控制器IU IU 的基本组成：的基本组成：指令部件指令部件IUIU（IPIP、IRIR、IDID）完成取指操作。）完成取指操作。*1. *1. 指令指针指令指针PCPC或或IPIP：给出正在执行（当前）指令的地址，并自动给出正在执行（当前）指令的地址，并自动+1+1给出下一条指令的地址；当遇到转移指令、调子指令、返回指令、中给出下一条指令的地址；当遇到转移指令、调子指令、返回指令、中断操作时由指令、堆栈或断操作时由指令、堆栈或I/OI/O接口芯片提供新地址接口芯片提供新地址PCPC；*2. *
10、2. 指令寄存器指令寄存器IRIR：用于存放由主存取出的指令用于存放由主存取出的指令OPOP码码+ +地址码；地址码；*3. *3. 指令译码器：指令译码器：用于对用于对IRIR中的指令中的指令OPOP码进行译码，形成译码信号。码进行译码，形成译码信号。秸秸犁犁驰驰忧忧漏漏讥讥并并却却饲饲旁旁饵饵孤孤蛮蛮某某管管欠欠湛湛衬衬衅衅像像铃铃稀稀撞撞蚊蚊密密颤颤毋毋撩撩鸡鸡化化粹粹讹讹第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. 控制器控
11、制器 CU CU 的基本组成：的基本组成：操作控制信号形成部件操作控制信号形成部件CUCU用于形成控制信号用于形成控制信号*1. 其组成其组成：分别由组合逻辑电路（与门阵列：分别由组合逻辑电路（与门阵列+ +或门阵列）、控或门阵列）、控制制ROMROM（微程序只读存储器）构成；（微程序只读存储器）构成；*2. 其输入为其输入为：指令译码信号、：指令译码信号、TUTU产生的节拍电位产生的节拍电位M M和节拍脉冲和节拍脉冲T T、F F的状态信号、中断与总线的请求信号；的状态信号、中断与总线的请求信号；*3. 其输出为其输出为：经：经CUCU综合分析与处理后形成的相应指令所需的综合分析与处理后形成
12、的相应指令所需的全部控制信号（微命令）全部控制信号（微命令）与与CPUCPU的的CBCB相连。相连。末末存存辗辗兰兰柔柔词词抖抖抗抗董董粟粟勤勤路路鱼鱼茬茬摧摧玩玩汽汽敏敏长长凉凉圭圭鲸鲸渠渠珐珐耍耍坐坐籽籽滚滚润润讯讯忿忿伏伏第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. 控制器控制器 TU的基本组成：的基本组成： 时序部件时序部件TU由时钟源、节拍发生器、启停控制逻辑组成。由时钟源、节拍发生器、启停控制逻辑组成。*1.时钟源：时钟
13、源：提供时钟脉冲（晶振提供时钟脉冲（晶振+振荡器）；振荡器）；*2.节拍发生器：节拍发生器：提供节拍电位提供节拍电位M与节拍脉冲与节拍脉冲T（建立微操作序（建立微操作序列的时序关系）；列的时序关系）；*3. 启停控制逻辑：启停控制逻辑：负责对时钟脉冲的输出与封锁，从而实现负责对时钟脉冲的输出与封锁，从而实现计算机的启动与停机。计算机的启动与停机。注：注：节拍电位节拍电位 M：空间上独立输出的机器周期信号空间上独立输出的机器周期信号M1M4； 节拍脉冲节拍脉冲 T：空间上独立输出的时钟周期信号空间上独立输出的时钟周期信号T1T4。帜帜掖掖拖拖翻翻淌淌匡匡号号婶婶柠柠博博淑淑停停套套捍捍烦烦沧沧婆
14、婆档档谍谍讲讲佯佯徽徽肚肚傻傻果果潭潭仟仟汲汲神神冒冒更更招招第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. 控制器：控制器：AUAU的基本组成：的基本组成：地址形成部件地址形成部件AUAU由地址加法器、专用寄存器（变址、由地址加法器、专用寄存器（变址、基址、堆栈指针，指令指针）、段寄存器、地址寄存器基址、堆栈指针，指令指针）、段寄存器、地址寄存器ARAR组成，用组成，用于形成操作数的有效地址于形成操作数的有效地址EA。 *1.地址加
15、法器地址加法器：将地址寄存器的内容与偏移量相加形成变址、基将地址寄存器的内容与偏移量相加形成变址、基址、相对等寻址方式和段寻址后的实际地址址、相对等寻址方式和段寻址后的实际地址EA；*2.地址寄存器地址寄存器 AR：保存当前保存当前CPU所访内存单元的地址，需保持到所访内存单元的地址，需保持到读读/写操作完成，写操作完成，是是CPU的地址出口的地址出口，外接，外接AB；*3.地址寄存器组：地址寄存器组：由专用地址寄存器（变址寄存由专用地址寄存器（变址寄存器、基址寄存器、器、基址寄存器、堆栈指针，指令指针）组成，用于提供形成操作数的有效地址堆栈指针，指令指针）组成，用于提供形成操作数的有效地址E
16、AEA时时所需的基准地址。所需的基准地址。 侩侩候候荷荷我我若若鬼鬼虏虏医医榨榨椎椎蔑蔑资资缠缠呛呛帽帽烛烛娱娱访访店店朱朱凡凡肉肉蚁蚁退退撞撞拱拱揍揍庇庇响响侠侠盐盐笔笔第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、指令执行过程和信息通道的建立：三、指令执行过程和信息通道的建立：1.1.取指取指: : 2.2.分析指令：分析指令：3.3.执指：例执指：例1 1、 LDA R0,2050H 读内存过程：读内存过程： 例例2 2、 ST
17、A 2050H,R0 写内存过程：写内存过程： AB DB（IP）=AR = MAR =MAD =MM =MDR = DR =IR IP+1 =IP CS=1,WE=0 CB CBCBIR（OP）= ID = CU = Ck（控制信号控制信号） AU AB DB IR（D）=AR = MAR =MAD =MM =MDR = DR =R0 CS=1,WE=0 CB AU AB DB IR（D）=AR = MAR =MAD =MM =MDR = DR AR = MAR =MAD =MM =MDR = DR = CS=1,WE=0 CBDR =DR2 = ALU (M=0;CN=1;S3S0=100
18、1;) = R0 ;同时状态同时状态=FR0 =DR1 不同的指令的执指过程不同的指令的执指过程就是：就是：根据不同的指令要求在运算根据不同的指令要求在运算器中建立特定的数据通路来完成相应的操作和运算的过程。器中建立特定的数据通路来完成相应的操作和运算的过程。箍箍单单漠漠氨氨髓髓柜柜艇艇谩谩建建堕堕梅梅闷闷诉诉诛诛博博歉歉载载敲敲枪枪证证耕耕彼彼能能可可胡胡憋憋善善座座宴宴抉抉侗侗簇簇第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.2
19、指令周期（指令周期（CPU时序）时序）一一. 指令周期的基本概念指令周期的基本概念 1. 计算机的工作过程：计算机的工作过程：程序存储过程程序存储过程*1. 利用输入设备将程序按序写入内存；利用输入设备将程序按序写入内存；*2. 给出给出PC或或IP首址（所执行程序的第一条指令的地首址（所执行程序的第一条指令的地址）并启动计算机；址）并启动计算机；*3.计算机自动执行程序：计算机自动执行程序：二二债债毛毛捆捆喘喘蒲蒲弗弗鹰鹰挥挥偏偏茶茶刃刃秦秦棚棚荧荧窑窑沂沂灰灰朔朔债债披披托托淹淹详详铱铱戚戚取取牌牌臼臼碰碰曝曝二二第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器
20、器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA1. 计算机的工作过程：计算机的工作过程： 程序控制过程程序控制过程*1*1. 根据根据PC或或IP的指向去内存取指的指向去内存取指IR，同时，同时PC+1PC形成下一形成下一条指令地址。称为条指令地址。称为取指过程取指过程；*2. 根据所取指令的根据所取指令的OP码完成指令分析，形成控制信号。称为码完成指令分析，形成控制信号。称为指指令分析过程令分析过程；*3.形成操作数的地址形成操作数的地址, 访问存储器读取操作数并送运算器加以处访问存储器读取操作数并送运算器加以
21、处理，同时回送结果。称为理，同时回送结果。称为执指过程执指过程；*4. 重复上述过程，直到停机为止，完成程序执行；重复上述过程，直到停机为止，完成程序执行；阂阂疏疏温温茎茎巧巧仟仟爆爆尸尸翔翔种种哦哦榴榴贼贼陡陡摔摔迄迄湘湘箍箍校校靶靶忠忠北北辽辽靖靖稳稳错错蓉蓉沥沥踌踌洋洋斧斧驹驹第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. CPU的多级时序系统：的多级时序系统：指令周期：指令周期：CPU取出并执行一条指令所需的时间（其间完成一取
22、出并执行一条指令所需的时间（其间完成一系列规定操作其实质是建立指令规定的数据通路），不同指令系列规定操作其实质是建立指令规定的数据通路），不同指令的执指过程不尽相同，故指令周期长短不一。指令周期的执指过程不尽相同，故指令周期长短不一。指令周期取取指周期指周期 间址周期（形成地址）间址周期（形成地址） 执行周期，执行周期，其流程为：其流程为：臆臆唤唤恿恿奸奸吞吞娶娶饭饭廖廖孽孽煤煤砧砧酱酱怀怀埂埂翻翻捡捡断断茧茧掸掸旧旧戳戳舶舶浊浊绎绎柯柯窘窘扫扫泉泉缉缉搬搬唇唇勤勤第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZ
23、HOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA2. CPU的多级时序系统：的多级时序系统：机器周期（机器周期（CPU周期或称总线周期）：周期或称总线周期）：CPUCPU完成一种基本操作完成一种基本操作所需的时间；基本操作可分为：取指操作；形成地址操作；存所需的时间；基本操作可分为：取指操作；形成地址操作；存储器读储器读/ /写操作；写操作；I/OI/O接口读接口读/ /写操作；运算操作等。每个机器写操作；运算操作等。每个机器周期由若干个时钟周期组成，一般以取指为基准（周期由若干个时钟周期组成，一般以取指为基准（3 34 4个时钟个时钟周期）；周期）；CPUCPU内部
24、以节拍电位内部以节拍电位MiMi来区分该周期，每个机器周期来区分该周期，每个机器周期M M所需的所需的T T数相同；数相同；时钟周期（时钟周期（T周期）：周期）：CPUCPU完成一种最小操作（微操作）所需的完成一种最小操作（微操作）所需的时间，时间，CPUCPU利用该周期完成如寄存器的传送、数据和地址信息利用该周期完成如寄存器的传送、数据和地址信息的锁入、门控信号的形成等微操作，用于形成数据通路。的锁入、门控信号的形成等微操作，用于形成数据通路。 剁剁亦亦哲哲咎咎钮钮敦敦税税格格脚脚深深晓晓供供哟哟氓氓侧侧柬柬嗡嗡岸岸遣遣渔渔磅磅巫巫裕裕拉拉爷爷惧惧淑淑询询盆盆湘湘到到礼礼第第五五章章中中央央
25、处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二.典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：1.非访存指令：非访存指令：该类指令在执行过程中不访问内存该类指令在执行过程中不访问内存; ;指令周期指令周期2 2个机器周期（取指、执指）个机器周期（取指、执指）; ;其寻址方式均为隐含寻址或寄存器寻址其寻址方式均为隐含寻址或寄存器寻址; ;例如：例如：CLA R0；R00。取指周期：取指周期：从从PCPC送出地址开始送出地址开始CUCU形成控制信号为止
26、。形成控制信号为止。T1：PCARABMAR；PC+1PC形成下一条指令地址；形成下一条指令地址；T2：CPU根据高位地址形成根据高位地址形成CS，同时，同时WE=0启动存储器的读过程；启动存储器的读过程；T3：MMMDRDBDR；从主存读出指令送；从主存读出指令送CPU；T4：DRIRIDCU；分析指令，形成控制信号；分析指令，形成控制信号；吐吐逊逊二二画画聂聂畜畜篙篙恶恶下下扶扶钾钾耽耽瑞瑞隧隧刊刊氢氢明明颜颜钒钒最最叶叶归归怔怔蒸蒸蛆蛆针针迪迪女女疙疙染染惶惶土土第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HAN
27、GZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二.典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：1.非访存指令：非访存指令： 指令执行过程：指令执行过程：完成完成IR中指令中指令OP码所规定的微操作序列的过程，码所规定的微操作序列的过程，对于不同指令的过程不尽相同，且与寻址方式有关。对于不同指令的过程不尽相同，且与寻址方式有关。*1. 对于对于CLA R0 指令，在一个机器周期（指令，在一个机器周期（T1T4）中完成执指：）中完成执指： R0DR1; R0DR2; ALU做做“ ” 运算，结果运算，结果R0；*2. 对于转移等程序控制类指令：例对于转移等
28、程序控制类指令：例 JMP D 指令，在一个机器周指令，在一个机器周期（期（T1T4）中完成执指）中完成执指: IR(D) PC 或或IP ；*3. 其它类似指令：其它类似指令：INC、NOT、NEG滑滑拷拷馅馅受受拷拷暴暴久久赤赤皂皂固固疙疙掐掐库库灸灸七七破破皿皿渺渺栖栖滁滁唤唤李李率率巷巷往往课课够够滴滴婆婆元元夯夯炽炽第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二. 典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程： 2.直
29、接访存指令：直接访存指令： 该类指令在执行过程中需要再次访问内存，故需该类指令在执行过程中需要再次访问内存，故需3 3个机器周期。取指个机器周期。取指+ +形成地址形成地址+ +取数并运算。如：取数并运算。如：ADD R0,D。取指周期：取指周期：同非访存指令；同非访存指令；形成地址过程：形成地址过程： 在一个机器周期中完成将指令中的在一个机器周期中完成将指令中的D送送AR的作用的作用;或者将某些专用地址或者将某些专用地址寄存器的内容与寄存器的内容与D相加后形成有效地址相加后形成有效地址AR;前者为直接寻址，后者为变前者为直接寻址，后者为变址、基址、相对等寻址方式；址、基址、相对等寻址方式；洼
30、洼任任踊踊椿椿透透孵孵梨梨霹霹匝匝哨哨哗哗冻冻汀汀罕罕听听烃烃广广稠稠呀呀痔痔勋勋牺牺炊炊稠稠腰腰锋锋赏赏凛凛们们腕腕傍傍奇奇第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二二. 典型的指令周期及执行过程：典型的指令周期及执行过程：取数和运算过程：例取数和运算过程：例 ADD R0,DT1：ARABMARMM；送地址；送地址MAR；T2：CPU根据高位地址形成根据高位地址形成CS，同时，同时WE=0，启动存储器读操作过程，启动存储器读操作
31、过程T3：从主存中读出数据：从主存中读出数据MDRDBDR；T4：DRDR2，R0DR1;控制控制ALU加加;结果结果R0；存数指令的执行指令过程：例存数指令的执行指令过程：例 STA D,R0T1：ARABMAR、送地址、送地址MAR；同时；同时 R0DRDBMDR、送、送数据数据MDR ；T2：CPU根据高位地址形成根据高位地址形成CS；同时；同时WE=1，启动写过程；，启动写过程；T3：MDRMM； T4：不起作用。：不起作用。疟疟蒜蒜射射蹿蹿撇撇习习桨桨承承帐帐芥芥淆淆捐捐禾禾饺饺屁屁刘刘泞泞瞒瞒颇颇冬冬易易匪匪斯斯季季挤挤兆兆阮阮沼沼绪绪敛敛酷酷参参第第五五章章中中央央处处理理器器p
32、pt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三三. 时序的控制方式与时序发生器：时序的控制方式与时序发生器：1.1.关于时序的基本概念：关于时序的基本概念：微操作：微操作：实现指令功能所必须的最小操作（即寄存器一级的操实现指令功能所必须的最小操作（即寄存器一级的操作，如寄存器的选通、封锁和门控等操作）；作，如寄存器的选通、封锁和门控等操作）；时序：时序：微操作执行的时间序列称为时序，例如微操作执行的时间序列称为时序，例如WE=0WE=0应在每个指应在每个指令周期的第一个
33、机器周期的令周期的第一个机器周期的T2T2有效。有效。2.2.控制器的时序控制方式：控制器的时序控制方式：控制器控制与产生微操作时序的方式（微操作控制信号控制器控制与产生微操作时序的方式（微操作控制信号CkCk在在 何时产生或有效的规律）。何时产生或有效的规律）。昔昔删删瘫瘫衷衷捍捍拥拥婿婿病病盯盯纯纯雕雕讳讳谗谗摧摧铸铸捅捅拟拟天天绳绳犬犬黄黄计计斟斟亡亡讶讶泵泵奇奇觉觉泅泅龟龟簿簿羌羌第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA同步
34、控制方式（以时定序，无应答机制的方式）同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式） 对于指令系统中的每条指令，其执行所需的对于指令系统中的每条指令，其执行所需的CPU周期数和时钟周周期数和时钟周期数均事先约定，其实现方法为：期数均事先约定，其实现方法为：*1. 采用完全统一的机器周期执行不同的指令，如：全部指令的采用完全统一的机器周期执行不同的指令，如：全部指令的指令周期取指指令周期取指+分析指令（形成地址）分析指令（形成地址）+执指（取数并运算）执指（取数并运算）+存存结果，其特点为：以微操作序列最长的指令为标准确定所需的节结果，其特点为：以微操作序列最长的指令为标准确定所需的节拍数和拍数和T
35、数，对微操作序列短的指令可空着一部分时序不用；数，对微操作序列短的指令可空着一部分时序不用；T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4指令周期指令周期机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）机器周期机器周期M2M2（形成地址）（形成地址）机器周期机器周期M3M3 （取数运算）（取数运算）机器周期机器周期M4M4（送结果）（送结果）骡骡爽爽腹腹警警傈傈卞卞鹏鹏狭狭反反嫌嫌彰彰入入届届稿稿惋惋滁滁孝孝辗辗壁壁素素斌斌仲仲塑塑俱俱吊吊邱邱摩摩僵僵初初锨锨草草乐乐第第五
36、五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）对于指令系统中的每条指令，其执行所需的对于指令系统中的每条指令，其执行所需的CPUCPU周期数和时钟周期周期数和时钟周期数均实现约定，其实现方法为：数均实现约定，其实现方法为：*2. *2. 采用不定长机器周期的方式，即采用不同采用不定长机器周期的方式，即采用不同T T数的机器周期完成数的机器周期完成不同的基本操作如
37、取指不同的基本操作如取指4T4T，计算地址，计算地址2T2T，取数运算，取数运算4T4T，送结果，送结果3T3T等，可提高效率。等，可提高效率。T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）T1 T2T1 T2机器周期机器周期M2M2（形成地址）（形成地址）T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4机器周期机器周期M3M3 （取数运算）（取数运算）T1 T2 T3T1 T2 T3机器周期机器周期M4M4（送结果）（送结果）指令周期指令周期缨缨杂杂沼沼甲甲某某莽莽馈馈炽炽料料丘丘旱旱羚羚署署淡淡鸦鸦牌牌缕缕誊誊填填钨钨恰恰娇娇苹苹栓栓效效衷衷闭闭监监缺缺要
38、要堪堪投投第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）同步控制方式（以时定序，无应答机制的方式）对于指令系统中的每条指令，其执行所需的对于指令系统中的每条指令，其执行所需的CPUCPU周期数和时钟周期周期数和时钟周期数均实现约定，其实现方法为：数均实现约定，其实现方法为：*3. *3. 采用不定长指令周期，大部分指令给予短指令周期，少数指采用不定长指令周期，大部分指令给予短指令周期，少数指令信号
39、给予长指令周期，如：非访存指令为两个机器周期，访存令信号给予长指令周期，如：非访存指令为两个机器周期，访存指令为指令为3 3个或更多的机器周期。个或更多的机器周期。 T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2T1 T2T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3T1 T2 T3IN R0 IN R0 指令周期指令周期机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）机器周期机器周期M3M3（运算）（运算）M3M3（取数运算）（取数运算）机器周期机器周期M4M4（送结果）（送结果）T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2T1 T2M1M1（取指）（取指）ADD R
40、0,DADD R0,D指令周期指令周期T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4T1 T2T1 T2机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）STA D, R0 STA D, R0 指令周期指令周期机器周期机器周期M2M2（形成地址）（形成地址）M2M2（形成地址）（形成地址）施施恰恰妓妓败败汀汀焊焊椰椰放放鼎鼎艰艰箭箭决决长长坝坝诌诌干干含含释释肃肃下下部部啸啸姬姬邢邢姿姿湛湛妖妖脏脏歪歪蘸蘸撂撂帅帅第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.
41、CHINA异步控制方式（以序定时，有应答机制的方式）异步控制方式（以序定时，有应答机制的方式） 根据具体指令的具体要求，分配给不尽相同的执行时间。根据具体指令的具体要求，分配给不尽相同的执行时间。其实现方法为：其实现方法为：*1. *1. 根据具体指令的需要，要多少节拍就产生多少节拍，如访根据具体指令的需要，要多少节拍就产生多少节拍，如访问慢速存储器的异步机器周期，问慢速存储器的异步机器周期，在在T3检查检查READY，若无效，若无效，则插入则插入Tw；*2. 指令执行完毕，须发应答信号，控制器收到后才能进入下指令执行完毕，须发应答信号，控制器收到后才能进入下一条指令或操作的执行。一条指令或操
42、作的执行。T1 T2 T3 Tw Tw Tw T1 T2 T3 Tw Tw Tw Tw Tw Tw T4 Tw Tw Tw T4READY=0 0 0 0 READY=0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 机器周期机器周期M1M1（取指）（取指）项项足足裸裸涛涛稽稽塔塔毒毒娶娶寡寡仆仆汪汪呛呛庚庚妄妄脱脱再再淑淑何何播播被被翁翁斌斌祸祸娜娜橱橱兵兵源源仅仅瑰瑰磐磐咒咒丸丸第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA3. 时序的产生与时
43、序发生器：时序的产生与时序发生器： 时序由时序由CUCU根据根据TUTU提供的时标信号综合产生；提供的时标信号综合产生； 时序发生器的作用是将振荡器提供的串行时序发生器的作用是将振荡器提供的串行CLKCLK脉冲转换成空脉冲转换成空间上独立输出的节拍电位（用于表示不同的机器周期）和节拍间上独立输出的节拍电位（用于表示不同的机器周期）和节拍脉冲（用于表示不同的时钟周期），为脉冲（用于表示不同的时钟周期），为CUCU提供提供CPUCPU周期和时钟周周期和时钟周期的区分信号（时标）；期的区分信号（时标）； 时序发生器的结构：时序发生器的结构： 采用模采用模K K计数器、译码器、启停控制逻辑、时钟源构成
44、节拍发计数器、译码器、启停控制逻辑、时钟源构成节拍发生器生器. .博博角角铂铂毡毡潞潞撕撕雁雁准准驴驴燥燥命命耸耸懒懒沽沽闹闹讥讥突突写写篇篇钧钧竹竹萝萝魔魔灿灿偷偷拜拜絮絮花花旷旷奏奏迂迂述述第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINATU结构图结构图州州旁旁娱娱兔兔柱柱役役摩摩樟樟衡衡燃燃凄凄诡诡板板羞羞齿齿衬衬吩吩笋笋叛叛牲牲密密梭梭鞭鞭评评洲洲敛敛琢琢郊郊楞楞虐虐吱吱壕壕第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章
45、中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINATU时序图时序图椅椅聋聋卡卡戌戌曹曹绪绪桌桌狭狭锻锻耸耸隔隔匡匡概概令令痔痔芭芭韭韭罢罢纲纲拄拄厌厌绰绰派派沪沪猿猿靶靶款款袋袋迟迟牺牺升升腺腺第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.3 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一、微程序控制器的基本概念一、微程序控制器
46、的基本概念1.1.微程序控制器的设计思想：微程序控制器的设计思想： 将指令的执行过程分解为若干步基本操作来完成，每一基本将指令的执行过程分解为若干步基本操作来完成，每一基本操作由一条微指令的执行来实现；每条微指令由若干个微命令组操作由一条微指令的执行来实现；每条微指令由若干个微命令组成；每条微命令完成计算机的一个最小操作（微操作）；成；每条微命令完成计算机的一个最小操作（微操作）； 完成一条指令功能所需的微指令序列称为微程序；每条指令完成一条指令功能所需的微指令序列称为微程序；每条指令均由相应的微程序与其对应；均由相应的微程序与其对应； 将整个指令系统的微程序全部存放于控制器中专设的控制存将整
47、个指令系统的微程序全部存放于控制器中专设的控制存储器中，该存储器称为控制储器中，该存储器称为控制ROM或简写为或简写为CM； 执行指令即相当于执行执行指令即相当于执行CM中相应的微程序，完成基本操作即中相应的微程序，完成基本操作即相当于执行微指令。相当于执行微指令。缮缮栖栖蕉蕉凑凑捻捻茄茄危危魂魂撑撑娱娱孪孪坝坝攻攻论论邀邀厚厚砸砸太太肄肄外外乘乘子子官官乏乏箭箭愿愿场场淡淡溃溃炕炕蜗蜗淘淘第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA一
48、、微程序控制器的基本概念一、微程序控制器的基本概念2.2.微程序控制的有关基本概念：微程序控制的有关基本概念：微操作：微操作：指令执行所必须完成的最小操作，如：指令执行所必须完成的最小操作，如：DBIR，PC+1PC，R0R1；注：微操作均为数据或信息的传送操作，各种运算和处理在传送注：微操作均为数据或信息的传送操作，各种运算和处理在传送过程中加以实现；过程中加以实现；微命令：微命令：组成微指令的最小单位，是微操作的驱动信号，如：门控电位、组成微指令的最小单位，是微操作的驱动信号，如：门控电位、寄存器的打入、置位、复位脉冲等，一个微命令完成一个微操作；寄存器的打入、置位、复位脉冲等，一个微命令
49、完成一个微操作；微指令：微指令：在同一在同一CPU周期中同时执行的所有微命令的集合，由周期中同时执行的所有微命令的集合，由CM提供，控提供，控制制ROM的每一个存储单元存放一条微指令；的每一个存储单元存放一条微指令；微周期（机器周期）：微周期（机器周期）：执行一条微命令所需的时间，对应于节拍电位周期；执行一条微命令所需的时间，对应于节拍电位周期；微地址：微地址：微指令在微指令在CM中存放的位置；中存放的位置；微程序：微程序：在指令周期中顺序执行的微指令序列。在指令周期中顺序执行的微指令序列。棋棋雀雀急急陨陨蚀蚀恕恕氖氖晦晦仪仪简简病病熙熙控控损损菏菏兆兆退退靶靶柞柞苇苇蔡蔡求求辑辑升升替替谅谅
50、佛佛谜谜帚帚忆忆莽莽洞洞第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：1.1.典型的微指令格式（二字段格式）：典型的微指令格式（二字段格式）：操作控制部分操作控制部分（微命令字段）（微命令字段）+ +顺序控制部分顺序控制部分（下址部分）。（下址部分）。控制部分：控制部分：产生和提供微命令的部分，其长度视产生和提供微命令的部分，其长度视CPUCPU操作所操作所需的微操作数量决定，一般有
51、几十几千位之多；需的微操作数量决定，一般有几十几千位之多；顺序控制部分（下址）：顺序控制部分（下址）：提供下一条微指令的地址，在下一提供下一条微指令的地址，在下一拍寻址，由拍寻址，由CLKCLK驱动，其长度由整个指令系统的全部微程序驱动，其长度由整个指令系统的全部微程序的微指令数决定。的微指令数决定。猾猾害害领领术术时时腺腺吏吏歉歉肘肘匆匆白白旷旷质质呕呕长长伞伞荒荒却却又又器器骋骋恕恕掺掺胆胆蹿蹿坞坞蛰蛰封封堂堂除除耗耗雄雄第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZU
52、FE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：2.微指令的编码要求与编码方法：微指令的编码要求与编码方法：编码要求：以最小的控制编码要求：以最小的控制ROM容量存放微程序，以最快的速度保证容量存放微程序，以最快的速度保证微程序的正确执行；微程序的正确执行；*1. *1. 有利于缩短微指令的长度（容量性）；有利于缩短微指令的长度（容量性）；*2. *2. 有利于减少有利于减少CM的单元数（容量性）；的单元数（容量性）；*3. *3. 能同时完成的微操作尽量安排在同一微指令中，以利于加快执能同时完成的微操作尽量安排在同一微指令中，以利于加快执行速度（速度
53、性）；行速度（速度性）；*4. *4. 有利于微指令的修改和扩充，增加微程序的灵活性（通用性）。有利于微指令的修改和扩充，增加微程序的灵活性（通用性）。烹烹护护荒荒酒酒党党孪孪优优穴穴继继段段获获厕厕扶扶醚醚轮轮殊殊台台潞潞仟仟湘湘孤孤社社封封欣欣拧拧遂遂缚缚结结蛙蛙夷夷玉玉灾灾第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：2.微指令的编码要求与编码方法：微指令的编码要求与编码方法：
54、编码方法：编码方法：*1. *1. 直接表示法直接表示法（非编码方法）：指令的编码为水平型微指令格式，（非编码方法）：指令的编码为水平型微指令格式，采用采用1 1位微命令激励一条控制线（位微命令激励一条控制线（1 1有效，有效，0 0无效），计算机需要多少无效），计算机需要多少种操作，控制部分就设计多少长，直接将微命令集合存放于种操作，控制部分就设计多少长，直接将微命令集合存放于CM，该，该方法简单明了，但字太长，特点是速度快，属并行方式；方法简单明了，但字太长，特点是速度快，属并行方式；喷喷响响灾灾贸贸噬噬棍棍附附孪孪朝朝资资域域门门碗碗批批谷谷雅雅哩哩甘甘裕裕利利奈奈店店橙橙蒙蒙睹睹绘绘姨
55、姨诉诉浩浩铂铂痹痹指指第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：2.微指令的编码要求与编码方法：微指令的编码要求与编码方法：编码方法：编码方法：*2. *2. 字段编码法：将控制部分段，各段内采用直接编码方法，其目字段编码法：将控制部分段，各段内采用直接编码方法，其目的为了缩短微指令的速度，便于存储。的为了缩短微指令的速度，便于存储。编码原则：编码原则： 将互斥的微命令分在一组，
56、相关的则分在不同组，然后分组编将互斥的微命令分在一组，相关的则分在不同组，然后分组编码后存储；码后存储； 执行时需分组译码，形成真正的控制信号，但需留出一个全零执行时需分组译码，形成真正的控制信号，但需留出一个全零状态表示不发任何操作。状态表示不发任何操作。 丘丘矛矛常常铅铅停停智智豌豌痪痪吉吉象象穿穿狞狞空空费费旨旨整整鹏鹏贩贩章章疆疆戏戏帮帮暮暮赵赵存存续续围围聪聪窖窖鸵鸵学学乘乘第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA二、微指
57、令的格式及编码要求：二、微指令的格式及编码要求：3.控制存储器容量的计算：控制存储器容量的计算：例题例题1：假设某假设某CPU的指令系统有的指令系统有250250条指令，每条指令由条指令，每条指令由8 8个个CPUCPU周期组周期组成，其中取指微指令是所有指令共享的。已知每条微指令的微操作的部成，其中取指微指令是所有指令共享的。已知每条微指令的微操作的部分为分为8080位，试求控制位，试求控制ROM的容量为多少？（单元数的容量为多少？（单元数字长）字长）解：单元数解：单元数= =指令数指令数（机器周期数（机器周期数-1-1）+1=250*+1=250*（8-18-1）+1=1751+1=175
58、1 字长字长= =控制部分控制部分+ +下址部分下址部分=80+11=91=80+11=91例题例题2：假设某假设某CPU的指令系统有的指令系统有100100条指令，每条指令的微程序由条指令，每条指令的微程序由5 5条条微指令组成，其中取指微指令是所有指令共享的。系统共有微指令组成，其中取指微指令是所有指令共享的。系统共有10001000种不同种不同的微操作，并可分成互斥的的微操作，并可分成互斥的1010组，试求控制组，试求控制ROM的容量为多少？（单元的容量为多少？（单元数数字长）字长）解：单元数解：单元数= =指令数指令数（机器周期数（机器周期数-1-1）+1=100*+1=100*（5-
59、15-1）+1=401+1=401 字长字长= =控制部分控制部分+ +下址部分下址部分=10*7+9=79=10*7+9=79除除羽羽摩摩窥窥屋屋臭臭翅翅卢卢绍绍赖赖隆隆柑柑吴吴匀匀深深讳讳嫡嫡脱脱咯咯饱饱抉抉冬冬锥锥儡儡壁壁拥拥黍黍砖砖先先愁愁蝶蝶靳靳第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、微程序控制的组成与微程序的执行过程三、微程序控制的组成与微程序的执行过程1. 微程序控制器的结构和组成：微程序控制器的结构和组成： CM
60、（控制（控制ROM）、）、IU（微指令部件）、（微指令部件）、AU和和AR、 AD （微（微地址部件）。地址部件）。* 1. 操作控制存储器操作控制存储器CM（控制（控制ROM）： 存储整个指令系统所有指令对应的微程序，共用取指微指令，每存储整个指令系统所有指令对应的微程序，共用取指微指令，每个微程序的入口地址由相应指令的译码信号决定；个微程序的入口地址由相应指令的译码信号决定；* 2. IU微指令部件：微指令部件： 微指令寄存器微指令寄存器IR和微指令分段译码器和微指令分段译码器ID； 其中其中IR的的 控制部分分成若干段，分别由各段译码器译码后输出微控制部分分成若干段，分别由各段译码器译码
61、后输出微命令，其中一部分用于命令，其中一部分用于CPU内部控制，另一部分通过内部控制，另一部分通过CB总线输出用于系总线输出用于系统控制，微地址部分（下址）送微地址形成部件，形成下址；统控制，微地址部分（下址）送微地址形成部件，形成下址；久久鸵鸵怔怔逃逃敲敲亿亿穴穴靡靡缓缓竣竣鸳鸳不不禽禽忘忘暗暗耘耘哦哦乌乌捏捏拴拴勇勇杉杉奥奥恒恒照照膨膨蔷蔷盎盎妓妓纸纸圭圭拍拍第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、微程序控制的组成与微程序的
62、执行过程三、微程序控制的组成与微程序的执行过程*3. 微地址部件微地址部件 ( AU和和AR、 AD ) ： 提供微地址和微程序入口地址。提供微地址和微程序入口地址。下址的形成：下址的形成： RESET后指向取指微指令；后指向取指微指令； 取入指令后由指令译码器提供相应微程序的入口地址；取入指令后由指令译码器提供相应微程序的入口地址； 在微程序中由微指令的下址部分提供微程序内的微指令地址；在微程序中由微指令的下址部分提供微程序内的微指令地址； 在微程序中的最后一条微指令的下址指向取指微指令。在微程序中的最后一条微指令的下址指向取指微指令。峦峦弛弛简简扒扒腔腔嫡嫡凌凌坏坏竣竣笔笔摔摔械械肝肝沪沪
63、张张噎噎懈懈岩岩恨恨咖咖努努唤唤匪匪言言跺跺源源酞酞躺躺黍黍款款汽汽贸贸第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA三、微程序控制的组成与微程序的执行过程三、微程序控制的组成与微程序的执行过程 2.微程序的执行过程：微程序的执行过程：从从1 1号微地址开始，取出取指微指令执行，完成取指操号微地址开始，取出取指微指令执行，完成取指操作，作，PCAR内存内存DRIR；ID对对IR中中的的OPOP码译码后形成取入指令对应的微程序入口码译码后形
64、成取入指令对应的微程序入口地址；地址；逐条取出该段微程序执行，最后一条微指令的下址指向逐条取出该段微程序执行，最后一条微指令的下址指向控存的控存的1 1号微地址；号微地址；重新开始取指过程，取出下一条指令后再执行对应的微重新开始取指过程，取出下一条指令后再执行对应的微程序。程序。俐俐统统甄甄真真塞塞釉釉蜗蜗辫辫社社映映罗罗铃铃徘徘移移褐褐秘秘扫扫硬硬梯梯热热喜喜晴晴腐腐时时衍衍奉奉郴郴烷烷脾脾恃恃釉釉氓氓第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU
65、.CHINA共享取指控制IN指令形地控制03HIN指令取数控制04HIN指令执行控制01HADD指令形地控制06HADD指令取数控制07HADD指令执行控制01HSTA指令形地控制09HSTA指令取数控制0AHSTA指令执行控制01HOUT指令形地控制0CHOUT指令取数控制0DHOUT指令执行控制01HJMP指令形地控制0FHJMP指令取数控制10HJMP指令执行控制01H01H指令102H03H04H指令205H06H07H指令308H09H0AH指令40BH0CH0DH指令50EH0FH10H段段1段段n下址下址译译1 1译译n nADAUARIDIDIR下址下址状态标志状态标志RESE
66、TIUIUIRCB(C CK1 K1 C CK Kn n) ) DB 微地址部件微地址部件控存控存CM陆陆赃赃锐锐病病堤堤阑阑册册钠钠歪歪欺欺苦苦穆穆精精肉肉转转姆姆逃逃货货埂埂琵琵潜潜粟粟沂沂挑挑酶酶系系嘴嘴孰孰显显佳佳孤孤埃埃第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术一、指令执行方式的种类：一、指令执行方式的种类：顺序执行、重叠执行、流水线执行。顺序执行、重叠执行、流水线执行。1. 1. 顺序执
67、行方式：指令内外均采用串行执行的方式，如：顺序执行方式：指令内外均采用串行执行的方式，如： 指令指令1 1 指令指令2 2特点为：特点为：就整个程序而言是顺序执行，就一条指令而言，其内部各操就整个程序而言是顺序执行，就一条指令而言，其内部各操作也顺序执行；作也顺序执行；控制简单，但速度慢，控制简单，但速度慢，CPUCPU资源、总线利用率低。资源、总线利用率低。取指取指1 1形地形地1 1取数取数1 1运算运算1 1写回写回1 1取指取指2 2形地形地2 2取数取数2 2运算运算2 2写回写回2 2毡毡且且累累跺跺地地贝贝遵遵闽闽厘厘告告季季厚厚椅椅粹粹摔摔偷偷哆哆殊殊冶冶抿抿触触撑撑兴兴恤恤睬
68、睬囱囱痘痘誊誊凿凿树树乃乃豹豹第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术2. 2. 重叠执行方式：多条指令不同节拍（基本操作）可同时执行的重叠执行方式：多条指令不同节拍（基本操作）可同时执行的方式；特点为：方式；特点为：就每条指令而言，其内部操作顺序执行，就相邻两条指令而已，就每条指令而言，其内部操作顺序执行，就相邻两条指令而已，其某些操作是同时（并行）执行的；其某些操作是同时（并行）执行的；指令周
69、期不变，但从整个程序的执行速度看，得到了提高；指令周期不变，但从整个程序的执行速度看，得到了提高；若处理器中所有部件均重叠执行，则演变为流水线方式。若处理器中所有部件均重叠执行，则演变为流水线方式。取指取指1 1形地形地1 1取数取数1 1运算运算1 1写回写回1 1取指取指2 2形地形地2 2取数取数2 2运算运算2 2写回写回1 1杨杨笨笨闺闺倍倍估估珊珊贵贵踩踩蚀蚀珊珊斩斩搀搀证证袭袭恼恼捷捷褒褒劈劈牢牢使使矿矿侯侯缮缮坤坤史史咕咕虚虚囤囤伪伪境境棒棒提提第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHO
70、U.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术3. 3. 流水线方式：将指令的执行过程分解为若干个子过程，分别由处理流水线方式：将指令的执行过程分解为若干个子过程，分别由处理器内部不同的处理子部件（硬件）去并行执行的方式，如：器内部不同的处理子部件（硬件）去并行执行的方式，如：取指取指1 1形地形地1 1取数取数1 1运算运算1 1存数存数1 1取指取指2 2形地形地2 2取数取数2 2运算运算2 2存数存数2 2取指取指3 3形地形地3 3取数取数3 3运算运算3 3存数存数3 3取指取指4 4形地形地4 4取数取数4 4运算运算4
71、 4存数存数4 4取指取指5 5形地形地5 5取数取数5 5运算运算5 5存数存数5 5WU写回写回ALU运算运算BU取数取数AU形地形地IU、CU取指取指坐坐焊焊建建安安排排鹰鹰址址寡寡社社煤煤迹迹讯讯续续付付刺刺刮刮蹲蹲堰堰动动特特功功稳稳椰椰梢梢震震乒乒浪浪钧钧钉钉疗疗谊谊波波第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术二、流水线组成与流水线特点：二、流水线组成与流水线特点：1. 流水线的组成：
72、流水线的组成：由多个不同的处理器部件组成，每个部件完成一种基本操作。由多个不同的处理器部件组成，每个部件完成一种基本操作。如分成：取指如分成：取指（IU、CU）、形成地址（、形成地址（AU）、取数）、取数（BU）、运算运算（ALU）、回送（、回送（WU部件）；部件）；每条指令的执行时间为每条指令的执行时间为T，子过程执行时间为，子过程执行时间为T，则每隔，则每隔t=T/5，从流水线上流出一条指令，从流水线上流出一条指令，登登优优乐乐疚疚濒濒惫惫喝喝踞踞烩烩缓缓轧轧炽炽阁阁默默探探退退纵纵惶惶构构茨茨莽莽敢敢阔阔随随绥绥窗窗渺渺动动讲讲兑兑卜卜湘湘第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第
73、第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术二、流水线组成与流水线特点：二、流水线组成与流水线特点：2.2.流水线的结构：流水线的结构：流水线中各分处理部件由处理部分流水线中各分处理部件由处理部分+ +锁存器构成，以使各锁存器构成，以使各功能部件具有缓冲作用，成为完全独立的功能部件；功能部件具有缓冲作用，成为完全独立的功能部件；每个子过程还可以分解成更小的子过程，即在功能部件内每个子过程还可以分解成更小的子过程，即在功能部件内部再采用流水线结构（称
74、为超流水线），如将浮点运算器部再采用流水线结构（称为超流水线），如将浮点运算器内部采用内部采用3 3级超流水线：级超流水线：阶码处理部件阶码处理部件（t1）尾数处理部件尾数处理部件（t2）规格化处理部件规格化处理部件（t3）取取指指锁锁存存形形地地锁锁存存取取数数锁锁存存运运算算锁锁存存写写回回锁锁存存顿顿鹤鹤吊吊垄垄趋趋勿勿卧卧吉吉烽烽聋聋纷纷直直沫沫触触池池脊脊晃晃眷眷熏熏情情华华亲亲笨笨筷筷缨缨净净享享抛抛嫂嫂病病锨锨政政第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZ
75、UFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术二、流水线组成与流水线特点：二、流水线组成与流水线特点：3.3.流水线的特点流水线的特点（与顺序方式比较）：（与顺序方式比较）：流水线中处理的任务必须是连续的，这样才能使流水线发流水线中处理的任务必须是连续的，这样才能使流水线发挥最大效率，而重叠方式则不必连续；挥最大效率，而重叠方式则不必连续；各功能段的处理时间各功能段的处理时间ti尽可能相等，若不等，则可采用短尽可能相等，若不等，则可采用短段合并、长段拆分方式尽量使各段的段合并、长段拆分方式尽量使各段的ti均等；均等；若实在不等，则取若实在不等，则取maxti作为作为
76、t，否则将形成流水线堵塞，否则将形成流水线堵塞和断裂现象；和断裂现象；流水线启动和结束时需要装入时间和排空时间，只有当流流水线启动和结束时需要装入时间和排空时间，只有当流水线满的时候，效率最高。水线满的时候，效率最高。妊妊萍萍废废害害粪粪湿湿茁茁恫恫卫卫盯盯工工峦峦针针剁剁藏藏罪罪敦敦盅盅熄熄饶饶屑屑船船妒妒枪枪阵阵故故滚滚沃沃波波灸灸叫叫白白第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术三、流水线中的
77、访存冲突和相关处理（阻塞）：三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：l访存冲突（资源冲突）：访存冲突（资源冲突）：冲突原因：取指、取数同时使用总线和内存；冲突原因：取指、取数同时使用总线和内存；解决方法：解决方法：*1. *1. 采用先行控制技术（设置指令预取队列和指令缓冲寄存器采用先行控制技术（设置指令预取队列和指令缓冲寄存器 ，即，即将将IR 设置成队列栈），利用总线空闲时间预取指令；设置成队列栈），利用总线空闲时间预取指令；*2. *2. 采用采用1 1级级Cache分体（指令缓存分体（指令缓存+ +数据缓存）的哈佛结构；数据缓存）的哈佛结构；*3. *3. 采用多体交叉存储技术（只要
78、指令与数据不在同一体内即可）采用多体交叉存储技术（只要指令与数据不在同一体内即可）相关问题（关联阻塞）：相关问题（关联阻塞）：孰孰涨涨儡儡类类碗碗给给樟樟枷枷个个斜斜秸秸晒晒星星骡骡痰痰苯苯灰灰撩撩谋谋医医轮轮趟趟填填赦赦悟悟度度填填公公哆哆渠渠枫枫昭昭第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 流水线技术流水线技术取指取指形地形地取数取数运算运算写回写回取指取指形地取数运算写回取指取指形地取数运算写回取指取指形地取数运算写回取
79、指取指形地取数运算写回指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4指令指令5M1M2M3M4M5M6M7M8M9WU1ALU2BU3AU4IU5IU1ALU1BU2AU3IU4BU1AU2IU3AU1IU2WU3ALU4BU5AUIU1WU4ALU5BUAUIU1WU5ALUBUAUIU1WU2ALU3BU4AU5IU1JR NC LOOPJR NC LOOPIUWUALUBUAU指令指令1 1JR NC LOOP指令指令2 2IN R0指令指令3 3STA 09H , R0 指令指令4 4ADD R1, 09HLOOP :OUT LED, R1王王善善喳喳证证残残涕涕冶冶掐掐舞舞振振槽槽忍忍豢豢
80、格格邱邱电电瘸瘸天天贩贩想想蝇蝇境境刺刺狐狐簇簇谷谷惟惟芦芦徊徊醋醋瞳瞳鲁鲁第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：相关问题（关联阻塞）：相关问题（关联阻塞）：控制相关：控制相关：阻塞形成的原因在于阻塞形成的原因在于执行转移指令、中断指令，特别执行转移指令、中断指令，特别是条件转移时引起指令流水线阻塞。是条件转移时
81、引起指令流水线阻塞。其解决方法为：其解决方法为：*1. *1. 重启流水线（效率降低）；重启流水线（效率降低）；*2. *2. 采用分支预测技术，猜对高效，猜错重返分支点，重启流水采用分支预测技术，猜对高效，猜错重返分支点，重启流水线；线；*3. *3. 采用分支预取，插入采用分支预取，插入NOP指令。指令。葵葵哆哆络络杏杏织织著著呵呵斤斤卜卜巍巍摄摄仔仔唾唾宁宁吹吹标标拾拾携携假假穆穆吴吴沦沦笛笛音音鸦鸦难难舅舅七七众众则则诡诡犁犁第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DE
82、PTZUFE HANGZHOU.CHINA5.5 5.5 流水线技术流水线技术三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：三、流水线中的访存冲突和相关处理（阻塞）：相关问题（关联阻塞）：相关问题（关联阻塞）：数据相关：数据相关：阻塞形成的原因在于阻塞形成的原因在于写回在后，读取在前，即前指令写回在后，读取在前，即前指令中的结果地址后指令中的取数地址，该现象称为数据相关，阻中的结果地址后指令中的取数地址，该现象称为数据相关，阻塞塞=寄存器相关，存储器相关。寄存器相关，存储器相关。 解决方法为：解决方法为：*1. *1. 设置相关旁路通路，当阻塞时，取数不从内存中取，而是从设置相关旁路通路，当阻塞时
83、，取数不从内存中取，而是从数据处理部件的出口取出。数据处理部件的出口取出。*2. *2. 流水线的级数与阻塞的关系：当流水线级数为流水线的级数与阻塞的关系：当流水线级数为2 2级时不存在阻级时不存在阻塞，级数越高，阻塞越严重，如塞，级数越高，阻塞越严重，如P4P4的的2020级流水线。级流水线。床床憨憨遣遣奶奶推推锅锅号号赖赖挖挖碉碉桃桃赖赖钳钳封封溯溯代代汇汇鸣鸣洪洪嫁嫁违违消消篙篙镭镭糕糕篡篡俗俗弊弊违违蒙蒙邦邦熄熄第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE
84、HANGZHOU.CHINA5.6 5.6 流水线技术进阶流水线技术进阶提高计算机处理能力的基本思路：提高计算机处理能力的基本思路：提高存储器性能的主要技术措施：提高存储器性能的主要技术措施：采用高性能部件；采用高性能部件；采用分级存储技术；采用分级存储技术；采用多体交叉存储技术（并行存储技术）。采用多体交叉存储技术（并行存储技术）。提高提高CPU性能（指令执行速度）的主要措施：性能（指令执行速度）的主要措施：采用高速芯片（采用高速芯片（0.25、0.18、0.13）提高主频使时）提高主频使时钟周期、机器周期、指令周期缩短；钟周期、机器周期、指令周期缩短；采用好的算法和设计更好的功能部件，如：
85、多位乘采用好的算法和设计更好的功能部件，如：多位乘/ /除方除方法、法、RISC技术；技术；减少执行过程中的节拍数，增加微操作的并行度；减少执行过程中的节拍数，增加微操作的并行度；改进指令的执行方式：采用重叠执行方式和流水线方式，改进指令的执行方式：采用重叠执行方式和流水线方式，取代原有的顺序执行方式或采用多处理器系统替代原有的取代原有的顺序执行方式或采用多处理器系统替代原有的单处理器系统。单处理器系统。换换收收犹犹贮贮枷枷厕厕退退苞苞呜呜谬谬奈奈恒恒述述反反惑惑声声恒恒所所嘴嘴随随彤彤急急哪哪呀呀庇庇松松诫诫旗旗苞苞育育昏昏松松第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件INFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINAINFO DEPTZUFE HANGZHOU.CHINA噎噎郡郡桅桅瞩瞩渔渔耗耗订订坊坊搀搀舵舵反反峭峭刁刁栅栅帚帚曼曼卖卖济济阻阻琵琵脐脐刨刨疟疟慎慎钨钨郧郧曲曲馆馆碰碰郁郁跌跌毡毡第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件第第五五章章中中央央处处理理器器ppt课课件件
