中央處理器白中英

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1、5.4 微 程 序 控 制 器 5. 4. 1 微 程 序 控 制 原 理 5. 4. 2 微 程 序 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 發(fā) 展 微 程 序 的 概 念 和 原 理 是 由 英 國(guó) 劍 橋 大 學(xué) 的M V Wilkes教 授 于 1951年 在 曼 徹 斯 特 大 學(xué) 計(jì) 算 機(jī) 會(huì)議 上 首 先 提 出 來 的 ， 當(dāng) 時(shí) 還 沒 有 合 適 的 存 放 微 程 序 的控 制 存 儲(chǔ) 器 的 元 件 。 到 1964年 ， IBM公 司 在 IBM 360系 列 機(jī) 上 成 功 地 采 用 了微 程 序 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 。 20世 紀(jì) 70年 代 以 來 ， 由 于 VLSI技 術(shù)的 發(fā) 展

2、 ， 推 動(dòng) 了 微 程 序 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 應(yīng) 用 。 目 前， 從 大 型 機(jī) 到 小 型 機(jī) 、 微 型 機(jī) 都 普 遍 采 用 了 微 程 序 設(shè)計(jì) 技 術(shù) 。 5.4.1 微 程 序 控 制 原 理 基 本 思 想 仿 照 解 題 的 方 法 ， 把 操 作 控 制 信 號(hào) 編 制 成 微 指 令 ， 存 放到 控 制 存 儲(chǔ) 器 里 ， 運(yùn) 行 時(shí) ， 從 控 存 中 取 出 微 指 令 ， 產(chǎn) 生 指令 運(yùn) 行 所 需 的 操 作 控 制 信 號(hào) 。 從 上 述 可 以 看 出 ， 微 程 序 設(shè)計(jì) 技 術(shù) 是 用 軟 件 方 法 來 設(shè) 計(jì) 硬 件 的 技 術(shù)

3、。5.4.1 微 程 序 控 制 原 理 根 據(jù) 每 條 指 令 執(zhí) 行 的 階 段 性 ， 將 所 需 微 操 作 信 號(hào) 以二 進(jìn) 制 編 碼 形 式 存 入 存 儲(chǔ) 器 ， 按 序 依 次 讀 出 執(zhí) 行 ， 即 可實(shí) 現(xiàn) 指 令 的 功 能 。 微 命 令 : 控 制 部 件 （ 如 CU） 通 過 控 制 線 向 執(zhí) 行 部 件 (如ALU、 M、 I/O等 ） 發(fā) 出 的 命 令 。 微 操 作 :執(zhí) 行 部 件 接 受 微 命 令 后 所 進(jìn) 行 的 操 作 。1. 微 命 令 和 微 操 作 ALUDRY X M4681 2 3 579R 1 R2 R3 Cy 圖 5.23 簡(jiǎn)

4、 單 運(yùn) 算 器 數(shù) 據(jù) 通 路 圖 相 斥 性 微 命 令 不 能 同 時(shí) 出 現(xiàn) 的 微 命 令 。 例 如 ： +， ， M。 相 容 性 微 命 令可 能 同 時(shí) 出 現(xiàn) 的 微 命 令 。 例 如 ： 圖 中 的 4， 5 。 2. 微 指 令 和 微 程 序 微 指 令 :在 一 個(gè) CPU周 期 中 ， 一 組 實(shí) 現(xiàn) 一 定 操 作功 能 的 微 命 令 的 組 合 。 微 指 令 的 基 本 格 式 ： P字 段 下 址 字 段操 作 控 制 順 序 控 制圖 5.20 微 指 令 的 基 本 格 式 操 作 控 制 字 段 用 于 產(chǎn) 生 微 命 令 。 順 序 控 制 字

5、 段 用 于 確 定 下 一 條 微 指 令 的 地 址 。 操 作 控 制 字 段 中 的 每 一 位 表 示 一 個(gè) 微 命 令 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2x R2yDRxR3y M RDLDDRLDIRLDAR PC+1P1 P2 直 接 地 址操 作 控 制 順 序 控 制圖 5.24 微 指 令 基 本 格 式例 如 ： 第 1位 = 1有 微 命 令 LDR10無 微 命 令 LDR1微 命 令 微 程 序 :由 微 指 令 組 成 ， 用 以 實(shí)

6、 現(xiàn) 指 令 功 能 的 程 序 。微 命 令 微 指 令 微 程 序 機(jī) 器 指 令 系 統(tǒng)組 合 組 合 組 合 機(jī) 器 指 令 a 微 程 序 設(shè) 計(jì)用 類 似 程 序 設(shè) 計(jì) 的 方 法 ， 組 織 和 控 制 機(jī) 器 內(nèi) 部 信 息 的 傳 送 和 互 相 的 聯(lián) 系 。 b 微 程 序 設(shè) 計(jì) 任 務(wù)設(shè) 計(jì) 微 指 令 ， 編 制 微 程 序 操 作 時(shí) 序 電 位 與 脈 沖 的 配 合20ns60ns“ ”LDR1 CPU周 期節(jié) 拍 電 位信 號(hào)節(jié) 拍 脈 沖信 號(hào) 圖 5.25運(yùn) 算 器 操 作 時(shí) 序 與 產(chǎn) 生 邏 輯T4 LDR1 LDR2 LDR3LDR 1 LDR

7、2 LDR3LDR1 LDR3用 于 圖 5.23的 1， 2， 3微 指 令 。 3. 微 程 序 控 制 器 原 理 框 圖 地 址 轉(zhuǎn) 移邏 輯OP微 地 址 寄 存 器地 址 譯 碼 控 制 存 儲(chǔ) 器 P字 段 控 制 字 段微 命 令 信 號(hào)指 令 寄 存 器IR 狀 態(tài) 條 件微 指 令寄 存 器圖 5.22 微 程 序 控 制 器 組 成 原 理 框 圖 地 址 轉(zhuǎn)移邏 輯OP微 地 址 寄 存 器地 址 譯 碼控 制 存 儲(chǔ) 器 P字 段 控 制 字 段微 命 令 信 號(hào)指 令 寄 存 器IR 狀 態(tài) 條 件微 指 令寄 存 器圖 5.22 微 程 序 控 制 器 組 成 原

8、 理 框 圖 （ 1） 控 制 儲(chǔ) 存 器 CM存 放 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 指 令 系 統(tǒng) 功 能的 微 程 序 ， 由 高 速 ROM構(gòu) 成 。* CM的 字 長(zhǎng) 就 是 微 指 令 字 長(zhǎng) ； CM是 控 制 器 的 一 部 分 ； 要 求 CM高 速 可 靠 。 （ 2） 微 指 令 寄 存 器 MIR寄 存 現(xiàn) 行 微 指 令 。（ 3） 地 址 轉(zhuǎn) 移 邏 輯按 要 求 修 改 、 形 成 下 一 條 微 指 令 的 地 址 。 （ 4） 微 地 址 寄 存 器 AR 寄 存 訪 問 CM的 微 指 令 地 址 。 （ 4） 微 程 序 控 制 的 計(jì) 算 機(jī) 的 工 作 過 程 執(zhí) 行

9、 取 指 微 指 令 :依 （PC） 從 內(nèi) 存 讀 出 指 令 ，由 操 作 碼 經(jīng) 地 址 轉(zhuǎn) 移 邏 輯 形 成 執(zhí) 行 該 指令 的 微 程 序 入 口 地 址AR； 根 據(jù) （ AR） 從 CM中讀 出 微 指 令 MIR； 操 作 控 制 字 段 （ 經(jīng) 譯 碼 ） 產(chǎn)生 微 命 令 ， 送 各 功 能 部 件 執(zhí) 行 ； 由 轉(zhuǎn) 移 邏 輯 形 成 下 一 微 地 址 AR， 可 見 ： 步 驟 的 循 環(huán) 過 程 就 是 微 程 序 的 執(zhí) 行 過 程 。 地 址 轉(zhuǎn)移邏 輯OP微 地 址 寄 存 器地 址 譯 碼控 制 存 儲(chǔ) 器 P字 段 控 制 字 段微 命 令 信 號(hào)指

10、 令 寄 存 器IR 狀 態(tài) 條 件微 指 令寄 存 器圖 5.22 微 程 序 控 制 器 組 成 原 理 框 圖 我 們 舉 “ 十 進(jìn) 制 加 法 ” 指 令 為 例 ， 具 體 看 一 看 微 程 序控 制 的 過 程 。 功 能 ： 實(shí) 現(xiàn) 兩 個(gè) BCD碼 十 進(jìn) 制 加 法 運(yùn) 算 。算 法 ： 兩 個(gè) 一 位 BCD碼 之 和 。 大 于 9時(shí) ， 和 數(shù) 必 須 加 6修 正 ， 并 產(chǎn) 生 十 進(jìn) 制 進(jìn) 位 。 不 大 于 9時(shí) ， 和 數(shù) 不 必 修 正 ， 且 無 十 進(jìn) 制 數(shù) 的 進(jìn) 位 。4. 指 令 的 微 程 序 舉 例 十 進(jìn) 制 加 法 指 令 的 微

11、程 序 控 制 過 程 PCARABUSDBUSDRIR， PC+1P 1(R1) (R2)R2(R2) (R3)R2P2(R 2) (R3)R2 00000000RD 101010010000 00000001Cy 0Cy 1圖 5.29十 進(jìn) 制 加 法 微 程 序 流 程圖 1、 執(zhí) 行 “ 取 指 ” 微 指 令 ， 取 出 “ 十 進(jìn) 制 加 法 ” 指 令 LDAR (MR16) ； (PC)AR RD (MR13) ； 讀 內(nèi) 存 LDDR (MR14) ； 指 令 DR LDIR (MR15) ； (DR)IR PC 1（ MR17） ； (PC)+1PC P1(MR18) ；

12、 允 許 用 OP作 為 下 一 微 地 址， 即 微 程 序 入 口 設(shè) 十 進(jìn) 制 加 法 指 令 OP 1010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2 x R2yDRxR3y M RDLDDRLDIRLDAR PC+1P1 P2 直 接 地 址操 作 控 制 順 序 控 制 2、 執(zhí) 行 “ 十 進(jìn) 制 加 法 ” 指 令 的 微 程 序PCARABUSDBUSDRIR， PC+1P1(R 1) (R2)R2(R2) (R3)R2P2(R2) (R3)R2 00000

13、000RD 10101001000000000001Cy 0Cy 1圖 5.29十 進(jìn) 制 加 法 微 程 序 流 程圖 （ 1） 1010微 指 令 R1x ， R2y， ， LDR2 完 成 (R1) (R2)R2（ 2） 1001微 指 令 R2x， R3y， ， LDR2 (R3) (110)2 完 成 (R2) (R3)R2 P2 測(cè) 試 Cy Cy 0， 1 uAR0， 0001為 下 一 微 地 址 Cy 1， 0000為 下 一 微 指 令 （ 3） （ Cy 0） ， 0001微 指 令 R2x， R3y， ， LDR2 完 成 (R2) (R3)R2 1 2 3 4 5 6

14、 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2x R2yDRxR3y M RDLDDRLDIRLDAR PC+1P1 P2 直 接 地 址操 作 控 制 順 序 控 制 000 000 000 000 11111 10 0000第 二 條 微 指 令 的 二 進(jìn) 制 編 碼 是010 100 100 100 00000 00 1001第 三 條 微 指 令 的 二 進(jìn) 制 編 碼 是010 001 001 100 00000 01 0000第 四 條 微 指 令 的 二 進(jìn) 制 編 碼 是010 001

15、001 001 00000 00 0000第 一 條 微 指 令 的 二 進(jìn) 制 編 碼 是 CY=1000010101001 0001 5. CPU周 期 與 微 指 令 周 期 的 關(guān) 系 在 串 行 方 式 的 微 程 序 控 制 器 中 :微 指 令 周 期 = 讀 出 微 指 令 的 時(shí) 間 + 執(zhí) 行 該 條 微 指 令 的 時(shí) 間 下 圖 示 出 了 某 小 型 機(jī) 中 CPU周 期 與 微 指 令 周 期 的 時(shí) 間 關(guān) 系 ： 一 個(gè) CPU周 期 為 0.8s， 它 包 含 四 個(gè) 等 間 隔 的 節(jié) 拍脈 沖 T 1T4， 每 個(gè) 脈 沖 寬 度 為 200ns。 用 T

16、4作 為 讀 取微 指 令 的 時(shí) 間 ， 用 T1+T2+T3時(shí) 間 作 為 執(zhí) 行 微 指 令 的 時(shí)間 。 例 如 ， 在 前 600ns時(shí) 間 內(nèi) 運(yùn) 算 器 進(jìn) 行 運(yùn) 算 ， 在 600ns時(shí)間 的 末 尾 運(yùn) 算 器 已 經(jīng) 運(yùn) 算 完 畢 ， 44， 經(jīng) 200ns時(shí) 間 延 遲 ， 下 條 微 指 令 又 從 只 讀 存儲(chǔ) 器 讀 出 ， 并 用 T1上 升 沿 打 入 到 微 指 令 寄 存 器 。 如 忽略 觸 發(fā) 器 的 翻 轉(zhuǎn) 延 遲 ， 那 么 下 條 微 指 令 的 微 命 令 信 號(hào)就 從 T1上 升 沿 起 就 開 始 有 效 ， 直 到 下 一 條 微 指

17、令 讀 出后 打 入 微 指 令 寄 存 器 為 止 。 因 此 一 條 微 指 令 的 保 持 時(shí)間 恰 好 是 0.8s， 也 就 是 一 個(gè) CPU周 期 的 時(shí) 間 。 6. 機(jī) 器 指 令 與 微 指 令 的 關(guān) 系【 問 】 :一 會(huì) 兒 取 機(jī) 器 指 令 ， 一 會(huì) 兒 取 微 指 令 ， 它 們 之 間 到 底是 什 么 關(guān) 系 ?【 解 】 : 1.一 條 機(jī) 器 指 令 對(duì) 應(yīng) 一 個(gè) 微 程 序 ， 這 個(gè) 微 程 序 是 由 若 干 條微 指 令 序 列 組 成 的 。 因 此 ， 一 條 機(jī) 器 指 令 的 功 能 是 由 若 干 條微 指 令 組 成 的 序 列

18、來 實(shí) 現(xiàn) 的 。 簡(jiǎn) 言 之 ， 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 。 2. 從 指 令 與 微 指 令 ， 程 序 與 微 程 序 ， 地 址 與 微 地 址 的 一一 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 來 看 ， 3. 我 們 在 講 述 本 章 5.2節(jié) 時(shí) ， 曾 講 述 了 指 令 與 機(jī) 器 周 期概 念 ， 并 歸 納 了 五 條 典 型 指 令 的 指 令 周 期 ,并 演 示 了 這 五 條指 令 的 微 程 序 流 程 圖 ，這 就 告 訴 我 們 如 何 設(shè) 計(jì) 微 程 序 ， 也

19、將 使 我 們 進(jìn) 一 步 體 驗(yàn)到 機(jī) 器 指 令 與 微 指 令 的 關(guān) 系 。 【 例 2】 設(shè) 某 計(jì) 算 機(jī) 運(yùn) 算 器 框 圖 如 圖 (a)所 示 ， 其 中 ALU為 16位的 加 法 器 (高 電 平 工 作 )， SA,SB為 16位 暫 存 器 。 4個(gè) 通 用 寄 存 器由 D觸 發(fā) 器 組 成 ， Q端 輸 出 。 4個(gè) 通 用 寄 存 器 由 D觸 發(fā) 器 組 成 ， Q端 輸 出 ， 其 讀 、 寫 控制 功 能 見 下 表 機(jī) 器 采 用 串 行 微 程 序 控 制 方 式 ， 其 微 指 令 周 期 見 圖 （ b)。其 中 讀 ROM是 從 控 存 中 讀

20、出 一 條 微 指 令 時(shí) 間 ， 為 1s； ALU工 作 是 加 法 器 做 加 法 運(yùn) 算 ， 為 500ns； m1是 讀 寄 存 器 時(shí) 間 ， 為500ns； m2是 寫 寄 存 器 的 工 作 脈 沖 寬 度 ， 為 100ns。 微 指 令 字長(zhǎng) 12位 ， 微 指 令 格 式 如 下 ： RA0RA1 WA0WA1 R W LDSA LDSB SB-ALU SB-ALU Reset 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11RA0RA1： 讀 R0-R3的 選 擇 控 制 WA0WA1： 寫 R0-R3的 選 擇 控 制 R： 寄 存 器 讀 命 令 W： 寄 存 器

21、 寫 命 令LDSA： 打 入 SA的 控 制 信 號(hào) LDSB： 打 入 SB的 控 制 信 號(hào) SB-ALU： 傳 送 SB的 控 制 信 號(hào) S B-ALU： 傳 送 SB的 控 制 信 號(hào) ,并 使 加 法 器 最 低 位 加 1. Reset： 清 暫 存 器 SB為 零 的 信 號(hào) ： 一 段 微 程 序 結(jié) 束 ， 轉(zhuǎn) 入 取 機(jī) 器 指 令 的 控 制 信 號(hào) 要 求 ： 用 二 進(jìn) 制 代 碼 寫 出 如 下 指 令 的 微 程 序 ： (1)“ ADD R0， R1”指 令 ， 即 (R0)+(R1)R1(2)“SUB R2， R3”指 令 ， 即 (R3)-(R2)R3(

22、3)“MOV R2， R3”指 令 ， 即 (R2)(R3) 先 畫 出 三 條 指 令 的 微 指 令 的 微 程 序 流 程 圖 ， 如 下 圖 所 示 。 根 據(jù) 給 定 的 微 指 令 周 期 時(shí) 間 關(guān) 系 ， 完 成 ADD， SUB指 令 的 執(zhí)行 動(dòng) 作 需 要 3條 微 指 令 ， MOV指 令 只 需 2條 微 指 令 。 用 二 進(jìn) 制 代碼 寫 出 的 三 條 指 令 的 微 程 序 列 于 下 表 中 ， 其 中 *表 示 代 碼 隨 意 設(shè) 置 (0或 1均 可 )。 其 中 未 考 慮 “取 指 周 期 ” 和順 序 控 制 問 題， 也 即 微 程 序僅 考 慮

23、 “ 執(zhí) 行周 期 ” ， 微 指令 序 列 的 順 序用 數(shù) 字 標(biāo) 號(hào) 標(biāo)在 每 條 微 指 令的 右 上 角 。 每一 框 表 示 一 條微 指 令 。 (1)“ ADD R0， R1”指 令 ，即 (R0)+(R1) R1RA 0RA1 WA0WA1 R W LDSA LDSB SB-ALU SB-ALU Reset 1.定 義 微 指 令 格 式2.寫 出 微 指 令 RA0RA1 WA0WA1 R W LDSA LDSB SB-ALU SB-ALU Reset 全 部 的 微 指 令 5.4.2 微 程 序 設(shè) 計(jì) 技 術(shù)1 設(shè) 計(jì) 微 指 令 結(jié) 構(gòu) 的 目 標(biāo) ：q有 利 于

24、縮 短 微 指 令 字 長(zhǎng) 度 ；q有 利 于 減 少 CM的 容 量 ；q有 利 于 提 高 微 程 序 的 執(zhí) 行 速 度 ；q有 利 于 微 指 令 的 修 改 ；q有 利 于 微 程 序 設(shè) 計(jì) 的 靈 活 性 。 1、 微 命 令 編 碼就 是 對(duì) 微 指 令 中 的 操 作 控 制 字 段 采 用 的 表 示 方 法 。 （ 1） 直 接 表 示 法 （ 直 接 控 制 法 ， 不 譯 法 ）操 作 控 制 字 段 中 的 每 一 位 表 示 一 個(gè) 微 命 令 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2

25、3LDR1LDR 2LDR3R1xR1yR2x R2yDRxR3y M RDLDDRLDIRLDAR PC+1P1 P2 直 接 地 址操 作 控 制 順 序 控 制圖 5.24 微 指 令 基 本 格 式優(yōu) 點(diǎn) ： 簡(jiǎn) 單 ， 直 觀 ， 快 速 。 缺 點(diǎn) ： 微 指 令 字 太 長(zhǎng) ， 位 信 息 利 用 率 低 。直 接 表 示 法 適 用 于 微 命 令 少 的 場(chǎng) 合 。例 如 ： 第 1位 = 1有 微 命 令 LDR10無 微 命 令 LDR1 （ 2） 編 碼 表 示 法 （ 字 段 編 譯 法 ）將 微 命 令 分 段 編 碼 ， 經(jīng) 簡(jiǎn) 單 譯 碼 產(chǎn) 生 微 命 令 。

26、 優(yōu) 點(diǎn) ： 微 指 令 字 長(zhǎng) 適 中 ， 譯 碼 器 不 龐 大 ， 能 實(shí) 現(xiàn) 并 行 操 作 ， 速 度 較 快 。 字 段 直 接 編 譯 法 （ 字 段 顯 式 編 譯 法 ） 微 命 令 由 字 段 自 身 的 編 碼 確 定 。 n個(gè) 字 段 的 微 命 令 總 數(shù) ：n 1i 2Xi n （ 5.2） 圖 5.26 字 段 直 接 編 譯 法字 段 1 字 段 2 下 一 微 地 址操 作 控 制 順 序 控 制譯碼 譯碼 譯碼 微 命令 P1P2 Pn P字 段 式 中 ： Xi 第 i個(gè) 字 段 包 含 的 二 進(jìn) 制 位 數(shù) n 字 段 數(shù) 字 段 間 接 編 譯 法

27、（ 字 段 隱 式 編 譯 法 ） 字 段 的 含 義 需 由 字 段 自 身 的 編 碼 和 另 一 字 段 或 某 特 征觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 共 同 確 定 。好 處 ： 可 進(jìn) 一 步 縮 短 微 指 令 字 長(zhǎng) 圖 5.27 字 段 間 接 編 譯 法字 段 1 字 段 2 微 命 令 字 段 n 0 1C2 2i 1 CPU用 CH用 分 段 原 則 ： . 相 互 有 一 定 關(guān) 系 又 不 能 在 同 一 微 周 期 出 現(xiàn) （ 相 斥 性 ） 的微 命 令 可 編 在 同 一 字 段 內(nèi) ； 可 能 在 同 一 微 周 期 出 現(xiàn) （ 相 容 性 ）的 微 命 令 應(yīng) 編

28、在 不 同 的 字 段 內(nèi) ； . 分 段 應(yīng) 與 數(shù) 據(jù) 通 路 的 結(jié) 構(gòu) 相 適 應(yīng) ， 便 于 微 命 令 設(shè) 計(jì) ，修 改 ， 查 找 。 . 每 個(gè) 字 段 的 位 數(shù) 不 能 太 多 （ 24位 ） 。(3) 混 合 表 示 法把 直 接 表 示 法 和 編 碼 表 示 法 相 混 合 使 用 。 一 般 每 個(gè) 小 段 還 要 留 出 一 個(gè) 狀 態(tài) ， 表 示 本 字 段 不 發(fā) 出 任何 微 命 令 。 因 此 當(dāng) 某 字 段 的 長(zhǎng) 度 為 三 位 時(shí) ， 最 多 只 能 表 示七 個(gè) 互 斥 的 微 命 令 ， 通 常 用 000表 示 不 操 作 。 2. 微 地 址

29、 的 形 成 方 法入 口 地 址 ： 每 條 機(jī) 器 指 令 對(duì) 應(yīng) 一 段 微 程 序 ， 當(dāng) 公 用 的 取 指 微程 序 從 主 存 中 取 出 機(jī) 器 指 令 之 后 ， 由 機(jī) 器 指 令 的 操 作 碼 字 段指 出 各 段 微 程 序 的 入 口 地 址 。 這 是 一 種 多 分 支 (或 多 路 轉(zhuǎn) 移 )的 情 況 。 入 口 地 址 形 成 ： 如 果 機(jī) 器 指 令 操 作 碼 字 段 的 位 數(shù) 和 位 置 固 定， 可 以 直 接 使 操 作 碼 與 微 程 序 入 口 地 址 的 部 分 位 相 對(duì) 應(yīng) 。微 地 址 包 括 微 程 序 的 入 口 地 址 和

30、后 繼 地 址 。微 地 址 的 形 成 方 法 ： 計(jì) 數(shù) 器 的 方 式 多 路 轉(zhuǎn) 移 的 方 式 在 微 程 序 控 制 器 中 設(shè) 置 一 個(gè) 微 程 序 計(jì) 數(shù) 器 MPC， 取 代 微 地址 寄 存 器 。 MPC的 作 用 類 似 PC。順 序 執(zhí) 行 微 指 令 時(shí) ，后 繼非 順 序 執(zhí) 行 微 指 令 時(shí) ，必 須 。2、 后 繼 微 地 址 形 成 方 法 例 ： 執(zhí) 行 某 指 令 的 微 程 序 有 8條 微 指 令 ， 設(shè) 這 8條 微 指 令 的微 地 址 為 00110 01000， 01011 01111， 則 可 在 CM的01001單 元 安 排 一 條

31、 轉(zhuǎn) 移 到 01011微 指 令 的 轉(zhuǎn) 移 微 指 令 。 特 點(diǎn) ： 控 制 字 段 較 短 ， 微 地 址 產(chǎn) 生 機(jī) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 但 微 指令 存 放 位 置 不 靈 活 ， 微 轉(zhuǎn) 移 指 令 多 時(shí) ， 執(zhí) 行 速 度 較 慢 。計(jì) 數(shù) 器 方 式 要 求 對(duì) 于 順 序 執(zhí) 行 的 微 指 令 序 列 必 須 安 排 在 控 制存 儲(chǔ) 器 的 連 續(xù) 單 元 中 . 2.多 路 轉(zhuǎn) 移 方 式 下 址 字 段 方 式 （ 斷 定 方 式 ） 一 條 微 指 令 具 有 多 個(gè) 轉(zhuǎn) 移 分 支 的 能 力 稱 為 多 路 轉(zhuǎn) 移 。 在多 路 轉(zhuǎn) 移 方 式 中 后 繼 微

32、地 址 的 產(chǎn) 生 ： 當(dāng) 微 程 序 不 產(chǎn) 生 分 支 時(shí) ， 后 繼 微 地 址 直 接 由 微 指 令 的 順序 控 制 字 段 給 出 ； 當(dāng) 微 程 序 出 現(xiàn) 分 支 時(shí) ， 有 若 干 “ 后 選 ” 微 地 址 可 供 選 擇： 即 按 順 序 控 制 字 段 的 “ 判 別 測(cè) 試 ” 標(biāo) 志 和 “ 狀 態(tài) 條 件 ” 信息 來 選 擇 其 中 一 個(gè) 微 地 址 。 “ 狀 態(tài) 條 件 ” 有 n位 標(biāo) 志 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 微 程 序 2的 n次 方 路 轉(zhuǎn) 移， 涉 及 微 地 址 寄 存 器 的 n位 。 P字 段 下 址 字 段 操 作 控 制 順 序 控 制 下

33、 址 字 段 方 式 （ 斷 定 方 式 ） 不 轉(zhuǎn) 移 時(shí) 按 下 址 字 段 從 CM中 取 下 一 微 指 令 。 轉(zhuǎn) 移 時(shí) （ 由 判 別 標(biāo) 志 和 狀 態(tài) 條 件 決 定 ） ， 由 微 地 址 形成 電 路 產(chǎn) 生 下 一 微 地 址 。 特 點(diǎn) ： 微 指 令 存 放 位 置 靈 活 ， 不 需 MPC。 但 增 加 了 微 指 令 的 長(zhǎng) 度 ， 微 地 址 產(chǎn) 生 機(jī) 構(gòu) 較 復(fù) 雜 。 OP101010111101 00001010 1011 11010000P1取 指 微 指 令微 地 址 的 設(shè) 計(jì)當(dāng) 微 地 址 的 位 數(shù) 與 OP碼 相 同 時(shí)微 程 序 的 入

34、 口 地 址 =OP碼 OP101010111101 0000000000101011 00000011P1取 指 微 指 令當(dāng) 微 地 址 的 位 數(shù) 與 OP碼 不 相 同 時(shí) ， 微 地 址 的 位 數(shù) =8， OP=4位微 程 序 的 入 口 地 址 與 OP碼 有 關(guān) OP碼 00101111 00110111 【 例 5.1】 設(shè) 微 地 址 寄 存 器 有 8位 （ A7 A0） ， “取 指 ” 微 指 令 的微 地 址 為 0000 0000， 修 改 微 地 址 時(shí) 可 通 過 觸 發(fā) 器 的 強(qiáng) 置 端 S將 其 置 1?，F(xiàn) 有 三 種 情 況 ：（ 1） 執(zhí) 行 “ 取

35、 指 ” 微 指 令 后 ， 微 程 序 按 IR的 OP字 段 （ IR5 IR2） 進(jìn) 行16路 分 支 ；（ 2） 執(zhí) 行 條 件 轉(zhuǎn) 移 指 令 的 微 程 序 時(shí) ， 按 進(jìn) 位 標(biāo) 志 C的 狀 態(tài) 進(jìn) 行 2路 分 支 ；（ 3） 執(zhí) 行 控 制 臺(tái) 指 令 的 微 程 序 時(shí) ， 按 IR0， IR1的 狀 態(tài) 進(jìn) 行 4路 分 支 。 可 修 改 的 微 地 址 是 A7 A2， 請(qǐng) 按 多 路 轉(zhuǎn) 移 方 法 設(shè) 計(jì) 微 地 址 轉(zhuǎn) 移 邏輯 并 畫 出 邏 輯 電 路 圖 。解 ： 用 P 1 和 IR5 IR2修 改 A5 A2 用 P2 和 C修 改 A2 用 P3和

36、 IR1， IR0修 改 A7， A6。 設(shè) 在 微 周 期 的 T2打 入 微 指 令 ， T4修 改 微 地 址 ?！?例 5.1】 設(shè) 微 地 址 寄 存 器 有 8位 （ A7 A0） ， “取 指 ” 微 指 令 的 微 地 址 為 0000 0000， 修 改 微 地 址 時(shí) 可 通 過 觸 發(fā) 器 的 強(qiáng) 置 端 S將 其 置 1。 現(xiàn) 有 三 種 情 況 ： （ 1） 執(zhí) 行 “ 取 指 ” 微 指 令 后 ， 微 程 序 按 IR的 OP字 段 （ IR5 IR2） 進(jìn) 行 16路 分 支 ； （ 2） 執(zhí) 行 條 件 轉(zhuǎn) 移 指 令 的 微 程 序 時(shí) ， 按 進(jìn) 位 標(biāo)

37、志 C的 狀 態(tài) 進(jìn) 行 2路 分 支 ； （ 3） 執(zhí) 行 控 制 臺(tái) 指 令 的 微 程 序 時(shí) ， 按 IR0， IR1的 狀 態(tài) 進(jìn) 行 4路 分 支 。 可 修 改 的 微 地 址 是 A7 A2， 請(qǐng) 按 多 路 轉(zhuǎn) 移 方 法 設(shè) 計(jì) 微 地 址 轉(zhuǎn) 移 邏 輯 并 畫 出 邏 輯 電 路 圖 。 轉(zhuǎn) 移 的 邏 輯 式 為 ：A7 P3IR1T4 A6 P3IR0T4A5 P1IR5T4 A4 P1IR4T4 A3 P1IR3T4 A2 P1IR2T4 P2CT4 SET CLRD S QQSET CLRD S QQSET CLRD S QQSET CLRDT2 ROM7T 4

38、P3 IR 1 IR 2IR 0P1P2 ROM6 ROM2 ROM0圖 5.28 多 路 轉(zhuǎn) 移 微 地 址 修 改 邏 輯CP CP CP CPD D D D CSET SET SET SETCLR CLR CLR CLRuA7 uA6 uA2 uA0ROM7 ROM0是 控 制 存 儲(chǔ) 器 微 指 令 中 的 下 址 字 段 （ 8位 ） ， 在 T2時(shí) 打 入 （ A7 A0） 5.5 硬 連 線 控 制 器 5.5.1 實(shí) 現(xiàn) 方 法 通 過 邏 輯 電 路 直 接 連 線 而 產(chǎn) 生 的 ， 又 稱 為 組 合 邏輯 控 制 方 式 5.5.2 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 使 用 最 少 元

39、件 （ 復(fù) 雜 的 樹 形 網(wǎng) 絡(luò) ） 速 度 最 高 5.5.3. 邏 輯 思 想微 操 作 控 制 信 號(hào) 的 產(chǎn) 生在 微 程 序 控 制 器 中 ， 微 操 作 控 制 信 號(hào) 由 微 指 令 產(chǎn) 生 ， 并 且可 以 重 復(fù) 使 用 。 在 硬 聯(lián) 線 控 制 器 中 ， 某 一 微 操 作 控 制 信 號(hào) 由 布 爾 代 數(shù) 表 達(dá)式 描 述 的 輸 出 函 數(shù) 產(chǎn) 生 。 5.5.3.邏 輯 思 想 由 門 電 路 和 觸 發(fā) 器 構(gòu) 成 的 復(fù) 雜 樹 形 網(wǎng) 絡(luò) 組 成 ，用 以 產(chǎn) 生 執(zhí) 行 指 令 的 一 系 列 微 操 作 信 號(hào) 。組 合 邏 輯 線 路N 節(jié) 拍

40、電 位 /節(jié) 拍 脈 沖 發(fā)生 器M1 Mi T1 Tk指 令譯 碼 器 ID指 令 寄 存 器 IR I1ImB1Bj MC1 MCn啟 動(dòng)停 止時(shí) 鐘復(fù) 位 微 操 作 控 制 信 號(hào)圖 5.17 組 合 邏 輯 控 制 器 框 圖 1 組 合 邏 輯 線 路 的 輸 入 信 號(hào) : （ 1） 來 自 指 令 譯 碼 器 的 輸 出 （ ）mI 不 同 的 指 令 操 作 碼 和 尋 址 方 式 決 定應(yīng) 執(zhí) 行 的 微 操 作 。（ 2） 來 自 時(shí) 序 發(fā) 生 器 輸 出 的 節(jié) 拍 電 位 /節(jié) 拍 脈 沖 （ ） Ki TM , 使 微 操 作 信 號(hào) 按 時(shí) 序 要 求 產(chǎn) 生

41、。 （ 3） 結(jié) 果 反 饋 信 息 （ ）jB 受 條 件 碼 （ 如 N、 O、 C、 Z等 ） 影 響 的 指 令 ， 因 不 同 狀 態(tài) 條 件 而 產(chǎn) 生 不 同 的 執(zhí) 行 結(jié) 果 ， 即 需 不 同 的 微 操 作 信 號(hào) 。組 合 邏 輯 線 路N節(jié) 拍 電 位 /節(jié) 拍 脈沖 發(fā) 生 器M1 Mi T1 Tk指 令譯 碼 器 ID指 令 寄 存 器 IR I1ImB1Bj MC1 MCn啟 動(dòng)停 止時(shí) 鐘復(fù) 位 微 操 作 控 制 信 號(hào)圖 5.17 組 合 邏 輯 控 制 器 框 圖 2 組 合 邏 輯 線 路 的 輸 出 信 號(hào) ： （ 微 操 作 控 制 信 號(hào) ）MC

42、=f( ) (5.1) Jkim BTMI , 圖 5.17 組 合 邏 輯 控 制 器 框 圖組 合 邏 輯 線 路N節(jié) 拍 電 位 /節(jié) 拍 脈 沖 發(fā) 生 器M1 Mi T1 Tk指 令譯 碼 器 ID指 令 寄 存 器 IR I1ImB1Bj MC1 MCn啟 動(dòng)停 止時(shí) 鐘復(fù) 位 微 操 作 控 制 信 號(hào) （ 1） 根 據(jù) CPU的 結(jié) 構(gòu) ， 畫 出 指 令 操 作 流 程 圖 ； （ 2） 編 排 指 令 操 作 時(shí) 間 表 ； 即 把 指 令 操 作 流 程 圖 中 的 微 操 作 落 實(shí) 到 不 同 的 CPU周 期 和 節(jié) 拍 中 。 （ 3） 綜 合 化 簡(jiǎn) 微 操 作

43、 邏 輯 式 ， 并 畫 出 控 制 電 路 。 組 合 邏 輯 控 制 器 的 設(shè) 計(jì) 步 驟 為 了 防 止 遺 漏 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 可 按 信 號(hào) 出 現(xiàn) 在 指 令 流 程 圖 中 的 先 后 次 序 書 寫 ，然 后 進(jìn) 行 歸 納 和 簡(jiǎn) 化 。 要 特 別 注 意 控 制 信 號(hào) 是 電 位 有 效 還 是 脈 沖 有 效 ， 如果 是 脈 沖 有 效 ， 必 須 加 入 節(jié) 拍 脈 沖 信 號(hào) 進(jìn) 行 相 “ 與 ” 。 根 據(jù) 微 操 作 時(shí) 間 表 ， 將 執(zhí) 行 某 一 微 操 作 的 所 有 條 件 （ 哪 條 指 令 、 哪 個(gè) 機(jī) 器 周 期 、 哪 個(gè) 節(jié) 拍 和

44、 脈 沖 ） 都 考 慮 在 內(nèi) ， 加 以 分 類 組 合 ， 列 出 各 微 操 作產(chǎn) 生 的 邏 輯 表 達(dá) 式 ， 并 加 以 化 簡(jiǎn) 。 （ 1） 根 據(jù) CPU的 結(jié) 構(gòu) ， 畫 出 指 令 操 作 流 程 圖 指 令 流 程 圖 的 進(jìn) 一 步 具 體 化 。 把 每 一 條 指 令 的 微 操 作 序列 分 配 到 各 個(gè) 機(jī) 器 周 期 的 各 個(gè) 時(shí) 序 節(jié) 拍 信 號(hào) 上 。 要 求 盡 量 多地 安 排 公 共 操 作 ， 避 免 出 現(xiàn) 互 斥 。 2） 安 排 微 操 作 命 令 的 操 作 時(shí) 間 表 以 微 命 令 為 依 據(jù) ， 表 示 在 哪 個(gè) 機(jī) 器 周

45、 期 的 哪個(gè) 節(jié) 拍 有 哪 些 指 令 要 求 這 些 微 命 令 。時(shí) 序 公 共 操 作 ADD SUB JMPT0 LDPCPC+1T1 LDARLDPCT2 LDIR 3） 安 排 指 令 的 微 命 令 表機(jī) 器 指 令 ADD SUB STALDPC M1，T3PC+1 M1，T4LDARLDIR+ M3，T2所有微命令 （ 4） 進(jìn) 行 微 操 作 信 號(hào) 的 綜 合 當(dāng) 列 出 所 有 指 令 的 微 操 作 時(shí) 間 表 之 后 ， 需 要對(duì) 它 們 進(jìn) 行 綜 合 分 析 ， 把 凡 是 要 執(zhí) 行 某 一 微 操作 的 所 有 條 件 (哪 條 指 令 、 哪 個(gè) 機(jī)

46、器 周 期 、 哪 個(gè)節(jié) 拍 和 脈 沖 等 )都 考 慮 在 內(nèi) ， 加 以 分 類 組 合 ， 列出 各 微 操 作 產(chǎn) 生 的 邏 輯 表 達(dá) 式 ， 然 后 加 以 簡(jiǎn) 化， 使 邏 輯 表 達(dá) 式 更 為 合 理 。 例 4圖 5.32中 五 條 指 令 的 微 操 作 控 制 信 號(hào) 舉 例 。 LDAR=M1T2+M2(ADD+STA)T2 LDDR=M1T3+M3(ADD+STA)T3 LDIR=M1T4 LDPC= M1T4+JMPM2T4 RD=ADDM3 WE=STAM3 其 中 M1、 M2、 M3是 三 個(gè) 節(jié) 拍 電 位 信 號(hào) ； T2、 T3、 T4為 節(jié)拍 脈

47、 沖 信 號(hào) ； ADD、 STA、 JMP是 指 令 OP字 段 譯 碼 器 的 輸 出信 號(hào) 。 （ 5） 實(shí) 現(xiàn) 電 路 根 據(jù) 整 理 并 化 簡(jiǎn) 的 邏 輯 表 達(dá) 式 組 ， 可 以 用 一 系列 組 合 邏 輯 電 路 加 以 實(shí) 現(xiàn) ， 加 根 據(jù) 邏 輯 表 達(dá) 式 畫出 邏 輯 電 路 圖 ， 用 邏 輯 門 電 路 的 組 合 來 實(shí) 現(xiàn) 之 ，也 可 以 直 接 根 據(jù) 邏 輯 表 達(dá) 式 ， 用 PLA或 其 他 邏 輯電 路 實(shí) 現(xiàn) 。 5.7.1 并 行 性 概 念 1 并 行 性 的 含 義 同 時(shí) 性 指 兩 個(gè) 或 者 兩 個(gè) 以 上 事 件 在 同 一 時(shí)

48、 刻 發(fā) 生 。并 發(fā) 性 指 兩 個(gè) 或 者 兩 個(gè) 以 上 事 件 在 同 一 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 發(fā) 生 。5.7 流 水 CPU 5.5.2 并 行 性 概 念2 并 行 處 理 技 術(shù) 的 主 要 形 式 （ 1） 時(shí) 間 并 行 時(shí) 間 重 疊 讓 多 個(gè) 處 理 過 程 在 時(shí) 間 上 相 互 錯(cuò) 開 ， 輪 流 重 疊 地 使 用 同 一 套 硬 件 的 各 個(gè) 部 分 ， 從 而 贏 得 高 速 度 。實(shí) 現(xiàn) 方 式 ： 采 用 流 水 處 理 部 件 。（ 2） 空 間 并 行資 源 重 復(fù)例 ： 奔 騰 CPU采 用 的 超 標(biāo) 量 流 水 技 術(shù) 。用 多 個(gè) 相 同

49、部 件 處 理 多 個(gè) 事 件 。實(shí) 現(xiàn) 方 式 ： 多 處 理 器 系 統(tǒng) 和 多 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 或 單 處 理 器 系 統(tǒng) 。 (3) 時(shí) 間 并 行 +空 間 并 行既 采 用 時(shí) 間 并 行 性 又 采 用 空 間 并 行 性 。 1.流 水 計(jì) 算 機(jī) 的 系 統(tǒng) 組 成 現(xiàn) 代 流 水 計(jì) 算 機(jī) 的 系 統(tǒng)組 成 原 理 如 左 圖 所 示 。 其 中CPU按 流 水 線 方 式 組 織 ，通 常 由 三 部 分 組 成 ： 指 令 部件 、 指 令 隊(duì) 列 、 執(zhí) 行 部 件 。這 三 個(gè) 功 能 部 件 可 以 組 成 一個(gè) 3級(jí) 流 水 線 。 圖 3.33 流 水

50、計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 組 成 原 理 示 意 圖 5.7.2 流 水 CPU的 結(jié) 構(gòu) 1 指 令 流 水 線 原 理 （ 1） 問 題 的 提 出 串 行 執(zhí) 行 方 式 存 在 部 件 利 用 率 不 高 （ 有 閑 置 時(shí) 間 ） 的 問 題 。 CPU周 期 使 用 部 件 閑 置 部 件取 指 令 PC， MS， IR等 ALU， GRS取 數(shù) MS PC， ALU， GRS執(zhí) 行 ALU， GRS PC， MS 每 個(gè) 過 程 段 所 用 的 部 件 不 同在 某 個(gè) 過 程 段 時(shí) ， 其 他 過 程 段 的 部 件 處 于 空 閑 （ 2） 流 水 線 工 作 原 理 指 令 周

51、 期 三 個(gè) 主 要 過 程 ：圖 5.30 指 令 周 期 的 三 個(gè) 過 程 段取 數(shù)取 指 執(zhí) 行 指 令 執(zhí) 行 過 程 的 時(shí) 空 圖 a 非 流 水 線 時(shí) 空 圖 I1I1I1 I2I2I2 I3I3I3I1 I2 I3空 間 S 時(shí) 間T執(zhí) 行取 數(shù)取 指 （ a） 非 流 水 線 時(shí) 空 圖b 標(biāo) 量 流 水 線 時(shí) 空 圖 I 1I1I1 I2I2I2 I3I3I3 I4I4I4I1 I2 I3空 間 S 時(shí) 間 T執(zhí) 行取 數(shù)取 指 （ b） 標(biāo) 量 流 水 線 時(shí) 空 圖I4圖 5.31 非 流 水 線 與 流 水 線 對(duì) 比 c. 超 標(biāo) 量 流 水 線 時(shí) 空 圖I

52、1 I3 I5I2 I4 I6I1 I3 I5 I7I2 I4 I6 I8I1 I3 I5 I7 I9I 2 I4 I6 I8 I10 I1 I2 I3 I4 I5 I6執(zhí) 行取 數(shù)取 指 空 間 S 時(shí) 間 T（ C） 超 標(biāo) 量 流 水 線 時(shí) 空 圖 小 結(jié) : 非 流 水 線 指 令 的 執(zhí) 行 是 串 行 的 ； 標(biāo) 量 流 水 線 從 滿 載 起 ， 每 經(jīng) 1個(gè) 周 期 做 完 一 條 指 令 ； 超 標(biāo) 量 流 水 線 ， 提 高 了 吞 吐 量 ， 但 需 二 套 （ 或 二套 以 上 ） 流 水 線 的 硬 件 及 其 他 電 路 。 2 流 水 線 中 的 主 要 問 題

53、 及 解 決 方 法 （ 1） 資 源 相 關(guān) 在 同 一 機(jī) 器 時(shí) 鐘 周 期 內(nèi) 爭(zhēng) 用 同 一 個(gè) 功 能 部 件 所 發(fā) 生 的 沖 突 。 時(shí) 鐘指 令 1 2 3 4 5I1 取 指 譯 碼 取 數(shù) 執(zhí) 行I2 取 指 譯 碼 取 數(shù) 執(zhí) 行I 3 取 指 譯 碼 取 數(shù) 在 時(shí) 鐘 3發(fā) 生 爭(zhēng) 用 內(nèi) 存的 問 題 資 源 相 關(guān) 。 解 決 方 法 ： 增 設(shè) 一 個(gè) 存 儲(chǔ) 器 ， 將 指 令 和 數(shù) 據(jù) 分 開 存 放 ； 將 取 指 操 作 推 遲 一 個(gè) 時(shí) 鐘 進(jìn) 行 ； 采 用 雙 端 口 存 儲(chǔ) 器 。 （ 2） 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 在 程 序 中 ， 一 條 指

54、 令 的 執(zhí) 行 需 等 前 一 條 指 令 執(zhí) 行 完 后 才能 進(jìn) 行 ， 則 有 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 。 例 ： 132321 RRRRRRSUB ）（）（；， 451514 RRRRRRADD ）（）（；， 取 數(shù)譯 碼取 指ADD 執(zhí) 行取 數(shù)譯 碼取 指SUB 4321 時(shí) 鐘指 令 解 決 方 法 ： 推 遲 ADD指 令 的 取 數(shù) 操 作 ； 采 用 數(shù) 據(jù) 旁 路 （ 內(nèi) 部 向 前 ）技 術(shù) ， 直 接 把 結(jié) 果 送 給 下 一條 指 令 。 （ 3） 控 制 相 關(guān) 由 條 件 轉(zhuǎn) 移 指 令 引 起 的 。 解 決 方 法 ： 延 遲 轉(zhuǎn) 移 法 ： 加 入 空 操 作

55、 ， 等 待 轉(zhuǎn) 移 條 件 形 成 。 猜 測(cè) 法 ： 選 擇 出 現(xiàn) 概 率 較 高 的 分 支 進(jìn) 行 指 令 預(yù) 取 。 【 例 4】 流 水 線 中 有 三 類 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 沖 突 ：寫 后 讀 相 關(guān) ； 讀 后 寫 相 關(guān) ； 寫 后 寫 相 關(guān) 。判 斷 以 下 三 組 指 令 各 存 在 哪 種 類 型 的 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 。(1) I1: ADD R1， R2， R3 ； (R2) + (R3)-R1 I2: SUB R4， R1， R5 ； (R1) - (R5)-R4 (2) I3: STA M(x)， R3 ； R3)-M(x)， M(x)是 存 儲(chǔ) 器 單 元

56、I4: ADD R3， R4， R5 ； (R4)+(R5)-R3 (3) I5: MUL R3， R1， R2 ； (R1) (R2)-R3 I6: ADD R3， R4， R5 ； (R4) + (R5)-R3 (1) I1: ADD R1， R2， R3 ； (R2) + (R3)-R1 I2: SUB R4， R1， R5 ； (R1) - (R5)-R4 第 (1)組 指 令 中 ， I1指 令 運(yùn) 算 結(jié) 果 應(yīng) 先 寫 入 R1， 然后 在 I2指 令 中 讀 出 R1內(nèi) 容 。 由 于 I2指 令 進(jìn) 入 流 水 線 ，變 成 I2指 令 在 I1指 令 寫 入 R1前 就 讀

57、 出 R1內(nèi) 容 ， 發(fā) 生RAW（ 寫 后 讀 ） 相 關(guān) 。 (2) I3: STA M(x)， R3 ； （ R3)-M(x)， M(x)是 存 儲(chǔ) 器 單 元 I4: ADD R3， R4， R5 ； (R4)+(R5)-R3 第 (2)組 指 令 中 ， I3指 令 應(yīng) 先 讀 出 R3內(nèi) 容 并 存 入 存儲(chǔ) 單 元 M(x)， 然 后 在 I4指 令 中 將 運(yùn) 算 結(jié) 果 寫 入 R3。 但由 于 I4指 令 進(jìn) 入 流 水 線 ， 變 成 I4指 令 在 I3指 令 讀 出 R3內(nèi)容 前 就 寫 入 R3， 發(fā) 生 WAR（ 讀 后 寫 ） 相 關(guān) 。 (3) I5: MUL

58、 R3， R1， R2 ； (R1) (R2)-R3 I6: ADD R3， R4， R5 ； (R4) + (R5)-R3 第 (3)組 指 令 中 ， 如 果 I6指 令 的 加 法 運(yùn) 算 完 成時(shí) 間 早 于 I5指 令 的 乘 法 運(yùn) 算 時(shí) 間 ， 變 成 指 令 I6在指 令 I5寫 入 R3前 就 寫 入 R3， 導(dǎo) 致 R3的 內(nèi) 容 錯(cuò) 誤 ，發(fā) 生 WAW(寫 后 寫 ） 相 關(guān) 。 3 流 水 線 工 作 方 式 的 特 點(diǎn) 具 有 時(shí) 間 的 并 行 性 ； 流 水 線 分 工 越 細(xì) ， 可 同 時(shí) 運(yùn) 行 的 指 令 越 多 ， 吞 吐 率 就 越 高 。 但 需

59、 增 加 硬 件 ， 控 制 更 復(fù) 雜 ； 流 水 線 每 個(gè) 階 段 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 應(yīng) 盡 量 一 致 ； 流 水 線 充 滿 （ 滿 載 ） 時(shí) 達(dá) 到 最 大 的 吞 吐 率 。 5.7.3 奔 騰 CPU RISC的 三 個(gè) 要 素 是 ：(1)一 個(gè) 有 限 的 簡(jiǎn) 單 的 指 令 集 ；(2)CPU配 備 大 量 的 通 用 寄 存 器 ；(3)強(qiáng) 調(diào) 對(duì) 指 令 流 水 線 的 優(yōu) 化 。5.8 RISC CPU 5.8.2 RISC CPU實(shí) 例 1.MC 88110 CPU結(jié) 構(gòu) 框 圖 MC 88110 CPU是 一 個(gè) RISC處 理 器 。 處 理 器 有12個(gè)

60、 執(zhí) 行 功 能 部 件 ， 3個(gè) cache和 1個(gè) 控 制 部 件 。 其結(jié) 構(gòu) 框 圖 請(qǐng) 見 CAI所 示 。 2.MC 88110的 指 令 流 水 線 由 于 MC 88110是 超 標(biāo) 量 流 水 CPU， 所 以 指 令流 水 線 在 每 個(gè) 機(jī) 器 時(shí) 鐘 周 期 完 成 兩 條 指 令 。 流 水線 共 分 為 三 段 ： 取 指 和 譯 碼 (F D)段 、 執(zhí) 行 (EX)段 、 寫 回 (WB)段 ， 如 CAI所 示 。 指 令 動(dòng) 態(tài) 調(diào) 度 策 略 :按 序 發(fā) 射 取 兩 條 指 令 ， 配 對(duì) 發(fā) 送 ， 一 個(gè) 周 期 可 以 有 兩 條 指 令 執(zhí) 行

61、完 畢 圖 5.38b第 一 條 指 令 由 于 資 源 相 關(guān) 或 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) ,則 這 兩 條 指 令 都 不 發(fā) 射 若 第 一 條 指 令 能 發(fā) 射 ,第 二 條 不 能 發(fā) 射 ,只 發(fā) 射 第 1條 指 令 到 EX段 ,第 二 條 指 令 等 待 并 新 取一 條 指 令 與 之 配 對(duì) 等 待 發(fā) 射 2)計(jì) 分 牌 方 法 計(jì) 分 牌 是 一 個(gè) 位 向 量 、 每 一 位 對(duì) 應(yīng) 寄 存 器 堆 中 的 一 個(gè) 寄 存 器 。 指 令 發(fā) 射 時(shí) ， 目 的 寄 存 器 在 計(jì) 分 牌 中 相 應(yīng) 位 為 1；寫 回 后 清 0判 斷 指 令 可 否 發(fā) 射 的 條

62、件 是 ： 該 指 令 的 所 有 目 的 寄 存 器 、 源 寄 存 器 在 向 量 位 中 對(duì) 應(yīng) 的 位都 為 0否 則 ， 等 待 這 些 位 清 除解 決 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 采 用 定 向 傳 送 技 術(shù) ：將 前 面 指 令 執(zhí) 行 的 結(jié) 果 直 接 送 給 后 面 指 令 所 需 此 源 操 作 數(shù)的 功 能 部 件 FIFO隊(duì) 列 （ 解 決 按 序 完 成 ）FIFO隊(duì) 列 稱 為 歷 史 緩 沖 器 ， 每 當(dāng) 一 條 指 令 發(fā) 射 后 ，副 本 傳 入 FIFO隊(duì) 列 隊(duì) 尾 只 有 當(dāng) 前 面 的 指 令 執(zhí) 行 完 畢 ， 才 到 達(dá) 隊(duì) 首 ， 執(zhí) 行 完 畢 后

63、 ， 離 開 隊(duì) 列 延 遲 轉(zhuǎn) 移 法 可 選 如 果 采 用 延 遲 轉(zhuǎn) 移 選 項(xiàng) ， 則 轉(zhuǎn) 移 指 令 后 的 轉(zhuǎn) 移 延 遲 時(shí)間 內(nèi) 指 令 被 發(fā) 射 否 則 ， 指 令 照 常 發(fā) 送 指 令 Cache（ TIC） 法 是 一 個(gè) 32位 的 全 相 聯(lián) Cache， 用 來 保 存 轉(zhuǎn) 移 路 徑 的 前兩 條 指 令 例 6 超 標(biāo) 度 為 2的 超 標(biāo) 量 流 水 線 結(jié) 構(gòu) 模 型 如 圖 5.39(a)所 示 。 它 分 為 4個(gè) 段 ， 即取 指 (F)段 、 譯 碼 (D)段 、 執(zhí) 行 (E)段 和 寫 回 (W)段 。 F， D， W 段 只 需 1個(gè) 時(shí)

64、 鐘周 期 完 成 。 E段 有 多 個(gè) 功 能 部 件 ， 其 中 LOAD/STORE部 件 完 成 數(shù) 據(jù) cache訪 問 ，只 需 一 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 ； 加 法 器 完 成 需 2個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 ， 乘 法 器 需 3個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 ， 它們 都 已 流 水 化 。 F段 和 D段 要 求 成 對(duì) 輸 入 。 E段 有 內(nèi) 部 數(shù) 據(jù) 定 向 傳 送 ， 結(jié) 果 生成 即 可 使 用 。 現(xiàn) 有 如 下 6條 指 令 序 列 ： I1 LAD R1， A ； M(A)R1， M(A)是 存 儲(chǔ) 器 單 元I2 ADD R2， R1 ； (R2) + (R1)-R2I3

65、ADD R3， R4 ； (R3) + (R4)-R3I4 MUL R4， R5 ； (R4) (R5)-R4I5 LAD R6， B ； M(B)R6， M(B)是 存 儲(chǔ) 器 單 元I6 MUL R6， R7 ； (R6) (R7) R6其 中 I1， I2有 RAW相 關(guān) ， I3， I4有 WAR相 關(guān) ， I5， I6有 WAW相 關(guān) 和 RAW相 關(guān) 。 請(qǐng) 畫 出 ： (1)按 序 發(fā) 射 按 序 完 成 各 段 推 進(jìn) 情 況 圖 ； (2)按 序 發(fā) 射 按 序 完 成 的 流 水 線 時(shí) 空 圖 。解 :I1 LADR1， A； M(A)R1， M(A)是 存 儲(chǔ) 器 單

66、元I2ADDR2， R1； (R2)+(R1)-R2 由 于 I1， I2間 有 RAW相 關(guān) ， I2要 推 遲 一 個(gè) 時(shí) 鐘 才 能發(fā) 射 。 I3 ADD R3， R4 ； (R3) + (R4)-R3I4 MUL R4， R5 ； (R4) (R5)-R4 I3， I4之 間 有 WAR相 關(guān) ， 但 按 序 發(fā) 射 ， 即 使 I3， I4并 行操 作 ， 也 不 會(huì) 導(dǎo) 致 錯(cuò) 誤 。 I5 LAD R6， B ； M(B) R6， M(B)是 存 儲(chǔ) 器 單 元I6 MUL R6， R7 ； (R6) (R7) R6 I5， I6間 還 有 WAW相 關(guān) ， 只 要 I6的 完 成 放 在 I5之 后 ， 就不 會(huì) 出 錯(cuò) 。 I6要 推 遲 一 個(gè) 時(shí) 鐘 才 能 發(fā) 射 。 注 意 ， I5實(shí) 際 上 已 在 時(shí) 鐘 6執(zhí) 行 完 畢 ， 但 一 直 推 遲 到 時(shí)鐘 9才 寫 回 ， 這 是 為 了 保 持 按 序 完 成 。 超 標(biāo) 量 流 水 線 完 成 6 條 指 令 的 執(zhí) 行 任 務(wù) 總 共 需 要 10個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 。 I1 LADR1， A；