教學(xué)課件第五部分中央處理器

1 第 六 部 分 中 央 處 理 器一 、 前 言二 、 控 制 器 概 述三 、 微 程 序 控 制四 、 硬 布 線 控 制五 、 流 水 線目 標(biāo) ： 理 解 并 掌 握 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 2 3 4 一 、 前 言 1、 CPU基 本 概 念 CPU 中 央 處 理 單 元 ， 是 英 文Central Processing Unit的 縮 寫 。 地 位 ： 是 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 核 心 。 分 類 ： 8位 、 16位 、 32位 、 64位 5 2、 CPU主 流 產(chǎn) 品 目 前 個(gè) 人 PC用 的 比 較 多 的 CPU有 各 系列 Intel的 和 AMD的 產(chǎn) 品 。 6 3、 CPU的 組 成 早 期 的 處 理 器 運(yùn) 算 器 和 控 制 器 是 分離 的 。 隨 著 集 成 電 路 的 出 現(xiàn) 及 其 集 成 度的 提 高 ， 出 現(xiàn) 了 微 處 理 器 ， 微 處 理 器 把運(yùn) 算 器 與 控 制 器 集 成 在 一 個(gè) 芯 片 上 ， 通常 稱 為 中 央 處 理 部 件 。 現(xiàn) 在 的 CPU一 般 由 三 部 分 組 成 ： 控制 單 元 、 ALU、 存 儲(chǔ) 單 元 。 7 4、 CPU的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)n 主 頻 ： CPU的 主 頻 是 指 CPU的 工 作 時(shí) 鐘 頻 率 ， 單 位是 MHz， 目 前 已 晉 升 為 GHz（ 1GHz=1000MHz） ， 它 是CPU速 度 的 重 要 指 標(biāo) ， 通 常 標(biāo) 注 在 CPU表 面 的 型 號(hào) 中 。CPU的 時(shí) 鐘 頻 率 ， 即 CPU進(jìn) 行 運(yùn) 算 時(shí) 的 工 作 頻 率 。主 頻 數(shù) 值 越 高 ， CPU的 速 度 越 快 。n 外 頻 ： 即 系 統(tǒng) 總 線 ， CPU與 周 邊 設(shè) 備 傳 輸 數(shù) 據(jù) 的 頻率 ， 具 體 是 指 CPU到 芯 片 組 之 間 的 總 線 速 度 。 為 了將 高 主 頻 的 CPU與 較 低 時(shí) 鐘 頻 率 的 主 板 相 匹 配 ， CPU主 頻 采 用 了 較 低 的 輸 入 時(shí) 鐘 頻 率 和 在 內(nèi) 部 倍 頻 到 主時(shí) 鐘 頻 率 的 方 法 。 CPU輸 入 時(shí) 鐘 稱 為 外 頻 ， 常 取 為主 板 系 統(tǒng) 總 線 的 頻 率 。 8 n 倍 頻 ： 原 先 并 沒 有 倍 頻 概 念 ， CPU的 主 頻 和 系 統(tǒng) 總線 的 速 度 是 一 樣 的 ， 但 CPU的 速 度 越 來 越 快 ， 倍 頻技 術(shù) 也 就 應(yīng) 允 而 生 。 它 可 使 系 統(tǒng) 總 線 工 作 在 相 對(duì) 較低 的 頻 率 上 ， 而 CPU速 度 可 以 通 過 倍 頻 來 無 限 提 升 。那 么 CPU主 頻 的 計(jì) 算 方 式 變 為 ： 主 頻 = 外 頻 * 倍頻 。 n 4 運(yùn) 算 速 度n CPU的 運(yùn) 算 速 度 是 指 其 每 秒 鐘 能 夠 處 理 的 指令 數(shù) ， 單 位 為 MIPS（ 百 萬 指 令 每 秒 ） 。 這 個(gè) 指 標(biāo) 是CPU速 度 的 本 質(zhì) 指 標(biāo) ， 它 不 光 取 決 于 主 頻 ， 更 主 要地 取 決 于 CPU處 理 指 令 的 邏 輯 結(jié) 構(gòu) 。 即 使 在 同 樣 主頻 下 ， 不 同 檔 次 的 CPU其 運(yùn) 算 速 度 也 有 成 倍 的 差 別 。 9 n CPU電 源 的 雙 電 壓n 早 期 的 CPU僅 以 5V或 3.3V供 電 ， 稱 為 單電 壓 CPU。 而 現(xiàn) 在 的 CPU一 般 都 采 用 雙 電 壓 供 電 ，CPU核 心 用 低 電 壓 ， 它 的 I/O電 路 則 用 較 高 的 電壓 ， 既 保 證 了 電 路 的 驅(qū) 動(dòng) 能 力 和 可 靠 性 ， 又 減少 了 功 耗 。 CPU的 核 心 電 壓 （ Vcore） 從 2.9V到1.8V， 甚 至 到 0.8V。 CPU的 I/O電 壓 （ Vio） 從3.3V到 3.6V。 10 n 超 頻n 超 頻 是 指 把 主 板 的 CPU工 作 時(shí) 鐘 調(diào) 整 為 略高 于 CPU規(guī) 定 值 ， 企 圖 使 之 超 高 速 工 作 。 通 常 不提 倡 對(duì) CPU進(jìn) 行 超 頻 來 提 高 系 統(tǒng) 性 能 ， 這 會(huì) 造 成CPU過 熱 、 減 少 壽 命 、 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 混 亂 甚 至 燒 毀CPU。 但 也 有 一 些 CPU， 比 如 賽 揚(yáng) 366等 ， 允 許 進(jìn)行 較 大 幅 度 （ 20%） 的 超 頻 使 用 ， 以 滿 足 電 腦 發(fā)燒 族 的 愿 望 。 11 n 地 址 總 線 的 寬 度 ： CPU可 訪 問 的 物 理 地址 空 間 。n 數(shù) 據(jù) 總 線 寬 度 ： CPU與 其 他 設(shè) 備 之 間 一次 能 傳 輸 的 數(shù) 據(jù) 量 。 在 硅 材 料 上 生 產(chǎn) CPU時(shí) 內(nèi) 部 各 元 器 件 的 連接 線 寬 度 ， 用 um或 nm表 示 。 12 n 內(nèi) 部 緩 存即 L1 Cache。 集 成 在 CPU內(nèi) 核 中 ， 用 于 CPU在處 理 數(shù) 據(jù) 過 程 中 數(shù) 據(jù) 的 暫 時(shí) 保 存 。 由 于 緩 存 指令 和 數(shù) 據(jù) 與 CPU同 頻 工 作 ， L1級(jí) 高 速 緩 存 的容 量 越 大 ， 存 儲(chǔ) 信 息 越 多 ， 可 減 少 CPU與 內(nèi) 存之 間 的 數(shù) 據(jù) 交 換 次 數(shù) ， 提 高 CPU的 運(yùn) 算 效 率 。但 因 高 速 緩 沖 存 儲(chǔ) 器 均 由 靜 態(tài) RAM組 成 ， 結(jié)構(gòu) 較 復(fù) 雜 ， 在 有 限 的 CPU內(nèi) 核 芯 片 面 積 上 ，L1級(jí) 高 速 緩 存 的 容 量 不 可 能 做 得 太 大 。 13 n 外 部 緩 存n 即 L2 Cache。 由 于 L1級(jí) 高 速 緩 存 容 量 的限 制 ， 為 了 再 次 提 高 CPU的 運(yùn) 算 速 度 ， 在CPU內(nèi) 核 外 部 放 置 一 高 速 存 儲(chǔ) 器 ， 即 二 級(jí)緩 存 。 工 作 主 頻 比 較 靈 活 ， 可 與 CPU同 頻 ，也 可 不 同 。 CPU在 讀 取 數(shù) 據(jù) 時(shí) ， 先 在 L1中尋 找 ， 再 從 L2尋 找 ， 然 后 是 內(nèi) 存 ， 最 后 是外 存 儲(chǔ) 器 。 所 以 L2對(duì) 系 統(tǒng) 的 影 響 也 不 容 忽視 。 14 n FSB（ Front System Bus）前 端 系 統(tǒng) 總 線 指 CPU與 北 橋 之 間 的 線 路 。FSB頻 率 是 指 數(shù) 據(jù) 傳 輸 率 。北 橋 ： 就 是 主 板 上 離 CPU最 近 的 一 塊 芯片 ， 負(fù) 責(zé) 與 CPU的 聯(lián) 系 并 控 制 內(nèi) 存 、AGP、 PCI數(shù) 據(jù) 在 北 橋 內(nèi) 部 傳 輸 。 15 北橋 南 橋 cpu插 座 sata硬 盤 接 口 PCI總 線接 口 PCI/E圖形 加速 總線 接口 主 板 開 關(guān)電 源 DDRII內(nèi) 存插 槽 16 5、 CPU的 發(fā) 展 簡 史產(chǎn) 品名 稱 生 產(chǎn)公 司 發(fā) 布時(shí) 間 產(chǎn) 品名 稱 生 產(chǎn)公 司 發(fā) 布時(shí) 間Intel8086 Intel 1978 Intel80486 Intel 1989Intel8088 Intel 1979 奔 騰 Intel 1993Intel80286 Intel 1982 奔 騰Pro Intel 1997Intel80386 Intel 1985 PII Intel 1998 17 6、 計(jì) 算 機(jī) 工 作 過 程 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 信 息 處 理 分 兩 個(gè) 過 程 ，首 先 將 數(shù) 據(jù) 和 程 序 輸 入 到 存 儲(chǔ) 器 中 ， 然后 從 程 序 入 口 開 始 執(zhí) 行 程 序 ， 執(zhí) 行 完 所有 的 程 序 ， 結(jié) 束 運(yùn) 行 。 程 序 入 口 指 的 是該 程 序 開 始 執(zhí) 行 的 第 一 條 指 令 的 地 址 。 計(jì) 算 機(jī) 的 工 作 過 程 可 描 述 如 下 ：加 電 產(chǎn) 生 reset信 號(hào) 執(zhí) 行 程 序 停 機(jī) 復(fù) 位 ，時(shí) 鐘 歸 零 18 停 機(jī) 與 停 電n 停 機(jī) 時(shí) 電 壓 仍 正 常 ,因 此 寄 存 器 與 存 儲(chǔ) 器 仍 保持 信 息 不 變 ,重 新 啟 動(dòng) 后 從 程 序 停 頓 處 繼 續(xù) 執(zhí)行 .而 停 電 后 ,寄 存 器 與 存 儲(chǔ) 器 的 內(nèi) 容 已 消 失 ,加電 后 RESET信 號(hào) 重 新 自 舉 操 作 系 統(tǒng) 。n 某 些 機(jī) 器 具 有 停 電 后 自 動(dòng) 再 啟 動(dòng) 功 能 .停 電 時(shí) ,依 靠 后 備 電 源 將 主 存 儲(chǔ) 器 內(nèi) 容 ,PC內(nèi) 容 (斷 點(diǎn)地 址 ) 以 及 狀 態(tài) 字 (例 N,Z,V,C)等 調(diào) 入 外 存 .當(dāng)交 流 電 源 恢 復(fù) 正 常 時(shí) ,具 有 自 動(dòng) 再 啟 動(dòng) 功 能 的計(jì) 算 機(jī) 自 動(dòng) 將 外 存 的 內(nèi) 容 調(diào) 入 主 存 ,并 從 斷 點(diǎn)繼 續(xù) 工 作 。 19 二 、 控 制 器 概 述2.1 控 制 器 的 功 能2.2 控 制 器 的 組 成 與 分 類2.3 指 令 執(zhí) 行 過 程 20 指 令 控 制 程 序 的 順 序 控 制 稱 為 指 令 控 制 。 由 于 程 序 是一 個(gè) 指 令 序 列 ， 這 些 指 令 的 相 互 順 序 不 能 任意 顛 倒 ， 必 須 嚴(yán) 格 按 程 序 規(guī) 定 的 順 序 進(jìn) 行 。 操 作 控 制 一 條 指 令 的 功 能 往 往 是 由 若 干 個(gè) 操 作 信 號(hào) 的組 合 來 實(shí) 現(xiàn) 的 ， 因 此 ， CPU管 理 并 產(chǎn) 生 由 內(nèi)存 取 出 的 每 條 指 令 的 操 作 信 號(hào) ， 把 各 種 操 作信 號(hào) 送 往 相 應(yīng) 的 部 件 ， 從 而 控 制 這 些 部 件 按指 令 的 要 求 進(jìn) 行 動(dòng) 作 。中 央 處 理 器 的 基 本 功 能 21 時(shí) 間 控 制 對(duì) 各 種 操 作 實(shí) 施 時(shí) 間 上 的 定 時(shí)稱 為 時(shí) 間 控 制 數(shù) 據(jù) 加 工 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 算 術(shù) 運(yùn) 算 和 邏 輯 運(yùn)算 處 理 22 n 計(jì) 算 機(jī) 的 工 作 過 程 實(shí) 質(zhì) 上 就 是 程 序 的 運(yùn) 行 過程 ， 也 就 是 在 控 制 器 的 控 制 下 逐 條 執(zhí) 行 程 序中 各 指 令 的 過 程 。n 在 程 序 的 運(yùn) 行 過 程 中 ， 計(jì) 算 機(jī) 的 各 部 件 在 控制 器 的 控 制 下 有 條 不 紊 地 工 作 ， 在 各 部 件 之間 流 動(dòng) 的 指 令 和 數(shù) 據(jù) 形 成 了 指 令 流（ Instruction Stream） 和 數(shù) 據(jù) 流 （ Data Stream） 23 指 令 流 指 的 是 處 理 器 執(zhí) 行 的 指 令 序 列 ， 數(shù) 據(jù) 流 指 的 是 根 據(jù) 指 令 的 操 作 要 求 依 次 存 取數(shù) 據(jù) 的 序 列 。 指 令 流 和 數(shù) 據(jù) 流 都 是 程 序 運(yùn) 行 過 程 中 的 動(dòng) 態(tài) 的概 念 ， 它 不 同 于 程 序 中 靜 態(tài) 的 指 令 序 列 ， 也不 同 于 存 儲(chǔ) 器 中 數(shù) 據(jù) 的 靜 態(tài) 分 配 序 列 。n 因 此 ， 從 程 序 運(yùn) 行 的 角 度 來 看 ， 控 制 器 的 基本 功 能 是 對(duì) 指 令 流 和 數(shù) 據(jù) 流 在 時(shí) 間 與 空 間 上實(shí) 施 正 確 的 控 制 。 24 控 制 器 的 功 能 計(jì) 算 機(jī) 的 功 能 ： 執(zhí) 行 程 序 。 程 序 是 依 次 排 列 起 來 的 指 令 代 碼 。 控 制 器 的 功 能 ： 正 確 分 步 完 成 每 條 指 令 規(guī) 定 的 功 能 。 正 確 、 自 動(dòng) 地 連 續(xù) 執(zhí) 行 指 令 。 進(jìn) 一 步 說 控 制 器 的 功 能 是 ： 向 計(jì) 算 機(jī) 各 功能 部 件 提 供 協(xié) 調(diào) 運(yùn) 行 每 一 個(gè) 步 驟 所 需 要 的控 制 信 號(hào) 。 25 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 簡 述馮 諾 依 曼 計(jì) 算 機(jī)n 存 儲(chǔ) 程 序 ， 設(shè) 置 內(nèi) 存 來 存 放 程 序 和 數(shù) 據(jù) ， 并 在程 序 執(zhí) 行 前 存 入 。n 執(zhí) 行 程 序 正 確 從 程 序 首 地 址 開 始 正 確 分 步 執(zhí) 行 指 令 并 形 成 下 一 條 要 執(zhí) 行 的 指 令 的 地 址 。 正 確 并 自 動(dòng) 地 連 續(xù) 執(zhí) 行 指 令 ， 直 到 最 后 一 條 指 令 。 26 每 條 指 令 的 執(zhí) 行 步 驟n 取 指 令 讀 內(nèi) 存n 分 析 指 令n 執(zhí) 行 指 令 不 同 指 令 的 操 作 內(nèi) 容 差 異 很 大n 檢 查 有 無 中 斷 請(qǐng) 求 有 則 響 應(yīng) 中 斷 ， 轉(zhuǎn) 入 中 斷 處 理 程 序 無 則 執(zhí) 行 下 條 指 令 形成下一條指令的地址公 共 操 作 公 共 操 作取 指 令 執(zhí) 行 指 令 27 控 制 器 的 具 體 功 能1、 取 指 令 當(dāng) 程 序 已 經(jīng) 在 存 儲(chǔ) 器 中 時(shí) ， 首 先 從 程 序 入口 取 第 一 條 指 令 ， 并 發(fā) 出 指 令 地 址 及 控 制 信 號(hào) 。2、 分 析 指 令 對(duì) 取 得 的 指 令 進(jìn) 行 分 析 ， 指 出 它 要求 做 什 么 操 作 ， 并 產(chǎn) 生 相 應(yīng) 的 控 制 命 令 。如 果 需 要 的 操 作 數(shù) 在 存 儲(chǔ) 器 中 ， 還 要 形 成操 作 數(shù) 地 址 。 28 3、 執(zhí) 行 指 令 根 據(jù) 分 析 指 令 時(shí) 產(chǎn) 生 的 操 作 命 令 和操 作 數(shù) 地 址 形 成 相 應(yīng) 的 操 作 控 制 信 號(hào) 序列 ， 通 過 運(yùn) 算 器 及 I/O設(shè) 備 的 執(zhí) 行 ， 實(shí) 現(xiàn)每 一 條 指 令 的 功 能 ， 其 中 包 括 對(duì) 結(jié) 果 的處 理 、 下 一 條 指 令 地 址 的 形 成 。4、 控 制 程 序 和 數(shù) 據(jù) 的 輸 入 與 結(jié) 果 輸 出 29 5、 對(duì) 異 常 情 況 和 某 些 請(qǐng) 求 的 處 理 當(dāng) 機(jī) 器 出 現(xiàn) 異 常 情 況 時(shí) ， 由 相 應(yīng) 的部 件 發(fā) 出 中 斷 請(qǐng) 求 信 號(hào) 或 DMA請(qǐng) 求 信 號(hào) 。CPU優(yōu) 先 處 理 這 兩 種 請(qǐng) 求 。 30 在 CPU中 至 少 要 有 以 下 六 類 寄 存 器 。 這 些寄 存 器 用 來 暫 存 一 個(gè) 計(jì) 算 機(jī) 字 。 根 據(jù) 需 要 ， 可以 擴(kuò) 充 其 數(shù) 目 。 數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 （ DR）指 令 寄 存 器 （ IR） 程 序 計(jì) 數(shù) 器 （ PC）地 址 寄 存 器 （ AR） 累 加 寄 存 器 （ AC）狀 態(tài) 條 件 寄 存 器 （ PSW）6.1.3 CPU中 的 主 要 寄 存 器 31 1.數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 （ DR） 暫 存 當(dāng) 前 訪 問 存 儲(chǔ) 單 元 或 外 設(shè) 端 口 的 內(nèi) 容 。作 用 ： 起 到 CPU和 內(nèi) 存 、 外 部 設(shè) 備 之 間 信 息 傳 送 中 轉(zhuǎn) 站 的作 用 。 緩 沖 及 補(bǔ) 償 CPU和 內(nèi) 存 、 外 部 設(shè) 備 之 間 在 操 作 速 度上 的 差 別 。 在 單 累 加 器 結(jié) 構(gòu) 的 運(yùn) 算 器 中 數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 還 可 兼作 為 操 作 數(shù) 寄 存 器 。6.1.3 CPU中 的 主 要 寄 存 器 32 2.指 令 寄 存 器 （ IR）存 放 當(dāng) 前 執(zhí) 行 的 指 令 碼 ， 供 指 令 譯 碼 器 進(jìn) 行 指 令 譯 碼 。3.程 序 計(jì) 數(shù) 器 （ PC）存 放 CPU將 要 執(zhí) 行 的 指 令 的 地 址 。工 作 特 點(diǎn) ： 程 序 開 始 執(zhí) 行 前 ， 必 須 往 PC中 置 入 程 序 起 始 地 址 ； 程 序 順 序 執(zhí) 行 時(shí) ， （ PC） +1 PC； 執(zhí) 行 轉(zhuǎn) 移 指 令 時(shí) ， 修 改 PC內(nèi) 容 ， 置 入 轉(zhuǎn) 移 地 址 。6.1.3 CPU中 的 主 要 寄 存 器 33 4.地 址 寄 存 器 （ AR） 保 存 當(dāng) 前 CPU所 要 訪 問 的 內(nèi) 存 單 元 的 地 址 。5.累 加 寄 存 器 （ AC） 暫 存 ALU運(yùn) 算 的 結(jié) 果 信 息 。6.狀 態(tài) 條 件 寄 存 器 （ PSW） 保 存 運(yùn) 行 或 測 試 結(jié) 果 產(chǎn) 生 的 各 種 狀 態(tài) 信 息 。 保 存 中 斷 和 系 統(tǒng) 工 作 狀 態(tài) 等 信 息 。 34 算 術(shù) 邏 輯 單 元狀 態(tài) 條 件 寄 存 器程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC地 址 寄 存 器 AR 地 址 總 線 ABUS 數(shù) 據(jù) 總 線 DBUS累 加 器 AC存 儲(chǔ) 器 I/O CPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 譯 碼 器操 作 控 制 器時(shí) 序 產(chǎn) 生 器 時(shí) 鐘狀 態(tài)反 饋取 指控 制 執(zhí) 行控 制c cccc 緩 沖 寄 存 器DRCPU的 基 本 模 型 35 控 制 器 的 組 成 與 分 類控 制 器 的 組 成 1、 指 令 部 件 程 序 計(jì) 數(shù) 器 、 指 令 寄 存 器 、 指 令 譯 碼 器 、 地址 形 成 部 件 2、 時(shí) 序 部 件 脈 沖 源 、 啟 停 控 制 邏 輯 、 時(shí) 序 控 制 信 號(hào) 形 成部 件 36 37 38 例 題 1構(gòu) 成 運(yùn) 算 器 需 要 多 個(gè) 部 件 ， _(50)_不 是構(gòu) 成 運(yùn) 算 器 的 部 件 。(50)A 加 法 器 B 累 加 器 C 地 址 寄 存 器 D ALU(算 術(shù) 邏 輯 部 件 )C 39 例 題 2 程 序 計(jì) 數(shù) 器 (或 指 令 地 址 寄 存 器 )屬 于 CPU的 _(51)_部 件 。 (51)A 運(yùn) 算 器 B 控 制 器 C 存 儲(chǔ) 器 D I/O接 口B 40 例 題 3n 計(jì) 算 機(jī) 的 控 制 器 是 由 多 種 部 件 組 成 的 ， 其中 不 包 括 _(55)_。(55)A 指 令 寄 存 器 IR B 程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC(指 令 指 針 寄 存 器 IP) C 算 術(shù) 邏 輯 單 元 ALU D 程 序 狀 態(tài) 字 寄 存 器 PSW C 41 例 題 4n CPU中 的 控 制 器 是 由 一 些 基 本 的 硬 件 構(gòu)成 的 。 _不 是 構(gòu) 成 控 制 器 的 部 件 。 A.時(shí) 序 部 件 和 微 操 作 形 成 部 件 B.程 序 計(jì) 數(shù) 器 C.外 設(shè) 接 口 部 件 D.指 令 寄 存 器 和 指 令 譯 碼 器C 42 2.3 指 令 執(zhí) 行 過 程n 組 成 控 制 器 的 基 本 電 路 1.記 憶 電 路 (觸 發(fā) 器 組 成 ） 寄 存 器 、 計(jì) 數(shù) 器 、 存 儲(chǔ) 單 元 特 點(diǎn) ： 輸 入 信 號(hào) 消 失 后 ， 原 信 息 仍 然 保留 2.無 記 憶 電 路 （ 門 電 路 組 成 ） 加 法 器 、 ALU、 各 種 邏 輯 電 路 特 點(diǎn) ： 輸 入 信 號(hào) 改 變 后 ， 輸 出 跟 著 變 化 n 指 令 執(zhí) 行 過 程 舉 例 43 2、 指 令 執(zhí) 行 過 程 例 ： 一 條 加 法 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 假 設(shè) 指 令 格 式 為 ： ADD R0， R1， disp R0， R1為 寄 存 器 ， disp為 偏 移 量 。 指令 的 功 能 是 R0寄 存 器 中 的 數(shù) 據(jù) 和 主 存 中 的一 個(gè) 數(shù) 相 加 之 后 和 放 在 R0寄 存 器 中 。 主 存中 的 數(shù) 據(jù) 的 地 址 為 （ R1） + disp。 44 6.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念6.2.2 典 型 指 令 的 指 令 周 期6.2 控 制 器 的 組 成 45 6.2.1、 指 令 周 期 的 基 本 概 念指 令 周 期 ： 指 令 周 期 是 取 出 并 執(zhí) 行 一 條 指 令的 時(shí) 間 。完 成 一 條 指 令 執(zhí) 行取 指 、 分 析取 指 階 段取 指 周 期 執(zhí) 行 階 段執(zhí) 行 周 期（ 取 指 、 分 析 ） （ 執(zhí) 行 指 令 ）指 令 周 期 取 指 周 期執(zhí) 行 周 期取 指 時(shí) 間 執(zhí) 行 指 令 時(shí) 間 46 CPU周 期 ： 又 稱 機(jī) 器 周 期 ， CPU同 主 存 或 外設(shè) 進(jìn) 行 一 次 信 息 交 換 所 需 的 時(shí) 間時(shí) 鐘 周 期 ： CPU執(zhí) 行 一 個(gè) 微 操 作 的 最 小 時(shí) 間單 位 ， 通 常 稱 為 節(jié) 拍 脈 沖 或 T周 期 。 （ 是 處 理操 作 的 最 基 本 單 位 ） 。6.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念 相 互 關(guān) 系 ： 1個(gè) 指 令 周 期 = 若 干 個(gè) CPU周 期 1個(gè) CPU周 期 = 若 干 T周 期 47 指 令 周 期 CPU周 期 時(shí) 鐘 周 期 48 2. 每 條 指 令 的 指 令 周 期 不 同取 指 周 期指 令 周 期取 指 周 期 執(zhí) 行 階 段指 令 周 期取 指 周 期 執(zhí) 行 周 期指 令 周 期 NOPADD mem MUL mem 49 3. 具 有 間 接 尋 址 的 指 令 周 期4. 帶 有 中 斷 周 期 的 指 令 周 期取 指 周 期 間 址 周 期指 令 周 期 執(zhí) 行 周 期取 指 周 期 間 址 周 期 指 令 周 期 執(zhí) 行 周 期 中 斷 周 期 50 6. 指 令 周 期 流 程取 指 周 期執(zhí) 行 周 期有 間 址 嗎 ？有 中 斷 嗎 ？ 間 址 周 期 中 斷 周 期是是否否 51 機(jī) 器 周 期 的 確 定 ： 由 于 CPU內(nèi) 部 的 操 作 速 度 快 ， 而 CPU訪問 主 存 所 花 的 時(shí) 間 較 長 ， 所 以 許 多 計(jì) 算機(jī) 系 統(tǒng) 往 往 以 主 存 的 工 作 周 期 (存 取 周 期 )為 基 礎(chǔ) 來 規(guī) 定 CPU周 期 ， 以 便 兩 者 的 工作 能 配 合 協(xié) 調(diào) 。 52 6.2.2時(shí) 序 控 制 方 式即 時(shí) 序 信 號(hào) 與 操 作 的 關(guān) 系1.組 合 邏 輯 控 制 器 的 時(shí) 序 劃 分 采 用 三 級(jí) 時(shí) 序 系 統(tǒng) ：指 令 周 期 工 作 周 期 1工 作 周 期 2工 作 周 期 n 時(shí) 鐘 周 期 1時(shí) 鐘 周 期 2時(shí) 鐘 周 期 m. 工 作 脈 沖 1工 作 脈 沖 2工 作 脈 沖 k.(節(jié) 拍 1)(節(jié) 拍 2)(節(jié) 拍 m) 53 時(shí) 序 關(guān) 系 ：晶 振 輸 出工 作 周 期 1工 作 周 期 2工 作 周 期 3時(shí) 鐘 T1工 作 脈 沖 P時(shí) 鐘 T2 指 令 周 期控 制 不 同 階 段 操 作 時(shí) 間控 制 分 步 操 作 時(shí) 間對(duì) 微 操 作 定 時(shí)取 指 執(zhí) 行取 數(shù)取 出 指 令 修 改 PC打 入 IR 打 入 PC 54 2、 時(shí) 序 部 件 -能 產(chǎn) 生 一 定 的 時(shí) 序 信 號(hào) ，以 保 證 機(jī) 器 的 各 功 能 部 件 有 節(jié) 奏 地 進(jìn) 行 信 息 傳 送 、加 工 及 信 息 存 儲(chǔ) 。 （ 1） 脈 沖 源 脈 沖 源 用 來 產(chǎn) 生 具 有 一 定 頻 率 和 寬 度 的時(shí) 鐘 脈 沖 信 號(hào) ， 為 整 個(gè) 機(jī) 器 提 供 基 準(zhǔn) 信 號(hào)（ 提 供 時(shí) 鐘 基 準(zhǔn) ） 。 （ 2） 啟 停 控 制 邏 輯 啟 停 控 制 邏 輯 的 作 用 是 根 據(jù) 計(jì) 算 機(jī) 的需 要 ， 可 靠 地 開 放 或 封 鎖 脈 沖 ， 控 制 時(shí) 序信 號(hào) 的 發(fā) 生 或 停 止 ， 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 整 個(gè) 機(jī) 器 的 正確 啟 動(dòng) 或 停 止 。 55 （ 3） 時(shí) 序 控 制 信 號(hào) 形 成 部 件 當(dāng) 機(jī) 器 啟 動(dòng) 后 ， 在 時(shí) 鐘 作 用 下 ， 根據(jù) 當(dāng) 前 正 在 執(zhí) 行 的 指 令 的 需 要 ， 產(chǎn) 生 相應(yīng) 的 時(shí) 鐘 控 制 信 號(hào) ， 并 根 據(jù) 被 控 功 能 部件 的 反 饋 信 號(hào) 調(diào) 整 時(shí) 序 控 制 信 號(hào) 。 56 （ 4） 指 令 執(zhí) 行 步 驟 標(biāo) 記 線 路指 明 每 條 指 令 的 執(zhí) 行 步 驟 。 57 控 制 器 的 分 類n 微 程 序 控 制 器n 硬 布 線 控 制 器 58P169 控 制 器 組 成 框 圖 59 例 題n 從 基 本 的 CPU工 作 原 理 看 ， 若 CPU執(zhí) 行MOV R1， R0指 令 ， 指 令 功 能 為 把 寄 存器 R0的 內(nèi) 容 送 R1， 則 CPU首 先 要 完 成 的操 作 是 _ A.（ R0） R1 B. PC AB C. M DR D. DR IR B 60 020 CLA ； 累 加 器 清 0021 ADD 30 ； （ AC） +（ 30） AC022 STA 40 ； （ AC） (40)023 NOP ； 空 操 作 024 JMP 21 ； 21 PC 030 000 006 ; 數(shù) 據(jù) 040 存 和 數(shù) ; 數(shù) 據(jù)5條 典 型 指 令 構(gòu) 成 的 簡 單 程 序 61 一 個(gè) CPU周 期 一 個(gè) CPU周 期取 指 令 階 段 執(zhí) 行 指 令 階 段開 始 取 指 令PC+1對(duì) 指 令譯 碼 執(zhí) 行 指 令 取 下 條 指令 PC+16.2.2 CLA指 令 的 指 令 周 期 62 取 出 CLA指 令算 術(shù) 邏 輯 單 元狀 態(tài) 條 件 寄 存 器程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 總 線 ABUS 數(shù) 據(jù) 總 線 DBUS累 加 器 AC 緩 沖 寄 存 器 DRCPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 譯 碼 器操 作 控 制 器時(shí) 序 產(chǎn) 生 器 時(shí) 鐘狀 態(tài)反 饋取 指控 制 執(zhí) 行控 制c ccc+1000 020 2021222324303140 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020 CLA CLA1 63 算 術(shù) 邏 輯 單 元狀 態(tài) 條 件 寄 存 器程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC地 址 寄 存 器 AR 地 址 總 線 ABUS 數(shù) 據(jù) 總 線 DBUS累 加 器 AC 緩 沖 寄 存 器 DR CPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 譯 碼 器操 作 控 制 器時(shí) 序 產(chǎn) 生 器 時(shí) 鐘狀 態(tài)反 饋取 指控 制 執(zhí) 行控 制c ccc+1 2021222324303140 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020 CLA CLA000 021 000 000 執(zhí) 行 CLA指 令 64 6.2.3 ADD指 令 的 指 令 周 期 一 個(gè) CPU周 期 一 個(gè) CPU周 期 取 指 令 階 段 執(zhí) 行 指 令 階 段開 始 取 指 令PC+1對(duì) 指 令譯 碼 送 操 作數(shù) 地 址 取 下 條 指令 PC+1取 出 操作 數(shù)執(zhí) 行 加操 作一 個(gè) CPU周 期 65 算 術(shù) 邏 輯 單 元狀 態(tài) 條 件 寄 存 器程 序 計(jì) 數(shù) 器PC地 址 寄 存 器AR 地 址 總 線ABUS 數(shù) 據(jù) 總 線 DBUS累 加 器 AC 緩 沖 寄 存 器 DR CPU ALU 指 令 寄 存 器IR指 令 譯 碼 器操 作 控 制 器時(shí) 序 產(chǎn) 生 器 時(shí) 鐘狀 態(tài)反 饋取 指控 制 執(zhí) 行控 制c ccc+1 2021222324303140 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 021 ADD ADD 30000 0212000 030 000 0060+6=6000 006 取 出 并 執(zhí) 行 ADD指 令 66 6.2.4 STA指 令 的 指 令 周 期 67 算 術(shù) 邏 輯 單 元狀 態(tài) 條 件 寄 存 器程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC地 址 寄 存 器 AR 地 址 總 線 ABUS 數(shù) 據(jù) 總 線 DBUS累 加 器 AC 緩 沖 寄 存 器 DR CPU ALU 指 令 寄 存器 IR指 令 譯 碼 器操 作 控 制 器時(shí) 序 產(chǎn) 生 器 時(shí) 鐘狀 態(tài)反 饋取 指控 制 執(zhí) 行控 制c ccc+1 20212223243040 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 022 STA STA 40000 022000 023000 040 000 006000 006000 006 取 出 并 執(zhí) 行 STA指 令 68 6.2.5 NOP指 令 和 JMP指 令 的 指 令 周 期空 指 令 ， 就 是 讓 cpu等 待 一 個(gè) 周 期 ；可 能 等 待 I/O操 作 或 者 內(nèi) 存 讀 寫 之 類 69 算 術(shù) 邏 輯 單 元狀 態(tài) 條 件 寄存 器程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC地 址 寄 存 器AR地 址 總 線 AB 數(shù) 據(jù) 總 線 DB累 加 器 AC 緩 沖 寄 存 器 DRALU 指 令 寄存 器 IR指 令 譯 碼 器操 作 控 制 器時(shí) 序 產(chǎn) 生 器 時(shí) 鐘狀 態(tài)反 饋取指控制 執(zhí)行控制c ccc+120212223 243040 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 024 JMP 21 JMP 21000 024000 021 000 006000 00651 取 出 并 執(zhí) 行 JMP指 令 70 6.3.1 基 本 概 念6.3.2 微 程 序 控 制 器 原 理 框 圖6.3.3 微 程 序 舉 例6.3 微 程 序 控 制 器 main 71 6.3 微 程 序 控 制 器 微 程 序 控 制 器 同 硬 布 線 控 制 器 相 比 較 ， 具 有規(guī) 整 性 、 靈 活 性 、 可 維 護(hù) 性 等 一 系 列 優(yōu) 點(diǎn)它 利 用 軟 件 方 法 (微 程 序 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) )設(shè) 計(jì) 硬 件 微 程 序 控 制 的 基 本 思 想 :把 操 作 控 制 信 號(hào) 編 成 所 謂 的 “ 微 指 令 ” ， 存放 到 一 個(gè) 只 讀 存 儲(chǔ) 器 里 （ 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM） 。當(dāng) 機(jī) 器 運(yùn) 行 時(shí) ， 一 條 又 一 條 地 讀 出 這 些 微 指 令 ，從 而 產(chǎn) 生 全 機(jī) 所 需 要 的 各 種 操 作 控 制 信 號(hào) ， 使相 應(yīng) 部 件 執(zhí) 行 所 規(guī) 定 的 操 作 72 n 優(yōu) 點(diǎn) ： 規(guī) 整 性 、 靈 活 性 、 可 維 護(hù) 性 等 。n 缺 點(diǎn) ： 速 度 慢 ， 增 加 了 從 控 制 存 儲(chǔ) 器 逐條 讀 取 微 指 令 的 時(shí) 間 。6.3 微 程 序 控 制 器 73 1. 基 本 術(shù) 語 微 命 令 ： 微 命 令 是 微 操 作 的 控 制 信 號(hào) ， 而 微 操 作 是微 命 令 的 操 作 內(nèi) 容 。 一 條 指 令 的 功 能 是 通 過 執(zhí) 行 一 系 列 操 作 控 制 步 完 成的 ； 這 些 控 制 步 中 的 基 本 操 作 稱 為 微 操 作 。 微 指 令 ： 可 以 同 時(shí) 執(zhí) 行 的 一 組 微 命 令 組 成 一 條 微 指令 ， 完 成 一 個(gè) 基 本 運(yùn) 算 或 傳 送 功 能 。 也 將 微 指 令 稱作 控 制 字 （ CW） ， 其 中 每 一 位 代 表 一 個(gè) 微 命 令 。 微 程 序 ： 完 成 指 定 任 務(wù) 的 微 指 令 序 列 稱 為 微 程 序 。一 條 機(jī) 器 指 令 其 功 能 可 由 一 段 微 程 序 解 釋 完 成 。 微 周 期 ： 一 條 微 指 令 所 需 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 。指 令 系 統(tǒng) 所 有 指 令 ，指 令 微 程 序微 程 序 若 干 微 指 令 ，微 指 令 一 組 微 命 令微 命 令 微 操 作 74 機(jī) 器 指 令 與 微 指 令 機(jī) 器 指 令 n程 序 機(jī) 器 指 令 1機(jī) 器 指 令 2機(jī) 器 指 令 i. 微 指 令 2微 指 令 1微 指 令 i微 指 令 n. 微 程 序 75 程 序指 令 的 集 合 指 令（ 微 程 序 ）微 指 令 的 集 合 微 指 令微 命 令 的 集 合 微 命 令 76程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC地 址 寄 存 器 AR 緩 沖 寄 存 器 DR指 令 寄 存 器 IR 微 地 址 寄 存 器 AR微 指 令 寄 存 器 IR主 存 儲(chǔ) 器 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM微 命 令地 址 譯 碼 器地 址 譯 碼機(jī) 器 指 令 級(jí) 微 指 令 級(jí) 77 例 如 ： 機(jī) 器 指 令 對(duì) 應(yīng) 的 微 程 序M+1MM+2P+1 KK+2PP+2K+1 取 指 周 期 微 程 序?qū)?應(yīng) LDA 操 作 的 微 程 序?qū)?應(yīng) STA 操 作 的 微 程 序間 址 周 期 微 程 序中 斷 周 期 微 程 序 MOV是 傳 送 指 令 ，STA為 寫 數(shù) 指 令 ，LDA為 讀 數(shù) 指 令 。 78 控 制 部 件 與 執(zhí) 行 部 件 通 過 控 制 線 和 反 饋 信 息 進(jìn) 行 聯(lián) 系 。 微 操 作 相 斥 性 微 操 作相 容 性 微 操 作 相 容 性 微 操 作 : 在 同 時(shí) 或 同 一 個(gè) CPU周 期 內(nèi) 可 以 并 行 執(zhí) 行 的 微操 作 。相 斥 性 微 操 作 : 不 能 在 同 時(shí) 或 不 能 在 同 一 個(gè) CPU周 期 內(nèi) 并 行執(zhí) 行 的 微 操 作 。 79 6.3.2 微 程 序 控 制 器 的 組 成 原 理 圖一 、 基 本 組 成1、 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM用 來 存 放 微 程 序 ， 該 存 儲(chǔ) 器 主 要 存 放 控 制 命 令 (信 號(hào) )與 下 一 條 執(zhí) 行 的 微 指 令 的 地 址 (簡 稱 為 下 址 ) 。2、 微 指 令 寄 存 器 IR用 來 存 放 從 控 制 存 儲(chǔ) 器 中 取 得 的 微 指 令 。3、 微 地 址 形 成 部 件 AG用 來 產(chǎn) 生 機(jī) 器 指 令 的 首 條 微 指 令 地 址 和 后 續(xù) 地 址4、 微 地 址 寄 存 器 AR接 收 微 地 址 形 成 部 件 送 來 的 微 地 址 ?？?制 存 儲(chǔ) 器 與 主 存 儲(chǔ) 器 都 是 存 儲(chǔ) 器 ， 但由 于 其 所 處 的 位 置 和 存 放 的 內(nèi) 容 不 一 致 ， 故 用不 同 的 名 稱 表 示 。 前 者 存 放 微 程 序 ， 后 者 存 放系 統(tǒng) 程 序 和 用 戶 程 序 。 進(jìn) 一 步 ， 前 者 存 放 的 是機(jī) 器 的 指 令 集 中 每 一 條 指 令 所 對(duì) 應(yīng) 的 一 個(gè) 微 程 序的 集 合 ； 而 后 者 則 存 放 的 是 機(jī) 器 指 令 和 數(shù) 據(jù) 。 80 組 成 原 理 圖1.主 要 部 件（ 1） 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM功 能 ： 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR存 放 微 程 序 。CM屬 于 CPU， 不 屬 于 主 存 儲(chǔ) 器 。 81（ 2） 微 指 令 寄 存 器 IR功 能 ： 存 放 現(xiàn) 行 微 指 令 。微 命 令 字 段 ： 提 供 一 步 操 作 所 需 的 微 命 令 。下 地 址 字 段 ： 指 明 后 續(xù) 微 地 址 的 形 成 方 式 。提 供 微 地 址 的 給 定 部 分 。(微 操 作 控 制 字 段 )(順 序 控 制 字 段 ) 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR 82（ 3） 微 地 址 形 成 電 路功 能 ： 提 供 兩 類 微 地 址 。微 程 序 入 口 地 址 ： 由 機(jī) 器 指 令 操 作 碼 形 成 。后 續(xù) 微 地 址 ： 由 微 地 址 字 段 、 現(xiàn) 行 微 地址 、 運(yùn) 行 狀 態(tài) 等 形 成 。 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR 832.工 作 過 程（ 1） 取 機(jī) 器 指 令CM 取 指 微 指 令 IR 微 命 令 字 段 譯 碼 器 微 命 令 主 存機(jī) 器 指 令I(lǐng)R 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR 84（ 2） 轉(zhuǎn) 微 程 序 入 口IR 操 作 碼 微 地 址 形成 電 路 入 口 AR微 命 令 字 段 CM首 條 微 指 令（ 3） 執(zhí) 行 首 條 微 指 令 IRIR 譯 碼 器 微 命 令 操 作 部 件 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR 85（ 4） 取 后 續(xù) 微 指 令微 地 址 字 段現(xiàn) 行 微 地 址運(yùn) 行 狀 態(tài) 微 地 址 形成 電 路 后 續(xù) 微 地 址 ARCM后 續(xù) 微 指 令I(lǐng)R 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR 86（ 5） 執(zhí) 行 后 續(xù) 微 指 令同 （ 3）（ 6） 返 回微 程 序 執(zhí) 行 完 ， 返 回 CM (存 放 取 指 微 指 令 的固 定 單 元 )。 微 地 址形 成 電 路微 地 址 寄 存 器 AR 控 制 存 儲(chǔ) 器 CM 譯 碼 器微 命 令 序 列微 命 令 字 段 下 地 址 字 段 IR 87 微 程 序 控 制 器 地址寄存器棧 微 指 令 控 制 器 的輸 出 端 輸 出 的 是 本條 微 指 令 的 控 制 信號(hào) 微 指 令 控 制 器 的輸 入 端 就 是 剛 剛 讀出 的 下 條 微 指 令 88 n 即 本 條 微 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 和 本 條 微 指 令的 控 制 過 程 和 下 一 條 微 指 令 的 讀 出 在 時(shí)間 上 是 重 疊 的 ， 稱 為 讀 與 執(zhí) 行 微 指 令 的并 行 流 水 技 術(shù) 。 從 控 制 寄 存 器 中 讀 出 的微 指 令 存 放 在 微 指 令 寄 存 器 。 控 制 寄 存器 讀 出 的 信 號(hào) 是 不 能 直 接 控 制 被 控 制 部件 的 ， 要 被 微 指 令 寄 存 器 隔 離 一 段 時(shí) 間 。 89 n 微 程 序 控 制 器 的 基 本 工 作 原 理 ：n 根 據(jù) IR（ 指 令 寄 存 器 ） 中 的 操 作 碼 ， 找 到 與 之 對(duì) 應(yīng)的 控 制 存 儲(chǔ) 器 中 的 一 段 微 程 序 的 入 口 地 址 ， 并 按 指 令功 能 所 確 定 的 次 序 ， 逐 條 從 控 制 存 儲(chǔ) 器 中 讀 出 微 指 令 ，以 驅(qū) 動(dòng) 計(jì) 算 機(jī) 各 部 件 正 確 運(yùn) 行 。n 得 到 下 一 條 微 指 令 的 地 址 的 有 關(guān) 技 術(shù) ： n 要 保 證 微 指 令 的 逐 條 執(zhí) 行 ， 就 必 須 在 本 條 微 指 令 的 執(zhí)行 過 程 中 ， 能 得 到 下 一 條 微 指 令 的 地 址 。n 形 成 下 條 微 指 令 地 址 （ 簡 稱 下 地 址 ） 可 能 有 下 列 五 種情 況 ： 下 地 址 為 本 條 微 指 令 地 址 加 1； n 微 程 序 必 轉(zhuǎn) 某 一 微 地 址 ， 可 在 微 指 令 中 給 出 該 微 地址 值 ；n 根 據(jù) 狀 態(tài) 標(biāo) 志 位 ， 選 擇 順 序 執(zhí) 行 或 轉(zhuǎn) 向 某 一 地 址 ； 90 n 微 子 程 序 的 調(diào) 用 及 返 回 控 制 ， 要 用 到 微 堆棧 ；n 根 據(jù) 條 件 判 斷 轉(zhuǎn) 向 多 條 微 指 令 地 址 中 的 某一 地 址 ， 微 指 令 的 格 式 和 內(nèi) 容 ：(1)操 作 控 制 字 段 ， 又 稱 微 操 作 碼 字 段 ， 用 以 產(chǎn) 生某 一 步 操 作 所 需 的 各 個(gè) 微 操 作 控 制 信 號(hào) 。(2)順 序 控 制 字 段 ， 又 稱 微 地 址 碼 字 段 ， 用 以 控 制產(chǎn) 生 下 一 條 要 執(zhí) 行 的 微 指 令 地 址 。 n 每 個(gè) 控 制 信 號(hào) 用 一 個(gè) 控 制 位控 制 命 令 字 段 下 地 址 字 段 91 3.2 微 程 序 控 制 的 基 本 原 理 1、 控 制 信 號(hào) 以 加 法 指 令 為 例 ， ADD R0， R1， disp 它 分 成 四 條 微 指 令 ， 每 條 微 指 令 所 需的 控 制 信 號(hào) 如 下 ： 92 每 條 微 指 令 所 需 的 控 制 信 號(hào) 如 下 ：(1) 取 指 微 指 令 指 令 地 址 送 地 址 總 線 ： PCAB。 發(fā) 訪 存 控 制 命 令 ： ADS， M IO 1， W R 0。 從 主 存 儲(chǔ) 器 取 指 令 送 數(shù) 據(jù) 總 線 。 指 令 送 指 令 寄 存 器 ： DBIR。 程 序 計(jì) 數(shù) 器 +1： PC+1。取 指 微 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 如 下 圖 所 示 。 93指 令譯 碼 器微 控 器 AiIO-ROUTPUTUNIT IO-WINPUTUNITMEMA7-A0M-WM-R D7-D0PC PC+1PC-B B-PCB-ARAR IR B-IRALUS0S1S2S3 MCiDA2 B-DA2DA1B-DA1 ALU-BSP-B(R3-B)R0-BR0B-R0 R1R3 R1-BB-R1B-R2 AiR2 R2-BB-SP(B-R3) J1A7-A0 DBPC+1M-R第 一 步 ： 取 指 令 過 程(1) 取 指 微 指 令 指 令 地 址 送地 址 總 線 ：PCAB。 發(fā) 訪 存 控 制命 令 ： ADS，M IO 1，W R 0。從 主 存 儲(chǔ) 器 取指 令 送 數(shù) 據(jù) 總線 。 指 令 送 指 令寄 存 器 ：DBIR。 程 序 計(jì) 數(shù) 器+1： PC+1 94 (2) 計(jì) 算 地 址 微 指 令 取 兩 個(gè) 源 操 作 數(shù) (用 作 計(jì) 算 地 址 )：（ R1)DA1， （ DA1） ALU，dispDA2， （ DA2） ALU。 加 法 運(yùn) 算 ： “ +”。 有 效 地 址 送 地 址 寄 存 器 ： ALUAR。計(jì) 算 地 址 微 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 如 下 圖 所 示 。 95指 令譯 碼 器微 控 器 AiIO-ROUTPUTUNIT IO-WINPUTUNITMEMA7-A0M-WM-R D7-D0PC PC+1PC-B B-PCB-ARAR IR B-IRALUS0S1S2S3 MCiDA2 B-DA2DA1B-DA1 ALU-BSP-B(R3-B)R0-BR0B-R0 R1R3 R1-BB-R1B-R2 AiR2 R2-BB-SP(B-R3) J1A7-A0第 二 步 ： 計(jì) 算 地 址 微 指 令 過 程disp0001 01(2) 計(jì) 算 地 址 微 指 令 取 兩 個(gè) 源 操 作 數(shù) (用 作 計(jì) 算 地 址 )： （ R1)DA1， （ DA1）ALU， dispDA2， （ DA2） ALU。 加 法 運(yùn) 算 ： “ +”。 有 效 地 址 送 地 址 寄 存 器 ： ALUAR。 96 (3) 取 數(shù) 微 指 令 數(shù) 據(jù) 地 址 送 地 址 總 線 ： ARAB。 發(fā) 訪 存 控 制 命 令 ： ADS， M IO， W/R。由 主 存 儲(chǔ) 器 將 數(shù) 據(jù) 送 數(shù) 據(jù) 總 線 DB。 數(shù) 據(jù) 送 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 ： DBDA2。取 數(shù) 微 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 如 下 圖 所 示 。 97指 令譯 碼 器微 控 器 AiIO-ROUTPUTUNIT IO-WINPUTUNITMEMA7-A0M-WM-R D7-D0PC PC+1PC-B B-PCB-ARAR IR B-IRALUS0S1S2S3 MCiDA2 B-DA2DA1B-DA1 ALU-BSP-B(R3-B)R0-BR0B-R0 R1R3 R1-BB-R1B-R2 AiR2 R2-BB-SP(B-R3) J1A7-A0第 三 步 ： 取 數(shù) 微 指 令M-R(3) 取 數(shù) 微 指 令 數(shù) 據(jù) 地 址 送 地 址 總 線 ： ARAB。 發(fā) 訪 存 控 制 命 令 ： ADS， M IO， W/R。 由 主 存 儲(chǔ) 器 將 數(shù)據(jù) 送 數(shù) 據(jù) 總 線 DB。 數(shù) 據(jù) 送 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 ： DBDA2。 98 (4) 加 法 運(yùn) 算 和 送 結(jié) 果 微 指 令 兩 源 操 作 數(shù) 送 ALU： （ R0） DA1，(DA1)ALU； （ DA2） ALU。 加 法 運(yùn) 算 ： “ +”。 送 結(jié) 果 ： ALUR0。加 法 運(yùn) 算 和 送 結(jié) 果 微 指 令 的 執(zhí) 行 過 程 如 下圖 所 示 。 99指 令譯 碼 器微 控 器 AiIO-ROUTPUTUNIT IO-WINPUTUNITMEMA7-A0M-WM-R D7-D0PC PC+1PC-B B-PCB-ARAR IR B-IRALUS0S1S2S3 MCiDA2 B-DA2DA1B-DA1 ALU-BSP-B(R3-B)R0-BR0B-R0 R1R3 R1-BB-R1B-R2 AiR2 R2-BB-SP(B-R3) J1A7-A0第 四 步 ： 加 法 運(yùn) 算 和 送 結(jié) 果 微 指 令0001 01(4) 加 法 運(yùn) 算 和 送 結(jié) 果 微 指 令 兩 源 操 作 數(shù) 送 ALU： （ R0） DA1， (DA1)ALU；（ DA2） ALU。 加 法 運(yùn) 算 ： “ +”。 送 結(jié) 果 ： ALUR0。 100 序 號(hào) 控 制 信 號(hào) 功 能 序 號(hào) 控 制 信 號(hào) 功 能1 PC AB 指 令 地 址 送 地 址 總 線 13 + ALU進(jìn) 行 加 法 運(yùn) 算2 ALU PC 轉(zhuǎn) 移 地 址 送 PC 14 - ALU進(jìn) 行 減 法 運(yùn) 算3 PC+1 程 序 計(jì) 數(shù) 器 加 1 15 ALU進(jìn) 行 邏 輯 乘 運(yùn) 算4 imm(disp) DA2 立 即 數(shù) 或 位 移 量 送 ALU 16 ALU進(jìn) 行 邏 輯 加 運(yùn) 算5 DB IR 取 指 到 指 令 寄 存 器 17 ALU R0 ALU運(yùn) 算 結(jié) 果 送 通 用寄 存 器6 DB DA2 數(shù) 據(jù) 總 線 上 的 數(shù) 據(jù) 送 數(shù)據(jù) 寄 存 器 18 ALU DB ALU運(yùn) 算 結(jié) 果 送 數(shù) 據(jù)總 線7 DA2 DB 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 中 的 數(shù) 據(jù) 送數(shù) 據(jù) 總 線 19 ALU AR ALU計(jì) 算 得 的 有 效 地址 送 地 址 寄 存 器 8 （ R1)DA1 寄 存 器 地 址 送 通 用 寄 存器 20 AR AB 地 址 寄 存 器 內(nèi) 容 送地 址 總 線9 (DA1)ALU 寄 存 器 地 址 送 通 用 寄 存器 21 ADS 地 址 總 線 上 地 址 有效10 (DA2)ALU 寄 存 器 內(nèi) 容 送 ALU 22 M/IO 訪 問 存 儲(chǔ) 器 或 I/O11 R0 ALU 寄 存 器 內(nèi) 容 送 ALU 23 W/R 寫 或 讀12 （ R0) DA1 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 內(nèi) 容 送 ALU 101 加 法 指 令 的 微 指 令 編 碼n 微 指 令 最 簡 單 的 組 成 形 式 是 將 每 個(gè) 控 制 信 號(hào) 用 一 個(gè) 控 制位 來 表 示 ,當(dāng) 需 要 這 個(gè) 信 號(hào) 時(shí) ,該 位 為 1,不 需 要 時(shí) ,該 位 為 0n 圖 6.8中 有 23個(gè) 控 制 信 號(hào) ,因 此 需 23個(gè) 控 制 位 .另 外 ,因 控存 容 量 為 4K,還 需 12位 來 表 示 下 一 個(gè) 微 指 地 址 .格 式 如 下1 2 23 24 35下 址 字 段控 制 字 段控 制 存 儲(chǔ) 器 的 容 量 取 決 于 實(shí) 現(xiàn)指 令 系 統(tǒng) 所 需 的 微 程 序 長 度 P185 102 時(shí) 序 信 號(hào) 和 工 作 脈 沖 用 二 進(jìn) 制 碼 表 示 的 指 令 和 數(shù) 據(jù) 都 放 在 內(nèi) 存 里 ， 那么 CPU是 怎 樣 識(shí) 別 出 它 們 是 數(shù) 據(jù) 還 是 指 令 呢 ? 從 時(shí) 間 上 來 說 :