第6章 中央处理器(1)-控制器和微程序
了解计算机的中央处理器(CPU)
了解计算机的中央处理器（CPU）计算机的中央处理器（CPU）是一种重要的电子器件，它扮演着计算机的“大脑”角色。
本文将介绍CPU的基本概念、结构以及其在计算机中的作用。
一、CPU的概念中央处理器（CPU）是计算机的核心组件之一，它是一块集成电路芯片。
CPU负责执行计算机的指令，并将数据处理和运算结果反馈给其他组件。
可以说，没有CPU，计算机就无法正常工作。
二、CPU的结构CPU主要由运算器、控制器和寄存器组成。
1. 运算器：负责执行各种算术和逻辑运算。
它包含算术逻辑单元（ALU），用于执行加减乘除等算术运算，以及逻辑运算单元（ALU），用于执行逻辑运算，比如与、或和非等。
2. 控制器：负责控制计算机的整个运行过程。
控制器从内存中获取指令，并根据指令要求执行相应的操作。
它还负责协调各个组件之间的通信和数据传输。
3. 寄存器：用于临时存储数据和指令。
寄存器分为通用寄存器和专用寄存器两种。
通用寄存器用于存储临时变量和计算结果，而专用寄存器则用于存储特定用途的数据，比如程序计数器（PC）用于存储下一条指令的地址。
三、CPU的作用CPU在计算机中起着至关重要的作用。
它可以执行计算机的指令，实现对数据的处理和运算。
具体而言，CPU的作用主要体现在以下几个方面：1. 控制：CPU通过控制器的指令，协调和控制计算机各个组件之间的工作。
它决定了下一步要执行的操作，并将相应的指令发送给其他组件。
2. 运算：作为计算机的核心，CPU可以执行各种算术和逻辑运算。
它可以根据指令进行加减乘除等数值运算，也可以执行与、或和非等逻辑运算。
3. 存储和读取数据：CPU可以从内存中读取数据，并将处理结果存储回内存。
这是计算机进行数据处理的基本操作，也是CPU与其他组件之间的数据交换方式。
4. 时钟控制：CPU通过时钟信号来控制其内部操作的节奏。
时钟信号会以规律的周期性发出，将CPU的工作划分为若干个时钟周期，以确保各个操作能够按时完成。
计算机组成原理期末重点章节知识点
计算机组成原理第一章计算机系统概论（清楚一个概念）计算机的性能指标：吞吐量：表征一台计算机在某个时间间隔内能够处理的信息量。
响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。
处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。
总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常KB,MB,GB,TB来表示。
存储器带宽：单位时间内存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。
主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率叫CPU的主频。
度量单位MHZ（兆赫兹）、GHZ（吉赫兹）主频的倒数称为CPU时钟周期（T),T=1/f，度量单位us，nsCPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占的CPU时间，公式：CPU执行时间=CPU时钟周期数xCPU时钟周期CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。
公式：CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数MIPS：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，公式：MIPS=指令数/（程序执行时间x10^6）第二章运算方法和运算器原码定义：（1）整数（范围（-（2^n-1）~ 2^n-1)（2）小数(范围-（2^-n-1 ~ 1-2^-n)反码定义：（3）整数（范围（-（2^n-1）~ 2^n-1)（4）小数(范围-（2^-n-1 ~ 1-2^-n)补码定义：（5）整数（范围（-（2^n ）~ 2^n-1)（6）小数(范围（-1 ~ 1-2^-n)移码表示法（用于大小比较与对阶操作）IEEE754标准格式：符号位（1位）+ 阶码（移码）+ 尾数正溢：两个正数相加，结果大于机器字长所能表示的最大正数负溢：两个负数相加，结果小于机器字长所能表示的最小负数检测方法：1、双符号位法2、单符号位法不带符号阵列乘法器：同行间并行不同行间串行浮点加减运算操作过程大体分四步：1、0操作数检查2、比较阶码大小完成对阶3、尾数进行加减运算4、结果规格化所进行舍入处理流水线原理:时间并行性线性流水线的加速比：C k=T L/T K =nk/k+（n-1）第三章存储系统程序局部性原理：在某一段时间内频繁访问某一局部的存储器地址空间，而对此范围以外的地址空间则很少访问的现象。
计算机组成原理第6章
第6章中央处理器
图 6－6 指令周期与 CPU 周期的包含关系
第6章中央处理器
6. 1. 4 指令执行流程 指令的执行是从取指周期开始的。取指周期主要完成从
内存取出要执行的指令,并使指针指向下一条指令,即 PC=PC+ “ 1 ”,这里的“ 1 ”表示当前这条指令的实际字长。 取指完成后,对指令进行译码,再转入具体的指令执行过程。 指令在执行过程中如果采用间接寻址方式,还需要增加间址 周期,如图 6－5 所示。
第6章中央处理器
3. 时序控制 每一条指令在执行的过程中,必须在规定的时间给出各 部件所需操作控制的信号,才能保证指令功能的正确执行。 因此,时序控制就是定时地给出各种操作信号,使计算机系统 有条不紊地执行程序。 4. 数据加工 数据加工是指对数据进行算术运算、逻辑运算或其他处 理。
第6章中央处理器
第6章中央处理器
图 6－7 所示是一个采用总线结构将运算器、寄存器连 接起来的控制器内部数据通路。其各部件与内部总线 IBUS 和系统总线 ABUS 、 DBUS 的连接方式如图中所示,图中的 “ o ”为控制门,在相应控制信号(信号名称标在“o ”上)的控 制下打开,建立各部件之间的连接。GR 是通用寄存器组, X 和 Z 是两个暂存寄存器。
计算机组成原理课程设计(中央处理器--微程序控制器设计)
计算机组成原理课程设计：中央处理器-微程序控制器设计摘要本文档介绍了一个针对计算机组成原理课程的设计项目，即中央处理器的微程序控制器设计。
在设计中央处理器的微程序控制器时，我们将考虑指令的执行、数据的处理以及控制信号等关键方面。
通过这个设计项目，学生将深入了解计算机系统的核心组件并掌握微程序控制器的设计方法。
引言计算机组成原理课程旨在帮助学生理解计算机硬件系统的基本原理和组成部分。
其中，中央处理器是计算机系统中最核心的部分之一。
微程序控制器是中央处理器的关键组件，它通过微指令序列控制着处理器的各个部件。
本设计项目旨在实践计算机组成原理的理论知识和设计方法，使学生能够了解中央处理器的内部结构和工作原理，并掌握微程序控制器的设计技术。
设计目标本次设计的目标是： 1. 使用合适的指令集设计一个完整的微程序控制器。
2. 实现基本的指令执行功能，包括算术逻辑单元(ALU)操作、内存读写、条件分支和跳转等。
3. 考虑控制信号与数据通路之间的兼容性和时序关系。
4. 考虑指令的效率和性能，实现合理的指令编码和微指令生成策略。
设计内容1. 指令集设计在设计微程序控制器时，首先需要确定适合该设计的指令集。
指令集应该包括基本的算术、逻辑、移位和控制指令，以及内存读写指令。
根据实际需求，可以添加其他合适的指令。
2. 微指令设计为了实现指令集中的每个指令，需要设计相应的微指令。
微指令是一系列控制信号的序列，用于控制中央处理器中各个部件的操作。
每个微指令应该包含控制信号、操作码、寄存器的选择和数据通路的选择等信息。
3. 数据通路设计数据通路连接了CPU中各个部件，包括寄存器、ALU、控制器等。
在设计数据通路时，需要考虑指令的执行顺序、数据的传递和处理，以及控制信号的生成等。
数据通路应该支持指令的执行和数据操作。
4. 控制信号设计控制信号是微程序控制器中最关键的部分，它确定了中央处理器中各个部件的操作方式和时序。
在设计控制信号时，需要考虑不同指令的差异性和并行性，确保指令的正确执行。
第6章 中央处理器
教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第六章中央处理器•6.1CPU的组成及功能• 6.2指令的执行过程• 6.3微程序控制器• 6.4中断系统•*6.5流水结构教学重点和难点•cpu的功能和组成、指令的执行过程和中断系统第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•中央处理器（CPU）–是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来处理的。
它的发展非常迅速，其主要功能就是控制各部件的协调工作–CPU的四个主要功能：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。
第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•CPU的组成–由两个主要部分组成：控制器和运算器。
这两部分功能不同，配合工作。
–运算器的功能：执行所有的算术运算、执行所有的逻辑运算。
–控制器功能有：1、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。
2、对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号。
3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。
第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器部分–在控制器的控制下完成各种算术和逻辑运算。
第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器组成–ALU（由全加器组成），输入：累加器、暂存器，输出：内部数据总线–寄存器：1、通用寄存器组2、标志寄存器3、专用寄存器第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器部分–程序计数器PC：功能：完成指令控制、操作控制、时序控制第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器组成–程序计数器PC：存放待执行指令在存储器中的地址。
任何程序执行前，应将程序的首地址置入PC中，通常，PC内容顺序加1；遇到转移指令，将转移的目标地址置入PC，即可实现程序转移。
–指令寄存器IR：存放从存储器中取出的待执行的指令。
–指令译码器ID：暂存在IR中的指令，其操作码部分经译码后才能识别当前要执行指令的性质，ID的功能也在于此。
精品文档-计算机组成与系统结构(裘雪红)-第6章
第6章 中央处理器(CPU)
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图 6.5 计数型节拍脉冲发生器(节拍数≤16)
第6章 中央处理器(CPU)
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(2) CPU周期(机器周期)信号的产生。若干个节拍组成一个 CPU周期。CPU周期可以设计为定长与不定长两种。
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图 6.6 移位型节拍脉冲发生器(节拍数≤8)
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当连续的某些微操作动作不会相互干扰(可并行执行)时， 为了节省时间，可将其放在同一节拍中完成，如第2、3个微操 作被放在了T2节拍中。也可将第3、4个微操作组合在一起，即
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组合一个微操作序列应遵守两个基本规则: (1) 遵守操作发生的顺序。如微操作AR←PC必须在
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根据对一条指令相应的微操作序列的时序描述方法的不同， 时序产生器有两种设计方法。
一是采用一级时序，即只产生节拍信号，时序产生器可采 用图6.5或图6.6的电路实现。此时，一条指令执行的全过程是 用一个从取指令到执行指令的完整微操作序列来描述的，
而且对这个微操作序列也是从头至尾分配节拍的。
(1) 产生微命令。 (2) 按节拍产生微命令。
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图 6.8 控制器模型
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设计者在设计控制器之前需要做以下工作: (1) 定义计算机基本硬件组成和基本指令系统;
(2) 基于定义的硬件结构，针对每条指令，描述CPU完成的 微操作;
(3) 确定控制单元应该完成的功能，即何时产生何种微命
PCout＝T1＋T5·JZ(相对寻址)·(ZF=1)＋T4·CALL(间接寻 址)＋…(一级时序)
第6章中央处理器
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6.1 中央处理器的功能和组成
计算机组成原理
(1)程序计数器
程序计数器用来存放正在执行的指令 地址或接着要执行的下条指令地址。
对于顺序执行的情况，PC的内容应不 断地增量（加“1”），以控制指令的顺序 执行。
在遇到需要改变程序执行顺序的情况
时，将转移的目标地址送往PC，即可实现 程序的转移。在有些情况下除需要改变PC 的内容外，还需要保留PC过去的内容，以 便返回时使用。
工作电压指的是CPU正常工作所需的电 压。
8.地址总线宽度
地址总线宽度决定了CPU可以访问的最 大的物理地址空间，简单地说就是CPU到底 能够使用多大容量的主存。例如，Pentium 有 32 位 地 址 线 ， 可 寻 址 的 最 大 容 量 为 232 ＝ 4096MB （ 4GB ） ， Itantium 有 44 位 地 址 线 ， 可寻址的最大容量为244＝16TB。
对指令流的控制： 指令流出的控制 指令分析与执行的控制 指令流向的控制
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6.1 中央处理器的功能和组成
计算机组成原理
对数据流的控制主要应包括对数据的 流入与流出的控制；对数据变换、加工等 操作的控制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言， 数据流是根据指令流的操作而形成的，也 就是说数据流是由指令流来驱动的。
计算机组成原理
早 期 ， CPU 的 内 频 就 等 于 外 频 。 例 如 ： 80486DX-33 的 内 频 是 33MHz ， 它 的 外 频 也 是 33MHz。也就是说，80486DX-33以33MHz的速度 在内部进行运算，也同样以33MHz的速度与外界 沟通。目前，CPU的内频越来越高，相比之下主 存的速度还很缓慢，如果外频设计得跟内频同步， 则主存都将无法跟上CPU的速度。所以现在外频 跟内频不再只是一比一的同步关系，从而出现了 所谓的内部倍频技术，导致了“倍频”的出现。内频、 外频和倍频三者之间的关系是：
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• 在CPU中可以单独设置程序计数器，也可以指 定通用寄存器中的某一个作为PC使用。 • 程序顺序执行时的PC增量可以通过PC本身的 计数逻辑实现，也可以由运算器的ALU实现。 不同机器，实现方法可有所不同。
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• (2) 指令寄存器 IR • 指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。 • 当指令从主存取出后，经MDR传送到指令寄存器 中，以便实现对一条指令执行的全部过程的控制。
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• (3)时序信号发生器 • 时序信号发生器用于产生机器所需的各种时序 信号，以便控制有关部件在不同的时间完成不 同的微操作。 • 不同的机器，有着不同的时序信号。在同步控 制的机器中，一般包括周期、节拍、脉冲等三 级时序信号。
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3．微操作控制信号形成部件
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4．中断控制逻辑（中断机构）
• 用于实现异常情况和特殊请求的处理。
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5．程序状态寄存器 PSR
• 程序状态寄存器：用于存放程序的工作状态 (如管态、目态等)和指令执行的结果特征(如 结果为零、结果溢出等)，把它所存放的内容 称为程序状态字(PSW)。PSW表明了系统的基本 状态，是控制程序执行的重要依据。不同的机 器，PSW的格式及内容不完全相同。
• 微操作控制信号形成部件：根据指令部件提供 的操作控制电位、时序部件所提供的各种时序 信号以及有关的状态条件，产生机器所需要的 各种微操作控制信号。 • 不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微 操作控制信号序列。每条指令都有自己对应的 微操作序列。控制器必须根据不同的指令，在 不同的时间，产生并发出不同的微操作控制信 号，控制有关部件协调工作，完成指令所规定 的任务。
计算机组成课件
控制信号
…
CU
时钟
CPU的数据通路
Ad IRout IRin PCin CPU 内 部 总 线
OF DF IF TF SF ZF 方向 标志 中断允 许标志 陷阱 标志
控制器部分
功能： （1）取指令，并指出下一条指令在主存中的位置。 （2）指令译码，产生相应的操作控制信号，以便启 动规定的动作。 （3）指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间 的数据流动方向。
组成： 程序计数器（PC） 用来存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条 指令地址。 对于顺序执行的情况，PC的内容应不断地增量 （加“1”），以控制指令的顺序执行。 遇到需要改变程序执行顺序的情况时，将转移的 目标地址送往PC，即可实现程序的转移。 指令寄存器（IR） 指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。
3.联合控制方式 这是同步控制和异步控制相结合的方式。实际上 现代计算机中几乎没有完全采用同步或完全采用异 步的控制方式，大多数是采用联合控制方式。 一种情况是，大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的 “回答”信号作为本次操作的结束。例如CPU访问主 存时，依靠其送来的“READY”信号作为读／写周期 的结束。 另一种情况是，机器周期的节拍脉冲数固定，但是 各条指令周期的机器周期数不固定。
由于不同的指令，操作时间长短不一致，同步控制 方式应以最复杂指令、最复杂的微操作时间作为统 一的时间间隔标准。这种控制方式设计简单，容易 实现，但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲 时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令 的执行速度。
计算机组成与系统结构第六章答案
第六章中央处理器2. 简单回答下列问题。
（参考答案略）（1）CPU的基本组成和基本功能各是什么？（2）取指令部件的功能是什么？（3）控制器的功能是什么？（4）为什么对存储器按异步方式进行读写时需要WMFC信号？按同步方式访问存储器时，CPU如何实现存储器读写？（5）单周期处理器的CPI是多少？时钟周期如何确定？为什么单周期处理器的性能差？元件在一个指令周期内能否被重复使用？为什么？（6）多周期处理器的设计思想是什么？每条指令的CPI是否相同？为什么在一个指令周期内某个元件可被重复使用？（7）单周期处理器和多周期处理器的控制逻辑设计的差别是什么？（8）硬布线控制器和微程序控制器的特点各是什么？（9）为什么CISC大多用微程序控制器实现，RISC大多用硬布线控制器实现？（10）水平型微指令和垂直型微指令的基本概念和优缺点是什么？（11）CPU检测内部异常和外部中断的方法有什么不同？3. 在书中图6.9中，假定总线传输延迟和ALU运算时间分别是20ps和200ps，寄存器建立时间为10ps，寄存器保持时间为5ps，寄存器的锁存延迟（Clk-to-Q time）为4ps，控制信号的生成延迟（Clk-to-signal time）为7ps，三态门接通时间为3ps，则从当前时钟到达开始算起，完成以下操作的最短时间是多少？（1）将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器（2）将程序计数器PC加1参考答案：（1）寄存器的锁存延迟与控制信号的生成延迟的时间重叠，且Clk-to-signal time> Clk-to-Q time，所以完成寄存器传送的时间延迟为：7+3+20+10=40ps。
（2）分两个阶段：PC+1→Z ：7+3+20+200+10=240ps；Z→PC：7+3+20+10==40ps寄存器保持时间用来作为时间约束。
4. 图6.30给出了某CPU内部结构的一部分，MAR和MDR直接连到存储器总线（图中省略）。
计算机组成原理(第六章)
• • • • 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器主要用来完成各种算术和逻辑运算功能； 寄存器：用来存放中间结果、缓冲作用 控制器是全机的指挥中心，在在它的控制下，计算机总是遵循“取指令， 执行指令，取下条指令，执行下条指令…”这样周而复始地工作直到停机 为止。 控制器对指令的执行过程的控制有三种方式： – 同步控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想：将每个指令周期分成多个机器周期，每个机器周期中再分成 多个节拍，于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期，复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间，控制上又不十分复杂。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
WE M
RD M
RD M
ZF＝1？
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时； – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时； – 根据组成计算机各部件的器件特性，时序信号通常采用“电位－脉 冲”制。 – 时序部件的构成
C0～C31
译码器
Hale Waihona Puke XXXXX 控制字段源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式：断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑
知识点 计算机组成原理
知识点计算机组成原理知识点-计算机组成原理计算机组成原理重要知识点第一章绪论一、冯．诺依曼思想体系――计算机（硬件）由运算器、控制器、存储器、输入输出设备五部分组成，存储程序，按地址出访、顺序继续执行二、总线的概念。
按传送信息的不同如何划分；按逻辑结构如何划分三、冯．诺依曼结构（普林斯顿结构）与哈弗结构的存储器设计思想四、计算机系统的概念，软件与硬件的关系、计算机系统的层次结构（实际机器与交互式机器）五、计算机的主要性能指标的含义（机器字长，数据通路宽度，主存容量，运算速度）六、cpu和主机两个术语的含义，完备的计算机系统的概念，硬件、软件的功能分割七、总线概念和总线分时共享资源的特点、三态门与总线电路第二章数据的机器层次表示一、真值和机器数的概念数的真值变为机器码时存有四种则表示方法：原码表示法，反码表示法，补码表示法，移码则表示码。
其中移码主要用作则表示浮点数的阶码e，以利比较两个指数的大小和对阶操作方式二、一个定点数由符号位和数值域两部分组成。
按小数点位置不同，定点数有纯小数和纯整数两种表示方法。
几种定点机器数的数值则表示范围。
三、浮点数浮点数的标准表示法：符号位s、阶码e、尾数m三个域组成。
其中阶码e通常用移码表示（其值等于指数的真值e加上一个固定偏移值）。
规格化浮点数（原码，补码则表示的规格化浮点数的区别）五、处理字符信息（符号数据即非数值信息），七、常用的bcd码：8421码、2421码、余3码、格雷码（有权码，无权码，特点）八、检错纠错码：奇偶校验（掌握奇偶校验原理及校验位的形成及检测方法）,海明码的纠错原理（理解）第三章指令系统一、指令格式:指令的基本格式,指令的地址码结构（3、2、1、0地址指令的区别），非规整型指令的操作码（扩展览会操作码）二、编址方式（位，字节，字…）三、操作数串行方式――立即串行、轻易串行、间接串行、寄存器串行、寄存器间接串行、相对串行、基址寻址、变址寻址、页面寻址四、指令串行方式――顺序对串行方式、弹跳串行方式五、指令类型及功能六、不同的计算机的i/o指令差别很大，通常有两种方式：独立编址方式,统一编址方式第四章数值的机器运算一、为运算器构造的简单性，运算方法中算术运算通常采用补码加减法，原码乘除法或补码乘除法。
第06章中央处理器
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4．常数源字段E
在微指令中，一般设有一个常数源字段 E。E字段一般仅有几位，用来给某些部件 发送常数。该常数有时作为操作数送入微指 令ALU运算；有时作为计算器初值，用来控 制微程序的循环次数等。
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6.1.2 控制器的基本组成
1．程序计数器(PC) 即指令地址寄存器。在某些计算机中用
来存放当前正在执行的指令地址；而在另一 些计算机中则用来存放即将要执行的下一条 指令地址；而在有指令预取功能的计算机中， 一般还需要增加一个程序计数器用来存放下 一条要取出的指令地址。
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控制器的时序系统
2．节拍电位和工作脉冲 一个机器周期内要完成若干个微操作，
这些微操作有的可以同时进行，有的则按先 后次序串行执行。每个微操作都需要一定的 时间，因此需要将一个机器周期分为若干相 等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。 一般节拍用一个电平信号宽度表示，称为一 个节拍电位。
CISC机几乎不可能采用硬布线控制。 RISC机为了追求高速度，一般采用硬布线 控制。
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2. 微程序控制器
微程序控制器用软件方法产生和组织微 操作控制信号，用存储逻辑控制取代组合逻 辑控制。它是将指令用微指令编制成微程序 存放在控制存储器中。
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制信号的控制下完成。控制器必须具备将机 器指令转换为微操作控制信号序列，并进行 相应操作控制的功能。控制器的操作控制功 能就是实现指令的正确执行。
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控制器的功能
2．指令顺序控制功能 控制器必须具备能够控制程序的执行顺
计算机组成原理课件第六章中央处理器6.1
6.1.2中央处理器的基本结构
• 主存储器中存放数据和指令。 • CPU要从主存读取数据或指令，则必须给出该数据的主存单元地址到
MAR中，并向存储器发送读操作信号，然后等待数据从主存读出并存 放到存储器总线的数据总线上。CPU读主存储器时发出的读信号定义 为RM。 • CPU要向主存写入数据，则必须给出主存单元地址到MAR中，然后 通过存储器地址总线选中要访问的单元，同时把数据送到存储器数据 寄存器MDR中，再送到存储器数据总线，最后向存储器发送写操作信 号，然后等待数据写入到主存单元中。CPU写主存储器时发出的写信 号定义为WM。 • 主存储器完成读写操作会向CPU发送存储器操作完成信号MFC （Memory Function Completed）。
• （4）异常和中断处理 – 计算机出现某些异常情况，如算术运算溢出等，或者某些外部设 备发出“中断请求”信号，那么在执行完当前指令后，CPU要停 止当前的程序，转去处理这些异常的中断服务程序。当处理完毕 后，再返回原程序继续运行。
• 计算机中控制器就这样周而复始地取指令、分析指令、执行指令，再 取指令、再分析指令、再执行指令……直到程序结束或出现外来的干 预为止。
• 主存储器外部有地址总线 和数据总线。
• CPU内部各模块通过一条 公共总线相连，是内部总 线。
• 存储器总线经由存储器数 据寄存器MDR和存储器地 址寄存器MAR连到CPU内 部数据总线。
6.1.2中央处理器的基本结构
• 存储器地址寄存器MAR用来保存当前CPU所访问的内存 单元地址。由于CPU和内存之间有速度差异，所以必须使 用地址寄存器来保存地址信息，直到内存读写操作完成。
第六章中央处理器
指令周期通常用若干个CPU周期来表示，CPU周期也叫机器 周期。一个CPU周期在时间上等于主存的一个存取周期。例 如，从主存取出一条指令就需要一个CPU周期。
以下通过一个简单程序的执行过程来说明指令周期的概念。
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2、举例，一个简单程序
八进制地址
020 021 022 023 024 . . 030 031 . . 040
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二、指令周期
指令和数据都放在内存里。从形式上看，它们 都是二进制代码， CPU是怎么准确地判别出 是指令还是数据的 ？这要从指令周期说起。
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1、指令周期的基本概念
CPU取指令—执行指令的序列：
指令周期是取出并执行完一条指令的时间。因为各种指令的 操作功能不同，所以指令周期也不完全相同。
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第二个CPU周期，送转移地址
CPU完成一件事： 把指令寄存器中的 地 址 码 部 分 21 送 到 程序计数器，用新 的内容 21 取代 PC 中 原先的内容25。 CPU做1个动作： IRPC
CPU完成指令操作
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3、用方框图来表示指令周期
一个方框代表一个CPU周期，菱形符号通常用来表示某种判别或测试， 时间上依附于与它相邻的前面一个方框的CPU周期，不单独占用时间。 “~” 表示公操作，如指令执行结束后，CPU对外设中断请求的处理等。 不单独占 CPU周期
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本章主要内容
主要内容
中央处理器的功能和组成 控制器的组成和实现方法 指令周期、时序系统与控制方式 微程序控制原理 操作控制单元的设计 流水线技术
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一、中央处理器的功能
当我们用计算机解决某个问题时，首先要为计算机编写程序。 程序是一个指令序列，这个指令序列就是要明确告诉计算机应 该执行什么操作、数据从哪里来、结果送到哪里去。之后，一 旦把程序装入主存，就可以由计算机自动地完成取出指令和执 行指令的任务。 在程序运行过程中，在计算机的各部件之间传送着指令和数据， 形成了指令流和数据流。数据是在传送过程中得到加工和处理 的 。CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实 施正确的控制。
计算机组成原理第6章中央处理器
计算机组成原理第6章中央处理器第六章中央处理器6.1 中央处理器的功能和组成6.1.1 中央处理器的功能中央处理器简称CPU，它具有如下4⽅⾯的功能：(1)程序的顺序控制。
(2)操作控制产⽣取出并执⾏指令的微操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，从⽽控制这些部件按指令的要求进⾏动作。
(3)时间控制对各种操作实施时间上的控制。
(4)数据加⼯对数据进⾏算术运算和逻辑运算处理。
6.1.2 中央处理器的组成中央处理器由控制器、运算器和总线组成。
(1)控制器控制器是全机的指挥中⼼，其基本功能就是执⾏指令。
控制器由程序计数器PC、指令寄存器m、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指令译码器、时序系统和微操作信号发⽣器组成。
①程序计数器PC⽤以指出下条指令在主存中的存放地址，CPU根据PC的内容去主存取得指令。
因程序中指令是顺序执⾏的，所以PC有⾃增功能。
②指令寄存器(m)：⽤来保存当前正在执⾏的⼀条指令的代码。
③地址寄存器(AR)：⽤来存放当前CPU访问内存单元的地址。
④数据寄存器(DR)：⽤来暂存由内存储器中读出或写⼊内存的指令或数据。
⑤指令译码器：分别对操作码字段、寻址⽅式字段、地址码字段进⾏译码，向控制器提供操作的特定信号。
⑥时序部件：⽤来产⽣各种时序信号，时序信号可分为CPU周期信号、节拍周期信号和节拍脉冲信号，它们都是由统⼀时钟CLOCK分频得到的。
⑦微操作形成部件：根据IR的内容(指令)、PSW的内容(状态信息)以及时序线路3⽅⾯的内容，产⽣控制整个计算机系统所需的各种控制信号。
其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
⑧中断系统⑨操作控制台(2)运算器运算器由算术逻辑单元(ALU)、通⽤寄存器、程序状态字寄存器、数据暂存器、移位器等组成。
它接收从控制器送来的命令并执⾏响应的动作，负责对数据的加⼯和处理。
各组成部件的作⽤是：①算术逻辑单元(ALU)：⽤以进⾏双操作数的算术逻辑运算。
②通⽤寄存器组：⽤来存放操作数(包括源操作数、⽬的操作数及中间结果)和各种地址信息等。
中央处理器CPU——控制器
中央处理器CPU——控制器控制器是计算机系统的指挥中⼼，控制器的主要功能有：1）从主存中取出⼀条指令，并指出下⼀条指令在主存中的位置。
2）对指令进⾏译码或测试，产⽣相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
3）指挥并控制CPU、主存、输⼊和输出设备之间的数据流动⽅向。
控制单元的输⼊与输出：输⼊：（1）指令寄存器：OP(IR)⼀>CU控制信号的产⽣与操作码有关（2）时钟：⼀个时钟脉冲发⼀个操作命令或⼀组需要同时执⾏的操作命令（3）标志：如条件转移指令，根据相应的标志位决定下⼀步操作（4）外来信号：如：中断请求信号INTR 总线请求信号HRQ输出：（1）CPU内部的控制信号寄存器之间的数据传输、pc的修改、控制ALU进⾏相应的运算（2）到控制总线的控制信号到存储器：访存控制信号、读命令、写命令到I/O设备：访问I/O设备的控制信号中断响应信号INTA、总线响应信号HLDACPU的控制⽅式：产⽣不同微操作命令序列所⽤的时序控制⽅式。
1.同步控制⽅式整个系统所有的控制信号均来⾃⼀个统⼀的时钟信号。
同步控制万式的优点是控制电路简单，缺点是运⾏速度慢。
2.异步控制⽅式异步控制⽅式不存在基准时标信号。
各部件按⾃⾝固有的速度⼯作，通过应答⽅式进⾏联络。
异步控制⽅式的优点是运⾏速度快，缺点是控制电路⽐较复杂。
3·联合控制⽅式对各种不同的指令的微操作实⾏⼤部分采⽤同步控制、⼩部分采⽤异步控制的办法。
安排微操作时序的原则原则⼀：微操作的先后顺序不得随意更改原则⼆：被控对象不同的微操作尽量安排在⼀个节拍内完成原则三：占⽤时间较短的微操作尽量安排在⼀个节拍内完成并允许有先后顺序微命令＜微指令＜微程序=⼀条机器指令微命令：控制部件通过控制线向执⾏部件发出各种控制命令，是最⼩单位相容性微命令互斥性微命令微操作：执⾏部件接受微命令后所执⾏的操作微指令：在机器的⼀个CPU周期中，⼀组实现⼀定操作功能的微命令的组合微操作码+微地址码 00010000微程序：⼀条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的例如：取指微指令（操作相同）硬布线原理：微操作控制信号由组合逻辑电路根据当前指令码，状态和时序，即时产⽣微程序原理：将控制器所需的微命令以代码形式编成微指令，存⼊⼀个由ROM构成的控制存储器（CM）中。
第六章中央处理器.
（4）中断控制逻辑 中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。
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计算机组成原理简明教程
⊙第六章中央处理器
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (1/5)
一、CPU的基本功能 （1）程序控制
保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。 （2）操作控制
一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。 （3）时间控制
对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制； 一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。 （4）数据加工
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⊙第六章中央处理器
6.2.1 指令周期 (12/18)
（2）“指令计数器PC递增”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin （把有效地址送入暂存器Z。） ②Zout，PCin （把暂存器Z的内容送PC。）
（3）“从主存中取出指令字”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，MARin，READ （指令地址送到主存，发读命令。）
(2) 可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，工艺不同；
用大规模集成电路(LSI)来实现。 (3) 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（CM）； 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。
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其他指令的控制信号也按同样方法分析，根据每 条指令的功能确定所需的机器周期数，并得出每个机 器周期所需要的控制信号，最后将所有的控制信号进 行综合简化。
控制器的功能就是按每条指令的要求产 生所需的控制信号。因此在设计控制器时要 求系统设计师提供一个完整的无二义性的指 令系统说明书。
产生控制信号一般有微程序控制和硬布线控制 两种方法。
微程序用流程图来表示
上方的数字： 微指令的地址
右下角的 数字：表 示下址 方框： 表示微 指令
图6.8微程序流程图举例
2．微程序控制器
微程序控制器的基本工作原理：
时序 控制 信号 形成 部件
4、控制存储器（CS：Control Store）
存放所有微程序的存储器。它可以用只读存储器实现。
微指令的格式
控制字段 下一条微指令地址字段
控制存储器的工作原理
依据从内存中读取的指令的操作码，找到与该条机器指令相对应 的一段微程序的入口地址，并按下址字段提供的微地址逐条从控 制存储器中读出微指令，由控制字段提供的微命令控制计算机各 功能部件工作（接收、输出、执行算术或逻辑运算）。
计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取 指、分析、执行；再取指、再分析、再执行……，如 此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。
4．控制程序和数据的输入与结果输出
根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设 备发出一些相应的命令来完成I／O功能，这实际上也是通过执 行程序来完成的。
5．对异常情况和某些请求的处理
2.微指令
由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令， 它含控制命令(信号)与下一条执行的微指令地址。
将一条机器指令分成若干条微指令，按次序执行这些微 指令，就可以实现指令的功能。
3.微程序
执行一条机器指令所对应的多条微指令构成一段微程序。
如：加法指令“add rd/rs，imm[rs1]”所对应的微程序由 以下四条微指令组成一段微程序： 取指微指令 计算有效地址微指令 取数微指令 运算微指令 微程序段中各条微指令既可连续存储、也可分散存储。
2．分析指令
或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分 析，指出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令，如 果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。
பைடு நூலகம்
3．执行指令
根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数地址”形 成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输入输出设备的执行， 实现每条指令的功能，其中还包括对运算结果的处理以及下条 指令地址的形成。
部件或设备发出： (1)“中断请求”信号 待CPU执行完当前指令后，响应该请求，中止当前执行 的程序，转去执行中断程序。当处理完毕后，再返回原程序 继续运行下去。 (2)DMA请求信号 等CPU完成当前机器周期操作后，暂停工作，让出总线 给I／O设备，在完成I／O设备与存储器之间的传送数据操作 后，CPU从暂时中止的机器周期开始继续执行指令。
当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正在执行 的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控功 能部件的反馈信号调整时序控制信号。
用以存放当前正 在执行的指令
即指令地址寄存器。 存放当前正在执行 的指令地址或下一 条指令地址。 指令地址形成 : (PC)+1->PC。或: 转移指令修改其内 容
6.1.3指令执行过程
1.组成控制器的基本电路
计算机中采用的电路，基本上分为两种类型。
一类是没有记忆功能的门电路及由它组成的加法器、 算术逻辑运算单元(ALU)和各种逻辑电路等。
一类是具有记忆功能 的触发器以及由它组成 的寄存器、计数器和存 储单元等。
图6.2记忆电路
2．指令执行过程举例
数据通路：控制器组成:图6.1 运算器组成:图6.4 中央处理器组成：图6.6
第六章 中央处理器
本章教学内容 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 控制器的组成 微程序控制计算机的基本工作原理 微程序设计技术 硬布线控制的计算机 流水线工作原理 CPU举例 计算机的供电
本章学习目标
从两个方面来认识CPU： CPU的结构组成 CPU如何工作
计算机组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大部件
机器加电和reset： （1）可以利用reset信号将某值(例如全 “0”)置于程序计数器PC中，此即为 开机后执行的第一条指令的地址，也就是固定程序入口地址。 （2）也可以直接在指令寄存器中置入一条无条件转移指令(转移到固定程序入 口)，然后开始执行程序。 执行程序： 固定程序:先对计算机各部件进行测试，然后引导进入操作系统环境， 等候从键盘、鼠标等送入的命令。(一般放在ROM中) 程序执行过程：计算机从程序入口地址开始执行该程序的指令序列， 是不断地取指令、分析指令和执行指令这样一个周而复始的过程。 当前正在执行的指令地址是放在控制器的程序计数器(PC)中的。 停机和停电：（P129） 停机：一般停机时电压任维持正常（晶振停振），寄存器与存储器仍 保持信息不变。重启后从断点处继续执行。 停电：寄存器与存储器内容消失，加电后产生的reset信号使机器从固 定入口重新开始运行。
6.2
微程序控制计算机的基本工作原理
6.2.1 微程序控制的基本概念 1.微操作(微命令)
实现一条指令的功能按一定次序执行一系列基本操作，这 些基本操作称为~。微操作是指不可再分解的操作，进行微操 作需要相应的控制信号(称为微操作控制信号或微操作命令) 例如，前面讲到的加法指令，分成四步(取指令、计算地址、 取数、加法运算)完成，每一步实现若干个微操作。
(1) 一条加法指令的执行过程:
指令格式:
操作码
rs, rd
rs1
imm(或 disp)
rs，rd，rs1为通用寄存器地址；imm(或disp)为立即数 (或位移量)。 加法指令功能：(rs)+[(rs1)+disp]-> rd
取指令 划分机器周期 的原则:总线 不冲突.
计算地址
取数
运算送结果
(时序图)
图6.1控制器基本组成框图 返回指令执行
图6.4运算器框图
返回指令执行
返回指令执行
取指令: PC→AB W／R=0， M ／ IO=1 ； DB→IR；PC+1
返回指令执行
计算地址 rsl→GR， (rsl) →ALU， disp→ALU； “+” ； ALU→AR
返回指令执行
取数: AR →AB W／R=0 M／IO=1 DB →DR 返回指令执行
V， C
返回指令执行
2)条件转移指令的执行过程
指令功能：根据N，Z，V，C的状态，决定 是否转换。如转移条件成立，则转移到本条指 令所指定的地址，否则顺序执行下一条指令。
指令执行步骤： (1)从存储器取指令，送入指令寄存器，并进 行操作码译码。 程序计数器加1，如不转移，即为下一条要执 行的指令地址。 本操作对所有指令都是相同的。
(2)如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式 计算有效地址，转移指令经常采用相对寻址方式，此 时转移地址=PC+disp。此处PC是指本条指令的地址， 而在上一机器周期已执行PC+1操作，因此计算时应取 原PC值，或对运算进行适当修正。最后将转移地址送 PC。 控制信号:
PC →ALU disp→ALU “+ ” ALU→PC
运算送结果:
rs →GR DR → ALU (rs) → ALU
“+” ：rd → GR
ALU →rd 置N，Z，V，C
返回指令执行
取数 : 运算送结果 : 计算地址 rsl GR ，(rs) → 取指令 :AB rs → →→ GR AR
PC→AB ALU
(rsl) → ALU， W ／ R=0 W／ R=0 ， DR → ALU disp → ALU ； M ／ IO=1 ； M ／ IO=1 “+” ： rd → GR “ ； DB+” →IR ； PC+1 ALU → AR ALU → rd 置N，Z， DB → DR
4．脉冲源及启停线路（CLK）
脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时 钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号。在机器刚加 电时，还应产生一个总清信号(reset)。 启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序 信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机。
5．时序控制信号形成部件（CON）
控制存储器容量为4K字， 则每条微指令还需要12位 来表示下址。控制存储器 的容量取决于实现指令系 统所需的微程序长度。
图 6.7 为加法指令的四条微指令编码，每一小 格表示一位 ( 二进制 ) ，空格表示 0 ，第 24 位到第 35位为下址。
图6.7加法指令的微指令编码
假设四条微指令的地址如下：（取指微指令下址XXX为微程序入口地址） 取指微指令：1000Q 计算有效地址微指令：1001Q（加法指令入口地址） 取数微指令：1002Q 计算并存数微指令： 1003Q
(2)计算地址微指令
①取两个源操作数(计算地址用)： rsl→GR(8)，(rsl) →ALU(10)，disp→ALU(4)。 ②加法运算：“+”(13)。 ③有效地址送地址寄存器：ALU→AR(19)。
(3)取数微指令
①数据地址送地址总线：AR→AB(20)。 ②发访存控制命令：ADS(21)，M／IO(22)，W／R(23)。 由存储器将数据送数据总线DB。 ③数据送数据寄存器：DB→DR(6)
断电触发的中断保护
6．1 控制器的组成
6.1.1 控制器的功能
计算机对信息进行处理 ( 或计算 ) 是通过程序的 执行而实现的，程序是完成某个确定算法的指令 序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用:控 制程序的执行，它必须具有以下基本功能： 1．取指令