现代计算机组成原理 - 华侨大学

4.2 CPU中的基本部件
4.2.9 指令译码器与控制器 2．微程序控制器 （2）相容性微操作和相斥性微操作 微操作在执行部件中是最基本的操作。由于数据通路的关 系，微操作可分为相容性微操作和相斥性微操作两种。所谓相 容性微操作是指在同一个CPU 周期内可以并行执行的一组微 操作，而相斥性微操作是指不能在同一个CPU 周期内并行执 行的一组微操作。 指令是提供给程序员的基本单位，它表明计算机能完成的 一项基本功能，微指令则是为实现指令操作的一系列微命令的 组合。
4.2.9 指令译码器与控制器 2．微程序控制器
微程序控制的概念是英国科学家威尔克斯 （Wilkes）于1951 年提出的，并在剑桥大学用微程序 设计的方法设计出EDSAC-2 计算机。威尔克斯提出 的微程序控制原则是以保存在只读存储器内的专用程 序代替逻辑控制电路。这种只读存储器被称为控制存 储器，它以微程序形式保存控制信号。这种控制器就 称为微程序控制器。其主要优点是能实现灵活可变的 计算机指令系统。
图4-30微程序控制的基本原理图
微指令寄存器（μIR）是用来存放从控制存储器读出的一条 微指令信息的，此信息由下址字段和控制字段构成。下址字段 指出将要执行的下一条微指令的地址，控制字段则保存一条微 指令中的操作控制命令。
图4-30微程序控制的基本原理图
微指令地址形成部件又称微指令地址发生器，用来形成将 要执行的下一条微指令的地址（简称微地址）。一般情况下， 下一条微指令的地址由上一条微指令的下址字段直接决定。但 当微程序出现分支时，将由状态条件的反馈信息来形成转移地 址。当取指令公共操作完成后，可以用操作码来产生执行阶段 的微指令入口地址。
4.2 CPU中的基本部件
4.2.9 指令译码器与控制器 2．微程序控制器 （1）微命令，微操作，微指令和微程序 要使计算机能解决某个问题，程序员要编写相应的程序， 程序是指令的有序集合。计算机在解题过程中要运行程序， 就是通过CPU 执行程序中的各条指令来完成的。同样，CPU 在执行指令的过程中，控制器也要完成每条指令规定的各种 基本命令和基本动作。这些基本命令称为微命令，它是构成 控制信号序列的最小单位。微命令通常是指那些能直接作用 于某部件控制门的命令。例如打开或关闭某部件通路的控制 门的电位，对触发器或寄存器进行同步输入、置位和复位的 控制脉冲。而执行部件接受微命令后进行的操作称为微操作。
4.2 CPU中的基本部件
4.2.8 指令寄存器
lpm_latch0
data[7..0] gate aclr
inst19
图4-28 指令寄存器结构图
q[7..0]
图4-28 指令寄存器结构图
lpm_latch0
data[7..0] gate aclr
inst19
q[7..0]
指令寄存器同样可用LPM 库中的元件lpm_latch 锁存器来完 成。图中各信号的作用为：data[7..0]是指令数据输入端；gate 是 数据锁存控制信号，高电平时数据进入锁存器，低电平时数据 被锁存；aclr 是异步清零信号，当CPU 复位时，可用RST 复位 信号对指令寄存器清零；q[7..0]是指令数据输出端。
第4章
CPU功能模块设计
4.2 CPU中的基本部件
4.2.7 程序计数器与地址寄存器
1．程序计数器
为了保证程序按其指令序列执行下去， 必须对下一条指令进行跟踪，以便取得下一 条指令。程序计数器（PC）的功能就是用来 确定下一条指令在主存中的地址。当CPU 取得当前要执行的指令后，通过修改程序计 数器中的值来确定下一条指令在主存中的存 放地址。
4.2 CPU中的基本部件
4.2.7 程序计数器与地址寄存器
1．程序计数器 程序计数器值的修改分两种情况，一种是顺序执行指令的情况，另一 种是分支转移指令的执行情况。 当CPU 顺序执行指令时，程序计数器值的修改较为简单。即若当前取 得的指令是单字节指令，便将程序计数器的值加1（PC+1→PC）；而若当 前取得的指令是双字节指令，则将程序计数器的值加2。一般而言，如果 当前取得的指令是n 字节，则将程序计数器的值加n。 在执行分支转移指令时，由分支转移指令的寻址方式确定下一条指 令在主存中的地址。若分支转移指令的寻址方式是相对寻址，于是，程序 计数器的值就修改为当前地址加上相对偏移量；若分支转移指令的寻址方 式是绝对寻址，即将转移指令中绝对转移地址送给程序计数器；而当执行 间接寻址方式的分支转移指令时，程序计数器的值从指令指定的寄存器或 主存储单元中提取。
clock
q[7..0]
OUTPUT
q[7..0]
图4-26 程序计数器结构图
lpm_counter1
up counter
d[7..0]
LOAD
CLK
inst
RST
INPUT VCC
程序计数器采用LPM 库中的元件lpm_counter 来完成，计数器 的数据宽度为8 位，其结构如图所示。 图中各信号的作用分别是：CLK 是时钟脉冲输入信号；aclr 是 计数器的异步清零端，当CPU 复位时，可用RST 复位信号对 计数器清零；LOAD 是计数器数据加载端，当发生程序转移时 ，可用它向计数器加载新的转移地址；data[7..0]是计数器的数 据输入端；q[7..0]是计数器的数据输出端。
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4.2.7 程序计数器与地址寄存器
1．程序计数器
lpm_counter1
up counter
d[7..0]
LOAD
CLK
inst
RST
INPUT VCC
图4-26 程序计数器结构图
ac lr
INPUT VCC INPUT VCC INPUT VCC
sload data[7..0]
ac lr
INPUT VCC INPUT VCC INPUT VCC
sload data[7..0]
clock
q[7..0]
百度文库
OUTPUT
q[7..0]
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4.2.7 程序计数器与地址寄存器 地址寄存器（AR）用来保存当前CPU 所要访问的主存 单元或I/O 端口的地址。当CPU 要对存放在主存或外围设备 的信息进行存取时，需要解决的是地址的定位问题。地址定 位是通过CPU 将地址信息传送到地址总线上，再由地址译码 电路实现。在对主存或I/O 端口内的信息存取过程中，地址 信号必须是稳定的。因此地址信息要由一个寄存器来保存， 这个寄存器就是地址寄存器。 地址寄存器采用单纯的寄存器结构。在对主存或I/O 端 口进行访问时，地址寄存器存放当前访问的地址，数据缓冲 器实现数据的缓冲。CPU 通过修改地址寄存器中的值，就可 访问不同的存储器单元及不同的I/O 端口。
地址寄存器可用LPM 库中的元件lpm_latch 锁存器来完成。 地址寄存器的数据宽度应当与程序计数器的数据宽度一致。 data[7..0]是地址寄存器的数据输入端，q[7..0]是地址寄存器的 数据输出端，gate 是地址锁存器的控制端。gate 的作用是当 锁存控制脉冲到来时，高电平时数据进入锁存器，低电平时 锁存数据，保持输出数据稳定不变。
4.2 CPU中的基本部件
4.2.9 指令译码器与控制器
3．微程序控制的基本原理
图4-30微程序控制的基本原理图
图4-30微程序控制的基本原理图 微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和微指令地址形成部件 三部分组成。控制存储器用于存放指令系统所对应的全部微程序。在硬件设 计中，为了不过大影响计算机的工作速度，要求微指令读出时间尽可能短， 包括存储微程序的存储器的读出时间短。为此对器件速度的要求比较高。事 实上，FPGA中的嵌入式阵列块EAB/M4K 是完全满足微指令高速读出要求的 （目前单字节读出速度大于300MHz），因此，完全可以选择LPM_ROM 来 构成微程序只读存储器，而其容量和字长是可随意设置的。更有利的是， LPM_ROM 可设置成在系统（In-System）编辑形式，从而可以在系统编辑和 实时调试微程序，这一优势是传统计算机设计所无法达到的！
decoder_C A B C P[1] P[2] P[3] P[4] AR LDPC
inst5
inst6
在8 位CPU 的设计中，对微指令的译码用了三个译码器， 如图所示，decoder_A、decoder _B 和decoder _C 分别用于 数据加载控制、数据输出允许控制和分支转移控制。
4.2 CPU中的基本部件
decoder_C A B C P[1] P[2] P[3] P[4] AR LDPC
inst5
inst6
图4-29 指令译码器结构图
图4-29 指令译码器结构图
decoder_A A LDRI B LDDR1 C LDDR2 LDIR LOAD LDAR
inst4
decoder_B A B C RS_B RD_B RJ_B 299_B ALU_B PC_B
2．地址寄存器
4.2 CPU中的基本部件
4.2.7 程序计数器与地址寄存器
2．地址寄存器
lpm_latch0
data[7..0] gate
inst15
图4-27 地址寄存器结构图
q[7..0]
图4-27 地址寄存器结构图
lpm_latch0
data[7..0] gate
inst15
q[7..0]
4.2 CPU中的基本部件
4.2.9 指令译码器与控制器 2．微程序控制器
微程序控制的设计思想与组合逻辑的设计思想 相比，具有规整性、灵活性和可维护性等一系列 优点，因而在计算机设计中逐渐取代了早期采用 的组合逻辑设计思想，并得到广泛的应用。在计 算机系统设计中，微程序设计技术是利用软件方 法来设计硬件的一门技术。
4.2 CPU中的基本部件
4.2.9 指令译码器与控制器 2．微程序控制器 （1）微命令，微操作，微指令和微程序 在计算机的一个CPU 周期中，一组实现一定操作功能的 微命令的组合，称为微指令。对应于程序—指令的概念，微 指令的有序集合称为微程序。一般地，一条机器指令的功能 由对应的一段微程序来实现。CPU 运行的程序存放在主存储 器中，而控制器运行的微程序存放在控制器的控制存储器中。 一条指令从取指到执行的时间称为指令周期，一条微指令从 控制存储器读取到相应的一步操作所需的时间称为一个微周 期。
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4.2.9 指令译码器与控制器
1．指令译码器（Instruction Decoder. ID）
decoder_A A LDRI B LDDR1 C LDDR2 LDIR LOAD LDAR
inst4
decoder_B A B C RS_B RD_B RJ_B 299_B ALU_B PC_B
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4.2.9 指令译码器与控制器
1．指令译码器（Instruction Decoder. ID）
指令译码器又称为操作码译码器，它是分析 指令的部件，对现行指令进行分析。译码器的 输出产生相应的操作控制信号，提供给微操作 信号发生器。译码器是典型的多选一译码电 路，即同一时刻与输入信息某一编码相对应的 输出端产生有效的控制电平，其他输出端不起 作用。
ac lr
INPUT VCC INPUT VCC INPUT VCC
sload data[7..0]
clock
q[7..0]
OUTPUT
q[7..0]
图4-26 程序计数器结构图
lpm_counter1
up counter
d[7..0]
LOAD
CLK
inst
RST
INPUT VCC
在图中，程序计数器可以有三种工作状态： （1）当CPU 复位时，复位信号RST 可以使程序计数器清零。 （2）正常情况下，从程序存储器读取一个字节后，程序计数 器在CLK 脉冲信号作用下自动加1。 （3）当发生程序转移时，在LOAD 信号的作用下，从d[7..0] 向程序计数器装载新的计数器初值，进行程序转移。
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4.2.8 指令寄存器 当CPU 从主存取指令时，取得的指令经缓冲寄存器转送 给指令寄存器（IR）。因此，指令寄存器用来保存当前CPU 正在执行的一条指令。 一条指令由地址码和操作码两部分组成。为了执行特定 的指令，必须先确定该指令的操作性质，即先要对指令中的 操作码进行译码。译码的任务由指令译码器完成。因此，指 令寄存器的入口是缓冲寄存器，操作码部分的出口是指令译 码器，地址码部分的出口是程序计数器或地址寄存器。