第十章_控制器的组成

2．微程序控制器的时序系统
与组合逻辑控制器的时序系统相比，微程序控制器的时序系 统要简单得多，在微程序控制方式中，是将一条机器指令转化为 一段有微指令组成的微程序。微指令的读取和执行所用的时间定 义为微程序控制器的基本时序单位，称为“微周期”。也就是说 ，在微程序控制方式中，只有指令微周期，没有CPU周期。 一个指令周期由若干个微周期组成。微周期包括读取微指令 和执行微指令，其中读取微指令所需时间取决于控制存储器（CM ）的读出时间，而执行微指令所需的时间大致与组合逻辑控制器 时序中的节拍周期相同，是以CPU内部寄存器到寄存器之间的数 据传输，或ALU的一次运算所需的时间为基准。由于多数控制存 储器的读出时间较长（与组合电路的延迟相比较），微程序控制
第9章 CPU的结构和功能 －9.3.2 指令执行的基本过程
（1）取指令阶段 取指令阶段对所有指令都是相同的，它是将程序计数器（PC ）的内容作为地址去读内存，将该单元的内容即指令读出送 往指令寄存器（IR）。同时PC的内容自增，指向下一条指令 ，也就是说取指令是一次内存的读操作。 （2）取操作数阶段 取操作数仅针对操作数存放在内存的情况。由于寻址方式的 不同（直接、间接、基址、相对、变址等），取操作数的过 程也大不相同，取操作数是一次或多次内存的读操作，还可 能包括操作数地址的计算（如变址、基址、相对等）。 （3）执行指令阶段 执行指令是根据指令操作码对操作数实施各种算术、逻辑及 移位操作。对于结果地址在内存的，还应包括一次内存的写 操作。对于转移指令或子程序调用及返回等指令，应对PC的 内容进行更新。
【例9-3】设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周 期，每条指令的指令周期平均有2.5个机器周期，试问该机的平 均指令执行速度为多少MIPS？若机器主频不变，但每个机器周 期平均含4个时钟周期，每条指令的指令周期平均有5个机器周 期，则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS？由此可得出什 么结论？
T0
T1
T2
T3
T0
T1
T2
T3
T0
T1
T2
T3
机器周期 （取指令）
机器周期 （取有效地址） 指令周期
机器周期 （执行指令）
采用完全统一的机器周期和节拍执行各种不同的指令 采用不定长机器周期 采用中央控制和局部控制相结合的方式
人才是培养出来的
（ 1）采用完全统一的机器周期和节拍执行各种不同的指令原则图示4 3
T2 T3 T0 T1
T2
2．异步控制方式
• 异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件按自身固有 的速度工作，通过应答方式进行联络，常见的应答信号有 准备好Ready或等待Wait等，异步控制相对于同步要复杂。 指令的执行不可避免地要涉及对内存的操作和对I/O设备的 操作，它们属于计算机系统的其他部件。组成存储芯片和 I/O设备接口的材料可能与CPU不同，信号传输的距离相对 较远，会有传输延迟，必须按异步方式进行协调。 • CPU内部的操作采用同步方式，CPU与内存和I/O设备的操 作采用异步方式，这就带来一个同步方式和异步方式如何 过渡、如何衔接的问题。也就是说，当内存或I/O设备的 Ready信号到达CPU时，不可能恰好为CPU脉冲源的整周 期或节拍的整周期，解决方法也是一种折中方案，即准同 步方式。
3. 联合控制方式
①同步与异步相结合 原则 ②对各种不同指令的微操作实行“大部分统一、小部分区别对待” ①一种情况是：大部分操作序列安排在固定的机器周期内，例如取指令操
作；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 特点 作的结束，例如CPU访问内存时，依靠其送来的“READY”信号作为读/ 写周期的结束 ②另一种情况是：机器周期所包含的时钟周期数固定，但是各条指令周期 的机器周期数不固定 人才是培养出来的
第9章 CPU的结构和功能 －9.3.3 控制器的时序系统
计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是 用时序信号来体现的。一般来说，控制器发出的各种 控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部 件位置）的函数。 时序系统的作用就在于将各种控制信号严格定时 ，使多个控制信号在时间上相互配合完成某一功能。
• 联合控制方式又称为准同步方式，是介于同步异步中 间的一种折中，或者说是异步方式的同步化。在准同 步方式中，CPU并不是在任何时刻立即对来自内存 和I/O接口的应答信号做出反应，而是在一个节拍周 期的结束（下一个节拍周期的开始）。也就是说，当 CPU进行内存的读/写操作或进行I/O设备的数据传输 时，是按同步方式插入一个节拍周期或几个节拍周期 ，直到内存或I/O设备的应答信号到达为止。 • 准同步方式是CPU进行内存的读/写操作和I/O数据传 输操作通常采用的方式，较好地解决了同步与异步的 衔接问题。
①所有指令周期具有相同的机器周期数和时钟周期数 ②以 最长 的 微操作序列 和 最繁 的微操作作为 标准 对简单指令和简单微操作来说，造成时间的浪费 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 机器周期 （取指令） 机器周期 （取有效地址） 指令周期 机器周期 （执行指令）
（1）定长指令周期 （2）定长CPU周期 （3）变长CPU周期、定长节拍周期 （4）折中方式
1.同步控制方式
任何一条指令或指令中的任何一个微操作的执行，都由事先确定且有统一基准
时标的时序信号所控制的方式
在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定
不变的。 CLK
典型
方式 1 方式 2 方式 3
特点
图示
（ 2）采用不定长机器周期
每个机器周期内的节拍数可以不等。将大多数操作安排 原则 在一个较短的机器周期内完成，对某些时间紧张的操作， 则采用延长机器周期的办法来解决。
特点
解决微操作执行时间不统一的问题 节拍 (状态 ) T0 T1
机器周期 机器周期 （取指令） （执行指令） 指令周期 人才是培养出来的
• 根据主频为8MHz ，得时钟周期为1/8 0.125s， 机器周期为0.125×2 0.25s，指令周期为 0.25×2.5 0.625s。 ① 平均指令执行速度为1/0.625 1.6MIPS。 ② 若机器主频不变，机器周期含4个时钟周期，每条 指令平均含5个机器周期，则指令周期为 0.125×4×5 2.5s ，故平均指令执行速度为 1/2.5 0.4MIPS。 ③ 可见机器的速度并不完全取决于主频。
自学
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第9章 CPU的结构和功能 －－9.3.4 控制器的基本控制方
计算机的基本工作原理是由指令实现 控制。指令的操作不仅涉及CPU 内部， 还涉及内存和I/O接口。另外，指令的繁 简程度不同，所需要的执行时间也有很 大差异。 如何根据具体情况实施不同的控制， 就是控制方式所需要解决的问题。根据 是否有统一的时钟，控制方式可分为同 步控制方式、异步控制方式和准同步控 制方式。
（4）程序状态字寄存器（PSW） PSW用来存放两类信息：一类是体现当前指令执行结果的各种状 态信息。例如有无进位（CF位）、有无溢出（OF ）、结果正负 （SF）、结果是否为零（ZF位）、奇偶标志（ PF位）等；另一 类是存放控制信息，例如允许中断（IF 位）、跟踪标志（TF位） 等。有些机器中将PSW称为标志寄存器（Flag Register，FR） 。实际上不同的机器其状况信息的内容和名称并不完全相同。 （5）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，由微操作控制形成部件产生控制整个计算机系 统所需要的各种控制信号（也称微命令或微操作），操作形成方 式有组合逻辑和微程序两种方式，其形成部件的结构也大不相同 。根据微操作的形成方式可将控制器分为组合逻辑控制器（或硬 布线控制器）和微程序控制器两大类。
式
控制方式
ti
微操作1
一条指令的执行过程
微操作2
tj
微操作n
…
ID 1 2 3 4
ti
一个明确的微操作序列
tj
控制方式 同步控制方式 异步控制方式 联合控制方式 人工控制方式
思考：
这些各异的微操作序列应
如何采用时序进行控制呢？ 如何形成控 制不同微操作 序列的时序控 制信号
1．同步控制方式
同步控制方式，就是系统有一个统一的时钟，所 有的控制信号均来自这个统一的时钟信号。前面谈 到的指令周期、CPU周期、节拍周期和节拍脉冲均 来自统一的脉冲源，它们构成了组合逻辑控制器中 的同步控制时序系统。 根据指令周期、CPU周期和节拍周期的长度固定 与否，同步控制方式又可分为以下几种：
【例9-2】能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快？为什么？
• 不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。因为机 器的速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含的时 钟周期数以及指令周期中所含的机器周期数有关。同 样主频的机器，由于机器周期所含时钟周期数不同， 机器的速度也不同。机器周期中所含时钟周期数少的 机器，速度更快。 • 此外，机器的速度还和其他很多因素有关，如主存的 速度、机器是否配有 Cache、总线的数据传输率、硬 盘的速度以及机器是否采用流水技术等。机器速度还 可以用MIPS（每秒执行百万条指令数）和CPI（执行 一条指令所需的时钟周期数）来衡量。
2.异步控制方式
原则
①无基准时标信号 ③采用应答方式 ②无固定的周期节拍和严格的时钟同步
①每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间 ②每条指令的指令周期可由多个不等的机器周期数组成；也可以是当控制 特点 器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发回“回答”信号 再开始新的操作。 ③物理硬件线路实现较复杂
第9章 CPU的结构和功能 －9.3 控制器组织
控制器的功能是，从存储器中取指令， 对指令译码产生控制信号并控制计算机系统 各部件有序地执行，从而实现指令的功能。 为了实现控制器的这些功能，需要配备相应 的器件。