计算机组成原理第四版第五章
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个中央控制台或控制面板，在控制台或控
制面板上装有一些按钮、控制开关和显
示装置。
Back
5.4 微程序控制器
基本概念：微命令 、微操作 、 微指令、 微程序
原理框图
微程序设计举例 机器指令与微指令的关系
Back
指令寄存器IR
OP
状态条件
… 微地址寄存器
地址译码
地址转 移逻辑
微命令信号
控制存 储器
读出的一条微指令信息。其中微地址寄存 器决定将要访问的下一条微指令的地址， 而微命令寄存器则保存一条微指令的操作 控制字段和判别测试字段的信息。
Back
地址转移逻辑：
在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直 接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址， 这个微地址信息就存放在微地址寄存器中，如果微 程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接 由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味 着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别 测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息， 去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读 下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改 微地址的任务。
节拍脉冲和读写时序译码逻辑
启停控制逻辑
等
控制方式
Back
时钟源：时钟产生具有一定频率 和宽度的脉冲信号，这个脉冲信号 称为主脉冲，是一切时序基准 信号。
Back
环形脉冲发生器：
是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲
序列，以便通过译码电路来产生最后所需 的节拍脉冲。 为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉 冲发生器通常采用循环移位寄存器形式。
BACK
六条典型指令：
MOV R0,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3
NEXT
BACK
5.2.2 MOV指令的指令周期
取指周期 执行周期
BACK
5.2.2 MOV指令的指令周期-取指
BACK
BACK
Βιβλιοθήκη Baidu
Back
控制方式：
控制方式
即控制不同操作序列时序信号的 方法。常用的有同步控制、异步控制、联 合控制三种方式，其实质反映了时序信号 的定时方式。
Back
程序计数器：程序计数器又
称之为指令计数器或指令地 址寄存器，用于存放即将取 出执行的指令地址，当该指 令取出之后，存放下一条指 令的地址。
Back
NEXT
Back
硬布线控制器的结构如图：
硬布线控制器的基本原理：C=f(Im,Mi,Tk,Bj)
Back
2.指令执行流程
图 5. 32 五 条 指 令 执 行 周 期
采用同步工作方式，长指令和短指令对节拍时间的利用都是一样的。
Back
3.微操作控制信号的产生
[例] 图5.29中五条指令的微操作控制信号举例,注意T 脉冲的顺序。 LDAR = M1· T1+M2(LAD+STO)· T2 LDDR = M1· T3+M3(LAD+STO)· T3 LDIR = M1· T4 RD = M1+M3· ADD WE = M3· STO 其中M1、M2、M3是三个节拍电位信号；T1、T2、 T3、T4为时钟周期信号；ADD、STO、JMP是指令 OP字段译码器的输出信号。
第五章 中央处理器
5.1 CPU的功能和组成 5.2 指令周期 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU(自学)
5.3 时序产生器和控制方式
5.4 微程序控制器
5.8 流水CPU
5.9 RISC CPU
5.5 微程序设计技术
5.10 多媒体CPU(自学)
Back
5.1 中央处理器的功能和组成
中央处理器: 是指能够把程序装入内存储器,
Back
控制器的功能和分类
控制器的基本任务:
是完成对指令系统的解释,即 将指令系统的功能翻译成可以 控制硬件逻辑部件完成 数据传送和处理的微命令序列
分类：
组合逻辑控制器和微程 序控制器
BACK
CPU 组成：
CPU中主要寄存器：
Back
5.2 指令周期
指令周期相关概念
举例6条指令构成的程序
11---M 12--- － 13---RD 14---M →RD 15---DR →IR 16---PC →AR
直 接 地 址
Back
写出实现指令的微程序
第一条微指令 000 第二条微指令 010 第三条微指令 010 第四条微指令 010 000 000 000 11111 10 0000
100
组合逻辑控制器基本结构
IR
地址形成部件 程序计数器 时标
指令寄存器
操作码
地址码
控制台
启 停 线 路
时 钟
节 拍 发 生 器
节拍 周期
微操作信号 控制器
状 态 寄 存运算器 器
人工控制
去内存 控制各功能部件 Back
5.3 时序信号产生器和控制方式
微程序控制器中使用的时序信号产生器由： 时钟源 环形脉冲发生器
Back
微操作信号产生器:是由组合
逻辑器件构成的,它将指令部件输入的 译码信号、时序部件输入的时序信号、 程序状态寄存器输入的状态及条件信号 进行综合，产生不同机器指令所需的微操
作控制信号序列，并将这些控制信号连接
到相应的微操作部件，控制微操作的执行。
Back
控制台：为了实现人机通信及人
对机器的控制与维护，每台计算机都有一
优点是简单直观，其输出直接用
于控制。缺点是微指令字较长，
因而使控制存储器容量较大。
Back
编码表示法
编码表示法是把一组相斥性的微命
令信号组成一个小组(即一个字 段) ，然后通过小组(字段）译码 器对每一个微命令信号进行译码 ， 译码输出作为操作控制信号
NEXT
Back
编码表示法微指令结构图
Back
100
100 00000
00
1001
001 001
001 001
100 00000 001 00000
01 00
0000 0000
Back
十进制加法”指令的功能是用BCD码来完成
十进制数的加法运算。在十进制运算时，当相加 二数之和大于时，便产生进位。可是用BCD码完 成十进帛数运算时，当和数大于9时，必须对和 数进行加6修正。这是因为，采用BCD码后，在 二数相加的和数小于等于9时，十进制运算的结 果是正确的；而当二数相加的和数大于9时，结 果不正确，必须加6修正后才能得出正确结果。
RD
0000
PC→AR →ABUS DBUS →DR →IR,PC+1
0000
P1
1010
R1 + R2 →R2
1001
R2 + R3 →R2
Cy≠0 Cy=0
0000
P2
0001
R2 - R3 →R2
0000
Back
进行微指令各字段的设计
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
操作信号，对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。
Back
时间控制：时间控制是指对各种
操作实施时间上的控制，在计算机中， 各种指令的操作信号均受到时间的严格控 制。只有这样，计算机才能有条不紊 地自动工作。
Back
数据加工：所谓数据加工，
主是对数据进行算术运算和逻辑运 算处理。CPU的根本任务是完成数据 的加工处理，而原始信息只有经过 加工处理才能对人们有用。
5.2.7 方框图表示指令周期
BACK
P139 例1双总线结构机器的数据通路图
BACK
BACK
总结：
一条指令包括一个取指令周期和一个及一
个以上的执行周期组成(多周期)。 在每个CPU周期中数据通路是明确的。 数据通路的建立及操作受到操作控制器的 控制，当然决定于是什么指令。
BACK
Back
5.5 微程序设计技术
微命令编码 微地址形成方法 微指令格式
动态微程序设计
Back
•微命令编码
对微指令中的操作控制字段采用的表示方 法通常有以下三种方法： 1.直接表示法
2.编码表示法 3.混合表示法
Back
直接表示法
其特点是操作控制字段中的 每一
位代表一个微命令。这种方法的
微操作码 微地址码
NEXT
Back
•微指令格式
水平型微指令与垂直型微指令的比较：
水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性 强，垂直型微指令则较差； 水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微 指令执行时间长；
由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字 较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反； 水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与 指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。
Back
5.6
硬布线控制器
1.基本思想
2.指令执行流程
3.微操作控制信号的产生
Back
1.基本思想
把控制器看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，
而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设
计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上 对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。 这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形 逻辑网络，故称之为硬布线控制器。
指令寄存器：指令寄存器用于
寄存从内存中取出并准备执行的 指令，其长度等于指令长度。
Back
指令译码器：又称之为指令功能 分
析解释器，是分析指令的部件,它对指 令寄存器中的指令操作码进行分析解 释。它还对地址码进行译码产生为形 成操作数地址所需要的控制信号。
Back
程序状态寄存器：是描述
计算机工作过程中不同时刻
Back
以某一简单模型机为例： 设计一条“十进制加法”指令ADD R2 , R1
微程序设计步骤：
1.画出指令的操作流程图
2.进行微指令各字段的设计
3.写出实现指令的微程序
Back
模型机中简单运算器数据通路图
Cy
X
ALU
Y
+
－ Ｍ
4 6 8
DR
5 7 9
R1
１ ２
R2
３
R3
Back
画出指令的操作流程图
微命令寄存器
… P字段 控制字段
Back
控制存储器:
用来存储实现全部指令系统的所有微 程序,它是一种只读型存储器。一旦微程序
固化，机器运行时则只读不写。其工作过
程是：每读出一条微指令，则执行这条微
指令；接着又读出下一条微指令，又执行
下一条微指令…
Back
微指令寄存器：
微指令寄存器用来存放由控制存储器
并能使计算机来自动完成取出
指令和执行指令的部件。 功能: 1.指令控制 2.操作控制 3.时间控制
4.数据加工
组成: 运算器和控制器
Next
Back
指令控制：指令控 制是指程序的顺序控制。
Back
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，因此CPU
管理并产生由内存取出的每条指令的
举例1
总结
Back
指令周期：CPU每取出一条指令，都要完成一定 的操作，这 一系列操作所需的时间 。即CPU从内存取出一条指令并执行 这条指令的时间总和。 CPU周期：又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较 长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。 时钟周期： 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含 若干个时钟周期。
混合表示法
把直接表示法与字段编码法混 合使用，以便能综合考虑指 令字长、灵活性、执行微程 序速度等方面的要求
Back
•微地址形成方法
1.计数器方式
特点：微指令的顺序控制字 段较短，微地址产生机构简单。但是多路并 行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。 2.多路转移方式 特点：能以较短的顺序控 制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好， 速度较快，但转移地址逻辑需要用组合逻辑 方法设计。
所处状态的代码。存储程序
状态字的寄存器称为程序状
态寄存器。
Back
启停线路：是用来控制主
脉冲信号的启停，保证准确地
开启或关闭时钟脉冲，实现
对整个机器工作的启动和停止。
Back
节拍发生器：又称脉冲分配
器。时钟脉冲通过节拍发生器产生时标 脉冲、节拍电位和周期状态电位。这三个 信号的时间关系是：一个周期状态电位包含多 个节拍电位，其时间最长，一个节拍电位包含多 个工作脉冲，完成一个微操作的最短时间是一个工 作脉冲的时间，它是产生指令微操作序列的时 间标准。
1---ALU→R1 2---ALU →R2 3---ALU →R3 4---R1 →X 5---R1 →Y 6---R2 →X 7---R2 →Y 8---DR →X
9---R3 →Y
17---PC+1 →PC 18---OP测试 19---Cy测试 20--21--22--23---
10---＋
Back
•微指令格式
1.水平型微指令
一次能定义并执行多个并 行操作微命令的微指令。 格式：
控制字段 判别测试字段 下地址字段
分三种：全水平型、字段译码法水平型、
直接和译码相混合的水平型
NEXT Back
•微指令格式
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字 段，采用微操作码编译法，由微操作码规 定微指令的功能 。 格式：
制面板上装有一些按钮、控制开关和显
示装置。
Back
5.4 微程序控制器
基本概念：微命令 、微操作 、 微指令、 微程序
原理框图
微程序设计举例 机器指令与微指令的关系
Back
指令寄存器IR
OP
状态条件
… 微地址寄存器
地址译码
地址转 移逻辑
微命令信号
控制存 储器
读出的一条微指令信息。其中微地址寄存 器决定将要访问的下一条微指令的地址， 而微命令寄存器则保存一条微指令的操作 控制字段和判别测试字段的信息。
Back
地址转移逻辑：
在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直 接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址， 这个微地址信息就存放在微地址寄存器中，如果微 程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接 由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味 着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别 测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息， 去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读 下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改 微地址的任务。
节拍脉冲和读写时序译码逻辑
启停控制逻辑
等
控制方式
Back
时钟源：时钟产生具有一定频率 和宽度的脉冲信号，这个脉冲信号 称为主脉冲，是一切时序基准 信号。
Back
环形脉冲发生器：
是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲
序列，以便通过译码电路来产生最后所需 的节拍脉冲。 为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉 冲发生器通常采用循环移位寄存器形式。
BACK
六条典型指令：
MOV R0,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3
NEXT
BACK
5.2.2 MOV指令的指令周期
取指周期 执行周期
BACK
5.2.2 MOV指令的指令周期-取指
BACK
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Back
控制方式：
控制方式
即控制不同操作序列时序信号的 方法。常用的有同步控制、异步控制、联 合控制三种方式，其实质反映了时序信号 的定时方式。
Back
程序计数器：程序计数器又
称之为指令计数器或指令地 址寄存器，用于存放即将取 出执行的指令地址，当该指 令取出之后，存放下一条指 令的地址。
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NEXT
Back
硬布线控制器的结构如图：
硬布线控制器的基本原理：C=f(Im,Mi,Tk,Bj)
Back
2.指令执行流程
图 5. 32 五 条 指 令 执 行 周 期
采用同步工作方式，长指令和短指令对节拍时间的利用都是一样的。
Back
3.微操作控制信号的产生
[例] 图5.29中五条指令的微操作控制信号举例,注意T 脉冲的顺序。 LDAR = M1· T1+M2(LAD+STO)· T2 LDDR = M1· T3+M3(LAD+STO)· T3 LDIR = M1· T4 RD = M1+M3· ADD WE = M3· STO 其中M1、M2、M3是三个节拍电位信号；T1、T2、 T3、T4为时钟周期信号；ADD、STO、JMP是指令 OP字段译码器的输出信号。
第五章 中央处理器
5.1 CPU的功能和组成 5.2 指令周期 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU(自学)
5.3 时序产生器和控制方式
5.4 微程序控制器
5.8 流水CPU
5.9 RISC CPU
5.5 微程序设计技术
5.10 多媒体CPU(自学)
Back
5.1 中央处理器的功能和组成
中央处理器: 是指能够把程序装入内存储器,
Back
控制器的功能和分类
控制器的基本任务:
是完成对指令系统的解释,即 将指令系统的功能翻译成可以 控制硬件逻辑部件完成 数据传送和处理的微命令序列
分类：
组合逻辑控制器和微程 序控制器
BACK
CPU 组成：
CPU中主要寄存器：
Back
5.2 指令周期
指令周期相关概念
举例6条指令构成的程序
11---M 12--- － 13---RD 14---M →RD 15---DR →IR 16---PC →AR
直 接 地 址
Back
写出实现指令的微程序
第一条微指令 000 第二条微指令 010 第三条微指令 010 第四条微指令 010 000 000 000 11111 10 0000
100
组合逻辑控制器基本结构
IR
地址形成部件 程序计数器 时标
指令寄存器
操作码
地址码
控制台
启 停 线 路
时 钟
节 拍 发 生 器
节拍 周期
微操作信号 控制器
状 态 寄 存运算器 器
人工控制
去内存 控制各功能部件 Back
5.3 时序信号产生器和控制方式
微程序控制器中使用的时序信号产生器由： 时钟源 环形脉冲发生器
Back
微操作信号产生器:是由组合
逻辑器件构成的,它将指令部件输入的 译码信号、时序部件输入的时序信号、 程序状态寄存器输入的状态及条件信号 进行综合，产生不同机器指令所需的微操
作控制信号序列，并将这些控制信号连接
到相应的微操作部件，控制微操作的执行。
Back
控制台：为了实现人机通信及人
对机器的控制与维护，每台计算机都有一
优点是简单直观，其输出直接用
于控制。缺点是微指令字较长，
因而使控制存储器容量较大。
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编码表示法
编码表示法是把一组相斥性的微命
令信号组成一个小组(即一个字 段) ，然后通过小组(字段）译码 器对每一个微命令信号进行译码 ， 译码输出作为操作控制信号
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编码表示法微指令结构图
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100
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00
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001 001
100 00000 001 00000
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0000 0000
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十进制加法”指令的功能是用BCD码来完成
十进制数的加法运算。在十进制运算时，当相加 二数之和大于时，便产生进位。可是用BCD码完 成十进帛数运算时，当和数大于9时，必须对和 数进行加6修正。这是因为，采用BCD码后，在 二数相加的和数小于等于9时，十进制运算的结 果是正确的；而当二数相加的和数大于9时，结 果不正确，必须加6修正后才能得出正确结果。
RD
0000
PC→AR →ABUS DBUS →DR →IR,PC+1
0000
P1
1010
R1 + R2 →R2
1001
R2 + R3 →R2
Cy≠0 Cy=0
0000
P2
0001
R2 - R3 →R2
0000
Back
进行微指令各字段的设计
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
操作信号，对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。
Back
时间控制：时间控制是指对各种
操作实施时间上的控制，在计算机中， 各种指令的操作信号均受到时间的严格控 制。只有这样，计算机才能有条不紊 地自动工作。
Back
数据加工：所谓数据加工，
主是对数据进行算术运算和逻辑运 算处理。CPU的根本任务是完成数据 的加工处理，而原始信息只有经过 加工处理才能对人们有用。
5.2.7 方框图表示指令周期
BACK
P139 例1双总线结构机器的数据通路图
BACK
BACK
总结：
一条指令包括一个取指令周期和一个及一
个以上的执行周期组成(多周期)。 在每个CPU周期中数据通路是明确的。 数据通路的建立及操作受到操作控制器的 控制，当然决定于是什么指令。
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5.5 微程序设计技术
微命令编码 微地址形成方法 微指令格式
动态微程序设计
Back
•微命令编码
对微指令中的操作控制字段采用的表示方 法通常有以下三种方法： 1.直接表示法
2.编码表示法 3.混合表示法
Back
直接表示法
其特点是操作控制字段中的 每一
位代表一个微命令。这种方法的
微操作码 微地址码
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•微指令格式
水平型微指令与垂直型微指令的比较：
水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性 强，垂直型微指令则较差； 水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微 指令执行时间长；
由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字 较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反； 水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与 指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。
Back
5.6
硬布线控制器
1.基本思想
2.指令执行流程
3.微操作控制信号的产生
Back
1.基本思想
把控制器看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，
而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设
计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上 对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。 这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形 逻辑网络，故称之为硬布线控制器。
指令寄存器：指令寄存器用于
寄存从内存中取出并准备执行的 指令，其长度等于指令长度。
Back
指令译码器：又称之为指令功能 分
析解释器，是分析指令的部件,它对指 令寄存器中的指令操作码进行分析解 释。它还对地址码进行译码产生为形 成操作数地址所需要的控制信号。
Back
程序状态寄存器：是描述
计算机工作过程中不同时刻
Back
以某一简单模型机为例： 设计一条“十进制加法”指令ADD R2 , R1
微程序设计步骤：
1.画出指令的操作流程图
2.进行微指令各字段的设计
3.写出实现指令的微程序
Back
模型机中简单运算器数据通路图
Cy
X
ALU
Y
+
－ Ｍ
4 6 8
DR
5 7 9
R1
１ ２
R2
３
R3
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画出指令的操作流程图
微命令寄存器
… P字段 控制字段
Back
控制存储器:
用来存储实现全部指令系统的所有微 程序,它是一种只读型存储器。一旦微程序
固化，机器运行时则只读不写。其工作过
程是：每读出一条微指令，则执行这条微
指令；接着又读出下一条微指令，又执行
下一条微指令…
Back
微指令寄存器：
微指令寄存器用来存放由控制存储器
并能使计算机来自动完成取出
指令和执行指令的部件。 功能: 1.指令控制 2.操作控制 3.时间控制
4.数据加工
组成: 运算器和控制器
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指令控制：指令控 制是指程序的顺序控制。
Back
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，因此CPU
管理并产生由内存取出的每条指令的
举例1
总结
Back
指令周期：CPU每取出一条指令，都要完成一定 的操作，这 一系列操作所需的时间 。即CPU从内存取出一条指令并执行 这条指令的时间总和。 CPU周期：又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较 长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。 时钟周期： 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含 若干个时钟周期。
混合表示法
把直接表示法与字段编码法混 合使用，以便能综合考虑指 令字长、灵活性、执行微程 序速度等方面的要求
Back
•微地址形成方法
1.计数器方式
特点：微指令的顺序控制字 段较短，微地址产生机构简单。但是多路并 行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。 2.多路转移方式 特点：能以较短的顺序控 制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好， 速度较快，但转移地址逻辑需要用组合逻辑 方法设计。
所处状态的代码。存储程序
状态字的寄存器称为程序状
态寄存器。
Back
启停线路：是用来控制主
脉冲信号的启停，保证准确地
开启或关闭时钟脉冲，实现
对整个机器工作的启动和停止。
Back
节拍发生器：又称脉冲分配
器。时钟脉冲通过节拍发生器产生时标 脉冲、节拍电位和周期状态电位。这三个 信号的时间关系是：一个周期状态电位包含多 个节拍电位，其时间最长，一个节拍电位包含多 个工作脉冲，完成一个微操作的最短时间是一个工 作脉冲的时间，它是产生指令微操作序列的时 间标准。
1---ALU→R1 2---ALU →R2 3---ALU →R3 4---R1 →X 5---R1 →Y 6---R2 →X 7---R2 →Y 8---DR →X
9---R3 →Y
17---PC+1 →PC 18---OP测试 19---Cy测试 20--21--22--23---
10---＋
Back
•微指令格式
1.水平型微指令
一次能定义并执行多个并 行操作微命令的微指令。 格式：
控制字段 判别测试字段 下地址字段
分三种：全水平型、字段译码法水平型、
直接和译码相混合的水平型
NEXT Back
•微指令格式
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字 段，采用微操作码编译法，由微操作码规 定微指令的功能 。 格式：