计算机组成原理第六章中央处理器

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3．水平型微指令与垂直微指令的比较 （1）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵 活性强，垂直型微指令则差。 （2）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。 （3）由水平型微指令解释指令的微程序，具有微 指令字比较长，但微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微 指令字比较短而微程序长。 （4）水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指 令与指令格式比较相似，相对来说，比较容易掌握。 水平型微指令与机器指令差别很大，一般需要对机器的结 构、数据通路、时序系统以及微命令很精通才能设计。
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6.5 组合逻辑的控制器
6.5.1 组合逻辑控制器的基本结构 如图6-19所示为组合逻辑控制器的结构框图。
操作控制信号 … 指 令 寄 存 器 指 令 译 码 器 S1（状态） 操作控制器 （组合逻辑线路） S2（状态）
…
… 时序产生器 图6－19 组合逻辑控制器结构框图
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第一个CPU周期仍然是取指令阶段 。 第二个CPU周期为执行阶段。
下图给出了JMP指令执行阶段的数据通路:
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5.4 微程序控制器
5.4.1 微程序控制器的基本概念 微程序控制器的基本思想概括起来说有如 下两点： （1）将控制器所需的微命令以代码形式编成微指 令，存入一个用ROM构成的控制存储器（CM）中。 在CPU执行程序时，从控制存储器中取出微指令，其 中包含了微命令控制的有关操作。与组合逻辑控制方 式不同，它由存储逻辑事先存储与提供微命令。这一 思想的关键就是将存储逻辑引入了CPU。
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微程序控制器中要用到的一些基本概念 : （1）微命令：构成控制信号序列的最小单位称为 微命令，又称微信号，通常是指那些直接作用于部件 或控制门电路的命令，例如打开或关闭某传送通路的 电位命令，或是对触发器或寄存器进行同步打入、置 位、复位的控制脉冲。 （2）微操作：由微命令控制实现的最基本的操作 称为微操作，如开门、关门、选择、打入等。机器指 令操作码所表示的往往是一种相对大一些的操作（宏 观一些），如加法运算。它的实现要依靠建立相应的 数据通路，如打开一些门、发出相应的打入脉冲等， 即分割为一些更基本的微操作。
5.3 指令周期
5.3.1指令周期的基本概念 计算机之所以能自动地工作，是因为CPU能从存放程 序的内存里取出一条指令并执行这条指令，并且能够连续地取 指令，执行指令……如此周而复始，构成了一个封闭的循环。 这个循环将一直继续下去，直到遇到停机指令才能停止，如图 6-6所示。
开始
取一条指令
执行该指令
图6－6 取指令－执行指令序列
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1.指令周期 2.机器周期 3.时钟周期（节拍） 一个指令周期由若干个机器周期组成，所有指令 的第一个CPU周期一定是取指周期，每个机器周期又 由若干个时钟周期组成。根据指令动作的复杂程度不 同，有的指令周期包含的CPU周期较多，有的则较少。 它们之间的关系如图6-7所示。
图6-16
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（5）微程序：一系列微指令的有序集合称为微程 序，用来解释执行机器指令。因此，一段微程序对应 一条机器指令。 （6）控制存储器：存放微程序的只读存储器称为 微指令存储器。由于它主要存放控制命令（信号）和 下一条要执行的微指令地址，因此又称控制存储器。 计算机的指令系统是固定的，实现这个指令系统的微 程序也是固定的，所以控制存储器采用只读存储器。
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1．取指令阶段 第一条指令的取指阶段如图6-9所示
CPU 算术逻辑单元 状态条件寄存器 000 006 累加器 操作控制器 时序发生器 指令译码器 程序计数器 000 020 ＋1 CLA 地址寄存器 000 020 CLA 指令寄存器 时钟 状态反馈
地址总线
地址 020 021 022 … 040 …
程序计数器
000 021 CLA 指令寄存器
地址寄存器
000 020
CLA
地址总线
地址 020 021 022 … 040 …
存储器 指令/数据 CLA ADD 40 JMP 21 … 000 006 … 图6－10 执行CLA指令
数据总线
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在此阶段，CPU的动作如下： （1）操作控制器送CLA相应的控制信号给算术逻 辑单元ALU； （2）ALU响应该信号，将累加寄存器AC内容全 部清零，从而执行了CLA指令。
开始 取指令 PC+1 指令译码 第一个CPU周期 取指与译码 第二个CPU周期 执行指令 执行指令 取下一条指令
图6－8 CLA指令的指令周期
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在第一个CPU周期，即取指令阶段，CPU完成三 件事： （1）从内存取出指令； （2）程序计数器PC加1，以便为取下一条指令做 好准备； （3）对指令操作码进行译码或测试，以确定进行 什么操作。 在第二个CPU周期，即执行指令阶段。
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将处理指令的过程进一步细化，就可以形成更多 段的流水线。例如，一条五段指令流水线可由如下5个部件组成： – S1，取指令（IF）：由Cache或主存取指令； – S2，指令译码（ID）：生成指令将要完成的操作； – S3，取操作数（OF）：确定操作数地址，读取存储器 操作数或寄存器操作数； – S4，执行（EX）：对操作数完成指定操作； – S5，写回（WB）：修改目标操作数。
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5.3.3 访存（ADD）指令周期 程序的第二条指令是“ADD 40”指令，这是一条 直接访问内存的指令。执行这条指令需完成三个CPU周期，如 图6-11所示。
开始 取指令 地址译码 PC+1 指令译码 第一个CPU周期 取指与译码 送操作数地址
取出操作数
执行操作
取下一条指令
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（3）微周期：从控制存储器读取一条微指令并执 行相应的一步操作所需的时间称为微周期或微指令周 期。通常一个时钟周期为一个微周期。 （4）微指令：从展开的角度来讲，每个微周期的 操作所需的微命令（全部或大部分）组成一条微指令。 从控制存储器的组织角度讲，每个单元存放一条微指 令。图6-16所示为微指令格式的例子。
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T周期
T1
T2
T3
T4
T1
T2
T3
T4
CPU周期（取指令） 指令周期
CPU周期（执行指令）
图6－7 指令周期示意图
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5.3.2 非访存（CLA）指令周期 程序的第一条指令“CLA”是一条非访存指令，执行非访 存指令需要两个CPU周期，其中取指令阶段一个CPU周期，执行 指令阶段一个CPU周期。其指令周期如图6-8所示。
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5.4.2 微程序控制器的组成 1．程序控制器的组成 微程序控制器的逻辑组成框图如图6-17所示。
微命令系列 IR PSW PC 微地址 形成逻辑 … ID … ID
…
顺 序 控 制 方 式
微 地 址 给 定 部 分
微操作控制字段
顺序控制字段
μ IR
……
μ AR
ROM
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6.5.3 组合逻辑控制器和微程序控制器的比较 组合逻辑控制和微程序控制之间的最显著 差异可归结为两点 : 1．实现 2．性能
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6.6 流水线技术 6.6.1 基本概念 一条指令的执行过程大体上可分为去指令和执行 指令两个阶段。假定Fi和Ei分别表示指令Ii的取指令和 执行指令周期，图6-20（a）显示的是按取指令、执行 指令的顺序执行程序的过程。现在将处理器的指令部 件分成两个独立的硬件单元，一个用来取指令，另一 个用来执行指令，如图6-20（b）所示。取指令单元将 从存储器取回的指令存放在一个临时存储缓冲器B1中 直到该指令被执行完成，执行单元将结果存放在指令 指明的目的地。为简单起见，假定取指令周期和执行 指令周期都在一个时钟周期内完成。图6-20（c）显示 了流水线技术的指令执行过程。
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2．微地址的形成方法 产生后继微指令地址可有以下三种方式: （1）计数器方式 （2）断定方式 （3）增量方式与断定方式结合
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6.4.4 微指令格式 微指令格式大体上可分成两类：一是水平型微指 令；二是垂直型微指令。 1．水平型微指令 水平型微指令的特点是在一条微指令中定义并执 行多个并行微操作命令。在实际应用中，直接表示法 和编码表示法经常应用在同一条水平型微指令中。从 速度来看，直接表示法最快，字段编译法要经过译码， 所以会增加一些延迟时间。
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6.5.2 组合逻辑控制器的设计原理 组合逻辑控制器是根据指令功能要实现的 微操作序列设计的，它的设计过程可归纳为：首先给 定指令系统中每条指令功能实现的流程图，继而细化 它，得到各指令的微操作序列，即各操作控制命令应 该在什么时间执行；然后对各操作控制命令进行逻辑 综合得到逻辑表达式；最后用逻辑门电路或可编程逻 辑阵列实现操作控制信号的逻辑表达式功能。 逻辑综合的含义是，某一控制命令在哪些 指令中被使用？在一条指令中使用了几次？在指令周 期中的什么时间使用？将这些归并在一起就形成该控 制命令的逻辑表达式。
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2．垂直微指令 在微指令中设置有微操作码字段，采用微操作码 编译法，由微操作码规定微指令的功能，成为垂直型 的微指令。其特点是不强调实现微指令的并行控制功 能，通常一条微指令只要求就能控制实现一二种微操 作。 （1）寄存器-寄存器传送型微指令 微指令格式：
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（2）将各种机器指令的操作分解成若干个 微操作序列。每条微指令包含的微命令控制实现一步 操作。若干条微指令组成一小段微程序，解释执行一 条机器指令。针对整个指令系统的需要，编制出一套 完整的微程序，事先存入控制存储器中。这一思想是 利用程序技术去编排指令的解释与执行，也就是将程 序技术引入CPU的构成级。
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6.4.3 微程序控制器的设计技术 1．微指令编码
…… 操作控制字段 顺序控制字段
μ IR
（a）直接表示方法
译码
译码
……
译码
字段1 字段2
……
字段n
顺序控制字段
μ IR
（b）编码表示方法 图6－18 微指令编码图解
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微指令编码方式由多种，在这里主要介绍常用的 三种 : （1）直接表示法。 （2）编码表示法。 （3）混合表示法。
第二个CPU周期 第三个CPU周期 执行指令 图6－11 ADD指令的指令周期
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1．送操作数的地址 第二个CPU周期主要完成送操作数地址，其数据通路如 下图所示。
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2．两操作数相加
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5.3.3 控制指令（JMP）周期 JMP指令的指令周期仅由两个CPU周期组成，如下图所示。
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（2）运算控制型微指令 微指令格式：
（3）移位控制型微指令 微指令格式：
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（4）访问主存微指令 微指令格式：
（5）无条件转移微指令 微指令格式：
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（6）条件转移微指令 微指令格式：
（7）其它 还有110和111两种操作码，可以用来定义输入/输 出微操作或其它难以归类的杂操作，第3-15位可以根 据需要定义各种相应的微命令字段。
……
控制存储器CM 图6－17 微程序控制器的组成框图
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微程序控制器的核心部件 : （1）控制存储器CM （2）微指令寄存器μIR （3）微地址形成电路 （4）微地址寄存器μAR
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2．机器指令的读取与执行 在微程序控制器中，通过读取微程序与执行它所 包含的微命令去解释执行机器指令。
存储器 指令/数据 CLA ADD 40 JMP 21 … 000 006 … 图6－9 取出CLA指令
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2．执行指令阶段 CLA指令的执行阶段如图6-10所示。
CPU
清AC 算术逻辑单元 状态条件寄存器 000 000 累加器
指令执行控制 操作控制器 时序发生器 指令译码器 时钟 状态反馈