第六章中央处理器(微程序控制器)
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。
计算机组成原理(第二版) 第6章 中央处理器
2019年5月11日
第8页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (4/5)
五、CPU的组成 （1）指令部件
程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器 （PSW）和地址形成部件等。 （2）时序部件
时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般 由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。
计计算算机机组组成成原原理理(第(第二二版版) )
清清华华大大学学出出版版社社
第6章 中央处理器
教学目标 教学重点 教学过程
2019年5月11日
第1页
计算机组成原理(第二版)
教学目标
清华大学出版社
掌握中央处理器的基本工作原理 掌握程序控制基本思想
2019年5月11日
第2页
计算机组成原理(第二版)
2019年5月11日
第23页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
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。） ②0X，1，ADD，Zin，WMFC （（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。） ③MDRout，IRin，Zout，PCin （接收指令到IR，开始译码，并且PC内容已递增。）
清华大学出版社
6.1.2 操作控制器与时序产生器
第06章 中央处理器
2. 微指令和微地址
一个微指令周期中，一组实现一定操作 功能的微命令的组合，构成一条微指令。 一条微指令由操作控制字段和顺序控制字 段组成。操作控制字段用来发出管理和指 挥计算机工作的控制信号。
25
微指令和微地址
顺序控制字段又称为下址字段，它用来 控制产生下一条微指令的地址。微地址即 微指令的地址，是指存放微指令的存储器 单元的地址。
10
控制器的基本组成
5．时序控制信号形成部件 又称为微操作控制信号形成部件。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。
11
控制器基本组成的框图
12
6.1.3 控制器的时序系统
1．指令周期和机器周期 完成一条指令所有操作所需要的时间，称为 指令周期。 指令周期通常用若干机器周期表示。为了便 于对执行时间各不相同的指令进行控制，一般根 据指令的操作性质和控制功能，将各指令分成一 些基本操作，每一条指令由若干个不同的基本操 作组成，对每一个基本操作规定一个基本时间称 为机器周期或CPU周期。
46
6.3.4 微程序流的控制
程序流的控制的目的
当前微指令执行完毕后，怎样控制产生 后继微指令的微地址。包括指令操作码译 码器产生后继微地址和每条微指令执行完 毕后如何形成后继微地址，其中由指令操 作码译码器产生后继微地址就是指令所对 应的微程序在控存中的入口地址。
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1．微程序入口地址的形成
每条机器指令对应一段微程序，当执行 公用的取指微程序从主存中取出机器指令 之后，由指令的操作码字段得到相应微程 序的入口地址。
17
硬布线控制器的特点
硬布线控制器的最大优点是速度快，但 是微操作控制信号发生器的结构不规整， 使得设计、调试、维修较困难。 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。
6：中央处理器
6.4.2 微程序流的控制 当前正在执行的微指令，称为现行微指令，现 行微指令所在的控制存储器单元的地址称为现行微 地址，现行微指令执行完毕后，下一条要执行的微 指令称为后继微指令，后继微指令所在的控存单元 地址称为后继微地址。所谓微程序流的控制是指当 前微指令执行完毕后，怎样控制产生后继微指令的 微地址。 产生后继微指令地址的两种方法： 由指令操作码译码器产生后继微地址。 由微指令的下址字段指出后继微地址。
这每一个微指令的若干个操作步骤都在控制数据通 路
CPU中有许多控制关节点
序号 1 2 3 4 5 6
控制信号 PC→AB ALU→PC PC+1 imm(disp)→ALU DB→IR DB→DR
功能 指令地址送地址总线 转移地址送PC 程序计数器加1 立即数或位移量送ALU 取指到指令寄存器
6.3.1 微程序控制的基本概念 • 微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出 的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，所以 微指令就是把同时发出的控制信号的有关信息汇集 起来而形成的。将一条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。组 成微指令的微操作，又称微命令。
• 微程序：计算机的程序由指令序列构成，而计算机 每条指令的功能均由微指令序列解释完成，这些微 指令序列的集合就叫做微程序。 • 控制存储器：微程序是存放在存储器中的，由于该 存储器主要存放控制命令(信号)与下一条执行的微 指令地址(简称为下址)，所以被叫做控制存储器。 一般计算机指令系统是固定的，所以实现指令系统 的微程序也是固定的，于是控制存储器可以用只读 存储器实现。 执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制 存储器中的微程序。
序号 13 14 15 16 17 18
微程序控制器
微程序控制器简介微程序控制器（Microprogram Controller）是一种用于控制计算机硬件执行指令的微处理器，用来实现指令的解码和执行。
在计算机的内部结构中，微程序控制器位于中央处理器（CPU）内部，起到指挥和控制其他部件工作的功能。
工作原理微程序控制器通过一系列微操作指令来控制计算机硬件执行指令，这些微操作指令是由微指令（Microinstruction）组成的。
每条微指令对应着一条机器指令的执行过程，包括指令的分析、解码、操作数寻址和执行等过程。
微程序控制器内部包含一个存储器单元，称为微存储器（Microstore）。
微存储器中存储了一组微程序，每条微程序对应一条机器指令的执行过程。
当计算机执行某条机器指令时，微程序控制器会从微存储器中读取相应的微程序，并按照微程序中的微指令逐步控制各个硬件部件执行指令。
特点与优势微程序控制器具有以下特点和优势：1.模块化设计：微程序控制器是一个独立的硬件模块，可以灵活地与其他硬件部件组合在一起。
这种模块化设计使得微程序控制器可以根据计算机的需求进行定制和扩展。
2.简化指令执行过程：微程序控制器将复杂的机器指令执行过程分解为一系列微操作指令，这些微操作指令更加细化和简化，使得指令的解码和执行更加高效和可靠。
3.易于调试和修改：微程序控制器的微程序可以通过软件进行编写、调试和修改。
当需要新增或修改指令时，只需要修改微程序，而无需对硬件进行改动。
这种灵活性和可修改性极大地方便了软件开发和系统维护。
4.提高指令执行效率：微程序控制器可以根据指令的特点和执行需求进行优化。
通过使用高效的微指令和微操作指令，可以加速指令的执行速度，提高计算机系统的性能。
应用领域微程序控制器广泛应用于各种计算机系统中，尤其适用于复杂指令集计算机（CISC）架构。
它在操作系统、编译器、数据库、图形处理等领域都有重要的应用。
在操作系统中，微程序控制器负责实现指令的解码和执行，协调各个硬件部件的工作，保证操作系统的正常运行。
第6章 中央处理器
(2 )【 例 题 答 案 】
lo a d 指 令 的 操 作 流 程 图 如 图 所 示 。
PC→ AB A D S ， M /IO = 1 ， W /R = 0 D B → IR ， P C ＋ 1 取 指 周 期 cy1
mod =00
rs 1 → G R (rs 1 )→ A L U (A )
• 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。 • ⑦ 微操作形成部件: 根据IR的内容(指令)、 PSW的内容(状态信息)以及时序线路三 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。
6.2 指令的执行 • 1.指令执行的周期 • (1)取指周期 • 取指周期要解决两个问题：一是CPU到 哪个存储单元去取指令；二是如何形成 后继指令地址。 • 指令地址由PC给出，取出指令后PC内容 递增；当出现转移情况时，指令地址在 执行周期被修改。
• (2)取操作数周期 • 取操作数周期要解决的问题是，计算操作数地 址并取出操作数。 • 操作数有效地址的形成由寻址方式确定。寻址 方式不同，有效地址获得的方式、过程不同， 提供操作数的途径也不同。因此，取操作数周 期所进行的操作对不同的寻址方式是不相同的。 • (3)执行周期 • 执行周期的主要任务是完成由指令操作码规 定的动作，包括传送结果及记录状态信息。操 作结果送到什么地方由寻址方式确定；状态信 息，主要是条件码，记录在PSW中。若程序出 现转移时，则在执行周期内还要决定转移地址。 因此，执行周期的操作对不同指令也不相同。
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。
第6章 中央处理器
二、组
成
传统的CPU由运算器和控制器两大部分 组成。但是随着高密度集成电路技术的 发展，早期放在CPU芯片外的一些逻辑 功能部件，如浮点运算器、cache等纷纷 移入CPU内部，因而使CPU的内部组成 越来越复杂。这样，CPU的基本部分变 成了运算器、cache和控制器三大部分。
1.控制器 1.控制器
6.2.6 用方框图表示指令周期
进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指 令周期。一个方框图代表一个CPU周期，方框中的内容表示数 据通路的操作或某种控制操作。除了方框图外，还需要一个菱 形符号，它通常用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附 于紧接它的前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU 周期。 由方框图可以看出，所有指令的取指令阶段都是相同的，而且 是一个CPU周期。但是指令的执行阶段，由于各条指令的功能 CPU 不同，所用的CPU周期是各不相同的，其中CLA，NOP，JMP 指令是一个CPU周期；ADD、STA指令是两个CPU周期。框图 中DBUS代表数据总线，ABUS代表地址总线，RD代表内存读 命令，WE代表内存写命令。 “∼”称为公操作符号，表示一条指令执行完毕，转入公操作。 所谓公操作，就是一条指令执行完毕后，CPU所开始进行的一 些操作，这些操作主要是CPU对外设请求的处理，如中断处理、 通道处理等。
(b)不 定 长 CPU周 期 组 成 的 指 令 周 期
五条典型指令组成的一个程序
八进制地址 040 041 042 043 044 …… 055 …… 060 061 …… 074 八进制内容 250 000 030 060 021 061 000 000 140 074 …… …… …… 000 006 存和数单元 指令助记符 CLA ADD 060 STA 061 NOP JMP 074 …… …… ……
第6章中央处理器(终)
第6章 中央处理器
本章学习内容
• 6.1中央处理器的功能和组成 • 6.2 控制器的组成和实现方法 • 6.3 时序系统与控制方式 • 6.4 微程序控制原理 • 6.5 控制单元的设计 • 6.6 流水线技术 • 6.7 精简指令系统计算机RISC
4
第6章 中央处理器
本章学习要求
• 理解：CPU的功能和主要寄存器
内频=外频×倍频
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第6章 中央处理器
4.前端总线频率
前端总线通常用FSB表示，它是CPU和外界 交换数据的最主要通道，主要连接主存、显卡等 数据吞吐率高的部件，因此前端总线的数据传输 能力对计算机整体性能作用很大。
在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外频 是相同的，因此往往直接称前端总线频率为外频。 随着计算机技术的发展，需要前端总线频率高于 外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技术 或者其他类似的技术，使得前端总线频率成为外 频的2倍、4倍甚至更高。
CPU 的 字 长 是 指 在 单 位 时 间 内 同 时 处理的二进制数据的位数。CPU按照其处 理信息的字长可以分为：8位CPU、16位 CPU、32位CPU以及64位CPU等。
16
第6章 中央处理器
2.内部工作频率
内部工作频率又称为内频或主频，它是衡
量CPU速度的重要参数。在其他性能指标相同 时，CPU的主频越高，CPU的速度也就越快。 内部时钟频率的倒数是时钟周期，这是CPU中
pro、Pentium Ⅱ/Ⅲ每个时钟周期可以执行3条
或更多的指令。
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第6章 中央处理器
3.外部工作频率
外部工作频率，也叫前端总线频率或系统 总线时钟频率，它是由主板为CPU提供的基准 时钟频率。由于正常情况下，CPU总线频率和 主存总线频率相同，所以也是CPU与主存交换 数据的频率。
第6章(725)
第6章 中央处理器(CPU)
32
(10) PUSH R0 这条指令实现将寄存器R0中的数据压入到堆栈中。与该
指令相应的执行周期的微操作序列为:
第6章 中央处理器(CPU)
33
(11) POP R0 这条指令实现将堆栈栈顶的数据弹出至寄存器R0中。与
该指令相应的执行周期的微操作序列为:
第6章 中央处理器(CPU)
转地址)。
(4) 重复过程(1)~(3)，直到将程序中的所有指令执行完毕 为止。
第6章 中央处理器(CPU)
4
从另一个角度看，指令流和数据流是在主存与CPU内部 寄存器组之间流动的(见图6.1)， 所以对这些指令流和数据流
的有效管理也是CPU的基本功能。
第6章 中央处理器(CPU)
5
图 6.1
处理器与主存之间的通信
第6章 中央处理器(CPU)
9
图 6.3
指令周期及CPU操作
第6章 中央处理器(CPU)
10
6.1.3 微操作 1. 微操作与微命令
在指令周期内的CPU行为实际是由一系列微操作(μop)定
义的，这些微操作是将CPU行为或功能分解后的CPU最基本 的操作，分属于不同的指令子周期(CPU周期)。图6.4示出 了一个程序执行的分解过程，它描述了指令周期、CPU周期、 微操作之间的关系。
第6章 中央处理器(CPU)
27
(5) SUB R0，(X) 这条指令实现寄存器R0中的被减数减去存储器地址X间 接寻址的存储单元中的减数、将差值传送至寄存器R0中的功 能。与该指令相应的执行周期的微操作序列为:
第6章 中央处理器(CPU)
28
(6) IN R0，P 这条指令实现从I/O地址为P的I/O设备(接口)中输入数据
第6章中央处理器
第6章中央处理器6.1 基本内容摘要1、中央处理器的功能与组成◆中央处理器的组成◆中央处理器的功能◆控制器的组成2、硬连线控制器◆硬连线控制器概述◆硬连线控制器的结构◆硬连线控制器的步骤3、微程序控制器◆微程序控制器概述◆微程序控制器的基本结构◆微程序设计技术4、中断与异常处理◆中断与异常的定义◆中断处理过程◆中断优先级◆中断的嵌套5、中央处理器中流水线技术的基本概念◆并行性的概念◆指令的3中解释方式◆流水线技术的特点◆流水线中的相关性◆流水线的性能指标◆流水线实例简介6. 2 知识点一、中央处理器1、CPU的组成传统的CPU组成：控制器、运算器两部分现代CPU内集成了越来越多的功能部件：MMU：存储管理部件FPU：浮点处理器Cache：高速缓冲存储器MMX：多媒体扩展部件等2、CPU的功能：（1）指令控制，程序的顺序控制。
主要是由程序计数器PC（顺序寻址）和控制类指令的执行实现的。
（2）操作控制控制指令的操作步骤。
由控制器产生完成这些操作步骤所需要的操作控制信号。
（3）时间控制对操作控制信号的定时，对各种操作实施时间上的控制。
主要是由时序信号发生器等实现。
（4）数据处理对数据实现算逻运算等的处理。
（5）中断处理和异常处理：中断处理指CPU具有处理外部设备等中断源的服务请求的能力。
异常处理指CPU具有处理指令执行过程产生非正常情况（如运算溢出）的能力。
3、运算器的组成（1）算术逻辑部件ALU运算器的重要部件，用来执行各种数据运算操作。
（2）累加器AC (或ACC)一个通用寄存器，ALU在执行算术或逻辑操作时，暂时存放ALU运算结果信息的寄存器。
（3）标志寄存器FR一个由各种状态条件标志组合而成的寄存器，又称为程序状态字PSW或状态寄存器SR ；（4）数据寄存器DR又称数据缓冲寄存器，用来存放从主存读出的一条指令或从/向主存或外设接口读/写的一个数据字。
（5）地址寄存器AR用来存放CPU正要访问的主存单元或外设地地址信息，直至读/写操作完成。
第6章 中央处理器
第6章 中央处理器
23
六、JMP的指令周期
一个CPU周期 一个CPU周期 一个CPU周期
开 始 取指令 PC+1
取下条指 令，PC+1
对指令 译码
送转移 地址
取指周期
执行周期 图6-9 JMP的指令周期
第6章 中央处理器
24
• 取指阶段操作与前几条指令相同
• 执行阶段CPU将IR中地址码部分(21)送往 PC，替换原先的值25，这样下一条指令从 内存单元21读出
–指挥并控制各部件之间的数据流动方向。
• 运算器的主要由ALU、Acc、DR和PSWR组成：
–执行所有的算术运算； –执行所有的逻
ALU
CU
PSWR
AC
ID
+1
PC DR AR
主 存 I/O
第6章 中央处理器
图6-1 CPU的模型
„
IR
10
CPU
四、操作控制器与时序产生器
第6章 中央处理器
21
五、NOP(空指令)的指令周期
一个CPU周期 一个CPU周期 一个CPU周期
开 始 取指令 PC+1
取下条指 令，PC+1
对指令 译码
空操作
取指周期
执行周期 图6-8 NOP的指令周期
第6章 中央处理器
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• 取指阶段同CLA、ADD、STA指令 • 执行阶段根据指令译码结果为空操作，不 做任何操作，控制器不发出任何控制信号
– 存储程序思想
• 负责完成取指令、执行指令工作的部件就是 CPU
第6章 中央处理器
3
• CPU的四个基本功能：
–指令控制：控制指令执行的顺序
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。
第6章中央处理器2
微操作命令序列
…
I/O状态信息 控制台信息
运行状态
微操作 信号发生器
…
… 状态寄存器 节拍发生器 译码器
中断控制逻辑
时钟
操作码
程序计数器PC
地址形成部件 地址码
指令 结束
中断 请求
启停 脉冲 逻辑 源
指令寄存器 IR
11
+1
送MAR 或ALU
6.2.2 控制器的硬件实现方法
控制器的核心是微操作信号发生器（控制单元CU）。微操作控
它们的根本区别在于控制单元的实现方法不同，而控制 器中的其他部分基本上是大同小异的。
14
1.组合逻辑控制器
组合逻辑控制器，又称硬布线方案控制器，是用组合逻辑的门电路实现
控制信号。
微命令序列
送M
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
…...
PC
+1
译 码
地址形成 送M或ALU
PSW
时序
θ寻 D
分频器
时钟脉冲
工作脉冲
产生电位型 微命令,控制 操作时间段
时钟周期(节拍)
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
送M
译 码
θ寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
来自M
控制器工作过程——控制指令的执行
1.取指令 PC 地址
PC+1
M 指令 PC
IR 、译码(θ 、寻址方式)
微操作控制信号
…
（时序信号） CU
各部件状态反馈信号
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
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R1out IRout DRout DREout R1in IRin DRin DREin Write +1
SUB P2
R0out R2out Zout PCout R0in R2in
Xin
ARin PCin Read ADD P1
下址字段
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 P1 P2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
控制寄存器使能端将总线数据锁存 （时钟驱动）
DREin X
Xin
DRout
A ALU B
+1 ADD SUB
+1、ADD、SUB Write、Read
运算控制信号 内存读写控制信号（时钟驱动）
Z Zout
：数据流
操作控制信号 …
操作控制器
ID
时序部件
IRin
IR
IRout
R0in
R0
R0out
R1in
第六章 6.10 微程序控制器
3 单总线结构CPU
主要部件都连接在总线上 各部件间通过总线进行传输
Write Read MEM
PCin PCout
DREout
总线
PC
AR
ARin
DRin
DR
控制信号
作用说明
IRout、PCout、…R1out IRin、PCin、…R1in
控制三态门将寄存器值输出到总线
操作控制字段
顺序控制字段
第六章 6.10 微程序控制器
5 程序、微程序、指令、微指令对应关系
控制器存储器
取指微程序
0
Rs
lw
Rs
sw
Rs
beq Rs
J
主存
Rt
Rd
Rt
Rt Rt
立即数
0
立即数 立即数 立即数
fu3n2ct
微命令
LW微程序 微指令
下址字段 判断字段
第六章 6.10 微程序控制器
5 微程序控制器组成原理框图(下址字段)
一条指令对应多条微指令
反馈信号 B1 Bj
I1
指令 译码
FSM 状态机
组合逻辑 次态
Im ID
时钟 CLK
现态 状态寄存器
次态
C1
硬布线 控制器 组合逻辑
Cn 现态
状态等同与存储器地址
机器指令字 控制器信号序列
第六章 6.10 微程序控制器
2 微程序控制器工作原理 微程序是利用软件方法来设计硬件的技术 将完成指令所需的控制信号按格式编写成微指令，存放到控制存储器 一条机器指令对应一段微程序（多条微指令） 指令取指执行 微程序的执行 执行多条微指令 依次生成控制信号 存储技术和程序设计相结合，回避复杂的同步时序逻辑设计
计算机组成原理
第六章 中央处理器 6.10 微程序控制器
第六章 6.10 微程序控制器
微操作控制信号序列
1 微程序控制器基本思想
硬布线：同步逻辑、繁，快，贵，难改
一条指令多个时钟周期
指
一个时钟周期一个状态
令 寄
存
一个状态对应一组并发信号
器
IR
微程序：存储逻辑、简、慢、廉，易改
将并发信号事先存储为微指令
R1
R1out
R2in
R2
R2out
：控制流
第六章 6.10 微程序控制器
4 单总线CPU微指令构造 操作控制字段： 存储操作控制信号
每一位对应一个控制信号，也称微命令，可同时给出多个操作信号
顺序控制字段： 用于控制微程序的执行顺序
判别逻辑为零，下一条微指令地址从下址字段获取，否则按约定规则生成
第六章 6.10 微程序控制器原理
谢谢!
微指令字
第六章 6.10 微程序控制器原理
6 微程序优势与劣势 速度慢 访存频繁、成本低廉 设计规整，设计简单，易于修改、扩展指令系统功能 适合CISC等功能较复杂的系列机 X86、IBM S/360、 DEC VAX 可写控存方便修复出厂故障 Intel Core 2 、Intel Xeon 硬布线控制器执行速度快，但设计复杂，代价昂贵，不便于修改 适合RISC计算机，如MIPS，ARM
状态条件
指令寄存器
IR
指令 操作码
地址转移 组合逻辑
初始化：μAR=0
微程序 入口地址
1
下址
MUX
时钟脉冲CLK
微地址
微地址
μAR
微地址寄存器
0号地址为取指微程序入口 顺序执行取指微程序
下址字段 判别字段
最后一条微指令判别字段非零，地址跳转
微操作控制字段
操作控制信号
控