组成原理演示文稿 第五章 CPU part3

12012/5/3计算机学院计算机组成原理第五章中央处理器北京邮电大学计算机学院戴志涛PrincipleofComputerOrganizationCPU第三部分22012/5/3计算机学院本章内容CPU的组成和功能指令周期时序发生器和时序控制方式微程序控制器与微程序设计技术硬布线控制器CPU实例流水技术与流水CPU32012/5/3计算机学院微程序设计技术设计微指令结构应当追求的目标：缩短微指令字长度减小控制存储器的容量提高微程序的执行速度便于对微指令进行修改提高微程序设计的灵活性微指令格式水平型微指令垂直型微指令42012/5/3计算机学院微指令格式水平型微指令在一个CPU周期（微周期）内同时给出多个能并行操作的微命令的微指令一般格式按控制字段的编码方法分类全水平型（不译码法）微指令——直接控制法分段译码法水平型微指令——编码表示法直接和编码混合的水平型微指令——混合控制法操作控制字段判别测试字段下地址字段提供微命令提供下一条微指令的地址62012/5/3计算机学院微命令编码：直接控制法将微指令操作控制字段的每个二进制位定义为一个微命令，直接送往相应的控制点激励一条控制线不编码的微命令编码方式优点：简单直观，无需译码缺点：微指令字较长，控制存储器容量较大1234567891011121314151617181920212223·······················操作控制顺序控制微命令P1P2微地址码微命令微命令微命令微命令72012/5/3计算机学院微命令编码：编码表示法把整个操作控制字段分成若干子字段原则：一组相斥性的微命令信号组成一个子字段每个子字段选择该组中的一个微命令执行通过小组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n位二进位译码后可表示2n－1个微命令字段1字段2……字段mP字段下一微地址操作控制顺序控制译码…微命令译码……微命令译码…P1P2Pnn…82012/5/3计算机学院微命令编码：编码表示法m个子字段最多同时发出m个微命令当m1时，称为分段编码法当m＝1时，称为垂直编码法优点：可以用较少的二进制信息位表示较多的微命令信号缺点：增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢92012/5/3计算机学院微命令编码：混合表示法整个字段的部分子字段采用直接控制法，部分子字段采用编码法把直接表示法与字段编码法混合使用，以便综合考虑微指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求112012/5/3计算机学院微指令格式垂直型微指令操作控制字段改为微操作码字段，由微操作码规定微指令的功能结构类似于机器指令的结构，在一条微指令中只有1～2个微操作命令微命令编码表示法中，只有一个子字段的特例微操作码字段源地址字段目的地址字段下地址字段译码微命令每条微指令的功能简单实现一条机器指令的微程序比水平型微指令编写的微程序长得多用较长的微程序长度换取较短的微指令字长度…122012/5/3计算机学院垂直型微指令举例微指令字长16位，微操作码3位寄存器-寄存器传送型微指令功能：把源寄存器数据送目标寄存器运算控制型微指令功能：选择ALU的左、右两端的输入源，按ALU字段所指定的运算功能进行处理，并将结果送入暂存器中012378121315000源寄存器编址目标寄存器编址其他012378121315001左输入源编址右输入源编址ALU132012/5/3计算机学院垂直型微指令举例访问主存微指令功能：将存储器单元的信息送入寄存器或将寄存器中的数据送往存储器条件转移微指令功能：根据测试对象的状态决定是转移到D所指定的微地址单元，还是顺序执行下一条微指令01237812131415010寄存器编址存储器编址读写其他0123111215011D测试条件162012/5/3计算机学院水平型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垂直型微指令并行操作能力弱水平型微指令执行一条机器指令的时间短垂直型微指令执行一条机器指令的时间长水平型微指令构成的微程序，微指令字较长，但微程序短垂直型微指令构成的微程序，微指令字较短，但微程序长水平型微指令需用节拍脉冲信号控制先后顺序垂直型微指令不一定需要用节拍脉冲信号控制先后顺序172012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制形成微地址的方法计数器方式多路转移方式182012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制：计数器方式顺序执行微指令时：现行微地址加上一个增量产生后继微地址需设置微程序计数器μPC微地址寄存器和微程序计数器可以合二为一操作码地址码译码器控存地址寄存器(µPC)控制存储器控制字段转移条件+1µPC+δ微程序入口192012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制：计数器方式非顺序执行微指令时：由转移微指令直接或间接给出转移微地址操作码地址码译码器控存地址寄存器(µPC)控制存储器控制字段转移条件后继地址微程序入口逻辑控制转移地址202012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制：计数器方式顺序执行的微指令序列必须安排在控制存储器的连续单元中微指令中不必有微地址字段特点微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差222012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制：多路转移方式严格按照微指令中的微地址字段取下一条微指令微程序不产生分支时：后继微地直接由微指令的顺序控制字段给出微程序出现分支时：按顺序控制字段的“判别测试”标志和“状态条件”信息通过运算或判别测试选择若干候选微地址中的一个微地址控制存储器地址译码微地址寄存器地址转移逻辑P字段控制字段…OPIR…状态条件232012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制：多路转移方式n位“状态条件”标志可实现微程序2n路转移特点能以较短的顺序控制字段实现多路并行转移，灵活性好，速度较快转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计242012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制【例2】微地址寄存器有6位（μA5-μA0），当需要修改其内容时，可通过触发器的强置端S将某一位置“1”。(1)执行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)进行16路分支；(2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志C的状态进行2路分支；(3)执行控制台指令微程序时，按IR4、IR5的状态进行4路分支。请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。252012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制解：微程序有三种判别测试，分别用P1，P2，P3标识：逻辑关系：(1)用P1和IR3-IR0修改μA3-μA0；(2)用P2和C修改μA0；(3)用P3和IR5、IR4修改μA5、μA4。时间因素：设CPU周期由四个节拍脉冲T1~T4构成，且在T4节拍脉冲进行修改转移逻辑表达式：μA5=P3·IR5·T4，μA4=P3·IR4·T4μA3=P1·IR3·T4，μA2=P1·IR2·T4μA1=P1·IR1·T4，μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4262012/5/3计算机学院微程序的执行顺序控制转移逻辑表达式：μA5=P3·IR5·T4μA4=P3·IR4·T4μA3=P1·IR3·T4μA2=P1·IR2·T4μA1=P1·IR1·T4μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4实现：μA5～μA1用“与非”门实现，μA0用“与或非”门实现402012/5/3计算机学院硬布线控制器最早出现的计算机控制器的设计方法基本思想把控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路硬布线控制器是由大量逻辑门和触发器电路构成的非常复杂而庞大的逻辑网络以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标412012/5/3计算机学院硬布线控制器的优缺点优点：产生微命令速度快微程序控制器：每条微指令都要从控制存储器中读取一次硬布线控制器：速度取决于电路延迟缺点：设计不规整，设计效率较低控制器核心结构零乱，不便于检查和调试不易修改、扩展指令系统功能422012/5/3计算机学院硬布线控制器结构方框图逻辑网络的输入信号来源：来自指令译码器的输出Im来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号M和节拍脉冲信号T来自执行部件的反馈信息Bj硬布线控制器的基本原理：组合逻辑线路N……微操作控制信号C1Cn指令译码器…I1Im指令寄存器IR结果反馈信息B1Bj…节拍电位/节拍脉冲发生器启动停止时钟复位M1….MiT1…..Tk442012/5/3计算机学院启动DR（OP）→IR指令译码DR（ADR）→ARRDM（DR）→ACDR（ADR）→AR（AC）→DRWEMDR（ADR）→ARRDM（AC）+/∧（DR）→AC（AC）=0DR（ADR）→PC（AC）→ACLDASTAADD/ANDJMPJMPZCOMYNDR（ADR）→PC硬布线控制器实例主存读操作控制信号C3：M1＝1，取指令时被激活M4＝1，三条指令（LDA、ADD、AND）取操作数时被激活C3的逻辑表达式：C3＝M1+M4(LDA+ADD+AND)（PC）→ARRDM（PC）+1→PCM1M2M3M4M5462012/5/3计算机学院硬布线控制器时序控制方式微程序控制器：机器指令周期←→微程序微指令周期←→节拍电位时序电路只需产生节拍脉冲信号硬布线控制器：在一个指令周期中要顺序执行一系列微操作，需要设置若干节拍电位来定时时序发生器应当产生节拍脉冲信号和节拍电位信号472012/5/3计算机学院PC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1译码R1→R0IR→ARR3→ARIR→PCAR→ABUS(D)DBUS→DRDR→R1R2→DBUS开始RD(I)MOVLADSTOJMPADDRD(D)WE(D)R1+R2→R2硬布线控制器的指令周期流程图M1M2M3502012/5/3计算机学院硬布线控制器设计的具体步骤1、画出指令流程图根据数据通路和指令功能进行时序规划把每条指令的执行过程分解成若干个微操作依序完成体现每个微操作的各条指令的流程图2、设计控制操作时序把指令流程图中的各个微操作合理地安排到指令周期中相应的机器周期的相应节拍或脉冲中512012/5/3计算机学院硬布线控制器设计的具体步骤3、进行微操作综合根据所有机器指令流程图和时序关系，找出每一种微操作出现的全部条件与适当的节拍电位和节拍脉冲组合列出每个微操作控制信号产生的布尔代数表达式，并进行简化4、电路实现依据上述逻辑达式，用逻辑门电路或可编程器件实现532012/5/3计算机学院硬布线控制器设计举例设计某模型机的控制器设该机指令系统仅有5条指令，采用硬布线控制器指令功能：MOVRx,Ry传送指令指令功能：Ry→RxADDRx,Ry加法指令指令功能：Rx+Ry→RySTORx,(Ry)存数指令指令功能：Rx→M[Ry]LADRx,disp取数指令指令功能：M[disp]→RxJMPdest跳转指令指令功能：dest→PC542012/5/3计算机学院CPU的基本组成CPU控制器运算器552012/5/3计算机学院1.分析指令，列出所有指令的操作流程PC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1译码Ry→DRDR→RxIR→ARRy→ARIR→PCAR→ABUS(D)DBUS→DRDR→RxRx→DBUS开始RD(I)MOVLADSTOJMPADDRD(D)WE(D)Rx+Ry→DRDR→Ry572.对执行流程进行时序划分(分配周期和脉冲)•M1、M2、M3为节拍电位信号•T1、T2、T3、T4为一个CPU周期中的节拍脉冲信号一般一个微操作分配一个时钟周期，读写内存分配两个时钟周期M1M2M3T1T4T4T4T3T4T4T3T4T3T4T3T4T1T1PC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1译码Ry→DRDR→RxIR→ARRy→ARIR→PCAR→ABUS