计算机组成原理ThePrincipleofCompu.ppt

《计算机组成原理ThePrincipleofCompu.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理ThePrincipleofCompu.ppt（71页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,计算机组成原理The Principle of Computer,主讲 陈付龙,西北工业大学计算机学院（2007年3月）,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,2,第6章 控制系统与CPU,6.1控制器概述6.2控制器的控制方式与时序系统6.3CPU的总体结构6.4模型机的总体结构6.5组合逻辑控制器设计6.6微程序控制器设计6.7流水线处理技术6.8CPU举例,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,3,6.1控制器概述,控制器是计算机的指挥和控制中心指令执行的基本步骤控制器的基本功能控制器的组成控制器的组成方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,4,1.取指令2.分析指令（1）

2、产生操作控制电位（2）形成操作数的有效地址，以进行存/取，或形成转移地址以实现程序转移3.执行指令,指令执行的基本步骤,开始,取指令，PC增量PC,寻址？,计算地址,转移指令？,取操作数,执行指令，保存结果,异常/中断？,转去处理,执行转移转向地址PC,N,N,N,Y,Y,Y,指令执行的一般流程,分析指令,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,5,程序控制原理 1、编程 2、送主存（通过输入设备）3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。4、程序控制由控制器承担，程序执行由运算器和外部设备具体负责，程序存储由存储器完成。

3、,指令执行的基本步骤,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,6,1.控制指令的正确执行（1）指令流出控制：取指令（PC）MAR，Read（MDR）IR（2）分析指令：指令译码器ID分析确定操作性质，判明寻址方式并形成操作数的有效地址EA（3）执行：根据分析的结果和形成的EA产生相应的操作控制信号序列，控制相应部件完成操作（4）指令流向控制：下一条指令地址的形成控制（PC）=本条指令的（PC）+本条指令字长（PC）=转移的目标地址（或子程序入口地址，或中断服务程序入口地址）,控制器的基本功能,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,7,2.控制程序和数据的输入及结果的输出3.异常情况、特殊请求

4、的检测和处理：中断,控制器的基本功能,输入设备,主存储器,辅助存储器,输出设备,运算器,控制器,输入,输出,程序原始数据,运算结果,指令数据线,控制信号线,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,8,6.1.3 控制器的组成,去内存取指令或取数据,对各功能部件产生控制,PSR,地址形成部件,时序部件,指令译码器,PC,微操作信号产生器,.,.,.,.,控制器基本结构,O P 寻址方式 AC,ALU,DB,AB,GR,I/O状态信息,IR,DB,启停电路,控制台,脉冲源,到MAR或ALU,中断控制逻辑,中断源,MAR,增量,MDR,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,9,1.指令部件指令部件

5、应包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器（PSR）和地址形成部件等5个部分。（1）程序计数器PC：指令地址寄存器，用来指出在内存中存放的将要取的指令的单元地址。传送指令地址给MAR。（2）指令寄存器IR：指令寄存器用来存放现行指令的代码。从MDR接收指令。（3）指令译码器ID：操作码译码器，用以产生操作性质的控制电位，并将其送到微操作（一条指令的执行过程可以分解为若干简单的基本操作，称为微操作）控制线路上，在时序部件定时信号作用下，产生具体的控制操作信号。（4）地址形成部件：根据寻址方式的不同，用来形成操作数有效地址的功能部件。,6.1.3 控制器的组成

6、,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,10,（5）程序状态字寄存器(PSR)存放程序状态字PSW，用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。如MCS-51单片机的PSW,CY（PSW.7）进位标志位。AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。FO（PSW.5）由用户定义的标志位。RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）工作寄存器组选择位。OV（PSW.2）溢出标志位。由硬件置位或清零。,6.1.3 控制器的组成,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,11,2.时序控制部件时序控制部件就是用来产生各部件进行微操作所需要的定时控制信号的部件，保证各个微操作的执行顺序。（1）脉冲源：利用晶

7、体振荡器产生一定频率的主时钟脉冲（主频）。（2）启停电路：控制机器工作的启动和停止（3）时序信号发生器：产生机器所需的时序信号，以控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。,6.1.3 控制器的组成,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,12,3.微操作控制信号形成部件（1）微操作是指计算机中最基本的操作（2）微操作控制逻辑，用来产生机器所需的全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作码译码器输出的控制电位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时间顺序产生并发出一系列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操作。4.中断控制逻辑：用来控制中断处理的硬件逻辑。5.控制台：实现人-机通信,6

8、.1.3 控制器的组成,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,13,6.1.4 控制器的组成方式,微操作控制信号形成部件是控制器的核心，其产生信号的方式有三种：(1)常规组合逻辑型(或称随机逻辑法)分立元件时代的产物；方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化为原则，用逻辑门电路实现；速度快。不规整，可靠性低，不易修改和扩充，造价高。(2)存储逻辑型（微程序控制逻辑法）将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑；将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）；一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。(3)组合逻辑和存储逻辑结合型（可编程逻辑阵列(PL

9、A)法）与组合逻辑型本质相同，工艺不同；用大规模集成电路(LSI)来实现。,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,14,6.2控制器的控制方式与时序系统,控制方式时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,15,如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法，称为控制器的控制方式。控制方式通常分为同步控制方式、异步控制方式、同异步联合控制方式三类。1.同步控制方式又称为固定时序控制方式或无应答控制方式。任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先安排好的时序信号的控制。每个周期状态中产生统一数目的节拍电位及时标工作脉冲。以最复杂（微操作序列最长，执行时间最长）指令的实现需要为基准。优

10、点：设计简单，操作控制容易实现。缺点：效率低。,6.2.1 控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,16,2.异步控制方式可变时序控制方式或应答控制方式。执行一条指令需要多少节拍，不作统一的规定，而是根据每条指令的具体情况而定，需要多少，控制器就产生多少时标信号。特点：每一条指令执行完毕后都必须向控制时序部件发回一个回答信号，控制器收到回答信号后，才开始下一条指令的执行。优点：指令的运行效率高；缺点：控制线路比较复杂。异步工作方式一般采用两条定时控制线来实现。我们把这两条线称为“请求”线和“回答”线。当系统中两个部件A和B进行数据交换时，若A发出“请求”信号，则必须有B的“回答”信号

11、进行应答，这次操作才是有效的，否则无效。,6.2.1 控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,17,3.同步，异步联合控制方式同步控制和异步控制相结合的方式即联合控制方式，区别对待不同指令。一般的设计思想是，在功能部件内部采用同步式，而在功能部件之间采用异步式，并且在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制。,6.2.1 控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,18,1.概念时序部件：计算机的机内时钟。它用其产生的周期状态，节拍电位及时标脉冲去对指令周期进行时间划分，刻度和标定。指令周期：在计算机中从指令的读取到指令的执行完成，执行一条指令所需要的时间，称为指令周期。指

12、令周期通常由若干个CPU周期-取指周期、取数周期、执行周期、中断周期等来表示，CPU周期也称为机器周期，在每个机器周期完成一个基本操作。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，通常用存储周期为基础来规定CPU周期。,6.2.2 时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,19,2.三级时序信号周期（1）在一个控制阶段内均持续起作用的信号；（2）通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制；（3）指令周期可分为取指周期、分析周期、执行周期。节拍（1）把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称节拍电位；（2）一般都以能保证ALU进行一次运

13、算微操作作为一拍电位的时间宽度。时标工作脉冲（1）及时改变标志状态；（2）时标脉冲的宽度一般为节拍电位宽度的1/N，只要能保证所有的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可。,6.2.2 时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,20,3.三级时序信号的关系一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样三级控制时序信号定时完成。三级时序的组合关系如图所示。,6.2.2 时序系统,P,W3,W2,W2,W0,M1,M0,周期0,周期1,节拍0,节拍1,节拍2,节拍3,脉冲,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,21,6.3CPU的总体结构,CPU=控制器+运

14、算器6.3.1 寄存器的设置数据通路结果及指令流程分析,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,22,6.3.1 寄存器的设置,1.指令寄存器IR2.程序计数器PC3.程序状态寄存器PSR4.累加寄存器AC及通用寄存器GR：AC暂存操作数据和结果，GR是一组程序可访问的、具有多种功能的寄存器，能提供操作数、保存中间结果、作为地址指针、基址寄存器、变址寄存器、计数器等。如Intel 8086的AX、BX、CX、DX、SP、DS、CS、ES、SS、SI、DI等。5.地址寄存器MAR：存放所要访问的主存单元的地址（来自PC的指令的地址，或来自地址形成部件的操作数的地址）6.数据缓冲寄存器MDR（或M

15、BR）：存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,23,6.3.2 数据通路结构及流程分析,1.单总线结构,控制信号逻辑,ID,IR,CU,IRin,时序部件,R0,R7,R0out,R0in,R7out,R7in,PC,MAR,MDR,Y,ALU,Z,PSR,PCin,PCout,MARin,MDRin,MDRout,Yin,A,B,+1,Zin,Zout,IBUS,DBUS,MEM,I/O,I/O,ABUS,R,W,GR,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,24,6.3.2 数据通路结构及流程分析,【例】在上图中，A和B 为ALU的两个输入端，且

16、ALU可以实现A1、A B等功能，主存以字编址，每条指令 和数据均占一个主存单元。分析指令：ADD（R1），R0的操作流程。其中，源操作数在前。分析：（1）（PC）MAR，READ，PC Y；送指令地址，读主存（2）MEM MDR IR，（Y）+1 Z；取指令到IR，PC+1暂存于Z（3）（Z）PC；PC+1 PC（4）（R1）MAR，READ；送源操作数地址（5）MEM MDR Y；取出源操作数到Y中（6）（Y）+（R0）Z；执行加法运算，结果暂存于Z（7）（Z）R0；加法结果送回目标寄存器,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,25,FIR,6.3.2 数据通路结构及流程分析,2.双总线

17、结构,IR,PC,R0,R1,R2,Y,TEMP,MDR,R3,ALU,ID,控制信号逻辑,时序部件,B,F,B,A,INCDECADDSUB,Gon,FPC,FR0,FR1,FR2,FR3,FMDR,FTEMP,FY,IRB,PCB,R0B,R1B,R2B,R3B,MDRB,TEMPB,MEM,MAR,FMAR,R,W,DBUS,ABUS,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,26,6.3.2 数据通路结构及流程分析,【例】在上图中，F为发送总线，B为 接收总线，它们通过总线连接器G可直接连接，当Gon=1时，G被打开，B的数据可传向F；当Gon=0时，G被关闭，两总线隔离，且ALU可以实

18、现A1、A B等功能，主存以字编址，每条指令 和数据均占一个主存单元。分析指令：ADD（R1），R0的操作流程。其中，源操作数在前。分析：,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,27,6.4模型机的总体结构,模型机的数据通路模型机的指令系统模型机的时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,28,6.4.1 模型机的数据通路,控制信号逻辑,时序部件,ID,CC,CZ,IR,PC,R0,R1,R2,R3,MDR,SP,TEMP,Y,ALU,移位器,判零,CZ,CC,CZ,CPCZ,CC,CPCC,SL,EX,SR,DM,C0,M,S3,S2,S1,S0,A,B,PCB,R0B,R1B,R

19、2B,R3B,MDRB,TEMPB,BUS1,BUS2,CPY,CPTEMP,CPSP,CPMDR,CPR3,CPR2,CPR1,CPR0,CPPC,CPIR,MAR,CPMAR,MEM,R/W,I/O,MREQ,IOREQ,DBUS,ABUS,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,29,6.4.1 模型机的数据通路,ALU功能,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,30,6.4.2 模型机的指令系统,1.指令格式,OP 寻址方式 RS 寻址方式 RD,双操作数指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,源操作数,目的操作数,OP 000 备用 寻址方式 RD,单操作数指令,15

20、12 11 9 8 6 5 3 2 0,目的操作数,OP 位移量D,转移类指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,OP 000 未用 000 未用,返回/停机指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,操作码=4位，共计16条指令,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,31,6.4.2 模型机的指令系统,2.指令系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,32,6.4.2 模型机的指令系统,3.寻址方式（1）寄存器寻址：寻址方式编码000，汇编符号为Rn，n为寄存器编号E=Rn（2）寄存器间接寻址：寻址方式编码001，汇编符Rn或（Rn）E=（Rn）（3）自增型寄存器间

21、接寻址：寻址方式编码010，汇编符号（Rn）+E=（Rn），（Rn）+1Rn（4）自减型寄存器间接寻址：寻址方式编码011，汇编符号-（Rn）（Rn）-1Rn，E=（Rn）（5）变址型寻址：寻址方式编码100，汇编符号X（Rn）E=X+（Rn）,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,33,6.4.2 模型机的时序系统,1.机器周期：六个机器周期，每个周期设一个周期状态触发器（1）取指周期FT：实现取指令、分析指令和（PC）+1PC的操作（2）取源周期ST：用于非寄存器器寻址的双操作数指令中源操作数地址的寻址和取源操作数。（3）取目的周期DT：用于非寄存器器寻址的双操作数指令中目的操作数地址的

22、寻址和取目的操作数。（4）执行周期ET：完成指令规定的操作并保存结果（5）中断周期IT（6）DMA周期DMAT,FT,ST,DT,ET,RESET,TENDP,1FT,1ST,1DT,1ET,一个周期=4个节拍T0、T1、T2、T3,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,34,6.4.2 模型机的时序系统,每个周期内可完成主存的一次读/写操作。每个周期=4个节拍T0、T1、T2、T3。每个节拍内设置一个脉冲，用于寄存器接收代码。,&,T0,&,T1,&,T2,&,T3,RESET,&,P,1,DTXDRepeat,FT,ST,ET双数指令DR,ETRTS,ETJSR,节拍发生器原理图,计算机

23、组成原理,西北工业大学计算机学院,35,6.4.2 模型机的时序系统,P,T3,T2,T1,T0,M,指令周期,三级时序关系,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,36,6.5组合逻辑控制器设计,设计的步骤模型机的设计,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,37,6.5.1 设计的步骤,1.绘制指令操作流程图把指令的执行过程分解成若干功能部件能实现的基本微操作，并以图的形式排列成有先后次序、相互衔接配合的流程（指令操作流程图）2.编排指令操作时间表把指令流程图中的各个微操作具体落实到各个机器周期的相应节拍和脉冲中去，并以微操作控制信号的形式编排一张表（指令操作时间表）3.进行微操作综合对指

24、令操作时间表中的各个微操作信号分别按其条件进行归纳、综合，列出其综合的逻辑表达式，并进行适当的调整、化简，得到比较合理的逻辑表达式4.设计微操作控制信号形成部件用组合逻辑电路实现逻辑表达式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,38,6.5.2 模型机的设计,1.指令操作流程图（1）取指周期的操作流程图,（PC）MAR,READ，（PC）+1 PC,（MDR）IR,JUMP？,SRDR=？,1ST,1 DT,1 ET,Y,N,00或01,10,FT0,FT1,FT2,FT3,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,39,6.5.2 模型机的设计,（2）取源周期的操作流程图,源寻址？,（Rs）

25、,（Rs）+,-（Rs）,Repeat,Xs,（Rs）MAR,(Rs)MAR,(Rs)-1Rs MAR,(Rs)+(Y)MAR,(PC)MAR,READ,READ,(Rs)+1 Rs,READ,READ,READ,(PC)+1PC,(MDR)TEMP,(MDR)TEMP,(MDR)TEMP,(MDR)TEMP,(MDR)Y,DR=1?,清Repeat,置Repeat1ST,1DT,1ET,N,Y,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,40,6.5.2 模型机的设计,（3）取目的周期的操作流程图,目的寻址？,（RD）,（RD）+,-（RD）,Repeat,XD,（RD）MAR,(RD)MAR,

26、(RD)-1RD MAR,(RD)+(Y)MAR,(PC)MAR,READ1ET,READ,(RD)+1 RD1ET,READ1ET,READ,清Repeat1ET,READ,(PC)+1PC,(MDR)Y,置Repeat1DT,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,41,6.5.2 模型机的设计,（4）执行周期的操作流程图传送类指令运算类指令转移类指令停机指令转子/返回指令(略),计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,42,6.6微程序控制器设计,微程序控制器概述微指令的编译方法微程序的顺序控制方式微指令的执行方式微程序设计方法微程序控制器的设计步骤举例:模型机的微程序设计,计算机组成原

27、理,西北工业大学计算机学院,43,微程序控制技术在现今计算机设计中得到广泛的采用，其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。1、微程序控制技术被广泛应用的原因（1）物质基础：ROM（2）灵活性（3）提高了可靠性，可利用性及可维护性(简称RAS技术)，大大优化了硬件控制技术。（4）有利于机器设计时的仿真。也就是说，在M1机器上使用M2机器语言编写程序并运行，从用户角度来看，M1和M2无区别，要能做到这一点，只有机器具有控存CM的微程序设计结构才行。（5）其他（反映在以下几方面的优点）,6.6微程序控制器设计,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,44,2、与组合逻辑控制方法相比，微程序控

28、制方法在诸多方面有着显著的差别（1）从实现方式上微程序控制：规整，增、删、改较容易组合逻辑控制：零乱且复杂，当修改指令或增加指令时非常麻烦，有时甚至没有可能。（2）从性能上来比较在同样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比组合逻辑控制方式的速度低，这是因为执行每条微指令都要从控存中读取一次，影响了速度，而组合逻辑控制方式取决于电路延迟，因而在超高速计算机中，对影响速度的关键部分例如CPU，往往采用组合逻辑控制方法。近年来在一些新型计算机结构中如RISC结构，一般选用组合逻辑方法。（3）诊断能力微程序设计方法：诊断能力强组合逻辑控制：诊断能力弱,6.6微程序控制器设计,计算机组成原理,西北工业大

29、学计算机学院,45,1.基本概念1)控制字(CW):表征微操作控制要求的二进制字，称为控制字。2)微命令微程序控制中，把微操作控制信号称为微命令。微操作是微命令在时序的配合作用下的操作过程。3)微地址和微指令微地址：存放控制字的单元地址。微指令：具有微地址的控制字。4)微程序:一系列微指令的有序集合构成微程序。5)微周期微周期就是从控制存储器中读出一条微指令并执行相应操作所需要的时间。,微程序控制器概述,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,46,微程序控制器概述,2.基本组成（图6-30）1)控制存储器CM:用来存放微程序。2)微指令寄存器IR用来存放从控制存储器中取得的微指令。3)微地址

30、形成部件AG用来产生机器指令的首条微指令地址和后续地址。4)微地址寄存器MAR:接收微地址形成部件送来的微地址。5)译码与驱动电路对微地址寄存器中的微地址进行译码,找到被访问的CM单元并驱动其进行读取操作,存放于IR,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,47,微程序控制器概述,3.微程序执行过程微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制之下，计算机执行机器指令的过程：1)从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作；2)根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序入口；3)逐条取出微指令，完成相关微操作控制；4)执行下一条机器指令。,计算机组成原理,西北工

31、业大学计算机学院,48,微指令的编译方法,一、编译法的选择原则(1)减少微指令的长度；(2)提高微操作的并行性；(3)提高机器的控制性能并降低价格；(4)有利于微程序设计的灵活性。二、编译法 1、直接控制法（不译法）（1）含义：每一个独立的二进制位代表一个微命令。按不译法编码的微指令，又称水平微指令。（2）本质特征：面向数据通路的控制门(或控制点)。（3）优点：A：并行执行，执行速度也比较快；B：微程序所需用的微指令条数少。缺点：A：编制程序难度较大；B：微指令不能充分利用。,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,49,2、最短编译法（1）含义：每一条微指令只定义一个微命令。按最短编译法编码

32、的微指令又称垂直型微指令。（2）本质特征：面向算法来编码的。类似于传统的程 序设计方法。（3）优点：A：编程简单；B：微指令字中各位都得到充分利用。缺点：A：并行控制能力差，执行速度慢；B：微程序长度较长。,微指令的编译方法,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,50,3、字段编译法（1）、字段直接编译法A：把一条微指令分成几段，段与段间按水平法设计，每个段内分别按垂直法进行编码，每一段形成一个微命令，一条微指令可同时有并行的几个微命令。B：微指令字分段的原则：（a）在同一节拍内，需要互相配合起作用的微操作，是并行操作，其微命令可以分在不同的字段内，以便配合进行微操作控制(组合性的操作控制)

33、。这是微命令的相容性。（b）在同一节拍内，不允许同时出现具有“排它”性的微操作，是串行操作，其微命令可分在一个字段内，这是微命令的互斥性。,微指令的编译方法,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,51,（2）、字段间接编译法它是在字段直接编译法基础上用来进一步缩短指令字长，组合零散微命令的一种编译法。若在字段直接编译法中再规定一个字段的某些微命令要由另一个字段中的某些微命令来解释，称为字段间接编译法。这种编译法适用于把那些不同类型的，不常用的，但数量又可观的“零散”的微命令编入少数几个字段之中，以减少微指令字的长度，组合编译更多的微命令。,微指令的编译方法,计算机组成原理,西北工业大学计算机

34、学院,52,微程序的顺序控制方式,1、初始微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后，由机器指令的操作码指出微程序的首地址。这是一种多分支情况，通常有以下几种方式：（1）操作码的位数与位置固定，这时可直接使操作码与微地址码的部分位相对应。例如，若微入口地址=00OC，则控制存储器第零页的一些单元被安排为各个微程序入口（即首地址），再通过无条件微转移指令使这些单元与相应的后续微指令相连接。,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,53,（2）当每类指令的操作码位数与位置固定，而各类指令之间的操作码位数与位置不固定时，可采用分级转移的方法。先按指令类型转移

35、到某条微指令，区分出是哪一大类，然后进一步按机器指令操作码转移，区分出是哪一种具体的机器指令。（3）当操作码的位数与位置都不固定时，通常的方法是采用PLA可编程逻辑阵列实现。,微程序的顺序控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,54,2、后继微地址的形成得到微程序入口以后，就开始执行微程序，后继微地址的形成方法对微程序编制的灵活性影响很大。通常采用两种方法形成后继微地址：（1）增量方式这种方式和机器指令的控制方式类似。PC：(A)顺序：增量。(B)无条件转向：PC。(C)有条件转向：条件码参与，修改PC。（2）在微指令字的格式中，增设下地址字段之后，就可以用微地址寄存器(MAR)取代

36、微程序计数器。下一条微指令地址在多数情况可由现行微指令字的下地址字段NAF直接给出，少数情况由微地址产生器对下地址字段进行修改后产生后继微地址。,微程序的顺序控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,55,综合上述，后继微地址的形成是设计微程序控制的关键问题之一。确定后继微指令地址有以下几种情况：(A)顺序执行时，后继微地址可以由现行微指令字的下地址字段NAF或微程序计数器PC直接确定。(B)无条件转向的后继微地址，可以由现行微指令字的下地址字段确定。(C)有条件转向的后继微地址由现行机器指令操作码，现行微指令执行时产生状态特征或条件码的判别结果决定。,微程序的顺序控制方式,计算机组成

37、原理,西北工业大学计算机学院,56,6.6.5 微程序设计方法,1 水平型微指令与微程序设计,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,57,6.6.5 微程序设计方法,2 垂直型微指令与微程序设计,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,58,3 毫微程序设计（1）毫微程序是用以解释微程序的一种程序，因此组成毫微程序的毫微指令是负责解释微指令的微指令。（2）毫微程序设计的基本思想采用两级微程序设计方法 1）第一级用垂直微指令编制垂直微程序第一级垂直微程序是为实现指令系统和其它处理过程的需要而编制的，它有严格的顺序结构，由它确定后续微指令的地址。垂直微程序存放于微程序存储器中。2）第二级用水平微

38、指令编制水平微程序。第二级水平微程序是由第一级调用的，用以解释垂直微程序并实现相应的数据通路操作。水平微指令具有并行操作控制能力，但不包含后续微指令地址信息。,6.6.5 微程序设计方法,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,59,6.6.6 微程序控制器设计步骤,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,60,6.6.7 举例：模型机的微程序设计,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,61,6.7流水线处理技术,并行处理技术指令的执行方式流水线的分类线性流水线的性能流水线的相关问题,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,62,并行处理技术,标准的冯诺依曼体系结构，采用的是串行处理，即一个

39、时刻只能进行一个操作。并行性的两种含义：同时性：两个以上事件在同一时刻发生。如多机系统中，同一时刻多个进程在运行。并发行：两个以上事件在同一间隔内发生。如并发程序，某一时刻CPU中只有一个进程在运行，而在一个时间段内，多个进程同时运行。并行性的三种形式：时间并行：即使用流水处理部件，时间重叠。空间并行：设置重复资源，同时工作。时间并行空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,63,指令的执行方式,1.顺序方式：指令之间是顺序串行执行的,取指K,分析K,执行K,取指K+1,分析K+1,执行K+1,2.重叠方式：前一条指令的解释执行完成前，就开始后一条指令的

40、解释执行,取指K,分析K,执行K,取指K+1,分析K+1,执行K+1,一次重叠,取指K,分析K,执行K,取指K+1,分析K+1,执行K+1,取指K+2,分析K+2,执行K+2,二次重叠,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,64,指令的执行方式,2.流水方式：把指令的执行过程细分成若干个复杂程度相当、处理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件完成。,取指,译码,取数,执行,写回,流水入口,流水出口,IF,ID,OF,EX,WB,t,t,t,t,t,IFK,IDK,OFK,EXK,WBK,IFK+1,IDK+1,OFK+1,EXK+1,WBK+1,IFK+2,IDK+2,OFK+

41、2,EXK+2,WBK+2,IFK+3,IDK+3,OFK+3,EXK+3,WBK+3,IFK+4,IDK+4,OFK+4,EXK+4,WBK+4,t,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,65,流水线的分类,1.按处理级别分类2.按功能分类3.按工作方式分类4.按流水线结构分类,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,66,线性流水线的性能,1.吞吐率2.加速比3.效率,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,67,1.资源相关：指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。解决方法：指令推迟执行，或是设置重复资源。2.数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指

42、令执行完毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关。解决方法：定向传送技术。3.控制相关：当执行转移指令时，根据转移条件是否发生来控制指令的执行顺序。解决方法：延迟转移法、转移预测法。,6.7.4 流水线的相关问题,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,68,6.8CPU举例,公司的Pentium处理器6.8.2SUN Microsystems公司的SPARC系统主流CPU的新技术,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,69,公司的Pentium处理器,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,70,6.8.2SUN Microsystems公司的SPARC系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,71,主流CPU的新技术,超流水技术：流水线的功能段继续细分VLIW技术：多条能够并行执行的指令合并成一条具有多个操作码的指令超标量技术：重复设置多套流水线MMX技术：MMX指令集，具处理多媒体数据功能HT技术：利用特殊的硬件指令，把处理器内部的多个逻辑内核模拟成多个独立的物理芯片，使单个处理器能享用“线程”级的并行计算技术多核技术：在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。多CPU多计算机,