计算机组成与结构（第5章）-计算机组成原理.ppt

第6章 中央处理部件(CPU) 6.1 计算机的硬件系统 6.2 控制器的组成 6.3 微程序控制计算机的基本工作原理 6.4 微程序设计技术 6.5 硬布线控制的计算机 6.6 控制器的控制方式 6.7 流水线工作原理 6.8 CPU举例 6.9 计算机的 加电及控制过程 本节重难点 1.微程序的微指令编码译码方法. 2.产生后继微指令地址的方法. 3.微指令的格式:水平和垂直型微指令. 4.硬布线控制器的组成,控制信号的产生方法,时序的作用和产生方法. 5.硬布线控制器的设计步骤和方法. 6.硬布线控制器与微程序控制器的比较. 7.控制器的控制方式的含义与种类. 6．4 微程序设计技术 在实际进行微程序设计时，还应关心下面三个问题： (1)如何缩短微指令字长； (2)如何减少微程序长度； (3)如何提高微程序的执行速度。 6．4．1 微指令的编译法(编码译码方法)---控制字段 1．直接控制法 在微指令的控制字段中，每一位代表一个微命令，在设计微指令时，是否发出某个微命令，只要将控制字段中相应位置成“1”或“0”，这样就可打开或关闭某个控制门，这就是直接控制法. 缺点：微指令字长达到难以接受的地步，并要求机器有大容量控制存储器。 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地址。 1．产生后继微指令地址的几种方法 (1)以增量方式产生后继微地址。 在顺序执行微指令时，后继微地址由现行微地址加上一个增量(通常为1)形成的；而在非顺序执行时则要产生一个转移微地址。 6．4．3 微指令格式 微指令的格式大体上可分成两类： 一是水平型微指令：在一条微指令中定义并执行多个并行操作微命令. 二是垂直型微指令：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能控制实现一二种操作。 1．水平型微指令 基本特点是在一条微指令中定义并执行多个并行操作微命令。 在实际应用中，直接控制法、字段编译法(直接、间接编译法)经常应用在同一条水平型微指令中。从速度来看，直接控制法最快，字段编译法要经过译码，所以会增加一些延迟时间。 2. 垂直型微指令 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，称为垂直型微指令。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能控制实现一二种操作。这种微指令格式与指令相似；每条指令有一个操作码；每条微指令有一个微操作码。 下面我们举一个经简化的例子，设微指令字长16位，微操作码3位，有八条微指令如下： 3．水平型微指令与垂直型微指令的比较 (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比较相似，相对来说，比较容易掌握。 6．4．4 微程序控制存储器和动态微程序设计 1．微程序控制存储器 微程序控制存储器一般由只读存储器构成，因为微程序是以解释的方式执行指令，而指令系统一般是固定的，因此可以使用只读存储器。 用RAM作为控制存储器的优点是可以修改微程序，也就是说可以修改指令系统。 可考虑部分控存用ROM构成，实现固定的指令系统；部分控存由RAM构成，用于扩充或修改一些指令。 6．5 硬布线控制的计算机 硬布线控制方式:在图6．3所示控制器基本组成框图中，如果“时序控制信号形成部件” 是通过逻辑电路直接连线而产生的，称为组合逻辑控制方式。 至于控制器的其他组成部分，诸如时钟、启停电路、程序计数器、指令寄存器以及电路配合问题等等，则不因控制方式而异。 6．5．1 时序与节拍 一条指令的实现可分成取指、计算地址、取数及执行等几个步骤。在微程序控制方式中，每一步由一条微指令实现，而硬布线控制方式则由指令的操作码直接控制并产生实现上述各步骤所需的控制信号。一条指令的每一步由一个机器周期实现，如何表示一条指令的四个机器周期呢? 1. 两位计数器的译码输出来表示当前所处的机器周期，如图6．31所示； 2.用四位触发器来分别表示四个周期，当机器处于某一周期时，相应的触发器处于“1”状态，而其余三个触发