第11章 中央处理器(CPU)课件.ppt

2022年12月20日星期二,1,第5章 中央处理器（CPU）,5.1 CPU的功能和组成5.2 CPU的工作过程5.3 操作控制器5.4 CPU新技术5.5 CPU实例,2022年12月20日星期二,2,计算机的工作过程就是计算机执行程序的过程程序是一个指令序列明确告诉计算机应该执行什么操作在什么地方能够找到用来操作的数据一旦把程序装入主存储器，计算机就可以自动执行取出指令和执行指令的任务专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）做成单片集成电路的CPU通常又称为微处理器（Microprocessor）陶瓷PGA封装的Intel 80486 DX2 CPU,2022年12月20日星期二,3,早期的CPU通常是为大型、特定的应用而定制的这种为特定应用而设计定制CPU的昂贵方法，已经让位于开发可大规模生产的通用处理器这种标准化趋势，大致开始于分立晶体管大型机（Mainframe）和小型机（Minicomputer）的年代随着集成电路（IC）的普及而大大加速集成电路可以把日益复杂的CPU设计制造在很小的空间里CPU的小型化和标准化，大大增加了这些数字器件在现代生活中的应用范围远远超出了专用运算机器这一有限的应用现代微处理器已经随处可见从汽车到手机，甚至儿童玩具。,2022年12月20日星期二,4,5.1 CPU的功能和组成,5.1.1 CPU的基本功能5.1.2 CPU的基本组成5.1.3 CPU中的主要寄存器5.1.4 操作控制器和时序发生器,2022年12月20日星期二,5,作为控制并执行指令的部件，CPU对整个计算机系统的运行是至关重要的不仅要与计算机的其他功能部件进行信息交换还要控制这些功能部件的操作CPU工作过程编写程序，把程序同数据预先保存到主存储器中计算机工作时，按顺序逐条取出指令，分析指令，执行指令自动转到下一条指令计算机一条一条地执行指令，实现预先设计的程序控制，直到程序规定的任务完成为止,2022年12月20日星期二,6,5.1.1 CPU的基本功能,1）程序控制 2）操作控制 3）时间控制 4）数据加工,2022年12月20日星期二,7,1）程序控制,程序控制就是控制指令的执行顺序程序是指令的有序集合指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序规定的顺序执行保证计算机按一定顺序执行程序是CPU的首要任务,2022年12月20日星期二,8,2）操作控制,操作控制就是控制指令进行操作一条指令的功能往往由若干个操作信号的组合来实现CPU管理并产生每条指令的操作信号把各种操作信号送往相应的部件从而控制这些部件按指令的要求进行操作,2022年12月20日星期二,9,3）时间控制,时间控制就是对各种操作实施定时控制各种指令的操作信号和指令的整个执行过程受到严格定时只有这样，计算机才能有条不紊地工作,2022年12月20日星期二,10,4）数据加工,数据加工就是对数据进行算术和逻辑运算完成数据的加工处理，是CPU的根本任务,2022年12月20日星期二,11,5.1.2 CPU的基本组成,传统上，CPU由控制器和运算器这两个主要部件组成新型CPU集成了一些原先置于CPU之外的分立功能部件如浮点处理器、高速缓存（Cache）等大大提高CPU性能指标，也使得CPU的内部组成日益复杂化,2022年12月20日星期二,12,CPU主要组成部分的逻辑结构,CAI演示,2022年12月20日星期二,13,1控制器,控制器是整个计算机系统的指挥中心在控制器的指挥控制下，运算器、存储器和输入/输出设备等部件协同工作，构成一台完整的通用计算机控制器根据程序预定的指令执行顺序，从主存取出一条指令，按照该指令的功能，用硬件产生带有时序标志的一系列微操作控制信号控制计算机内各功能部件的操作协调和指挥整个计算机实现指令的功能,2022年12月20日星期二,14,控制器的组成程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序发生器、操作控制器控制器的主要功能从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方向,2022年12月20日星期二,15,2运算器,运算器是计算机中用于实现数据加工处理功能的部件接受控制器的命令，完成对操作数据的加工处理任务其核心部件是算术逻辑单元ALU相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的所以是执行部件,2022年12月20日星期二,16,运算器的组成算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据寄存器（DR）、程序状态字寄存器（PSW）运算器主要功能执行所有的算术运算执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试,2022年12月20日星期二,17,5.1.3 CPU中的主要寄存器,1. 数据寄存器2. 指令寄存器3. 程序计数器4. 地址寄存器5. 累加寄存器6. 程序状态字寄存器,2022年12月20日星期二,18,在CPU中至少要有六类寄存器指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、数据寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序状态字寄存器（PSW）这些寄存器用来暂存一个计算机字其数目可以根据需要进行扩充,2022年12月20日星期二,19,1. 数据寄存器,数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在数据寄存器中数据寄存器的作用作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器,2022年12月20日星期二,20,2. 指令寄存器,指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在执行的一条指令当执行一条指令时，首先把该指令从主存读取到数据寄存器中然后再传送至指令寄存器指令译码器（Instruction Decoder，ID）对操作码进行测试，识别出所要求的操作对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制电位，并将其送到微操作控制线路上在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号,2022年12月20日星期二,21,3. 程序计数器,程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条指令在主存储器中的地址在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备若为单字长指令，则(PC)+1PC若为双字长指令，则(PC)+2PC，以此类推当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定程序计数器具有寄存信息和计数两种功能,2022年12月20日星期二,22,4. 地址寄存器,地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成为止当CPU和主存进行信息交换时，都要使用地址寄存器和数据寄存器如果把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当CPU和外围设备交换信息时，同样要使用地址寄存器和数据寄存器,2022年12月20日星期二,23,5. 累加寄存器,累加寄存器通常简称累加器（Accumulator，AC），是一个通用寄存器累加器的功能当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果显然，运算器中至少要有一个累加寄存器,2022年12月20日星期二,24,6. 程序状态字寄存器,程序状态字（Program Status Word，PSW）用来表征当前运算的状态及程序的工作方式程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容如运算结果进/借位标志（C）、运算结果溢出标志（O）、运算结果为零标志（Z）、运算结果为负标志（N）、运算结果符号标志（S）等这些标志位通常用1位触发器来保存还用来保存中断和系统工作状态等信息以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器,2022年12月20日星期二,25,5.1.4 操作控制器和时序发生器,1微操作与数据通路2操作控制器3时序发生器,2022年12月20日星期二,26,1微操作与数据通路,微操作（Microoperation）控制器在实现一条指令的功能时，总是把每一条指令分解成时间上先后有序的一系列最基本、最简单、不可再分的操作控制动作这种最基本、最简单、不可再分的操作称为微操作,2022年12月20日星期二,27,数据通路（Data Path）通常把许多寄存器之间传输信息的通路称为数据通路控制信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器在数据通路中，微操作通过自身的控制作用和彼此之间的密切配合，使指令流、数据流等信息流按照预定的路径流动，以实现指令的功能每一条指令的功能决定了它所需要的一系列带时序的微操作信号,2022年12月20日星期二,28,2操作控制器,控制器的基本功能是负责指令的读出、识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令操作控制器是CPU中完成取指令和执行指令全过程的部件其主要功能是根据指令操作码和时序信号的要求，产生各种操作控制信号以便在各寄存器之间正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制,2022年12月20日星期二,29,根据设计方法不同，操作控制器可分为组合逻辑控制器和微程序控制器两种二者的区别在于其中的控制信号形成部件不同，进而反映出不同的设计原理和方法根据使用器件的不同，组合逻辑控制器又可进一步细分为硬连线控制器和门阵列控制器,2022年12月20日星期二,30,3时序发生器,CPU中除了操作控制器外，还必须包括时序发生器由于计算机的高速工作，每一个动作的时间必须非常严格，不能有任何差错时序发生器的作用对操作控制器产生的各种控制信号实施时间上的严格控制产生各功能部件所需要的定时控制信号,2022年12月20日星期二,31,5.2 CPU的工作过程,5.2.1 指令的执行过程5.2.2 指令周期5.2.3 时序发生器5.2.4 控制方式,2022年12月20日星期二,32,CPU的基本工作是执行预先存储的指令序列（即程序）程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程CPU从存放程序的主存储器里取出一条指令译码并执行这条指令保存执行结果紧接着又去取指令，译码，执行指令如此周而复始，反复循环，使得计算机能够自动地工作除非遇到停机指令，否则这个循环将一直进行下去,2022年12月20日星期二,33,5.2.1 指令的执行过程,1取指令阶段2指令译码阶段3执行指令阶段4访存取数阶段5结果写回阶段,2022年12月20日星期二,34,几乎所有的冯诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段取指令指令译码执行指令访存取数结果写回指令的执行过程,2022年12月20日星期二,35,1取指令阶段,取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1PC；若为双字长指令，则(PC)+2PC，依此类推,2022年12月20日星期二,36,2指令译码阶段,取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法,2022年12月20日星期二,37,在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行在传统的设计里，CPU中负责指令译码的部分是无法改变的在众多运用微程序控制技术的新型CPU中，微程序有时是可重写的，可以通过修改成品CPU来改变CPU的译码方式,2022年12月20日星期二,38,3执行指令阶段,在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段完成指令所规定的各种操作具体实现指令的功能,2022年12月20日星期二,39,为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出输入端提供需要相加的数值输出端将含有最后的运算结果,2022年12月20日星期二,40,4访存取数阶段,根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址从主存中读取该操作数用于运算,2022年12月20日星期二,41,5结果写回阶段,作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态标识不同的操作结果，可被用来影响程序的动作,2022年12月20日星期二,42,在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令许多新型CPU可以同时取出、译码和执行多条指令，体现并行处理的特性,2022年12月20日星期二,43,5.2.2 指令周期,1指令周期的基本概念2用指令流程图表示指令周期,2022年12月20日星期二,44,1指令周期的基本概念,1）指令周期2）CPU周期3）时钟周期4）取出和执行任何一条指令所需的最短时间为2个CPU周期,2022年12月20日星期二,45,1）指令周期,指令周期是CPU取出一条指令并执行该指令所需的时间指令周期的长短与指令的复杂程度有关,2022年12月20日星期二,46,2）CPU周期,指令周期常常用若干个CPU周期数来表示由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次主存所花的时间较长通常用从主存读取一条指令的最短时间来规定CPU周期CPU周期也称为机器周期,2022年12月20日星期二,47,3）时钟周期,一个CPU周期包含若干个时钟周期时钟周期是处理操作的最基本时间单位，由机器的主频决定一个CPU周期的时间宽度由若干个时钟周期的总和来决定采用定长CPU周期的指令周期示意图,2022年12月20日星期二,48,4）取出和执行任何一条指令所需的最短时间为2个CPU周期,任何一条指令的指令周期至少需要2个CPU周期，而复杂指令的指令周期则需要更多的CPU周期一条指令的取出阶段需要一个CPU周期时间一条指令的执行阶段需要至少一个CPU周期时间由于指令的复杂度不同，其执行周期所需的CPU周期数也不尽相同,2022年12月20日星期二,49,【例5-1】 现有一个由5条典型指令组成的程序，请分析每一条指令的指令周期。,2022年12月20日星期二,50,【解】 CLA指令CLA指令是一条不访问主存的清零指令，需要2个CPU周期取指令阶段需要1个CPU周期执行指令阶段需要1个CPU周期在第1个CPU周期CPU从主存取出指令对程序计数器PC加1对指令操作码进行译码，以确定执行何种操作在第2个CPU周期CPU完成指令所要求的操作,2022年12月20日星期二,51, ADD 30H指令ADD 30H指令是一条访问主存取数并执行加法的指令，其指令周期由3个CPU周期组成取指令阶段需要1个CPU周期执行指令阶段需要2个CPU周期在第1个CPU周期CPU从主存取出指令译码，以确定执行何种操作在第2个CPU周期CPU将指令的地址码（操作数地址）部分（30H）送往地址寄存器完成地址译码在第3个CPU周期CPU从主存取出操作数执行加法操作,2022年12月20日星期二,52, STA 40H指令STA 40H指令是一条访问主存的存数指令，其指令周期由3个CPU周期组成取指令阶段需要1个CPU周期执行指令阶段需要2个CPU周期在第1个CPU周期CPU从主存取出指令译码，以确定执行何种操作在第2个CPU周期CPU将指令的地址码（操作数地址）部分（40H）送往地址寄存器完成地址译码在第3个CPU周期CPU把累加寄存器的内容写入主存单元（40H）中,2022年12月20日星期二,53, NOP指令NOP指令是一条空操作指令，没有任何功能，相当于CPU空转，但仍需要2个CPU周期取指令阶段需要1个CPU周期执行指令阶段需要1个CPU周期在第1个CPU周期CPU从主存取出指令译码，以确定执行何种操作在第2个CPU周期操作控制器不发出任何控制信号，CPU不做任何操作,2022年12月20日星期二,54, JMP 21H指令JMP 21H指令是一条直接寻址的程序控制（转移）指令，由2个CPU周期组成取指令阶段需要1个CPU周期执行指令阶段需要1个CPU周期在第1个CPU周期CPU从主存取出指令译码，以确定执行何种操作在第2个CPU周期CPU把指令的地址码（转移地址）部分（21H）送到程序计数器PC中，从而改变程序的执行顺序，实现程序的无条件转移,2022年12月20日星期二,55,2用指令流程图表示指令周期,在进行计算机设计时，可以像画程序流程图那样，采用指令流程图来表示一条指令的指令周期在指令流程图中，方框：代表一个操作步骤，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作；菱形框：通常用来表示某种判别或测试，其动作依附于它前面的一个方框；公操作符号“”：表示一条指令已经执行完毕，转入公操作所谓公操作，就是一条指令执行完毕后CPU进行的一些操作，这些操作主要是CPU对外设请求的处理如果外设没有向CPU请求交换数据，那么CPU又转向主存取下一条指令,2022年12月20日星期二,56,【解】指令流程图CAI演示由图可见，所有指令的取指阶段是完全相同的，而且是一个CPU周期但是在指令的执行阶段，由于各条指令的功能不同，所用的CPU周期也是各不相同的CLA、NOP、JMP指令是一个CPU周期ADD、STA指令是两个CPU周期,【例5-2】 对于例5-1中由5条典型指令组成的程序，请用指令流程图表示其指令周期。,2022年12月20日星期二,57,一般的指令流程图有一个公共的流程段和许多并列的分支公共流程段是取指令操作的流程序列由于取指令操作是每条指令共同的操作步骤，而且指令读取步骤都是相同的，所以取指令的操作流程也是相同的由于每条指令在执行指令阶段的操作是互不相同的，所以在取指令阶段之后，流程就根据指令分成许多个分支通常为每种指令都安排一个分支流程,2022年12月20日星期二,58,【例5-3】 图为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器（具有自增功能），M为主存（受R/W信号控制），AR为主存地址寄存器，DR为数据寄存器，ALU由+、-控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制一个门电路。另外，线上标注有控制信号，例如Yi表示Y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作，试画出其指令周期流程图（假设该指令的地址已放入PC中），并列出相应的微操作控制信号序列。,2022年12月20日星期二,59,【解】“ADD R2，R0”指令是一条加法指令，参与运算的两个数放在寄存器R2和R0中根据给定的数据通路图，“ADD R2，R0”指令的指令周期流程图如图所示图的右侧标注了每一个机器周期中用到的微操作控制信号序列,2022年12月20日星期二,60,5.2.3 时序发生器,1时序信号2时序发生器,2022年12月20日星期二,61,1时序信号,在计算机高速运行过程中，计算机内各部件的每一个动作都必须严格遵守时间规定，不能有任何差错,2022年12月20日星期二,62,【例5-4】 用二进制码表示的指令和数据都放在主存里，那么CPU如何识别出它们是数据还是指令呢?【解】 从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在取指令阶段而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在执行指令阶段从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令寄存器如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器,2022年12月20日星期二,63,计算机内各部件的协调动作需要时间标志而时间标志则是用时序信号来体现的计算机各部分工作所需的时序信号，在CPU中统一由时序发生器来产生,2022年12月20日星期二,64,2时序发生器,CPU中时序发生器的功能用逻辑电路来发出时序信号，实现时序控制使计算机可以准确、迅速、有条不紊地工作时序发生器是产生控制指令周期的时序信号的部件当CPU开始取指令并执行指令时，操作控制器利用时序发生器产生的定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，提供计算机各部件工作所需的各种微操作定时控制信号，有条理、有节奏地指挥机器各个部件按规定时间动作,2022年12月20日星期二,65,从操作控制器设计方法而言，组合逻辑控制器的时序电路比较复杂微程序控制器的时序电路相对简单,2022年12月20日星期二,66,5.2.4 控制方式,1. 同步控制方式2. 异步控制方式3. 联合控制方式,2022年12月20日星期二,67,控制器控制一条指令运行的过程是依次执行一个确定的操作序列的过程为了使机器能够正确执行指令，控制器必须能够按照正确的时序产生操作控制信号控制不同操作序列的时序信号的方法，称为控制器的控制方式控制方式通常分为三种：同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式其实质反映了时序信号的定时方式,2022年12月20日星期二,68,1. 同步控制方式,同步控制方式有时又称为固定时序控制方式或无应答控制方式操作序列中每一步操作的执行，都由确定的具有基准时标的时序信号来控制特点是系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号在同步控制方式中，在任何情况下，给定的指令在执行时所需的CPU周期数和时钟周期数都是固定不变的,2022年12月20日星期二,69,根据不同情况，同步控制方式可选以下几种方案采用完全统一的机器周期执行各种不同指令对简单指令和简单操作而言，这将造成时间上的浪费采用不定长机器周期将大多数操作安排在一个较短的机器周期内完成而对于某些费时较多的操作，则采取延长机器周期的办法加以解决中央控制与局部控制相结合将大部分指令安排在固定的机器周期完成（称为中央控制）对于少数复杂指令（如乘、除、浮点运算）采用另外的时序进行定时（称为局部控制）同步控制方式设计简单，操作控制容易实现,2022年12月20日星期二,70,2. 异步控制方式,异步控制方式有时又称为可变时序控制方式或应答控制方式是一种按每条指令、每个操作的实际需要而占用时间的控制方式不同指令所占用的时间完全根据需要来决定在异步控制方式中，每条指令的指令周期既可由数量不等的机器周期数组成，也可由执行部件完成CPU要求的操作后发回控制器的应答信号来决定也就是说，每条指令、每个操作控制信号的时间由其需要占用的时间来决定，需要多少时间就占用多少时间,2022年12月20日星期二,71,用这种方式形成的操作控制序列，没有固定的CPU周期数和严格的时钟周期与之同步，所以称为异步方式在异步控制方式下，指令的运行效率高，但控制线路的硬件实现比较复杂异步控制方式在计算机中得到了广泛的应用例如，CPU对主存的读写、I/O设备与主存的数据交换等一般都采用异步控制方式，以保证执行时的较高速度,2022年12月20日星期二,72,3. 联合控制方式,现代计算机系统中一般采用的控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式，即联合控制方式联合控制方式的设计思想在功能部件内部采用同步控制方式，而在功能部件之间采用异步控制方式在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制方式联合控制方式通常选取以下两种方案：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应答信号作为本次操作的结束机器周期的时钟周期数固定，但是各指令周期的机器周期数不固定,2022年12月20日星期二,73,5.3 操作控制器,5.3.1 组合逻辑控制器5.3.2 微程序控制器5.3.3 组合逻辑控制器与微程序控制器的比较,2022年12月20日星期二,74,根据设计方法不同，操作控制器可分为组合逻辑控制器和微程序控制器两种二者的区别在于其中的控制信号形成部件不同进而反映出不同的设计原理和方法根据使用器件的不同，组合逻辑控制器又可进一步细分为硬连线控制器和门阵列控制器,2022年12月20日星期二,75,5.3.1 组合逻辑控制器,1硬连线控制器2门阵列控制器3组合逻辑控制的特点,2022年12月20日星期二,76,1硬连线控制器,硬连线（Hard-wired）控制器是早期设计计算机控制器的一种方法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此逻辑电路以使用最少门电路和取得最高操作速度为设计目标这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂逻辑网络一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它重新连线，否则要想增加新的控制功能是不可能的,2022年12月20日星期二,77,硬连线控制器组成组合逻辑网络、指令寄存器和指令译码器、时序发生器等组合逻辑网络产生计算机所需的全部操作命令，是控制器的核心,2022年12月20日星期二,78,组合逻辑网络的输入信号有三个来源来自指令译码器的输出I；来自执行部件的反馈信息B；来自时序发生器的时序信号T组合逻辑网络的输出信号就是微操作控制信号C用来对执行部件的操作进行控制因此，组合逻辑网络输出的微操作控制信号C，就是以上输入信号的逻辑函数,2022年12月20日星期二,79,硬连线控制器的设计步骤首先根据各条指令的功能要求，按照给出的数据通路，编写每条指令的操作流程；然后根据全部指令的操作流程，并与适当的时序信号相结合，写出每个微操作控制信号的逻辑表达式，并进行化简；最后按此逻辑表达式，用与门、或门和非门等逻辑门电路及触发器来产生微操作控制信号,2022年12月20日星期二,80,2门阵列控制器,由大量的与门、或门阵列等电路构成的器件，称为门阵列（Gate Array）器件典型代表产品包括：可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）、可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）、通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL）等用门阵列器件设计的操作控制器，称为门阵列控制器其工作原理与硬连线控制器基本相同但门阵列控制器用门阵列器件代替硬连线控制器中的组合逻辑网络,2022年12月20日星期二,81,用门阵列实现微操作信号发生器时，把操作码、时序信号和状态条件作为门阵列的输入按一定的“与”、“或”关系编排后，其输出便是微操作控制信号显然，门阵列控制器也是一种组合逻辑控制器但是与常规的硬连线控制器不同，它是可编程的，并且不需要把一系列门电路和触发器通过硬连线组织起来,2022年12月20日星期二,82,门阵列控制器的设计步骤：首先根据各条指令的功能要求，按照给出的数据通路，编写每条指令的操作流程；然后根据全部指令的操作流程，并与适当的时序信号相结合，写出每个微操作控制信号的逻辑表达式，并进行化简；最后按此逻辑表达式，用门阵列器件来产生微操作控制信号,2022年12月20日星期二,83,3组合逻辑控制的特点,组合逻辑控制方法包括硬连线方法与门阵列方法两种硬连线方法是分立元件时代的产物采用这种方法的一项重要指标是尽量减少所用的逻辑门数目，以降低成本但这样造成控制器结构不规整，各种操作控制信号以明显的随机形式散布在整个计算机中，不便于维修，可靠性低，并且造价高门阵列方法用大规模集成电路来实现上述随机逻辑，从而克服了前者的缺点,2022年12月20日星期二,84,组合逻辑控制的特点组合逻辑控制的设计和调试均非常复杂，且代价很大与微程序控制相比，组合逻辑控制的速度较快，其速度主要取决于逻辑电路的延迟尽管微程序控制技术已经在现代计算机设计中被广泛采用，但是近年来在某些新型的超高速计算机结构中，又重新选用了组合逻辑控制器，或与微程序控制器混合使用,2022年12月20日星期二,85,5.3.2 微程序控制器,1基本思想2基本概念3微程序设计4微程序控制器原理,2022年12月20日星期二,86,微程序控制器是用微程序（Microprogram）实现计算机控制的控制器具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点在计算机设计中被广泛采用,2022年12月20日星期二,87,1基本思想,微程序控制器的基本思想将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑将微操作控制信号按一定规则进行编码，形成微指令，存放到一个只读存储器里；当机器运行时，逐条读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作,2022年12月20日星期二,88,微程序控制技术，其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑存放微程序的存储器称为控制存储器（Control Memory，CM，简称控存）由于微程序是存储在控制存储器之中的，因此，改变控制存储器的内容就可以方便地改变指令特性、增删指令、甚至改变指令系统这给计算机设计者和用户提供了相当大的灵活性,2022年12月20日星期二,89,微程序控制技术是利用软件方法来设计硬件的一项技术能使机器逻辑设计规整，同时提高可靠性、可利用性和可维护性微程序开发在许多方面类似于软件开发软件工程中行之有效的一系列开发手段都可应用于微程序的开发上,2022年12月20日星期二,90,2基本概念,1）微命令2）微指令3）微地址4）微程序,2022年12月20日星期二,91,1）微命令,由微程序控制器通过控制线向执行部件发出的微操作控制信号称为微命令（Microorder）执行部件接受微命令后所进行的操作就是微操作微操作是计算机中最基本的操作,2022年12月20日星期二,92,2）微指令,在一个CPU周期中，实现一定操作功能的一组微命令的集合构成一条微指令（Microinstruction）微指令存放在控制存储器中,2022年12月20日星期二,93,3）微地址,微地址（Microaddress）就是微指令在控制存储器中的地址,2022年12月20日星期二,94,4）微程序,一条机器指令的功能用若干条微指令组成的序列微程序（Microprogram）来实现微程序是由微指令组成、用以实现指令功能的程序,2022年12月20日星期二,95,由此可见，微命令按照一定的要求组合成微指令微指令按照指令功能的要求组合成微程序一条机器指令的功能是用一段微程序来实现的机器指令执行的过程就是微程序执行的过程微程序的总和便可实现整个指令系统的功能,2022年12月20日星期二,96,微程序控制器将原来的组合逻辑变成了存储逻辑，并且可用类似程序设计的方法来设计控制逻辑将有关微操作控制信号写成微指令若干微指令组成一个微程序所有微程序都存放在控制存储器中读出一条微指令就产生一组微操作控制信号,2022年12月20日星期二,97,3微程序设计,1）微指令基本格式2）微指令操作控制3）微指令顺序控制4）微程序设计技术,2022年12月20日星期二,98,微程序设计的关键是微指令结构的设计设计微指令结构时主要考虑以下几个问题：微指令字的长度、控制存储器的容量、微程序的长度、微程序的执行速度、微指令修改与微程序设计的灵活性,2022年12月20日星期二,99,1）微指令基本格式,微指令包括操作控制字段和顺序控制字段操作控制字段用于产生微命令，发出指挥计算机工作的微操作控制信号；顺序控制字段用来确定下一条微指令的地址，保证微程序连续正确地运行,2022年12月20日星期二,100,2）微指令操作控制,微指令执行的操作控制问题，实际上是如何表示微命令的问题通常有三种微命令表示方法：直接表示法编码表示法混合表示法,2022年12月20日星期二,101,直接表示法,将微指令的操作控制字段中的每一个二进制位定义为一个微命令该位为1时表示有该微命令优点简单直观，速度快，输出直接用于控制缺点微命令太多，造成微指令字过长，控制存储器容量过大,2022年12月20日星期二,102,编码表示法,在微指令的操作控制字段中，对一组组相斥性的微命令信号进行分段编码，组合成若干个编码字段，然后通过字段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优点可以用较少的二进制位表示较多的微命令信号，使微指令字大大缩短缺点由于增加了译码电路，微程序的执行速度稍有减慢目前在微程序控制器设计中，编码表示法使用较为普遍,2022年12月20日星期二,103,混合表示法,把直接表示法与编码表示法混合使用，综合考虑微指令字长、灵活性和微程序执行速度等方面的要求,2022年12月20日星期二,104,3）微指令顺序控制,微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何产生下一条微指令地址的问题通常，产生后继微指令地址有两种方法： 计数器方式直接方式,2022年12月20日星期二,105,计数器方式,这种方法同用程序计数器PC来产生机器指令地址的方法相类似设置微程序计数器，每执行完一条微指令，微程序计数器就对当前的微指令地址加上一个增量，以形成下一条微指令地址为此，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,2022年12月20日星期二,106,在有转移情况出现时，则需设置转移微指令，使当前微指令执行后，转去执行指定地址的下一条微指令基本特点微指令的顺序控制字段较短但速度较慢，灵活性较差,2022年12月20日星期二,107,直接方式,在微指令的顺序控制字段中设置一个后继（顺序）地址字段，用来直接给出下一条微指令的地址基本特点无需设置转移微指令但增加了微指令字的长度,2022年12月20日星期二,108,4）微程序设计技术,微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分静态微程序设计动态微程序设计,2022年12月20日星期二,109,静态微程序设计,对应于一台机器的指令系统，只存在一组微程序，而且这一组微程序在设计好之后，一般无需改变也不能改变,2022年12月20日星期二,110,动态微程序设计,当采用可擦写存储器件（如EPROM）作为控制存储器时，可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统采用动态微程序设计时，微指令和微程序可以根据需要加以改变因而可在一台机器上实现不同类型的指令系统，以扩大机器的应用范围例如，在不改变硬件系统结构的前提下，用两套微程序分别实现两个不同系列计算机的指令系统，可使得这两种计算机的软件彼此兼容；也可以通过在原来的指令系统的基础上增加一些新指令来提高整个系统执行的效率,2022年12月20日星期二,111,4微程序控制器原理,1）微程序控制器的组成原理2）微程序控制器的工作过程,2022年12月20日星期二,112,1）微程序控制器的组成原理,微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成控制存储器由只读存储器构成，用于存放微程序微指令寄存器用来存放从控制存储器中取得的