计算机组成原理第四版第五章

并能使计算机来自动完成取出
指令和执行指令的部件。 功能: 1.指令控制 2.操作控制 3.时间控制
4.数据加工
组成: 运算器和控制器
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指令控制：指令控 制是指程序的顺序控制。
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操作控制：
一条指令的功能往往是由若干个 操作信号的组合来实现的，因此CPU
管理并产生由内存取出的每条指令的
11---M 12--- － 13---RD 14---M →RD 15---DR →IR 16---PC →AR
直 接 地 址
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写出实现指令的微程序
第一条微指令 000 第二条微指令 010 第三条微指令 010 第四条微指令 010 000 000 000 11111 10 0000
100
组合逻辑控制器基本结构
IR
地址形成部件 程序计数器 时标
指令寄存器
操作码
地址码
控制台
启 停 线 路
时 钟
节 拍 发 生 器
节拍 周期
微操作信号 控制器
状 态 寄 存运算器 器
人工控制
去内存 控制各功能部件 Back
5.3 时序信号产生器和控制方式
微程序控制器中使用的时序信号产生器由： 时钟源 环形脉冲发生器
操作信号，对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
要求进行动作。
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时间控制：时间控制是指对各种
操作实施时间上的控制，在计算机中， 各种指令的操作信号均受到时间的严格控 制。只有这样，计算机才能有条不紊 地自动工作。
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数据加工：所谓数据加工，
主是对数据进行算术运算和逻辑运 算处理。CPU的根本任务是完成数据 的加工处理，而原始信息只有经过 加工处理才能对人们有用。
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控制器的功能和分类
控制器的基本任务:
是完成对指令系统的解释,即 将指令系统的功能翻译成可以 控制硬件逻辑部件完成 数据传送和处理的微命令序列
分类：
组合逻辑控制器和微程 序控制器
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CPU 组成：
CPU中主要寄存器：
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5.2 指令周期
指令周期相关概念
举例6条指令构成的程序
节拍脉冲和读写时序译码逻辑
启停控制逻辑
等
控制方式
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时钟源：时钟产生具有一定频率 和宽度的脉冲信号，这个脉冲信号 称为主脉冲，是一切时序基准 信号。
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环形脉冲发生器：
是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲
序列，以便通过译码电路来产生最后所需 的节拍脉冲。 为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉 冲发生器通常采用循环移位寄存器形式。
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六条典型指令：

MOV R0,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3
NEXT
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5.2.2 MOV指令的指令周期
取指周期 执行周期
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5.2.2 MOV指令的指令周期-取指
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读出的一条微指令信息。其中微地址寄存 器决定将要访问的下一条微指令的地址， 而微命令寄存器则保存一条微指令的操作 控制字段和判别测试字段的信息。
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地址转移逻辑：
在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直 接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址， 这个微地址信息就存放在微地址寄存器中，如果微 程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接 由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味 着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别 测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息， 去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读 下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改 微地址的任务。
指令寄存器：指令寄存器用于
寄存从内存中取出并准备执行的 指令，其长度等于指令长度。
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指令译码器：又称之为指令功能 分
析解释器，是分析指令的部件,它对指 令寄存器中的指令操作码进行分析解 释。它还对地址码进行译码产生为形 成操作数地址所需要的控制信号。
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程序状态寄存器：是描述
计算机工作过程中不同时刻
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微操作信号产生器:是由组合
逻辑器件构成的,它将指令部件输入的 译码信号、时序部件输入的时序信号、 程序状态寄存器输入的状态及条件信号 进行综合，产生不同机器指令所需的微操
作控制信号序列，并将这些控制信号连接
到相应的微操作部件，控制微操作的执行。
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控制台：为了实现人机通信及人
对机器的控制与维护，每台计算机都有一
微命令寄存器
… P字段 控制字段
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控制存储器:
用来存储实现全部指令系统的所有微 程序,它是一种只读型存储器。一旦微程序
固化，机器运行时则只读不写。其工作过
程是：每读出一条微指令，则执行这条微
指令；接着又读出下一条微指令，又执行
下一条微指令…
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微指令寄存器：
微指令寄存器用来存放由控制存储器
优点是简单直观，其输出直接用
于控制。缺点是微指令字较长，
因而使控制存储器容量较大。
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编码表示法
编码表示法是把一组相斥性的微命
令信号组成一个小组(即一个字 段) ，然后通过小组(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
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编码表示法微指令结构图
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5.5 微程序设计技术
微命令编码 微地址形成方法 微指令格式
动态微程序设计
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•微命令编码
对微指令中的操作控制字段采用的表示方 法通常有以下三种方法： 1.直接表示法
2.编码表示法 3.混合表示法
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直接表示法
其特点是操作控制字段中的 每一
位代表一个微命令。这种方法的
第五章 中央处理器
5.1 CPU的功能和组成 5.2 指令周期 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU(自学)
5.3 时序产生器和控制方式
5.4 微程序控制器
5.8 流水CPU
5.9 RISC CPU
5.5 微程序设计技术
5.10 多媒体CPU(自学)
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5.1 中央处理器的功能和组成
中央处理器: 是指能够把程序装入内存储器,
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以某一简单模型机为例： 设计一条“十进制加法”指令ADD R2 , R1
微程序设计步骤：
1.画出指令的操作流程图
2.进行微指令各字段的设计
3.写出实现指令的微程序
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模型机中简单运算器数据通路图
Cy
X
ALU
Y
+
－ Ｍ
4 6 8
DR
5 7 9
R1
１ ２
R2
３
R3
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画出指令的操作流程图
举例1
总结
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指令周期：CPU每取出一条指令，都要完成一定 的操作，这 一系列操作所需的时间 。即CPU从内存取出一条指令并执行 这条指令的时间总和。 CPU周期：又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较 长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。 时钟周期： 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含 若干个时钟周期。
个中央控制台或控制面板，在控制台或控
制面板上装有一些按钮、控制开关和显
示装置。
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5.4 微程序控制器
基本概念：微命令 、微操作 、 微指令、 微程序
原理框图
微程序设计举例 机器指令与微指令的关系
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指令寄存器IR
OP
状态条件
… 微地址寄存器
地址译码
地址转 移逻辑
微命令信号
控制存 储器
RD
0000
PC→AR →ABUS DBUS →DR →IR,PC+1
0000
P1
1010
R1 + R2 →R2
1001
R2 + R3 →R2
Cy≠0 Cy=0
0000
P2
0001
R2 - R3 →R2
0000
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进行微指令各字段的设计
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
所处状态的代码。存储程序
状态字的寄存器称为程序状
态寄存器。
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启停线路：是用来控制主
脉冲信号的启停，保证准确地
开启或关闭时钟脉冲，实现
对整个机器工作的启动和停止。
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节拍发生器：又称脉冲分配
器。时钟脉冲通过节拍发生器产生时标 脉冲、节拍电位和周期状态电位。这三个 信号的时间关系是：一个周期状态电位包含多 个节拍电位，其时间最长，一个节拍电位包含多 个工作脉冲，完成一个微操作的最短时间是一个工 作脉冲的时间，它是产生指令微操作序列的时 间标准。
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5.6
硬布线控制器
1.基本思想
2.指令执行流程
3.微操作控制信号的产生

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1.基本思想
把控制器看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，
而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设
计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上 对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。 这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形 逻辑网络，故称之为硬布线控制器。
微操作码 微地址码
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•微指令格式