中央处理器白中英.ppt
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《中央处理器白中英.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中央处理器白中英.ppt(96页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、5.4 5.4 微程序控制器微程序控制器 5.4.1微程序控制原理微程序控制原理5.4.2微程序微程序设计设计技技术术 发展发展 微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的MVWilkesMVWilkes教授于教授于19511951年在曼彻斯特大学计算机会议年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的,当时还没有合适的存放微程序的控制上首先提出来的,当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的元件。存储器的元件。到到19641964年,年,IBMIBM公司在公司在IBM 360IBM 360系列机上成功地采用了系列机上成功地采用了微程序设计技术。微程序设计技术。2020世
2、纪世纪7070年代以来,由于年代以来,由于VLSIVLSI技术的技术的发展,推动了微程序设计技术的发展和应用。发展,推动了微程序设计技术的发展和应用。目前,目前,从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。术。5.4.1 5.4.1 微程序控制原理微程序控制原理基本思想基本思想 仿照解题的方法,把操作控制信号编制成微指令,存放仿照解题的方法,把操作控制信号编制成微指令,存放到控制存储器里,运行时,从控存中取出微指令,产生指到控制存储器里,运行时,从控存中取出微指令,产生指令运行所需的操作控制信号。令运行所需的操作控制信号。从上述可以看出,
3、微程序设从上述可以看出,微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。计技术是用软件方法来设计硬件的技术。5.4.1 5.4.1 微程序控制原理微程序控制原理 根根据据每每条条指指令令执执行行的的阶阶段段性性,将将所所需需微微操操作作信信号号以以二二进进制制编编码码形形式式存存入入存存储储器器,按按序序依依次次读读出出执执行行,即即可可实现指令的功能。实现指令的功能。微命令微命令:控控制制部部件件(如如CU)通通过过控控制制线线向向执执行行部部件件(如如ALU、M、I/O等)发出的命令等)发出的命令。微操作微操作:执行部件接受微命令后所进行的操作。执行部件接受微命令后所进行的操作。1.1.微命令
4、和微操作微命令和微操作ALUDRYXM468123579R1R2R3Cy图图5.235.23简单运算器数据通路图简单运算器数据通路图相斥性微命令相斥性微命令 不能同时出现的微命令。不能同时出现的微命令。例如:例如:+,M。相容性微命令相容性微命令可能同时出现的微命令。可能同时出现的微命令。例如:图中的例如:图中的4,5。2.微指令和微程序微指令和微程序 微微指指令令:在在一一个个CPU周周期期中中,一一组组实实现现一一定定操操作作功能的微命令的组合。功能的微命令的组合。微指令的基本格式:微指令的基本格式:P字段字段下址字段下址字段操作控制操作控制顺序控制顺序控制图图5.20 5.20 微指令的
5、基本格式微指令的基本格式 操作控制字段操作控制字段用于产生微命令。用于产生微命令。顺序控制字段顺序控制字段用于确定下一条微指令的地址。用于确定下一条微指令的地址。操作控制字段中的每一位表示一个微命令。操作控制字段中的每一位表示一个微命令。12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制图图5.245.24微指令基本格式微指令基本格式例如:第例如:第1 1位位=1 1有微命令有微命令LDR10
6、0无微命令无微命令LDR1微命令微命令 微程序微程序:由微指令组成,用以实现指令功能的程序由微指令组成,用以实现指令功能的程序。微命令微命令微指令微指令微程序微程序机器指令系统机器指令系统组合组合组合组合组合组合 机器指令机器指令a微程序设计微程序设计用类似程序设计的方法,组织和控制机器内部信息的传送和互相的联系。用类似程序设计的方法,组织和控制机器内部信息的传送和互相的联系。b微程序设计任务微程序设计任务设计微指令,编制微程序设计微指令,编制微程序操作时序电位与脉冲的配合操作时序电位与脉冲的配合20ns60ns“”LDR1CPU周期节拍电位信号节拍脉冲信号图5.25运算器操作时序与产生逻辑T
7、4LDR1LDR2LDR3LDR1LDR2LDR3LDR1LDR3用于图5.23的1,2,3微指令。3.3.微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图地址转移逻辑OP微地址寄存器地址译码控制存储器P字段控制字段微命令信号指令寄存器IR状态条件微指令寄存器图5.22微程序控制器组成原理框图地址转地址转移移逻辑逻辑OP微地址寄存器微地址寄存器地址译码地址译码控制存储器控制存储器P字段字段控制字段控制字段微命令信号微命令信号指令寄存器指令寄存器IR状态条件状态条件微指令微指令寄存器寄存器图图5.225.22微程序控制器组成原理框图微程序控制器组成原理框图(1)控制储存器)控制储存器CM存放实现机器指令
8、系统功能存放实现机器指令系统功能的微程序,由高速的微程序,由高速ROMROM构成。构成。*CM的字长就是微指令字长;的字长就是微指令字长;CM是控制器的一部分;是控制器的一部分;要求要求CM高速可靠。高速可靠。(2)微指令寄存器微指令寄存器MIR寄存现行微指令。寄存现行微指令。(3)地址转移逻辑地址转移逻辑按要求修改、形成下一条微指令的地址。按要求修改、形成下一条微指令的地址。(4)微地址寄存器微地址寄存器 AR 寄存访问寄存访问CMCM的微指令地址。的微指令地址。(4)微程序控制的计算机的工作过程微程序控制的计算机的工作过程 执执行行取取指指微微指指令令:依依(PC)从从内内存存读读出出指指
9、令令,由操作码经地址由操作码经地址转转移移逻逻辑辑形形成成执执行行该该指指令令 的的 微微 程程 序序 入入 口口 地地 址址AR;根据(根据(AR)从从CM中中读出微指令读出微指令MIR;操作控制字段(经译码)产操作控制字段(经译码)产生微命令,送各功能部件执行;生微命令,送各功能部件执行;由转移逻辑形成下一微地址由转移逻辑形成下一微地址AR,可见:可见:步骤步骤的循环过程就是微程序的执行过程。的循环过程就是微程序的执行过程。地址转地址转移移逻辑逻辑OP微地址寄存器微地址寄存器地址译码地址译码控制存储器控制存储器P字段字段控制字段控制字段微命令信号微命令信号指令寄存器指令寄存器IR状态条件状
10、态条件微指令微指令寄存器寄存器图图5.225.22微程序控制器组成原理框图微程序控制器组成原理框图我们举我们举“十进制加法十进制加法”指令为例,具体看一看微程序指令为例,具体看一看微程序控制的过程。控制的过程。十进制加法指令十进制加法指令十进制加法指令十进制加法指令功能:实现两个功能:实现两个BCD码十进制加法运算。码十进制加法运算。算法:算法:两个一位两个一位BCD码之和。码之和。大于大于9时,和数必须加时,和数必须加6修正,并产生十进制进位。修正,并产生十进制进位。不大于不大于9时,和数不必修正,且无十进制数的进位。时,和数不必修正,且无十进制数的进位。4 4.指令的微程序举例指令的微程序
11、举例十进制加法指令的微程序控制过程十进制加法指令的微程序控制过程 PCARABUSDBUSDRIR,PC+1P1(R1)(R2)R2(R2)(R3)R2P2(R2)(R3)R200000000RD10101001000000000001Cy0Cy1图图5.295.29十进制加法微程序流程图十进制加法微程序流程图1、执行、执行“取指取指”微指令,微指令,取出取出“十进制加法十进制加法”指指令令LDAR(MR16);(PC)ARRD(MR13);读内存读内存LDDR(MR14);指令指令DRLDIR(MR15);(DR)IRPC1(MR17);(PC)+1PCP1(MR18);允许用允许用OP作为
12、下一微地址,作为下一微地址,即微程序入口即微程序入口设十进制加法指令设十进制加法指令OP101012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制2、执行、执行“十进制加法十进制加法”指令的微程序指令的微程序PCARABUSDBUSDRIR,PC+1P1(R1)(R2)R2(R2)(R3)R2P2(R2)(R3)R200000000RD10101001000000000001Cy0Cy1图图5.
13、295.29十进制加法微程序流程图十进制加法微程序流程图(1)1010微指令微指令R1x,R2y,LDR2完成完成(R1)(R2)R2(2)1001微指令微指令R2x,R3y,LDR2(R3)(110)2完成完成(R2)(R3)R2P2测试测试CyCy0,1uAR0,0001为下一微地址为下一微地址Cy1,0000为下一微指令为下一微指令(3)()(Cy0),),0001微指令微指令R2x,R3y,LDR2完成完成(R2)(R3)R212345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMR
14、DLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制00000000000011111100000第二条微指令的二进制编码是第二条微指令的二进制编码是01010010010000000001001第三条微指令的二进制编码是第三条微指令的二进制编码是01000100110000000010000第四条微指令的二进制编码是第四条微指令的二进制编码是01000100100100000000000第第一条微指令的二进制编码是一条微指令的二进制编码是CY=1000000001010101010011001000100015.CPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周
15、期的关系在串行方式的微程序控制器中在串行方式的微程序控制器中:微指令周期微指令周期=读出微指令的时间读出微指令的时间+执行该条微指令的时间执行该条微指令的时间下图示出了某小型机中下图示出了某小型机中CPU周期与微指令周期的时间关系:周期与微指令周期的时间关系:一个一个CPU周期为周期为0.8s,它包含四个等间隔的节拍它包含四个等间隔的节拍脉冲脉冲T1T4,每个脉冲宽度为每个脉冲宽度为200ns。用用T4作为读取作为读取微指令的时间,用微指令的时间,用T1+T2+T3时间作为执行微指令的时时间作为执行微指令的时间。间。例如,在前例如,在前600ns时间内运算器进行运算,在时间内运算器进行运算,在
16、600ns时时间的末尾运算器已经运算完毕,间的末尾运算器已经运算完毕,可用可用可用可用T T4上升沿将运算上升沿将运算上升沿将运算上升沿将运算结果打入某个寄存器。与此同时可用结果打入某个寄存器。与此同时可用结果打入某个寄存器。与此同时可用结果打入某个寄存器。与此同时可用T T4间隔读取下条间隔读取下条间隔读取下条间隔读取下条微指令微指令微指令微指令,经经200ns时间延迟,下条微指令又从只读存时间延迟,下条微指令又从只读存储器读出,并用储器读出,并用T1上升沿打入到微指令寄存器。如忽上升沿打入到微指令寄存器。如忽略触发器的翻转延迟,那么下条微指令的微命令信号略触发器的翻转延迟,那么下条微指令的
17、微命令信号就从就从T1上升沿起就开始有效,直到下一条微指令读出上升沿起就开始有效,直到下一条微指令读出后打入微指令寄存器为止。因此一条微指令的保持时后打入微指令寄存器为止。因此一条微指令的保持时间恰好是间恰好是0.8s,也就是一个也就是一个CPU周期的时间。周期的时间。6.机器指令与微指令的关系机器指令与微指令的关系【问】【问】:一会儿取机器指令,一会儿取微指令,它们之间到底一会儿取机器指令,一会儿取微指令,它们之间到底是什么关系是什么关系?【解】【解】:1.一条机器指令对应一个微程序,这个微程序是由若干条一条机器指令对应一个微程序,这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此,一条机器指令的功
18、能是由若干条微微指令序列组成的。因此,一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之,一条机器指令所完成的指令组成的序列来实现的。简言之,一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成,由微指令进行解释和执行。操作划分成若干条微指令来完成,由微指令进行解释和执行。2.从指令与微指令,程序与微程序,地址与微地址的一从指令与微指令,程序与微程序,地址与微地址的一一对应关系来看,一对应关系来看,前者与内存储器有关,后者与控制存储前者与内存储器有关,后者与控制存储前者与内存储器有关,后者与控制存储前者与内存储器有关,后者与控制存储器有关。器有关。器有关。器有关。3.我们在讲述本章我们在
19、讲述本章5.2节时,曾讲述了指令与机器周期节时,曾讲述了指令与机器周期概念,并归纳了五条典型指令的指令周期概念,并归纳了五条典型指令的指令周期,并演示了这五条并演示了这五条指令的微程序流程图,指令的微程序流程图,每一个每一个每一个每一个CPUCPU周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。这就告诉我们如何设计微程序,也将使我们进一步体验到这就告诉我们如何设计微程序,也将使我们进一步体验到机器指令与微指令的关系。机器指令与微指令的关系。【例【例2】设某计算机运算器框图如图】设某计算机运算器框图如图(a)所示,其中所示,其中ALU为为16位位的加法器的
20、加法器(高电平工作高电平工作),SA,SB为为16位暂存器。位暂存器。4个通用寄存个通用寄存器由器由D触发器组成,触发器组成,Q端输出。端输出。4个通用寄存器由个通用寄存器由D触发器组成,触发器组成,Q端输出,其读、写控端输出,其读、写控制功能见下表制功能见下表机器采用串行微程序控制方式,其微指令周期见图(机器采用串行微程序控制方式,其微指令周期见图(b)。其中读其中读ROM是从控存中读出一条微指令时间,为是从控存中读出一条微指令时间,为1s;ALU工工作是加法器做加法运算,为作是加法器做加法运算,为500ns;m1是读寄存器时间,为是读寄存器时间,为500ns;m2是写寄存器的工作脉冲宽度,
21、为是写寄存器的工作脉冲宽度,为100ns。微指令字微指令字长长12位,微指令格式如下:位,微指令格式如下:RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11RA0RA1:读读R0-R3的选择控制的选择控制WA0WA1:写写R0-R3的选择控制的选择控制R:寄存器读命令寄存器读命令W:寄存器写命令寄存器写命令LDSA:打入打入SA的控制信号的控制信号LDSB:打入打入SB的控制信号的控制信号SB-ALU:传送传送SB的控制信号的控制信号SB-ALU:传送传送SB的控
22、制信号的控制信号,并使加法器最低位加并使加法器最低位加1.Reset:清暂存器清暂存器SB为零的信号为零的信号:一段微程序结束,转入取机器指令的控制信号:一段微程序结束,转入取机器指令的控制信号要求:用二进制代码写出如下指令的微程序:要求:用二进制代码写出如下指令的微程序:(1)“ADDR0,R1”指令,即指令,即(R0)+(R1)R1(2)“SUBR2,R3”指令,即指令,即(R3)-(R2)R3(3)“MOVR2,R3”指令,即指令,即(R2)(R3)先画出三条指令的微指令的微程序流程图,如下图所示。先画出三条指令的微指令的微程序流程图,如下图所示。根根据据给给定定的的微微指指令令周周期期
23、时时间间关关系系,完完成成ADDADD,SUBSUB指指令令的的执执行行动动作作需需要要3 3条条微微指指令令,MOVMOV指指令令只只需需2 2条条微微指指令令。用用二二进进制制代代码码写写出出的的三三条条指指令令的的微微程程序序列列于于下下表表中中,其其中中*表表示示代代码码随随意意设设置置(0(0或或1 1均可均可)。其其中中未未考考虑虑“取取指指周周期期”和和顺顺序序控控制制问问题题,也也即即微微程程序序仅仅考考虑虑“执执行行周周期期”,微微指指令令序序列列的的顺顺序序用用数数字字标标号号标标在在每每条条微微指指令令的的右右上上角角。每每一一框框表表示示一一条条微微指令。指令。(1)(
24、1)“ADD R0ADD R0,R1R1”指令,指令,即即(R0)+(R1)R1R0)+(R1)R1RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset1.1.定义微指令格式定义微指令格式2.2.写出微指令写出微指令RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB-ALUSB-ALUReset全部的微指令全部的微指令5.5.4.2 4.2 微程序设计技术微程序设计技术1设计微指令结构的目标:设计微指令结构的目标:q有利于缩短微指令字长度;有利于缩短微指令字长度;q有利于减少有利于减少CM的容量;的容量;q有利于提高微程序的执行速度;有利于提高微程序的执行速度;q有利于
25、微指令的修改;有利于微指令的修改;q有利于微程序设计的灵活性。有利于微程序设计的灵活性。1 1、微命令编码微命令编码就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。(1 1)直接表示法(直接控制法,不译法)直接表示法(直接控制法,不译法)操作控制字段中的每一位表示一个微命令。操作控制字段中的每一位表示一个微命令。12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1xR1yR2xR2yDRxR3yMRDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中央处理器 白中英
![提示](https://www.deliwenku.com/images/bang_tan.gif)
限制150内