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计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第6章章 中央中央处处理器理器 2009.91.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第6章章 中央中央处处理器（理器（CPU）是整个）是整个计计算算机的核心，它包括运算器和控制器。机的核心，它包括运算器和控制器。本章着重本章着重讨论讨论CPU的功能和的功能和组组成，控成，控制器的工作原理和制器的工作原理和实现实现方法，微程序方法，微程序控制原理，基本控制控制原理，基本控制单单元的元的设计设计以及以及先先进进的的CPU系系统设计统设计技技术术。2009.92.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.1 CPU的功能的功能 计计算机的工作算机的工作过过程就是程序的运行程就是程序的运行过过程，程，也就是在控制器的控制下逐条也就是在控制器的控制下逐条执执行程序中各行程序中各指令的指令的过过程。在程序运行程。在程序运行过过程中，程中，计计算机的算机的各部件在控制器的控制下有条不紊地工作，各部件在控制器的控制下有条不紊地工作，在各部件之在各部件之间间流流动动的指令和数据形成了的指令和数据形成了指令指令流流和和数据流数据流。需要注意的是，需要注意的是，这这里的指令流和数据流里的指令流和数据流都是程序运行的都是程序运行的动态动态概念，它不同于程序中概念，它不同于程序中静静态态的指令序列，也不同于存的指令序列，也不同于存储储器中数据的器中数据的静静态态分配序列。分配序列。指令流指的是指令流指的是处处理器理器执执行的行的指令序列指令序列，数据流指的是根据指令操作要求数据流指的是根据指令操作要求依次存取数据的序列。依次存取数据的序列。2009.93.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 从程序运行的角度来看，从程序运行的角度来看，控制器的基控制器的基本功能是本功能是对对指令流和数据流在指令流和数据流在时间时间与空与空间间上上实实施正确的控制施正确的控制。对对指令流的控制：指令流的控制：指令流出的控制指令流出的控制指令分析与指令分析与执执行的控制行的控制 指令流向的控制指令流向的控制2009.94.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 对对数据流的控制主要数据流的控制主要应应包括包括对对数据的数据的流入与流出的控制；流入与流出的控制；对对数据数据变换变换、加工等、加工等操作的控制。操作的控制。对对于于冯冯诺诺依曼依曼结结构的构的计计算机而言，算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是就是说说数据流是由指令流来数据流是由指令流来驱动驱动的的。2009.95.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.2 CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 CPU中的主要寄存器是用来中的主要寄存器是用来暂时暂时保存保存在运算和控制在运算和控制过过程中的中程中的中间结间结果、最果、最终结终结果以及控制、状果以及控制、状态态信息的，它又可分信息的，它又可分为为通通用寄存器和用寄存器和专专用寄存器两种。用寄存器两种。1.通用寄存器通用寄存器 通用寄存器可用来存放原始数据和运通用寄存器可用来存放原始数据和运算算结结果，有的果，有的还还可以作可以作为变为变址寄存器、址寄存器、计计数器、地址指数器、地址指针针等。通用寄存器一般可以等。通用寄存器一般可以由由CPU直接直接访问访问。2009.96.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成2.专专用寄存器用寄存器 专专用寄存器是用寄存器是专门专门用来完成某一种特用来完成某一种特殊功能的寄存器。殊功能的寄存器。CPU中至少要有五个中至少要有五个专专用的寄存器。它用的寄存器。它们们是：程序是：程序计计数器（数器（PC）、）、指令寄存器（指令寄存器（IR）、存）、存储储器地址寄存器器地址寄存器（MAR）、存）、存储储器数据寄存器（器数据寄存器（MDR）、）、状状态标态标志寄存器（志寄存器（PSWR）。）。2009.97.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 程序程序计计数器数器 程程序序计计数数器器用用来来存存放放正正在在执执行行的的指指令令地址或接着要地址或接着要执执行的下条指令地址行的下条指令地址。对对于于顺顺序序执执行行的的情情况况，PC的的内内容容应应不不断断地地增增量量（加加“1”），以以控控制制指指令令的的顺顺序序执执行。行。在在遇遇到到需需要要改改变变程程序序执执行行顺顺序序的的情情况况时时，将将转转移移的的目目标标地地址址送送往往PC，即即可可实实现现程程序序的的转转移移。在在有有些些情情况况下下除除需需要要改改变变PC的的内内容容外外，还还需需要要保保留留PC过过去去的的内内容容，以以便返回便返回时时使用。使用。2009.98.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 指令寄存器指令寄存器 指指令令寄寄存存器器用用来来存存放放从从存存储储器器中中取取出出的的指指令令。当当指指令令从从主主存存取取出出暂暂存存于于指指令令寄寄存存器器之之后后，在在执执行行指指令令的的过过程程中中，指指令令寄寄存存器器的的内内容容不不允允许许发发生生变变化化，以以保保证证实实现现指令的全部功能。指令的全部功能。存存储储器数据寄存器器数据寄存器 存存储储器器数数据据寄寄存存器器用用来来暂暂时时存存放放由由主主存存储储器器读读出出的的一一条条指指令令或或一一个个数数据据字字；反反之之，当当向向主主存存存存入入一一条条指指令令或或一一个个数数据据字字时时，也也暂暂时时将将它它们们存存放放在在存存储储器器数数据据寄寄存存器中器中。2009.99.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 存存储储器地址寄存器器地址寄存器 存存储储器器地地址址寄寄存存器器用用来来保保存存当当前前CPU所所访访问问的的主主存存单单元元的的地地址址。由由于于主主存存和和CPU之之间间存存在在着着操操作作速速度度上上的的差差别别，所所以以必必须须使使用用地地址址寄寄存存器器来来保保持持地地址址信信息息，直直到主存的到主存的读读/写操作完成写操作完成为为止。止。当当CPU和和主主存存进进行行信信息息交交换换，无无论论是是CPU向向主主存存存存/取取数数据据时时，还还是是CPU从从主主存存中中读读出出指指令令时时，都都要要使使用用存存储储器器地地址址寄寄存存器和数据寄存器。器和数据寄存器。2009.910.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 状状态标态标志寄存器志寄存器 状状态标态标志寄存器用来存放程序状志寄存器用来存放程序状态态字的。字的。程序状程序状态态字的各位表征程序和机器运行的状字的各位表征程序和机器运行的状态态，是参与控制程序，是参与控制程序执执行的重要依据之一。行的重要依据之一。它主要包括两部分内容：一它主要包括两部分内容：一是状是状态标态标志，如：志，如：进进位位标标志（志（C）、）、结结果果为为零零标标志（志（Z）等，大）等，大多数指令的多数指令的执执行将会影响到行将会影响到这这些些标标志位；二志位；二是控制是控制标标志，如：中断志，如：中断标标志、陷阱志、陷阱标标志等。志等。8086的状的状态标态标志寄存器共志寄存器共16位，包括九位，包括九个个标标志位，其中六个志位，其中六个为为状状态标态标志，三个志，三个为为控控制制标标志。志。2009.911.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成CFPFAFZFSFTFIFDFOF015溢出溢出标标志位志位符号符号标标志位志位零零标标志位志位辅辅助助进进位位标标志位志位校校验验标标志位志位进进位位标标志位志位方向方向标标志志中断允中断允许标许标志志陷阱陷阱标标志志2009.912.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.3 CPU的的组组成成2009.913.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成控制器的主要功能有：控制器的主要功能有：从从主主存存中中取取出出一一条条指指令令，并并指指出出下下一一条条指指令在主存中的位置。令在主存中的位置。对对指指令令进进行行译译码码或或测测试试，产产生生相相应应的的操操作作控制信号，以便启控制信号，以便启动规动规定的定的动动作。作。指指挥挥并并控控制制CPU、主主存存和和输输入入/输输出出设设备备之之间间的数据流的数据流动动方向。方向。运算器的主要功能有：运算器的主要功能有：执执行所有的算行所有的算术术运算；运算；执执行所有的行所有的逻辑逻辑运算，并运算，并进进行行逻辑测试逻辑测试。2009.914.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.4 CPU的主要技的主要技术术参数参数1.字字长长 CPU的字的字长长是指在是指在单单位位时间时间内同内同时处时处理的二理的二进进制数据的位数。制数据的位数。CPU按照其按照其处处理信息的字理信息的字长长可以分可以分为为：8位位CPU、16位位CPU、32位位CPU以及以及64位位CPU等。等。2.内部工作内部工作频频率率 内内部部工工作作频频率率又又称称为为内内频频或或主主频频，它它是是衡衡量量CPU速速度度的的重重要要参参数数。CPU的的主主频频表表示示在在CPU内内数数字字脉脉冲冲信信号号震震荡荡的的速速度度，与与CPU实实际际的的运运算算能能力力并并没没有有直直接接关关系系。因因此此主主频频仅仅是是CPU性性能能表表现现的的一一个方面，而不代表个方面，而不代表CPU的整体性能。的整体性能。2009.915.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 内内部部时时钟钟频频率率的的倒倒数数是是时时钟钟周周期期，这这是是CPU中中最最小小的的时时间间元元素素。每每个个动动作作至至少少需需要要一个一个时钟时钟周期。周期。3.外部工作外部工作频频率率 CPU除除了了主主频频之之外外，还还有有另另一一种种工工作作频频率率，称称为为外外部部工工作作频频率率，它它是是由由主主板板为为CPU提供的基准提供的基准时钟频时钟频率。率。2009.916.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 早早期期，CPU的的内内频频就就等等于于外外频频。例例如如：80486DX-33的的 内内 频频 是是 33MHz，它它 的的 外外 频频 也也 是是33MHz。也也就就是是说说，80486DX-33以以33MHz的的速速度度在在内内部部进进行行运运算算，也也同同样样以以33MHz的的速速度度与与外外界界沟沟通通。目目前前，CPU的的内内频频越越来来越越高高，相相比比之之下下主主存存的的速速度度还还很很缓缓慢慢，如如果果外外频频设设计计得得跟跟内内频频同同步步，则则主主存存都都将将无无法法跟跟上上CPU的的速速度度。所所以以现现在在外外频频跟跟内内频频不不再再只只是是一一比比一一的的同同步步关关系系，从从而而出出现现了了所所谓谓的的内内部部倍倍频频技技术术，导导致致了了“倍倍频频”的的出出现现。内内频频、外外频频和倍和倍频频三者之三者之间间的关系是：的关系是：内内频频=外外频频倍倍频频 理理论论上上倍倍频频是是从从1.5一一直直到到无无限限，以以0.5为为一一个个间间隔隔单单位。位。2009.917.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成4.前端前端总线频总线频率率 前端前端总线总线（Front Side Bus），通常用），通常用FSB表表示，它是示，它是CPU和外界交和外界交换换数据的最主要通道，主数据的最主要通道，主要要连连接主存、接主存、显显卡等数据吞吐率高的部件，因此前卡等数据吞吐率高的部件，因此前端端总线总线的数据的数据传输传输能力能力对计对计算机整体性能作用很大。算机整体性能作用很大。在在Pentium 4出出现现之之前前，前前端端总总线线频频率率与与外外频频是是相相同同的的，因因此此往往往往直直接接称称前前端端总总线线频频率率为为外外频频。随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展，需需要要前前端端总总线线频频率率高高于于外外频频，因因此此采采用用了了QDR（Quad Date Rate）技技术术或或者者其其他他类类似似的的技技术术，使使得得前前端端总总线线频频率率成成为为外外频频的的2倍、倍、4倍甚至更高。倍甚至更高。2009.918.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成5.片内片内Cache的容量的容量 片片内内Cache又又称称CPU Cache，它它的的容容量量和和工工作作速速率率对对提提高高计计算算机机的的速速度度起起着着关关键键的的作作用用。CPU Cache可可以以分分为为L1 Cache、L2 Cache，部部分分高高端端CPU还还具具有有L3 Cache。L1 Cache的的容容量量基基本本在在4KB到到64KB之之间间，L2 Cache的的容容量量则则从从128KB2MB不不等等。L2 Cache是是影影响响CPU性性能能的的关关键键因因素素之之一一，在在CPU核核心心不不变变化化的的情情况况下下，增增加加L2 Cache的的容容量量能能使使性性能能大大幅幅度度提提高高，而而同同一一核核心心CPU的的高高低低端端之之分分往往往往也也是是在在L2 Cache上上有有差异。差异。2009.919.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.工作工作电压电压 工工作作电电压压指指的的是是CPU正正常常工工作作所所需需的的电电压压。7.地址地址总线宽总线宽度度 地地址址总总线线宽宽度度决决定定了了CPU可可以以访访问问的的最最大大的的物物理理地地址址空空间间，简简单单地地说说就就是是CPU到到底底能能够够使使用用多多大大容容量量的的主主存存。例例如如，Pentium有有32位位地地址址线线，可可寻寻址址的的最最大大容容量量为为2324096MB（4GB），Itantium有有44位位地地址址线线，可可寻寻址的最大容量址的最大容量为为24416TB。2009.920.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成8.数据数据总线宽总线宽度度 数据数据总线宽总线宽度度则则决定了决定了CPU与外部与外部Cache、主存以及主存以及输输入入输输出出设备设备之之间进间进行一次数据行一次数据传传输输的信息量。如果数据的信息量。如果数据总线为总线为32位，每次最位，每次最多可以多可以读读写主存中的写主存中的32位；如果数据位；如果数据总线为总线为64位，每次最多可以位，每次最多可以读读写主存中的写主存中的64位。位。数据数据总线总线和地址和地址总线总线是互相独立的，数是互相独立的，数据据总线宽总线宽度指明了芯片的信息度指明了芯片的信息传递传递能力，而能力，而地址地址总线宽总线宽度度说说明了芯片可以明了芯片可以访问访问多少个主多少个主存存单单元。元。2009.921.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成9.制造工制造工艺艺 线线宽宽是是指指芯芯片片内内电电路路与与电电路路之之间间的的距距离离，可可以以用用线线宽宽来来描描述述制制造造工工艺艺。线线宽宽越越小小，意意味味着着芯芯片片上上包包括括的的晶晶体体管管数数目目越越多多。Pentium 的的线线宽宽是是0.35m，晶晶体体管管数数达达到到7.5M个个；Pentium 的的线线宽宽是是0.25m，晶晶体体管管数数达达到到9.5M个个；Pentium 4的的线线宽宽是是0.18m，晶晶体体管管数数达达到到42M个个。近近年年来来线线宽宽已已由由0.15m、0.13m、90nm一一直直发发展展到到目目前前最最新新的的65nm，而而45nm和和32nm的的制造工制造工艺艺将是下一代将是下一代CPU的的发发展目展目标标。2009.922.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法 控控制制器器是是计计算算机机系系统统的的指指挥挥中中心心，它它把把运运算算器器、存存储储器器、输输入入/输输出出设设备备等等部部件件组组成成一一个个有有机机的的整整体体，然然后后根根据据指指令令的的要要求指求指挥挥全机的工作。全机的工作。2009.923.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法6.2.1 控制器的基本控制器的基本组组成成微操作微操作信号信号发发生器生器程序程序计计数器数器PC地址形成部件地址形成部件译码译码器器节节拍拍发发生器生器 时钟时钟中断控制中断控制逻辑逻辑状状态态寄存器寄存器操作操作码码地址地址码码指令寄存器指令寄存器IR中断中断请请求求控制台信息控制台信息I/O状状态信息信息+1送送MAR或或ALU运行状运行状态态微操作命令序列微操作命令序列指令指令结结束束2009.924.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法1.指令部件指令部件 指指令令部部件件的的主主要要任任务务是是完完成成取取指指令令并并分析指令。指令部件包括：分析指令。指令部件包括：程序程序计计数器（数器（PC）指令寄存器（指令寄存器（IR）指指令令译译码码器器（ID）：指指令令译译码码器器又又称称操操作作码码译译码码器器或或指指令令功功能能分分析析解解释释器器。暂暂存存在在指指令令寄寄存存器器中中的的指指令令只只有有在在其其操操作作码码部部分分经经过过译译码码之之后后才才能能识识别别出出这这是是一一条条什什么么样样的的指指令令，并并产产生生相相应应的的控控制制信信号号提提供供给给微微操作信号操作信号发发生器。生器。2009.925.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法地址形成部件地址形成部件 根根据据指指令令的的不不同同寻寻址址方方式式，用用来来形形成成操操作作数数的的有有效效地地址址，在在微微、小小型型机机中中，一一般般不不设设专专门门的的地地址址形形成成部部件件，而而是是利利用用运运算器来算器来进进行有效地址的行有效地址的计计算。算。2009.926.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法2.时时序部件序部件 时时序序部部件件能能产产生生一一定定的的时时序序信信号号，以以保保证证机机器器的的各各功功能能部部件件有有节节奏奏地地进进行行信信息息传传送、加工及信息存送、加工及信息存储储。时时序部件包括：序部件包括：脉冲源脉冲源 脉脉冲冲源源用用来来产产生生具具有有一一定定频频率率和和宽宽度度的的时时钟钟脉脉冲冲信信号号，为为整整个个机机器器提提供供基基准准信信号。号。2009.927.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法启停控制启停控制逻辑逻辑 启启停停控控制制逻逻辑辑的的作作用用是是根根据据计计算算机机的的需需要要，可可靠靠地地开开放放或或封封锁锁脉脉冲冲，控控制制时时序序信信号号的的发发生生或或停停止止，实实现现对对整整个个机机器器的的正正确确启启动动或或停停止止。启启停停控控制制逻逻辑辑保保证证启启动动时时输输出出的的第第一一个个脉脉冲冲和和停停止止时时输输出出的的最最后后一一个个脉脉冲冲都都是完整的脉冲。是完整的脉冲。节节拍信号拍信号发发生器生器 节节拍拍信信号号发发生生器器又又称称脉脉冲冲分分配配器器。脉脉冲冲源源产产生生的的脉脉冲冲信信号号，经经过过节节拍拍信信号号发发生生器器后后产产生生出出各各个个机机器器周周期期中中的的节节拍拍信信号号，用用以以控制控制计计算机完成每一步微操作。算机完成每一步微操作。2009.928.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法3.微操作信号微操作信号发发生器生器 一一条条指指令令的的取取出出和和执执行行可可以以分分解解成成很很多多最最基基本本的的操操作作，这这种种最最基基本本的的不不可可再再分分割割的的操操作作称称为为微微操操作作。微微操操作作信信号号发发生生器器也也称称为为控控制制单单元元（CU）。不不同同的的机机器器指指令令具有不同的微操作序列。具有不同的微操作序列。4.中断控制中断控制逻辑逻辑 中断控制中断控制逻辑逻辑是用来控制中断是用来控制中断处处理的理的硬件硬件逻辑逻辑。2009.929.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法6.2.2 控制器的硬件控制器的硬件实现实现方法方法 控制器的控制器的输输入是机器指令代入是机器指令代码码，输输出出是微操作控制信号，因此微操作信号是微操作控制信号，因此微操作信号发发生器生器是控制器的核心。根据是控制器的核心。根据产产生微操作控制信号生微操作控制信号的方式不同，控制器可分的方式不同，控制器可分为为3种，它种，它们们的根的根本区本区别别在于微操作信号在于微操作信号发发生器的生器的实现实现方法不方法不同，而控制器中的其它部分基本上是大同小同，而控制器中的其它部分基本上是大同小异的。异的。2009.930.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法微操作信号微操作信号发发生器生器操作操作码译码输码译码输出出微操作控制信号微操作控制信号时时序信号序信号各部件状各部件状态态 反反馈馈信号信号2009.931.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法1.组组合合逻辑逻辑型型 这这种控制器称种控制器称为为常常规规控制器或硬布控制器或硬布线线控制器，它是采用控制器，它是采用组组合合逻辑逻辑技技术术来来实现实现的，的，其微操作序列形成部件是由其微操作序列形成部件是由门电门电路路组组成的成的复复杂树杂树形网形网络络。组组合合逻辑逻辑控制器的最大控制器的最大优优点是速度快，点是速度快，但是微操作信号但是微操作信号发发生器的生器的结结构不构不规规整，使整，使得得设计设计、调试调试、维维修修较较困困难难，难难以以实现设实现设计计自自动动化。一旦微操作信号化。一旦微操作信号发发生器构成之生器构成之后，要想增加新的控制功能是不可能的。后，要想增加新的控制功能是不可能的。2009.932.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法2.存存储逻辑储逻辑型型 这这种控制器称种控制器称为为微程序控制器，它是采微程序控制器，它是采用存用存储逻辑储逻辑来来实现实现的，也就是把微操作信号的，也就是把微操作信号代代码码化，使每条机器指令化，使每条机器指令转转化成化成为为一段微程一段微程序并存入一个序并存入一个专门专门的存的存储储器（控制存器（控制存储储器）器）中，微操作控制信号由微指令中，微操作控制信号由微指令产产生。生。微程序控制器的微程序控制器的设计设计思想和思想和组组合合逻辑设逻辑设计计思想截然不同。它具有思想截然不同。它具有设计规设计规整、整、调试调试、维维修以及更改、修以及更改、扩扩充指令方便的充指令方便的优优点，易于点，易于实现实现自自动动化化设计设计，已成，已成为为当前控制器的主流。当前控制器的主流。但是，由于它增加了一但是，由于它增加了一级级控制存控制存储储器，所以器，所以指令指令执执行速度比行速度比组组合合逻辑逻辑控制器慢。控制器慢。2009.933.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法3.组组合合逻辑逻辑和存和存储逻辑结储逻辑结合型合型 这这种控制器称种控制器称为为PLA控制器，它是控制器，它是组组合合逻辑逻辑技技术术和存和存储逻辑储逻辑技技术结术结合的合的产产物，它物，它克服了两者的缺点，是一种克服了两者的缺点，是一种较较有前途的方法。有前途的方法。2009.934.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式 时时序序系系统统是是控控制制器器的的心心脏脏，其其功功能能是是为为指令的指令的执执行提供各种定行提供各种定时时信号。信号。6.3.1 时时序系序系统统1.指令周期和机器周期指令周期和机器周期 指指令令周周期期是是指指取取指指令令、分分析析指指令令到到执执行行完完该该指指令令所所需需的的全全部部时时间间。由由于于各各种种指指令令的的操操作作功功能能不不同同，有有的的简简单单，有有的的复复杂杂，因因此各种指令的指令周期不尽相同。此各种指令的指令周期不尽相同。机机器器周周期期通通常常又又称称CPU周周期期，通通常常把把一一条条指指令令划划分分为为若若干干个个机机器器周周期期，每每个个机机器器周期完成一个基本操作。周期完成一个基本操作。2009.935.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式 指令周期指令周期i机器周期机器周期 通通常常，每每个个机机器器周周期期都都有有一一个个与与之之对对应应的的周周期期状状态态触触发发器器。机机器器运运行行在在不不同同的的机机器器周周期期，其其对对应应的的周周期期状状态态触触发发器器被被置置“1”，显显然然，在在机机器器运运行行的的任任何何时时刻刻只只能能建建立立一一个个周周期期状状态态，因因此此，有有一一个个且且仅仅有有一一个个触触发发器被置器被置“1”。2009.936.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式2.节节拍拍 在在一一个个机机器器周周期期内内，要要完完成成若若干干个个微微操操作作。这这些些微微操操作作有有的的可可以以同同时时执执行行，有有的的需需要要按按先先后后次次序序串串行行执执行行。因因而而需需要要把把一一个个机机器器周周期期分分为为若若干干个个相相等等的的时时间间段段，每每一一个个时时间间段段对对应应一一个个电电位位信信号号，称称为为节节拍拍电电位位信信号。号。节节拍拍的的宽宽度度取取决决于于CPU完完成成一一次次基基本本操作的操作的时间时间。2009.937.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式 由由于于不不同同的的机机器器周周期期内内需需要要完完成成的的微微操操作作内内容容和和个个数数是是不不同同的的，因因此此，不不同同机机器器周周期期内内所所需需要要的的节节拍拍数数也也不不相相同同。节节拍拍的的选选取取一般有以下几种方法：一般有以下几种方法：(1)统统一一节节拍法拍法 以以最最复复杂杂的的机机器器周周期期为为准准定定出出节节拍拍数数，每每一一节节拍拍时时间间的的长长短短也也以以最最繁繁的的微微操操作作作作为为标标准准。这这种种方方法法采采用用统统一一的的、具具有有相相等等时时间间间间隔隔和和相相同同数数目目的的节节拍拍，使使得得所所有有的的机机器器周周期期长长度都是相等的，因此称度都是相等的，因此称为为定定长长CPU周期周期。2009.938.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式(2)分散分散节节拍法拍法 按按照照机机器器周周期期的的实实际际需需要要安安排排节节拍拍数数，需需要要多多少少节节拍拍，就就发发出出多多少少节节拍拍，这这样样可可以以避避免免浪浪费费，提提高高时时间间利利用用率率。由由于于各各机机器周期器周期长长度不同，又称度不同，又称为为不定不定长长CPU周期周期。2009.939.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式(3)延延长节长节拍法拍法 在在照照顾顾多多数数机机器器周周期期要要求求的的情情况况下下，选选取取适适当当的的节节拍拍数数，作作为为基基本本节节拍拍，如如果果在在某某个个机机器器周周期期内内统统一一的的节节拍拍数数无无法法完完成成该该周期的全部微操作，周期的全部微操作，则则可以延可以延长节长节拍。拍。T0T1T0T0T0T0T0T1T1T1T1T12009.940.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式(4)时钟时钟周期插入周期插入 在在一一些些微微型型机机中中，时时序序信信号号中中不不设设置置节节拍拍，而而直直接接使使用用时时钟钟周周期期信信号号。一一个个机机器器周周期期中中含含有有若若干干个个时时钟钟周周期期，时时钟钟周周期期的的数数目目取取决决于于机机器器周周期期内内完完成成微微操操作作的的多多少少及及相相应应功功能能部部件件的的速速度度。一一个个机机器器周周期期的的基基本本时时钟钟周周期期数数确确定定之之后后，还还可可以以不不断断插入等待插入等待时钟时钟周期。周期。2009.941.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式T1T2T3T4T1T2TwTwT3T4MM2009.942.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式3.工作脉冲工作脉冲 在在节节拍拍中中执执行行的的有有些些操操作作需需要要同同步步定定时时脉脉冲冲，为为此此，在在一一个个节节拍拍内内常常常常设设置置一一个个或或几几个个工工作作脉脉冲冲，作作为为各各种种同同步步脉脉冲冲的的来来源源。工工作作脉脉冲冲的的宽宽度度只只占占节节拍拍电电位位宽宽度度的的1/n，并并处处于于节节拍拍的的末末尾尾，只只要要能能保保证证所所有触有触发发器都可靠、器都可靠、稳稳定地翻定地翻转转就可以了。就可以了。在在只只设设置置机机器器周周期期和和时时钟钟周周期期的的微微型型机机中中，一一般般不不再再设设置置工工作作脉脉冲冲，因因为为时时钟钟周周期期既既可可以以作作为为电电位位信信号号，其其前前后后沿沿又又可可以作以作为为脉冲触脉冲触发发信号。信号。2009.943.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式4.多多级时级时序系序系统统 小小型型机机中中常常采采用用机机器器周周期期、节节拍拍、工工作作脉脉冲冲三三级级时时序序系系统统。每每个个机机器器周周期期M中中包包括括若若干干节节拍拍，每每个个节节拍拍内内有有一一个个脉脉冲冲。在在机机器器周周期期间间、节节拍拍电电位位间间、工工作作脉脉冲冲间间既既不不允允许许有有重重叠叠交交叉叉，也也不不允允许许有有空空隙隙，应该应该是一个接一个的准确是一个接一个的准确连连接。接。2009.944.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式T1T2T3T4M1M2P2009.945.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3取指周期取指周期M1存存储储器器读读周期周期M2存存储储器写周期器写周期M3指令周期指令周期2009.946.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式6.3.2 控制方式控制方式1.同步控制方式同步控制方式 同同步步控控制制方方式式即即固固定定时时序序控控制制方方式式，各各项项操操作作都都由由统统一一的的时时序序信信号号控控制制，在在每每个个机机器器周周期期中中产产生生统统一一数数目目的的节节拍拍电电位位和和工工作作脉脉冲冲。由由于于不不同同的的指指令令，操操作作时时间间长长短短不不一一致致，同同步步控控制制方方式式应应以以最最复复杂杂指指令令的操作的操作时间时间作作为统为统一的一的时间间时间间隔隔标标准。准。2009.947.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式 这这种种控控制制方方式式设设计计简简单单，容容易易实实现现，但但是是对对于于许许多多简简单单指指令令来来说说会会有有较较多多的的空空闲闲时时间间，造造成成较较大大数数量量的的时时间间浪浪费费，从从而而影响了指令的影响了指令的执执行速度。行速度。在在同同步步控控制制方方式式中中，各各指指令令所所需需的的时时序序由由控控制制器器统统一一发发出出，所所有有微微操操作作都都与与时时钟钟同同步步，所所以以又又称称为为集集中中控控制制方方式式或或中中央央控制方式控制方式。2009.948.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式2.异步控制方式异步控制方式 异异步步控控制制方方式式即即可可变变时时序序控控制制方方式式。各各项项操操作作不不采采用用统统一一的的时时序序信信号号控控制制，而而根根据据指指令令或或部部件件的的具具体体情情况况决决定定，需需要要多多少少时间时间，就占用多少，就占用多少时间时间。异异步步控控制制采采用用不不同同时时序序，没没有有时时间间上上的的浪浪费费，因因而而提提高高了了机机器器的的效效率率，但但是是控控制比制比较较复复杂杂。2009.949.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式 由由于于这这种种控控制制方方式式没没有有统统一一的的时时钟钟，而而是是由由各各功功能能部部件件本本身身产产生生各各自自的的时时序序信信号号自自我我控控制制，故故又又称称为为分分散散控控制制方方式式或或局局部部控控制方式制方式。2009.950.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式3.联联合控制方式合控制方式 这这是是同同步步控控制制和和异异步步控控制制相相结结合合的的方方式式。实实际际上上现现代代计计算算机机中中几几乎乎没没有有完完全全采采用用同同步步或或完完全全采采用用异异步步的的控控制制方方式式，大大多多数数是是采采用用联联合合控控制制方方式式。通通常常的的设设计计思思想想是是：在在功功能能部部件件内内部部采采用用同同步步方方式式或或以以同同步步方方式式为为主主的的控控制制方方式式，在在功功能能部部件件之之间间采采用用异异步步方方式。式。2009.951.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.3 时时序系序系统统与控制方式与控制方式6.3.3 指令指令执执行的基本行的基本过过程程 一一条条指指令令执执行行过过程程可可以以分分为为三三个个阶