组成ppt-中央处理器-

1、20141页页行行错误错误纠正纠正P138图图6-2指令译码器（指令译码器（IP）指令译码器（指令译码器（ID）P155图图6-23图图6-2420142图6-23图6-24第第6 6章章 中央处理器中央处理器2014320144第第6 6章章 中央处理器中央处理器6.1 6.1 中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成6.2 6.2 硬连线控制器硬连线控制器6.3 6.3 微程序控制器微程序控制器6.4 6.4 中断与异常处理中断与异常处理6.5 6.5 中央处理器中流水线技术的中央处理器中流水线技术的 基本概念基本概念20145第第6 6章章 中央处理器中央处理器6.1 6.1 中央处

2、理器的功能与组成中央处理器的功能与组成201466.1 6.1 中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成一、中央处理器的组成一、中央处理器的组成 中央处理器中央处理器（ Central Processing Unit ，CPUCPU） 计算机中自动完成取出指令和执行指令任计算机中自动完成取出指令和执行指令任 务的部件务的部件原始含义由原始含义由运算器运算器和和控制器控制器组成组成现代现代CPUCPU内集成了越来越多的功能部件：内集成了越来越多的功能部件： MMUMMU： 存储管理部件存储管理部件 FPUFPU： 浮点处理器浮点处理器 CacheCache：高速缓冲存储器：高速缓冲存储器 M

3、MXMMX： 多媒体扩展部件多媒体扩展部件等等等等20147一、中央处理器的组成1. CPU1. CPU的基本组成的基本组成PCIRID操作控制器时序产生器CPU控制器运算器CPU控制器运算器CacheALUACDRARFRMMU（存储管理部件）FPU（浮点处理器）MMX（媒体扩展部件MMX）20148一、中央处理器的组成2. 2. 运算器的运算器的主要主要部件部件 算术逻辑部件（算术逻辑部件（ALUALU） ALUALU是运算器的核心部件，完成算术运算和逻是运算器的核心部件，完成算术运算和逻 辑运算辑运算 累加器（累加器（ACAC） 累加器累加器ACAC是暂时存放是暂时存放ALUALU运算结

4、果信息的寄运算结果信息的寄 存器，具有通用寄存器功能。当存器，具有通用寄存器功能。当CPUCPU采用通用寄采用通用寄 存器组的结构时，需要在指令格式中对寄存器号存器组的结构时，需要在指令格式中对寄存器号 加以编址。加以编址。 通用寄存器中任一个都可存放源操作数，也通用寄存器中任一个都可存放源操作数，也 可存放结果操作数。可存放结果操作数。201492.运算器的主要部件 状态标志寄存器（状态标志寄存器（FR/FR/ PSW） 专用寄存器专用寄存器 保存运行或测试产生的各种状态信息保存运行或测试产生的各种状态信息 如：运算结果进位标志如：运算结果进位标志( (C C) )、溢出标志、溢出标志( (

5、V/OV/O) ) 结果为零标志结果为零标志( (Z Z) )、结果为负标志、结果为负标志( (N N) ) 符号标志（符号标志（S S）、奇偶标志（）、奇偶标志（P P）等等）等等 保存中断和系统工作状态等信息，以便使保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPUCPU和和 系统能及时了解机器运行状态和程序运行情况系统能及时了解机器运行状态和程序运行情况 如：中断允许标志（如：中断允许标志（IFIF）、单步执行标志（）、单步执行标志（T T） 方向标志（方向标志（D D） 等等等等 标志位通常分别由标志位通常分别由1 1位触发器记忆，因此，状位触发器记忆，因此，状态条件寄存器是一个由各种状态条件

6、标志组合而成态条件寄存器是一个由各种状态条件标志组合而成的寄存器。的寄存器。2014102. 运算器的主要部件 数据寄存器（数据寄存器（DRDR） 用来存放当前访问内存或外设的内容用来存放当前访问内存或外设的内容 作用：作用： 作为作为CPUCPU同主存或外设接口之间信息传输的缓同主存或外设接口之间信息传输的缓冲器，以补偿冲器，以补偿CPUCPU和内存、外围设备之间在操作速和内存、外围设备之间在操作速度上的差异。度上的差异。 DR DR又称数据缓冲寄存器又称数据缓冲寄存器。 地址寄存器（地址寄存器（ARAR） 保存当前保存当前CPUCPU所访问的内存单元所访问的内存单元 或或I/OI/O端口的

7、地址端口的地址201411一、中央处理器的组成3.3.控制器主要部件控制器主要部件 程序计数器（程序计数器（PCPC）确定下一条指令的地址确定下一条指令的地址 程序开始执行前，将程序的首地址送入程序开始执行前，将程序的首地址送入PCPC 程序顺序执行时，程序顺序执行时，CPUCPU自动修改自动修改PCPC的内容，的内容， 指向下一条指令的地址指向下一条指令的地址 执行转移指令时，按指令给出的转移地址执行转移指令时，按指令给出的转移地址 修改修改PCPC内容内容 2014123.控制器主要部件 指令寄存器（指令寄存器（IRIR） 保存当前正在执行的那条指令保存当前正在执行的那条指令 指令译码器（

8、指令译码器（IDID） 指令寄存器的操作码字段送指令译码器，指令寄存器的操作码字段送指令译码器， 译码产生指令类型码，送控制器产生相应的操作译码产生指令类型码，送控制器产生相应的操作控制信号。控制信号。2014133.控制器主要部件 操作控制器操作控制器 根据指令译码的结果，产生操作控制信号，根据指令译码的结果，产生操作控制信号， 控制计算机系统各部件工作。控制计算机系统各部件工作。 时序产生器时序产生器 按按指令周期指令周期-机器周期机器周期-时钟周期时钟周期时序要时序要 求，对操作信号实施时间上的定时，产生受时求，对操作信号实施时间上的定时，产生受时 序约束的操作控制信号，即给出指令各个操

9、作序约束的操作控制信号，即给出指令各个操作 步骤的相对次序关系，使计算机有条不紊地工步骤的相对次序关系，使计算机有条不紊地工 作。作。2014146.1 中央处理器的功能与组成二、中央处理器的功能二、中央处理器的功能指令控制指令控制：控制程序严格按规定的顺序依次执行：控制程序严格按规定的顺序依次执行操作控制操作控制：按指令规定的要求，产生操作控制信：按指令规定的要求，产生操作控制信 号，控制各部件工作号，控制各部件工作时间控制时间控制：对各种操作实施时间上的定时，使计：对各种操作实施时间上的定时，使计 算机有条不紊地工作算机有条不紊地工作数据加工数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理：对数

10、据进行算术运算和逻辑运算处理中断处理和异常处理中断处理和异常处理：具有处理中断源服务请求：具有处理中断源服务请求 的能力，以及处理计算机运行过程中的能力，以及处理计算机运行过程中 出现异常情况的能力。出现异常情况的能力。PC+IR+IDPC+IR+ID操作控制器时序产生器运算器功能201415二、中央处理器的功能扩展功能：扩展功能：存储管理存储管理对主存和对主存和CacheCache的管理、虚拟存储器的管理、虚拟存储器 的管理和存储器的保护等；的管理和存储器的保护等；总线管理总线管理对对CPUCPU系统总线中所连接的各设备的系统总线中所连接的各设备的 总线仲裁和总线同步管理；总线仲裁和总线同步

11、管理；电源管理电源管理对电源进行智能管理，以减少对电源进行智能管理，以减少CPUCPU芯芯 片的发热和电源消耗。片的发热和电源消耗。201416第第6 6章章 中央处理器中央处理器6.1 6.1 中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成6.2 6.2 硬连线控制器硬连线控制器2014176.2 6.2 硬连线控制器硬连线控制器一、硬连线控制器概述一、硬连线控制器概述控制器设计方法：控制器设计方法：硬连线控制器硬连线控制器 微程序控制器微程序控制器 阵列逻辑控制器阵列逻辑控制器 硬连线控制器用一个时序电路产生时间控制信硬连线控制器用一个时序电路产生时间控制信号，采用组合逻辑电路实现各种控制功

12、能，又称为号，采用组合逻辑电路实现各种控制功能，又称为组合逻辑型控制器。组合逻辑型控制器。 硬连线控制器工作速度较快，仅取决于电路延硬连线控制器工作速度较快，仅取决于电路延迟时间。迟时间。2014186.2 硬连线控制器二、硬连线控制器的结构二、硬连线控制器的结构硬连线控制器的结构框图：硬连线控制器的结构框图： P138P138图图6-26-2（C1CX）（IDID）IR（OP） IDID译码产生指令译码产生指令类型码类型码INS1INSn 时钟源时钟源CLK： 由石英振荡器电路由石英振荡器电路产生机器主频，送产生机器主频，送节拍脉冲发生器。节拍脉冲发生器。节拍脉冲发生器：节拍脉冲发生器：产生

13、一组节拍脉冲信号产生一组节拍脉冲信号T1，T2，Tm 。微操作控制信号微操作控制信号C CX X是是INSINSn n,T,Tm m和和B Bj j的函数：的函数：C Cx x = f ( = f ( INSINSn n, T, Tm m, B, Bj j ) )B1Bj输入信号来源有三个：输入信号来源有三个： 来自指令操作码译码的输出信号来自指令操作码译码的输出信号INSnINSn 来自执行部件的反馈信息来自执行部件的反馈信息BjBj（包括请求信号）（包括请求信号） 来自时序产生器的时序信号来自时序产生器的时序信号TmTm输出信号：输出信号：微操作控制信号微操作控制信号CxCx 用来对执行部

14、件用来对执行部件 进行控制进行控制201419二、硬连线控制器的结构操作控制信号的一般逻辑表达式：操作控制信号的一般逻辑表达式： Cx = f ( INSn, Tm, Bj )若不考虑状态条件码等输入，则操作控制信号的若不考虑状态条件码等输入，则操作控制信号的逻辑表达式为：逻辑表达式为：C Cn n = T = T1 1(INS(INS1 1+INS+INS2 2+INS+INSn n)+T)+T2 2(INS(INS1 1+INS+INS2 2 +INS +INSn n)+T)+Tm m(INS(INS1 1+INS+INS2 2+INS+INSn n) )2014206.2 硬连线控制器三

15、、硬连线控制器的设计步骤三、硬连线控制器的设计步骤设计举例：设计举例：例例1 1：设计某模型机的控制器（硬连线控制器）：设计某模型机的控制器（硬连线控制器）设该机指令系统仅为四条指令：设该机指令系统仅为四条指令：ADD ADD R3，R1，R2 ；加法指令加法指令，(R1)+(R2)R3(R1)+(R2)R3LOAD R1LOAD R1，memmem ；取数指令取数指令，（，（memmem）R1R1STORE R1,mem STORE R1,mem ；存数指令存数指令，（，（R1R1） memmemBR offs BR offs ；转移指令转移指令， gotogoto PC+offsPC+of

16、fs201421设计举例：1.1.分析指令流程分析指令流程PCMARPC+1PCout, MARinRead, PC+1MDRIRMDRout, IRinR1YR1out, YinR2ALUALUZR2out,addZinZR3Zout, R3inADDPCYPCout, YinIRALUALUZIRout, add ZinZPCZout, PCinBRIRMARIRout, MARinReadIRMARIRout, MARinMDRR1MDRout, R1inR1MDRR1out, MDRin, WriteT1T2T3T4T5T3T4LOADSTOREEND201422设计举例：3.3.总结

17、综合所有微操作总结综合所有微操作(1)(1)： PCout = T1 + BRT3 C1PC + 1 = T1 C2PCin = BRT5 C3MARin = T1 + STORE T3 + LOAD T3 C4MDRin = STORE T4 C5MDRout = T2 + LOAD T4 C6Read = T1 + LOAD T3 C7Write = STORE T4 C8IRin = T2 C9201423设计举例：3.3.总结综合所有微操作总结综合所有微操作(2)(2)：IRout = LOAD T3 + STORE T3 + BR T4 C10R1in = LOAD T4 C11R1

18、out = ADDT3 + STORET4 C12R2out = ADD T4 C13R3in = ADDT5 C14Yin = ADD T3 + BR T3 C15Add = ADD T4 + BR T4 C16Zin = ADD T4 + BR T4 C17Zout = ADD T5 + BR T5 C18END = ( LOAD + STORE ) T4 + (ADD + BR) T5C19201424设计举例：4.4.根据上述微操作的逻辑函数表达式，用逻辑门根据上述微操作的逻辑函数表达式，用逻辑门 实现实现 例：例：IRout = LOADTIRout = LOADT3 3 + STO

19、RET + STORET3 3 + BRT + BRT4 4 门阵列控制器：门阵列控制器： 设计方法同硬布线控制器，仅实现方法不同，用设计方法同硬布线控制器，仅实现方法不同，用PLDPLD器器 件实现。件实现。201425第第6 6章章 中央处理器中央处理器6.1 6.1 中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成6.2 6.2 硬连线控制器硬连线控制器6.3 6.3 微程序控制器微程序控制器2014266.3 6.3 微程序控制器微程序控制器一、微程序控制器概述一、微程序控制器概述 微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。一门技术。优点优点

20、： 微程序控制器同硬布线控制器相比较，具有规微程序控制器同硬布线控制器相比较，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。整性、灵活性、可维护性等一系列优点。缺点缺点： 执行速度慢，增加了到控制存储器中读取微指执行速度慢，增加了到控制存储器中读取微指令的时间。令的时间。201427一、微程序控制器概述1.1. 微程序控制的基本思路微程序控制的基本思路 将每条机器指令所需要的操作控制信号编成所将每条机器指令所需要的操作控制信号编成所谓的谓的“微指令微指令”，存放到一个控制存储器（，存放到一个控制存储器（控存控存）中中（一般用（一般用ROMROM实现）实现）。 当机器运行时，一条条地读出这些微指令，

21、从当机器运行时，一条条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应的而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应的部件执行所规定的操作。部件执行所规定的操作。机器指令机器指令微指令微指令2 2微指令微指令1 1微指令微指令n n分解分解一条机器指令对应一一条机器指令对应一段微程序，而微程序段微程序，而微程序的总和可实现整个指的总和可实现整个指令系统的功能令系统的功能取出微指令取出微指令产生微命令产生微命令逐一解释执行指令逐一解释执行指令201428一、微程序控制器概述2.2.微命令和微操作微命令和微操作 控制部件向执行部件发布命令控制部件向执行部件发布命令 微命令微命令 控制部

22、件通过控制线向执行部件发出的各控制部件通过控制线向执行部件发出的各 种控制命令种控制命令 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 相容性微操作相容性微操作：同时或同一：同时或同一CPUCPU周期内可并行周期内可并行 执行的微操作执行的微操作 相斥性微操作相斥性微操作：不能同时或同一：不能同时或同一CPUCPU周期内并周期内并 行执行的微操作行执行的微操作2014292.微命令和微操作简单运算器数据通路图：简单运算器数据通路图：R1R2R3123468597DRXYMALU+Cy 1 19 9、+ +、- -、M M均为微命令控制信号，其有效时才允许数据通

23、均为微命令控制信号，其有效时才允许数据通 过，由微命令建立有效的数据通路过，由微命令建立有效的数据通路 相斥性微操作：相斥性微操作： / /M/M； 4/6/84/6/8； 5/7/95/7/9 相容性微操作：相容性微操作： 1/2/3 4/6/81/2/3 4/6/8之一之一 5/7/95/7/9之一之一2014302.微命令和微操作 执行部件反馈信息执行部件反馈信息状态测试状态测试 执行部件通过反馈线向控制部件反映操作执行部件通过反馈线向控制部件反映操作 情况，以便使控制部件根据执行部件的情况，以便使控制部件根据执行部件的“状态状态” 来下达新的微命令。来下达新的微命令。2014316.3

24、 微程序控制器二、微指令格式二、微指令格式微指令微指令 在一个在一个CPUCPU周期中，一组实现一定操作功能的微周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合命令的组合 格式：格式：一个一个CPUCPU周期中，所需周期中，所需要的全部微命令的编码要的全部微命令的编码组合，即发出指挥计算组合，即发出指挥计算机工作的操作控制信号机工作的操作控制信号顺序控制字段：顺序控制字段：用以决定产生下一条微指用以决定产生下一条微指令的地址。该字段由令的地址。该字段由2 2部分部分组成：转移控制字段组成：转移控制字段( (BCF)BCF)和转移地址字段和转移地址字段( (BAF)BAF)。指出下条微指令指出下条微指

25、令地址的转移条件地址的转移条件与与BCFBCF配合产生下配合产生下条微指令地址条微指令地址当执行一条指令时，由机器指令的操作码以及当执行一条指令时，由机器指令的操作码以及CPUCPU系统状态条件码系统状态条件码构成了机器指令所对应的一段微程序的微指令地址。控制器按此微构成了机器指令所对应的一段微程序的微指令地址。控制器按此微指令地址，从控制存储器指令地址，从控制存储器ROMROM中读取相应的微指令，产生相应的操中读取相应的微指令，产生相应的操作控制信号去控制整个系统的操作。作控制信号去控制整个系统的操作。2014326.3 微程序控制器三、微程序控制器的基本结构三、微程序控制器的基本结构微程序

26、控制器的基本组成：微程序控制器的基本组成： 图图6-66-61. 1. 组成：组成：控制存储器控制存储器CMCM： ROMROM，存放微程序，存放微程序 微指令寄存器微指令寄存器IR ： 微地址寄存器微地址寄存器AR ：寻址控存：寻址控存 微命令寄存器微命令寄存器： 控制码译码器控制码译码器 顺序控制逻辑顺序控制逻辑： 自动修改后继微指令地址自动修改后继微指令地址 从从CMCM中取出第一条微指令：中取出第一条微指令： 执行执行“取机器指令取机器指令”微指令（通常存放在微指令（通常存放在0 0号单元）号单元） 根据微命令字段产生的操作控制信号，完成从主存中读取机根据微命令字段产生的操作控制信号，

27、完成从主存中读取机 器指令并送器指令并送IRIR的操作的操作 对机器指令的对机器指令的OPOP译码，并通过地址转移逻辑产生相应的译码，并通过地址转移逻辑产生相应的 微程序入口地址微程序入口地址 根据不同的机器指令转不同的微程序入口根据不同的机器指令转不同的微程序入口 逐行取出对应的微指令，由微指令提供的微命令序列控制逐行取出对应的微指令，由微指令提供的微命令序列控制 有关操作有关操作 并根据微指令的顺序控制字段决定后继微指令地址，逐条并根据微指令的顺序控制字段决定后继微指令地址，逐条 取出执行取出执行 微程序执行完毕，返回微程序执行完毕，返回0 0号单元，继续取下条机器指令号单元，继续取下条机

28、器指令 后继微地址的修改条件：后继微地址的修改条件： 机器指令的机器指令的OPOP字段字段 微指令的微指令的BCFBCF字段字段 计算机执行的状态反馈计算机执行的状态反馈2014336.3 微程序控制器四、微程序设计技术四、微程序设计技术 指令系统决定了计算机控制器的设计结构指令系统决定了计算机控制器的设计结构 微指令结构是微程序设计的关键微指令结构是微程序设计的关键 设计微指令结构应当追求的目标：设计微指令结构应当追求的目标： 有利于缩短微指令字长度有利于缩短微指令字长度 有利于减小控制存储器的容量有利于减小控制存储器的容量 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 有利于对微指

29、令的修改有利于对微指令的修改 有利于提高微程序设计的灵活性有利于提高微程序设计的灵活性 解决两个问题：解决两个问题： 一是如何由微指令的操作控制字段形成微操作命令一是如何由微指令的操作控制字段形成微操作命令 二是如何形成下一条微指令的地址（微地址）二是如何形成下一条微指令的地址（微地址）201434四、微程序设计技术1. 1. 微命令编码微命令编码 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用的表示方法分类：分类：直接表示法直接表示法编码表示法编码表示法混合表示法混合表示法2014351. 微命令编码 直接表示法直接表示法操作控制字段中的每一位

30、代表一个微命令操作控制字段中的每一位代表一个微命令 优点：简单直观，输出可直接用于控制优点：简单直观，输出可直接用于控制 缺点：微指令字较长缺点：微指令字较长 控制存储器容量较大控制存储器容量较大2322212019181716151413121110987654321直接地址直接地址0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0R1R2R3123468597DRXYMALU+Cy2014361. 微命令编码 编码表示法编码表示法 把把相斥性相斥性的微命令信号组成一个小组的微命令信号组成一个小组( (即一个即一个字段字段) ) ，然后通过小组，然后通过

31、小组( (字段）译码器进行译码字段）译码器进行译码 ，产生微操作控制信号产生微操作控制信号优点：微指令字较短优点：微指令字较短缺点：需增加译码电路，执行速度慢缺点：需增加译码电路，执行速度慢 可以用较少的二进制信息位表示较多的微命令信号可以用较少的二进制信息位表示较多的微命令信号 通常通常n n位二进位译码后可表示位二进位译码后可表示2 2n n1 1个微命令个微命令2014371. 微命令编码 混合表示法混合表示法 直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。的

32、要求。 具体做法是将一些要求速度高的，或者一些相具体做法是将一些要求速度高的，或者一些相容的控制信号用直接表示法；将其它相斥信号用编容的控制信号用直接表示法；将其它相斥信号用编码表示法。码表示法。 201438四、微程序设计技术2. 2. 微地址的形成方法微地址的形成方法微指令执行的顺序控制问题微指令执行的顺序控制问题 如何确定下一条微指令的地址问题如何确定下一条微指令的地址问题产生后继微地址的方法：产生后继微地址的方法： 计数器方式计数器方式 断定方式断定方式 结合方式结合方式2014392. 微地址的形成方法 计数器方式（增量方式）计数器方式（增量方式） 与用程序计数器来产生机器指令地址的

33、方法相与用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似，用微程序计数器类似，用微程序计数器PCPC加加1 1来产生下一条微指令来产生下一条微指令的地址。的地址。当微程序顺序执行时：后继微地址由现行微地址当微程序顺序执行时：后继微地址由现行微地址 加上一个增量来产生加上一个增量来产生 当微程序出现分支时：通过转移方式，确定后继当微程序出现分支时：通过转移方式，确定后继 微指令地址微指令地址微程序计数器微程序计数器PC在下述情况下不进行加在下述情况下不进行加1操作：操作：) ) 微程序结束时，微程序结束时，PC复位到起始微地址，起始微地址由生成复位到起始微地址，起始微地址由生成 电路产生，或包含在微指

34、令中；电路产生，或包含在微指令中；) ) 当一条新的机器指令装入指令寄存器当一条新的机器指令装入指令寄存器IR，PC中装入该指令中装入该指令 的的OP码，作为该指令执行的起始微地址。码，作为该指令执行的起始微地址。) )遇到转移微指令且满足转移条件时，遇到转移微指令且满足转移条件时，PC装入转移目标的微地装入转移目标的微地 址，该微地址在转移微指令的某个字段中。址，该微地址在转移微指令的某个字段中。2014402. 微地址的形成方法要求：要求： 微地址寄存器通常为计数器：微地址寄存器通常为计数器： 顺序执行的微指令序列应安排在控制存储顺序执行的微指令序列应安排在控制存储 器的连续单元中器的连续

35、单元中特点：特点： 微指令的顺序控制字段较短，微地址产生微指令的顺序控制字段较短，微地址产生 机构简单机构简单 但是多路并行转移功能较弱，速度较慢，但是多路并行转移功能较弱，速度较慢， 灵活性较差灵活性较差201441 计数器方式（增量方式）采用计数器方式的微程序控制器结构图：采用计数器方式的微程序控制器结构图： 图图6-106-10微地址寄存器微地址寄存器为计数器，具为计数器，具有有PC+1PC+1功能功能通过控制码的转通过控制码的转移方式，确定后移方式，确定后继微指令地址继微指令地址2014422. 微地址的形成方法 断定方式（多路转移方式）断定方式（多路转移方式） 下一条微指令的地址包含

36、在当前微指令的代码下一条微指令的地址包含在当前微指令的代码中，一条微指令具有多个转移分支的能力。中，一条微指令具有多个转移分支的能力。当微程序顺序执行时：后继微地址直接由微指当微程序顺序执行时：后继微地址直接由微指 令的顺序控制字段给出令的顺序控制字段给出当微程序出现分支时：按顺序控制字段的当微程序出现分支时：按顺序控制字段的“判判 别测试别测试”标志和标志和“状态状态 条件条件”形成后继微地址形成后继微地址2014432. 微地址的形成方法优点：优点： 能通过顺序控制字段，实现多路并行转移，灵能通过顺序控制字段，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快活性好，速度较快缺点：缺点： 增加了微指令代

37、码的长度增加了微指令代码的长度 转移地址逻辑较为复杂转移地址逻辑较为复杂201444 断定方式（多路转移方式）采用断定方式的微程序控制器结构图：采用断定方式的微程序控制器结构图： 图图6-116-11后继微指令地址后继微指令地址由由BCFBCF和和BAFBAF共同共同决定决定2014452. 微地址的形成方法 结合方式结合方式 取增量方式和断定方式的优点而形成的一种方式。取增量方式和断定方式的优点而形成的一种方式。 当微程序顺序执行时：采用增量方式当微程序顺序执行时：采用增量方式 当微程序出现分支时：采用断定方式，将当微程序出现分支时：采用断定方式，将BCFBCF和和 BAF BAF断定的后继

38、微地址送断定的后继微地址送 PC PC。201446 结合方式采用结合方式的微程序控制器结构图：采用结合方式的微程序控制器结构图： 图图6-126-12微地址地址计数器计数器201447四、微程序设计技术3. 3. 微指令格式分类微指令格式分类微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素微指令的格式大体分成两类：微指令的格式大体分成两类：水平型微指令水平型微指令垂直型微指令垂直型微指令2014483. 微指令格式分类 水平型微指令水平型微指令 一次能定义并执行多个并行微操作的微指令一次能定义并执行多个并行微操作的微指令 按控制字段的编码方法不同可分为：按

39、控制字段的编码方法不同可分为： 全水平型全水平型( (不译法不译法) )微指令微指令 字段译码法水平型微指令字段译码法水平型微指令 直接和译码相混合的水平型微指令直接和译码相混合的水平型微指令 垂直型微指令垂直型微指令 类似于机器指令的结构，由微操作码决定该条类似于机器指令的结构，由微操作码决定该条微指令的功能。微指令的功能。 通常一条微指令中只有通常一条微指令中只有1 12 2个微操作命令，每个微操作命令，每条微指令的功能简单条微指令的功能简单 特点：以较长的微程序结构去换取较短的微指特点：以较长的微程序结构去换取较短的微指 令结构令结构201449 垂直型微指令例：传送型微指令例：传送型微

40、指令例：运算控制型微指令例：运算控制型微指令ALUALU字段三位代码规定字段三位代码规定ALUALU的运算功能可对应的运算功能可对应8 8种运种运算，运算结果送暂存器算，运算结果送暂存器2014503. 微指令格式分类水平型微指令与垂直型微指令的比较：水平型微指令与垂直型微指令的比较： 水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差；强，垂直型微指令则较差； 水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微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；指令执行时间长； 由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字由水平型微指令解释

41、指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点，垂直型微指令则相反；较长而微程序短的特点，垂直型微指令则相反； 水平型微指令的结构同机器指令结构差别较大，水平型微指令的结构同机器指令结构差别较大，而垂直型微指令的结构同机器指令结构相似。所而垂直型微指令的结构同机器指令结构相似。所以水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令以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。与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。201451四、微程序设计技术4. 4. 微指令格式设计举例微指令格式设计举例在在6.26.2节中已完成：节中已完成：例例1 1：设计某模型机的控制器（硬连线

42、控制器）：设计某模型机的控制器（硬连线控制器）例例2 2：设计某模型机的控制器（微程序控制器）：设计某模型机的控制器（微程序控制器） 设该机指令系统仅为四条指令：设该机指令系统仅为四条指令：ADD R3ADD R3，R1R1，R2 R2 ；加法指令加法指令，(R1)+(R2)R3(R1)+(R2)R3LOAD R1LOAD R1，memmem ；取数指令取数指令，（，（memmem）R1R1STORE R1,mem STORE R1,mem ；存数指令存数指令，（，（R1R1） memmemBR offs BR offs ；转移指令转移指令，gotogoto PC+offsPC+offs设指令

43、设指令OPOP码分别为：码分别为：ADDADD（0000）、）、LOADLOAD（0101）、）、STORESTORE（1010）、）、BRBR（1111）201452例2：1.1.分析指令流程分析指令流程PCMARPC+1PCout, MARinRead, PC+1MDRIRMDRout, IRinR1YR1out, YinR2ALUALUZR2out,addZinZR3Zout, R3inADDPCYPCout, YinIRALUALUZIRout, add ZinZPCZout, PCinBRIRMARIRout, MARinReadIRMARIRout, MARinMDRR1MDRou

44、t, R1inR1MDRR1out, MDRin, WriteT1T2T3T4T5T3T4LOADSTOREEND2. 对指令执行流程进行时序划分 采用可变长周期201453例2： 3.3.总结综合所有微操作：总结综合所有微操作： Pcout PC + 1 PCin MARin MDRin MDRout Read Write IRin Irout R1in R1out R2out R3in Yin Add Zin Zout该模型机共需该模型机共需1818个操作控制信号个操作控制信号4.4.设计微指令的操作控制码字段设计微指令的操作控制码字段 采用直接编码方式，微指令的操作控制码字段采用直接编码

45、方式，微指令的操作控制码字段需需1818位，设计如下：位，设计如下：201454例2： 5.5. 微指令设计微指令设计 每个时钟周期设计一条微指令：每个时钟周期设计一条微指令： 取指为公共操作，由两条微指令取指为公共操作，由两条微指令T1T1、T2T2完成；完成； ADD ADD指令的执行周期为指令的执行周期为3 3条微指令，表示为：条微指令，表示为： ADDTADDT3 3，ADDTADDT4 4，ADDTADDT5 5； LOAD LOAD指令的执行周期为指令的执行周期为2 2条微指令，表示为：条微指令，表示为： LOADTLOADT3 3，LOADTLOADT4 4； STORE STO

46、RE指令的执行周期为指令的执行周期为2 2条微指令，表示为：条微指令，表示为： STORETSTORET3 3，STORETSTORET4 4； BR BR指令的执行周期为指令的执行周期为3 3条微指令，表示为：条微指令，表示为： BRTBRT3 3，BRTBRT4 4，BRTBRT5 5。共需共需1212条微指令条微指令201455例2： 各微指令的操作控制字：各微指令的操作控制字：201456例2： 列出微程序流程图，并分配微地址列出微程序流程图，并分配微地址 每条机器指令对应一个微程序每条机器指令对应一个微程序本条微指令地址本条微指令地址下条微指令下条微指令地址地址10由机器指令由机器指

47、令OP码构成微指令的码构成微指令的散转散转201457例2： 微指令组成微指令组成（包括操作控制字段和顺序控制字段）（包括操作控制字段和顺序控制字段）采用断定方式，条件码为一位。采用断定方式，条件码为一位。BCF=0：后继微地址由：后继微地址由BAF直接给出；直接给出；BCF=1：由指令：由指令OP码（作为微地址的高码（作为微地址的高2位）与位）与BAF 低低2位码组合产生后继微地址。位码组合产生后继微地址。控存控存 地址地址000000010010001101000110011110101011111011111000201458例2： 6.6.多路分支地址形成电路多路分支地址形成电路微指令

48、格式及多路分支地址形成电路：微指令格式及多路分支地址形成电路： 图图6-156-15由由BCFBCF码选择码选择2to12to1多路器，多路器，产生微地址的产生微地址的高高2 2位。位。201459第第6 6章章 中央处理器中央处理器6.1 6.1 中央处理器的功能与组成中央处理器的功能与组成6.2 6.2 硬连线控制器硬连线控制器6.3 6.3 微程序控制器微程序控制器6.4 6.4 中断与异常处理中断与异常处理2014606.4 6.4 中断与异常处理中断与异常处理一、中断与异常的定义一、中断与异常的定义异常异常： 来自处理器内部或外部的意外事件，引起正常来自处理器内部或外部的意外事件，引

49、起正常指令执行顺序的改变，指令执行顺序的改变，“外部异常外部异常”事件通常称为事件通常称为“外部中断外部中断”中断中断： 由于异常事件的出现，要求由于异常事件的出现，要求CPUCPU暂时中止（挂暂时中止（挂起）正在运行的程序，转而调用一个相应的服务程起）正在运行的程序，转而调用一个相应的服务程序（处理程序），为该异常事件进行处理，待该服序（处理程序），为该异常事件进行处理，待该服务程序处理完毕后又返回到被中止的程序的过程称务程序处理完毕后又返回到被中止的程序的过程称为中断方式。为中断方式。201461一、中断与异常的定义中断源中断源 引起中断事件的来源。引起中断事件的来源。常见的中断源：常见的

50、中断源： 一般的输入一般的输入/ /输出设备；输出设备； 数据通道，如磁带、磁盘等；数据通道，如磁带、磁盘等； 实时时钟；实时时钟； 故障信号，如电源掉电等。故障信号，如电源掉电等。常见的内部异常事件：常见的内部异常事件： 系统调用；系统调用； 陷阱指令、特权指令和程序调试指令；陷阱指令、特权指令和程序调试指令； 程序运行出错；程序运行出错； 运算异常或操作异常。运算异常或操作异常。指令中断指令中断内部中断内部中断中断处理机构：中断处理机构：用来处理异常与中断的硬件；用来处理异常与中断的硬件；异常处理程序：异常处理程序：在嵌入式操作系统中用来处理异常与中断的软件在嵌入式操作系统中用来处理异常与

51、中断的软件201462一、中断与异常的定义可屏蔽中断可屏蔽中断 凡是处理器内部能够凡是处理器内部能够“屏蔽屏蔽”的中断，称为可的中断，称为可屏蔽中断屏蔽中断不可屏蔽中断不可屏蔽中断 凡是处理器内部不能够凡是处理器内部不能够“屏蔽屏蔽”的中断，称为的中断，称为不可屏蔽中断不可屏蔽中断屏蔽屏蔽： 是指处理器能拒绝响应中断请求信号，不允许是指处理器能拒绝响应中断请求信号，不允许打断处理器所执行的主程序。这通常是由打断处理器所执行的主程序。这通常是由CPUCPU内部的内部的中断允许触发器状态来控制。中断允许触发器状态来控制。2014636.4 中断与异常处理二、中断处理过程二、中断处理过程当前指令执行

52、完，当前指令执行完，判有否中断请求。判有否中断请求。没有：执行下一条没有：执行下一条 指令指令有：进入中断响应有：进入中断响应 周期周期中断响应中断响应 周期周期中断处理中断处理由硬件完成由硬件完成由软件完成相应的中断服由软件完成相应的中断服务务（不同的中断源对应不同（不同的中断源对应不同的中断处理程序）的中断处理程序）中断处理中断处理程序结束，程序结束，执行返回执行返回指令返回指令返回断点，继断点，继续执行原续执行原程序。程序。中断处理程序与中断时中断处理程序与中断时CPUCPU正在运行的程序是相互独立的程序正在运行的程序是相互独立的程序201464二、中断处理过程计算机具有中断功能后，可以

53、做到：计算机具有中断功能后，可以做到： CPUCPU与外设在大部分时间内并行工作，有效地提与外设在大部分时间内并行工作，有效地提 高了计算机的效率；高了计算机的效率； 具有实时响应能力，可适用于实时控制场合；具有实时响应能力，可适用于实时控制场合； 及时处理异常情况，提高计算机的可靠性。及时处理异常情况，提高计算机的可靠性。 201465二、中断处理过程CPUCPU的中断功能的中断功能 能响应中断源提出的请求，为其进行中断服务能响应中断源提出的请求，为其进行中断服务 并返回；并返回； 能进行中断优先级判别；能进行中断优先级判别； 能实现中断嵌套。能实现中断嵌套。中断处理中要解决的问题中断处理中

54、要解决的问题 问题问题 CPUCPU响应中断的条件；响应中断的条件； 问题问题 中断源的识别方式；中断源的识别方式； 问题问题 中断裁决（中断判优）的方法；中断裁决（中断判优）的方法； 问题问题 中断处理程序入口地址的形成；中断处理程序入口地址的形成； 问题问题 中断屏蔽技术；中断屏蔽技术； 问题问题 中断嵌套技术。中断嵌套技术。201466二、中断处理过程中断处理过程中断处理过程 中断源请求中断中断源请求中断 中断响应、中断源识别判优中断响应、中断源识别判优 中断处理中断处理 中断返回中断返回 1.1.中断源请求中断中断源请求中断 在接口中设置中断请求触发器记忆中断请求信号在接口中设置中断请

55、求触发器记忆中断请求信号 中断请求触发器中断请求触发器 因为中断请求是随机发生的，因为中断请求是随机发生的，CPUCPU不可能即不可能即 刻响应，所以每个中断源通常在接口中设置一个刻响应，所以每个中断源通常在接口中设置一个 中断请求触发器，记忆请求信号。中断请求触发器，记忆请求信号。 中断被响应后，该请求信号被清除。中断被响应后，该请求信号被清除。201467二、中断处理过程中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器 在多个中断源的情况下，为增加控制的灵活性，在多个中断源的情况下，为增加控制的灵活性，常在每个中断源的接口电路中，设置一个中断屏蔽常在每个中断源的接口电路中，设置一个中断屏蔽触发器，只有当此触发

56、器状态为触发器，只有当此触发器状态为“未屏蔽未屏蔽”时，外时，外设的中断请求才能被允许送到设的中断请求才能被允许送到CPUCPU，如图，如图6-176-17中的中的B B所示。所示。 可把多个外设的中断屏蔽触发器组成一个中断可把多个外设的中断屏蔽触发器组成一个中断屏蔽寄存器端口，用输出指令来设置它们的状态。屏蔽寄存器端口，用输出指令来设置它们的状态。 用软件设置屏蔽字，可动态改变优先级用软件设置屏蔽字，可动态改变优先级 问题问题201468二、中断处理过程中断允许触发器中断允许触发器 在在CPUCPU内部有一个中断允许触发器内部有一个中断允许触发器 = =“1”1”：即中断开放，：即中断开放，

57、CPUCPU允许响应中断；允许响应中断； = =“0”0”：即中断关闭，此时即使可屏蔽中断源的：即中断关闭，此时即使可屏蔽中断源的 中断请求有效，中断请求有效，CPUCPU也不响应。也不响应。 可用允许中断指令和禁止中断指令来设置中断可用允许中断指令和禁止中断指令来设置中断允许触发器的状态。允许触发器的状态。 CPUCPU关中断关中断屏蔽所有可屏蔽中断屏蔽所有可屏蔽中断 中断屏蔽字中断屏蔽字个性化屏蔽某些中断请求个性化屏蔽某些中断请求 201469二、中断处理过程P150P150图图6-176-17 接口接口中断请求中断请求触发器触发器中断屏蔽中断屏蔽触发器触发器中断允许中断允许触发器触发器2

58、01470二、中断处理过程2.2.中断响应中断响应 CPUCPU响应中断的条件：响应中断的条件： 至少有一个中断源请求中断至少有一个中断源请求中断（接口的中断请求触发器（接口的中断请求触发器 置置“1 1”）； 接口电路中所设置的中断屏蔽触发器为未屏蔽状态，接口电路中所设置的中断屏蔽触发器为未屏蔽状态， 允许接口向允许接口向CPUCPU发中断请求发中断请求（接口电路向（接口电路向CPUCPU发出中断发出中断 请求信号）；请求信号）； CPUCPU允中，即允中，即CPUCPU中所设置的中断允许触发器为允许中中所设置的中断允许触发器为允许中 断状态；断状态； CPUCPU当前指令执行完。当前指令执

59、行完。 满足上述条件，满足上述条件，CPUCPU响应中断，进入响应中断，进入中断响应周期中断响应周期。 问题问题2014712.中断响应中断响应周期所做的工作中断响应周期所做的工作由硬件自动完成由硬件自动完成 关中断；关中断； 保留断点；保留断点； 转到中断处理程序入口。转到中断处理程序入口。 保留断点保留断点 为了在中断处理程序执行完毕以后能正确地返为了在中断处理程序执行完毕以后能正确地返回到原来被中断的断点处，继续执行原程序，必须回到原来被中断的断点处，继续执行原程序，必须把程序计数器把程序计数器PCPC的内容保存到堆栈中去。这一操作的内容保存到堆栈中去。这一操作称为保留断点。称为保留断点

60、。 2014722.中断响应在中断响应的过程中，要解决三个问题：在中断响应的过程中，要解决三个问题： 中断源识别中断源识别找出请求中断的来源找出请求中断的来源 中断判优中断判优当多个中断源请求中断时，找出当多个中断源请求中断时，找出 优先级最高的中断源给予响应优先级最高的中断源给予响应 中断处理程序入口地址的形成中断处理程序入口地址的形成 问题问题问题问题问题问题 常用方法有：常用方法有： 查询中断查询中断 向量中断向量中断2014732.中断响应 查询中断查询中断 由程序依次测试中断源状态，以识别请求中断由程序依次测试中断源状态，以识别请求中断的来源。的来源。 缺点：缺点：优先级固定、中断响