计算机组成原理第6章CU的功能及设计

第六章CU的功能和设计6.1操作命令的分析6.2控制单元的功能6.3组合逻辑设计6.4微程序设计6.1操作命令的分析完成一条指令分4个工作周期取指周期间址周期执行周期中断周期一、取指周期PCMAR地址线1RM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC+1MDRCUMAR

PC

IR存储器CPU地址总线数据总线控制总线6.1操作命令的分析二、间址周期M(MAR)MDR1RAd(IR)MARMDRAd(IR)指令形式地址MAR6.1MDRCUMARCPU地址总线数据总线控制总线IR存储器三、执行周期1.非访存指令(1)CLA

清A(2)COM

取反(4)CSL

循环左移(3)SHR

算术右移(5)STP

停机指令0ACCACCACCL(ACC)R(ACC),ACC0ACC0R(ACC)L(ACC),ACC0ACCn0G6.12.访存指令Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCAd(IR)

MAR1WACCMDRMDRM(MAR)STAXADDX(2)存数指令(1)加法指令6.1(3)取数指令Ad(IR)

MAR1RM(MAR)

MDRMDRACC3.转移指令(1)无条件转(2)条件转移Ad(IR)

PCA0•Ad(IR)+A0(PC)PCLDAXJMPXBANX（负则转）6.14.三类指令的指令周期取指周期执行周期取指周期执行周期取指周期执行周期取指周期间址周期执行周期非访存指令周期直接访存指令周期间接访存指令周期转移指令周期6.1四、中断周期程序断点存入“0”地址程序断点进栈0

MAR1WPCMDRMDRM(MAR)向量地址PC0EINT（置“0”）0EINT（置“0”）向量地址PCMDRM(MAR)PCMDR1W(SP)–1

MAR中断识别程序入口地址MPC6.16.2控制单元的功能一、控制单元的外特性指令寄存器控制单元

CU…时钟标志CPU内部的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线1.输入信号(1)时钟(2)指令寄存器(4)外来信号(3)标志CU受时钟控制控制信号与操作码有关OP(IR)CUCU受标志控制INTR中断请求HRQ总线请求一个时钟脉冲发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令如6.22.输出信号(1)CPU内的各种控制信号(2)送至控制总线的信号Ri

Rj(PC)+1PCINTAHLDA访存控制信号访IO/

存储器的控制信号读命令写命令中断响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU＋、－、与、或……6.2二、控制信号举例PCIRACCU时钟ALU

MDR

MAR………控制信号标志控制信号C0C1C2C3C4取指周期以ADD@X为例

MDRPC

MARIRCU6.21.不采用CPU内部总线的方式二、控制信号举例1.不采用CPU内部总线的方式PCIRACCU时钟ALU

MDR

MAR………控制信号标志控制信号C1C2C3C5ADD@X间址周期

MDR

MAR

MDRIR6.2PCIRACCU时钟ALU

MDR

MAR………控制信号标志控制信号二、控制信号举例1.不采用CPU内部总线的方式C1C2C5ADD@X执行周期C7C6C8

MARACALU

MDR

MDR…控制信号6.2MDRMDRCU(1)ADD@X取指周期

PC

CU

发读命令1R

MDROP（IR）（PC）+1PCIRPCMARAC

YALUZ…控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO…数据线数据线控制信号CPU

内部总线时钟2.采用CPU内部总线方式地址线地址线MARMDRIRCU6.2IRPCPCMDRMARCUIR(2)ADD@X间址周期

MDR1R

MDR有效地址

Ad（IR）MDROMDRO数据线数据线时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号…控制信号CPU

内部总线MDRIRMARi

MARi地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址MAR

6.2时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号CPU

内部总线MDROMDRO(3)ADD@X执行周期1R

MDR

Z

AC（AC）+（Y）

MDR控制信号…MARMDR地址线地址线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi

YALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZOZOACiACiACACACACMARi

MARiALUAC6.26.3组合逻辑设计一、组合逻辑控制单元框图1.CU外特性IR节拍发生器CUT0T1Tn…CLK（机器主频）…标志012n-1…C0C1Cn操作码译码n

位操作码

2.节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T36.3

二.微操作的节拍安排采用

同步控制方式CPU

内部结构采用非总线方式一个

机器周期

内有

3

个节拍（时钟周期）

MDRPC

MARIRACCU时钟ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号标志控制信号6.3

1.安排微操作时序的原则原则一微操作的先后顺序不得随意更改原则二被控对象不同的微操作尽量安排在一个节拍内完成原则三占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍内完成并允许有先后顺序6.32.取指周期微操作的节拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原则二原则二原则三3.间址周期微操作的节拍安排M(MAR)MDRMDRAd（IR）T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R6.34.执行周期微操作的节拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC6.3④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W6.3⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0•Ad(IR)+A0•

PCPC6.35.中断周期微操作的节拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件关中断向量地址PC中断隐指令完成1W6.3三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0FE取指JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII6.3间址特征三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0

IND间址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND6.3间址周期标志T2T1T0EX执行JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表1W6.3三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0FE取指JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII11111111111111111111111111111111111111111111116.3三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0

IND间址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND111111111111111111116.3三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0EX执行JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W11111111111116.32.写出微操作命令的最简表达式=FE

·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}6.33.画出逻辑图特点

思路清晰简单明了

庞杂调试困难修改困难

速度快&&&11&&&&&≥FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&6.36.4微程序设计一、微程序设计思想的产生1951英国剑桥大学教授Wilkes完成一条机器指令微操作命令1微操作命令2微操作命令n……微指令110100000微指令n微程序00010010存储逻辑一条机器指令对应一个微程序……存入ROM二、微程序控制单元框图及工作原理1.机器指令对应的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序对应LDA操作的微程序对应STA操作的微程序间址周期微程序中断周期微程序6.42.微程序控制单元的基本框图

微地址

形成部件顺序逻辑CMAR地址译码控制存储器标志CLK下地址CMDR至CPU内部和系统总线的控制信号OPIR操作控制顺序控制微指令基本格式6.4二、微程序控制单元框图及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序对应

LDA操作的微程序对应STA

操作的微程序间址周期微程序中断周期微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM转执行周期微程序…转取指周期微程序…6.43.工作原理控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1…取指周期

微程序对应

LDA操作的微程序对应ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………对应STA

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1LDAXADDYSTAZ主存STP用户程序6.43.工作原理(1)取指阶段MCMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令形成下条微指令地址Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令M+1M+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR0010000M+2…100001M+1M…010010M+2M+1…形成下条微指令地址执行取指微程序6.4(2)执行阶段CM(CMAR)CMDR由CMDR发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2…M执行LDA微程序形成下条微指令地址P+1形成下条微指令地址P+2形成下条微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+1…0001001P+1P…6.4(3)取指阶段CM(CMAR)CMDR由CMDR发命令MCMARPCMAR1R100001M+1M全部微指令存在CM中，程序执行过程中只需读出关键微指令的操作控制字段如何形成微操作命令微指令的后继地址如何形成执行取指微程序……6.4三、微指令的编码方式（控制方式）1.直接编码（直接控制）方式在微指令的操作控制字段中

每一位代表一个微操作命令速度最快下地址……控制信号操作控制某位为“1”表示该控制信号有效6.42.字段直接编码方式将微指令的控制字段分成若干“段”每段经译码后发出控制信号每个字段中的命令是互斥的译码…译码…译码…下地址操作控制控制信号缩短了微指令字长，增加了译码时间微程序执行速度较慢6.43.字段间接编码方式4.混合编码直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用5.其他…字段1…字段2译码译码译码…操作控制控制信号…字段n下地址……控制信号6.4四、微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出2.根据机器指令的操作码形成3.增量计数器4.分支转移(CMAR)+1CMAR转移地址操作控制字段

转移方式转移方式指明判别条件转移地址指明转移成功后的去向6.45.通过测试网络6.由硬件产生微程序入口地址第一条微指令地址由专门硬件产生中断周期由硬件产生中断周期微程序首地址非测试地址h测试地址l测试网络……测试源微指令地址CMDR操作控制顺序控制HL6.47.后继微指令地址形成方式原理图

多路选择地址选择+1CMAR地址译码下地址转移方式CMDR控制存储器…控制信号

分支

逻辑…标志微程序入口6.4OPIR

微地址

形成部件五、微指令格式1.水平型微指令如直接编码、字段直接编码、字段间接编码、直接和字段混合编码2.垂直型微指令类似机器指令操作码的方式一次能定义并执行多个并行操作由微操作码字段规定微指令的功能6.43.两种微指令格式的比较(1)水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强

灵活性强(2)

水平型微指令执行一条机器指令所要的微指令数目少，速度快(3)

水平型微指令用较短的微程序结构换取较长的微指令结构(4)

水平型微指令与机器指令差别大6.4六、静态微程序设计和动态微程序设计静态微程序无需改变，采用ROM动态通过改变微指令和微程序改变机器指令有利于仿真，采用

EPROM七、毫微程序设计1.毫微程序设计的基本概念微程序设计用微程序解释机器指令毫微程序设计用毫微程序解释微程序毫微指令与微指令的关系好比微指令与机器指令的关系6.42、毫微程序控制存储器的基本组成

控制存储器（微程序）CMAR1MOPOP转移地址垂直型微指令IR+1CMDR1CMAR2

控制存储器（毫微程序）水平型微指令…控制信号CMDR26.4八、串行微程序控制和并行微程序控制取第i+1条微指令执行第

i

条微指令取第

i

条微指令执行第i+1

条微指令执行第i

条微指令取第i

条微指令取第i+1

条微指令执行第i+1

条微指令取第i+2

条微指令执行第i+2

条微指令串行微程序控制并行微程序控制6.41.写出对应机器指令的微操作及节拍安排假设CPU

结构与组合逻辑相同(1)取指阶段微操作分析T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)微地址形成部件九、微程序设计举例1R若一个T内安排一条微指令则取指操作需3条微指令3条微指令Ad(CMDR)CMAROP(IR)微地址形成部件CMAR还需考虑如何读出这3条微指令?6.4(2)取指阶段的微操作及节拍安排考虑到需要形成后继微指令的地址T0T1T2T3T4T51R(PC)+1PCOP(IR)微地址形成部件MARPCCMARAd(CMDR)MDRM(MAR)CMARAd(CMDR)IRMDRCMAROP(IR)6.4(3)执行阶段的微操作及节拍安排考虑到需形成后继微指令的地址取指微程序的入口地址M由微指令下地址字段指出•非访存指令①CLA指令T0T1②COM指令T0T1Ad(CMDR)CMARACACCMARAd(CMDR)AC06.4④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)6.4•访存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMAR(AC)+(MDR)ACAd(CMDR)CMAR1R⑦STA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARACMDRAd(CMDR)CMARMDRM(MAR)Ad(CMDR)CMAR1W6.4⑧LDA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMARMDRACAd(CMDR)CMAR1R6.4全部微操作20个微指令38条•转移类指令⑨JMP指令T0T1Ad(IR)PCAd(CMDR)CMAR⑩BAN指令T0T1Ad(CMDR)CMARA0

•Ad(IR)+A0•(PC)PC6.42.确定微指令格式(1)微指令的编码方式(2)后继微指令的地址形成方式采用直接控制由机器指令的操作码通过微地址形成部件形成由微指令的下地址字段直接给出(3)微指令字长由20个微操作确定操作控制字段最少20位由38条微指令确定微指令的下地址字段为6位微指令字长可取20＋6＝26位6.4(4)微指令字长的确定1条18条38条微指令中有19条是关于后继微指令地址CMAROP(IR)CMARAd(CMDR)CMAR其中若用Ad(CMDR)直接送控存地址线则省去了打入CMAR的时间，省去了CMAR同理OP(IR)微地址形成部件控存地址线可省去19条微指令，2个微操作38－19＝19

下地址字段最少取5位20－2＝18操作控制字段最少取18位6.418位考虑留有一定的余量取操作控制字段下地址字段5位共30位(6)定义微指令操作控制字段每一位的微操作012232429……24位6位6.4多路选择OPIR下地址控制存储器…CMDR控制信号

微地址

形成部件(5)省去了CMAR的控制存储器3.编写微指令码点1116LDA12111ADD11004COM03CLA111011100微指令地址(八进制)微程序名称110011000000010001000000000000000010微指令（二进制代码）操作控制字段下地址字段117001000取指0220××××××0000100100100000006.4272625242310432129280……15.3指令流水一、如何提高机器速度1.提高访存速度2.提高I/O和主机之间的传送速度提高整机处理能力高速芯片Cache多体并行多总线DMAI/O处理机通道高速器件改进系统结构，开发系统的并行性中断3.提高运算器速度高速芯片改进算法快速进位链二、系统的并行性时间上互相重叠2.并行性的等级指令级（指令之间）过程级（程序、进程）两个或两个以上事件在同一时刻发生两个或两个以上事件在同一时间段发生并行1.并行的概念粗粒度软件实现细粒度硬件实现并发同时5.3取指令3执行指令3三、指令流水原理2.指令的二级流水1.指令的串行执行取指令

取指令部件完成总有一个部件空闲指令预取若取指和执行阶段时间上完全重叠指令周期减半速度提高1倍…执行指令

执行指令部件

完成取指令1执行指令1取指令2执行指令2取指令3执行指令3取指令2执行指令2取指令1执行指令15.3必须等上条指令执行结束，才能确定下条指令的地址造成时间损失3.影响指令流水效率加倍的因素(1)执行时间>取指时间

(2)条件转移指令对指令流水的影响

解决办法

？取指令部件指令部件缓冲区执行指令部件猜测法5.34.指令的六级流水六级流水14个时间单位串行执行6×9＝54时间单位完成一条指令6个时间单位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t5.3指令1与指令4冲突指令2与指令5冲突指令1、指令3、指令6冲突……COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t三、影响指令流水性能的因素1.访存冲突解决办法•指令存储器和数据存储器分开•指令预取技术（适用于访存周期短的情况）5.32.相关问题程序的相近指令之间出现某种关联使指令流水出现停顿