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计算机组成原理 中央处理器(CPU) 控制器的功能和工作原理

2026人浏览 / 0人评论 / | 作者:因情语写  | 分类: 计算机组成原理  | 标签: 计算机组成原理  | 

作者:因情语写

链接:https://www.proprogrammar.com/article/275

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    5.4.1 硬布线控制器-组合逻辑设计
    5.4.2 微程序控制器-微程序设计

    1、微命令:控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作微命令,它是构成控制序列的最小单位。
    例如:打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉冲等。
    微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。

    2、微操作:是微命令的操作过程。
    微命令和微操作是一一对应的。
    微命令是微操作的控制信号
    微操作是微命令的操作过程。
    微操作是执行部件中最基本的操作

    微操作命令

    由于数据通路的结构关系,微操作可分为相容的和互斥的两种:
    互斥的微操作,是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的微操作。可以编码表示。
    相容的微操作,是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操作。必须各占一位

    3、微指令:把在同一 CPU 周期内并行执行的微操作控制信息,存储在控制存储器里,称为一条微指令。

    一条微指令通常至少包含两大部分信息:
    操作控制字段,又称微操作码字段,用以产生某一步操作所需的各个微操作控制信号。
    顺序控制字段,又称微地址码字段,用以控制产生下一条要执行的微指令地址。

    4、微程序

    一系列微指令的有序集合就是微程序。
    一段微程序对应一条机器指令。

    5.4.1 组合逻辑设计

    一、 组合逻辑控制单元框图

    1. CU 外特性

    2.节拍信号

    二、 微操作的节拍安排

    采用同步控制方式

    一个机器周期内有 3 个节拍(时钟周期)
    CPU 内部结构采用非总线方式

    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

    2. 取指周期微操作的节拍安排

    3. 间址周期微操作的节拍安排

    4. 执行周期 微操作的 节拍安排

    5. 中断周期 微操作的 节拍安排

    三、 组合逻辑设计步骤

    1. 列出操作时间表

    2. 写出微操作命令的最简表达式

   

    3. 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(RISC)

    5.4.2 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

                                            存储逻辑

    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

    2. 微程序控制单元的基本框图

    3. 工作原理

    (1) 取指阶段 执行取指微程序

    (2) 执行阶段 执行 LDA 微程序

    (3) 取指阶段 执行取指微程序

    全部微指令存在 CM 中,程序执行过程中只需读出

    关键:
    指令的操作控制字段如何形成微操作命令
    微指令的后续地址如何形成

    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

    某位为“1” 表示该控制信号有效

    2. 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

    n 个微命令编码法表示,占 log2(n+1)位
    缩短了微指令字长,增加了译码时间

    3. 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

    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

    转移方式 指明判别条件
    转移地址 指明转移成功后的去向

    5. 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

    7. 后续微指令地址形成方式原理图

    五、 微指令格式

    1. 水平型微指令

    一次能定义并执行多个并行操作
    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
    由微操作码字段规定微指令的功能

    3. 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


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