中央处理器(教案)
第五章中央处理器（教案）
a)学习目的与要求
学习目的：了解掌握计算机中央处理器的组成原理与控制方式
学习要求：了解CPU的总体结构，掌握指令的执行过程，时序产生器的工作与控制原理，微程序控制技术，各种控制器的结构和工作原理。
本章主要内容：
?CPU的总体结构
?指令的执行与时序产生器
?微程序设计技术和微程序控制器
?硬布线控制器与门阵列控制器
?CPU的新技术
b)应掌握的知识点
i. CPU的总体结构
CPU由控制器和运算器两个主要部件组成。控制器负责协调和指挥整个计算机系统的操作，控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成；运算器接受控制器的命令并负责完成对操作数据的加工处理任务，由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态标志寄存器组成。
CPU主要完成以下几方面的功能：（１）控制指令执行顺序；（２）控制指令操作；（３）控制操作时间；（４）执行算术、逻辑运算。
CPU中完成取指令和执行指令全过程的部件是操作控制器，其主要功能是根据指令操作码和时序信号的要求，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路。
操作控制器有组合．逻辑控制器和微程序控制器两种，二者和差别是它们中的“控制信号形成部件”不同，反映了不同的设计原理和方法。根据设计方法不同可分为：①硬布线控制器；②微程序控制器；③门阵列控制器。
CPU中除了操作控制器外，还必须有时序产生器。时序产生器是对各种操作实施时间上的严格控制的部件。
CPU的组成如图5.1所示。
算术逻辑单元
CPU
c c c
ALU
取指
控制
执行
控制
时钟
状态反馈操作控制器
时序产生器
状态条件寄存器
累加器
c
AC
指令
译码器
程序
计数器PC
c c 指令寄存器
c
IR
c
地址寄存器AR
缓冲
寄存器
DR
存储器
输入/
输出
数据总线
DBUS
地址总线
ABUS
图5.1 CPU主要组成部分逻辑结构图
ii. 指令的执行与时序产生器
1.指令周期
程序运行的过程是逐条执行指令的过程，而一条指令的执行又分为取指令、取操作数和执行指令等时间段，这些时间段在计算机中称为周期。
取出指令并执行该指令所需的时间称为指令周期。如图5.2所示。
1.取指令 1.取操作数
2.指令译码 2.完成操作
3.PC+! 3.结果回写
4.送操作数地址 4.AC送存储器
图5.2 指令周期、取指周期、执行周期和微操作
指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU 访问一次主存储器所花的时间比较长，故通常是用主存储器中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。CPU周期也称为机器周期。这就是说，一条指令的取出阶段，简称取指，需要一个CPU周期时间。而一个CPU周期又包含有若干个时钟周期，时钟周期通常又称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最基本时间单位，它由机器的主频决定。一个CPU周期的时间宽度就由若干个时钟周期的总和决定。
几种典型指令的指令周期：
（１）非访问内存的指令(如CLA)需要两个CPU周期。如图5.3所示。其中，取指令阶段需要一个CPU周期，执行指令阶段需要一个CPU周期。在第一个CPU周期，从内存
取出指令并译码以确定执行何种操作；在第二个CPU 周期，完成指令所要求的操作。
（２）直接访问主存储器的指令(如ADD)的指令周期由三个CPU 周期组成。如图5.4所示。第一个 CPU 周期为取指令阶段，执行指令阶段由两个CPU 周期组成：在第二个 CPU 周期中将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码，而在第三个CPU 周期中从内存取出操作数并执行相加的操作。
（３）间接访问主存储器指令 (如STA I 31)”的指令周期由4个CPU 周期组成，如图5.5所示。其中，第一个CPU 周期仍然是取指令阶段，指令执行阶段三个CPU 周期组成：第一个CPU 周期中，把指令寄存器中地址码部分的形式地址(31)装到地址寄存器中；第二个CPU 周期中，完成从内存取出操作数地址，并放入地址寄存器中；第三个CPU 周期中，累加器的内容传送到缓冲寄存器，然后再存入所选定的存储单元(40)中。
（４）程序控制指令（如JMP 21）既可采用直接寻址方式，也可采用间接寻址方式。这里以直接寻址方式为例，采用直接寻址方式的JMP 指令周期由两个CPU 周期组成，如图5.6所示。第一个CPU 周期仍是取指令阶段，取出指令并放入指令寄存器；第二个CPU 周期为执行阶段，把指令寄存器中的地址码部分21送到程序计数器中，从而改变了程序原先的执行顺序。
2. 时序产生器
时序信号产生器是产生指令周期控制时序信号的部件，CPU 开始取指令并执行指令时，操作控制器利用时序产生器产生的定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理、有节奏地指挥机器各个部件按规定时间动作，提供计算机各部分工作时的时间标志。
在组合逻辑控制器中，时序信号往往采用主状态周期–节拍电位–节拍脉冲制。主状态周期包含若干个节拍电位，是最大的时间单位，主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间
图5.3 非访问内存指令的指令周期
图 5.4 直接访问内存指令的指令周
取指令阶段 执行指令阶段
图5.5 间接访问内存指令的指令周期期 图5.6 转移控制指令的指令周期
来表示；一个节拍电位表示一个CPU 周期时间，以表示一个较大的时间单位；一个节拍电位包含若干个节拍脉冲，节拍脉冲表示较小的时间单位。
在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用电位–节拍脉冲制。在一个节拍电位
中包含若干个节拍脉冲，即时钟周期。节拍电位表示一个CPU 周期的时间，而节拍脉冲把
一个CPU 周期划分成几个较小的时间间隔，这些时间间隔可以相等，也可以不相等。
时序信号产生器结构由时钟源、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读/写时序译码逻辑、启
停控制逻辑等部分构成的，如图5.7所示。
3. CPU 的控制方式
CPU 常用的控制方式有三种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。 同步控制方式，是指在任何情况下给定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的控制方式。 异步控制方式中，每条指令的指令周期既可由数量不等的机器周期数组成，也可由执行部件完成CPU 要求的操作后发回控制器的“回答”信号决定。亦即CPU 访问的每个操作控制信号的时间根据其需要占用的时间来决定。显然，用这种方式形成的操作控制序列没有固定的CPU 周期数(节拍电位)和严格的时钟周期(节拍脉冲)与之同步，所以称为不同步即异步方式。
联合控制方式，就是指同步控制和异步控制相结合的方式。
iii. 微程序设计技术和微程序控制器
微程序控制器是用微程序实现计算机控制的控制器。它将有关微操作控制信号写成微指令，若干微指令组成一个微程序，所有微程序都存放在控制存储器中。读出一条微指令，就产生一组微操作控制信号。因此，将原来的组合逻辑变成了存储逻辑，还可以用类似程序设计的方法来设计控制逻辑。 1. 基本概念
（1） 微命令——由微程序控制器产生的微操作控制信号。 （2） 微操作——执行部件接收微命令后实现的操作过程。
（3） 微指令——在一个微指令周期中，一组实现一定操作功能的微命令。
（4） 微指令周期——执行一条微指令和取出下条微指令所需的时间。通常一个微指
令周期与一个CPU 周期在时间上是相等的。
（5） 微程序——若干微指令的组成的序列。一个微程序的功能对应一条机器指令的
功能。
2. 微指令基本格式
微指令由操作控制和顺序控制两个基本部分构成，操作控制部分用来发出指挥计算机工作的控制信号。顺序控制部分用来决定产生下一条微指令的地址。如图5.8所示。
MREQ IORQ 图5.7 时序信号产生器结构图
控制信号W/R S i~S0下一条指令地址
图5.8 微指令基本格式
微程序设计技术
一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列就是微程序。微程序设计的关键是微指令结构的设计。设计微指令结构时主要考虑以下几个问题：微指令字的长度、控制存储器的容量、微程序的长度、微程序的执行速度、微指令的修改、微程序设计的灵活性。
常用的微命令编码译码控制方法有以下几种：
位直接控制法：将微指令的操作控制字段的每个二进制位定义为一个微命令，直接送往相应的控制点。此法的缺点是微命令太多，造成微指令字长过长。
字段直接译码控制法：把一组相斥性的微命令信号组成一个字段(一个小组)，然后通过字段译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。
字段间接译码控制法：在字段直接译码控制法中规定一个字段的某些命令由另一个字段中的某些微命令来解释，则这种方法称为字段间接译码控制法。
混合编码译码控制法：将位直接控制法与字段译码控制法混合使用，综合考虑微指令字长、灵活性和执行微程序速度等方面的要求。
常数字段控制法：通过在微指令中附设一个常数字段给某些执行部件直接发送常数。该常数有时作为操作数送入ALU参加运算，有时也作为计数器的初值来控制微程序循环次数。
微程序执行顺序的控制
计数器方式——设置微程序计数器，每执行完一条微指令，微程序计数器加1，以形成下条微指令地址。因有转移情况出现，需设置转移微指令。
断定方式——在微指令中设置一个下址字段，用来指明下一条要执行的微指令地址。无需设置转移微指令，但增加了微指令字的长度。
微程序控制器组成原理
根据微程序控制器的设计思想，其结构框图如图5.9所示。它的主要部件及功能如下：控制存储器——由只读存储器构成，用于存放微程序。
微地址转移逻辑——用于产生后继微指令的地址。
微命令寄存器——保存微指令的微操作码，产生对应的微命令。
图5.9 微程序控制器组成原理框图
iv. 硬布线控制器与门阵列控制器
1.硬布线控制器
硬布线控制器又称为组合逻辑控制器。硬布线控制器主要由组合逻辑网络、指令寄存器和指令译码器、节拍电位/节拍脉冲发生器等部分组成。其中，组合逻辑网络产生计算机所需的全部操作命令(包括控制电位与打入脉冲)，是控制器的核心。硬布线控制器的结构原理如图5.10所示。图中，组合逻辑网络的输入信号有3个来源：
①来自指令操作码译码器的输出I1～I m，，译码器每根输出线表示一条指令，译码器的输出反映出当前正在执行的指令。
②来自执行部件的反馈信息B1～B j。
③来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号M1~M i和节拍脉冲信号T1～T k。其中，节拍电位信号是机器周期信号，节拍脉冲信号是时钟周期信号。
微操作控制信号
图5.10 硬布线控制器结构原理方框图
2.门阵列控制器
由大量的与门、或门阵列等电路构成的器件，简称为门阵列器件。用门阵列器件设计的操作控制器，称为门阵列控制器。典型代表产品有:可编程逻辑阵列(PLA)、可编程阵列逻辑(PAL)、通用阵列逻辑(GAL)。其工作原理与组合逻辑控制器基本相同，但用门阵列器件代替组合逻辑网络。
v. CPU的新技术
1.流水线技术
流水线技术是通过硬件并行工作，从而加快程序的执行速度。但就一条指令而言，其执行速度并没有加快。图5.11示出了指令串行和重叠执行情况。流水线对机器性能的改善程度取决于能把处理过程分解成相等时间步数的多少。
(a)
T 2T
(b)
I1
I2
I3
I4
(c)
图5.11 指令串行和重叠执行情况(指令流水线)
(a) 指令串行作业；(b) 两条指令重叠执行(两级流水线)；(c) 四条指令重叠执行(四级流水线)
流水线处理技术是在重叠控制基础上发展起来的，它是将一个复杂过程分解成多个子过程，每个过程段都具有专用的功能部件，因而可以使所有子过程同时对不同的数据进行处理。流水线技术特点为：一个流水过程，可以包括多个子过程；每一个子过程都有专门的功能段来完成；各功能段所需要的时间是相同的；适合于大量的重复性的处理。
流水线技术使计算机系统结构产生重大变革。它的进一步发展，除了要通过优化编译、采用好的指令调度算法、重新组织指令执行顺序、降低相关带来的干扰外，另一条出路是开发多发射技术，即设法在一个时钟周期内发出多条指令。常见的多发射技术有超标量技术，超流水线技术和超长指令技术。
超标量技术是指在每个时钟周期内同时并发多条独立指令，即将两条或两条以上的指令并行编译、执行。
超流水线技术是将一些流水线寄存器插入到流水线段中，通过对流水管道再分，使每段的长度近似相等，以便现有的硬件在每个周期内使用多次，即每个超流水线段都以数倍于基本时钟频率的速度运行。
超长指令字和超标量技术，都是采用多条指令在多个处理部件中并行处理的体系结构，区别在于一个机器周期内流出的指令条数不同。超标量的指令来自于同一标准指令流。超长指令字则是由编译程序在编译时挖掘出指令间潜在的并行性后，把多条能并行执行的指令组合成一条具有多个操作段的超长指令。再由这条超长指令的超长指令字控制机器中多个独立工作的部件，每一个操作段控制一个部件，相当于同时执行多条指令。
2.RISC技术
RISC的指令系统包含最常用的简单指令。因此，RISC通过优化硬件设计，把时钟频率提得很高，实现整个系统的高性能。RISC的缺点是其精简指令集不标准，并且与传统的CISC 不兼容。
c)重点、难点与考点
重点：
１.CPU工作原理及流程的分析，控制器的组成及工作过程，控制时序的有关概念（周期、节拍）和控制方法。
２.CPU总体结构（包括寄存器的设置），指令的字段分析和执行情况分析。
３.控制器的组成，指令操作、执行流程。
４.微程序的基本概念，微指令执行方式，微程序控制器的设计方法及实现过程，组合逻辑控制器的总体结构。
难点：
１.对CPU执行指令过程的分析，结合现实内容对CPU的分析。
２.与现实CPU所关联的性能比较、功能说明等问题。
３.对指令具体字段、相关寄存器的分析，微程序控制器、组合逻辑控制器的分析、比较。４.与时序有关的实现电路的设计、改错、分析、描述，对微指令集合的确定。
考点：
１.填空题部分主要围绕CPU、指令和微指令、微操作的有关常识进行；CPU的总体结构、有关寄存器的信息，常见操作的功能和指令执行情况，CPU性能的衡量，微操作的概念、方式、微指令的格式、控制方式和执行过程。
２.选择题部分主要是CPU的内部组成，寄存器的设置和功能分析，指令代码分析，微指令代码分析，微程序控制器，微操作序列分析，微指令执行方式，典型CPU性能、组成及其他方面的比较和分析。
３.问答题部分主要是各类CPU的特点、性能上的分析和比较，指令执行情况的描述，对其间所涉及到的寄存器等内容的影响分析，指令、微指令、微操作、微程序控制器的概念和相互关系，指令执行流程和过程分析，微指令具体格式、字段的分析，微程序控制原理、组成及基本工作原理，组合逻辑控制器的总体结构、设计步骤，微程序控制器和组合逻辑控制器的比较，控制器的组成、实现、控制方式的分析。
４.设计题是本书的难点。其具体内容有：微程序控制的实现、微指令格式和具体字段的确定、CPU数据通道的联接，时序的安排和构画逻辑框图、具体操作的微命令的确定和实现过程的图形化描述以及组合逻辑和微程序的两种控制器的组成。
d)典型例题精选
填空题
例1.1 程序计数器的作用是。
解：指示指令的执行顺序。
例1.2 微指令由控制字段和地址字段组成，其基本的控制字段编译法由、、。
解：直接控制法，字段直接控制法，字段间接编译法。
例1.3 一条微指令可划分为字段和字段；微指令的基本格式可分为和。
解：微操作控制，微地址，垂直型微指令，水平型微指令。
例1.4 指令字长度等于机器字长度的指令称为m ；双字长指令是n 。
解：单字长指令，指令字长度等于两个机器字长度的指令。
例1.5 设计微程序控制器时，所追求的目标是：、、、。
解：缩短微指令字长，减少控存容量，提高微程序的执行速度，便于对微指令的修改。
选择题
例1.1 微程序控制器中的控制存储器用来存放。
Ａ. 机器指令和数据Ｂ. 微程序和数据
Ｃ. 机器指令和微程序Ｄ. 微程序
分析：微程序控制器中的控制存储器用来存放实现整个指令系统的所有微程序。
答案：Ｄ。
例1.2 同步控制是。
Ａ. 只适合于CPU控制的方式Ｂ. 只适合于外部设备控制的方式
Ｃ. 由统一时序信号控制的方式Ｄ. 所有指令执行时间相同的方式分析：同步控制方式是指机器有统一的时钟信号，所有的微操作控制信号都与时钟信号同步。在计算机控制器的设计中，集中控制部分一般采用同步控制方式，而分布控制部分（如外设）则一般采用异步控制方式。
答案：Ｃ。
例1.3 指令周期是。
Ａ. CPU从主存取出一条指令的时间
Ｂ. CPU执行一条指令的时间
Ｃ. 时钟周期时间
Ｄ. CPU从主存取出一条指令并执行这条指令的时间
分析：一条指令的执行时间，即从取指令开始到指令结束的全部过程所需要的时间，称为指令周期。一般情况下，指令周期中包括取指令、分析指令、执行指令等步骤。不同的指令，操作性质不同，执行时间的长短不同。所以，不同的指令的指令周期是不等的。
答案：Ｄ。
例1.4 组合逻辑控制器和微程序控制器的主要区别在于：。
Ａ. ALU结构不同Ｂ. 数据通路不同
Ｃ. CPU寄存器组织不同Ｄ. 微操作信号发生器的构成方法不同分析：组合逻辑控制器和微程序控制器的主要区别在于微操作命令序列形成部件不同，组合逻辑控制器的核心部件是门电路，微程序控制器的核心部件是控制存储器ROM。
答案：Ｄ。
例1.5 在微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是。
Ａ. 每条机器指令由一条微指令来执行
Ｂ. 每条机器指令由一段微程序来解释执行
Ｃ. 一段机器指令组成的程序可由一条微指令来执行
Ｄ. 一条微指令由若干条机器指令组成
分析：机器指令是提供给用户编程的最小单位，它标志着机器能够完成的一项基本操作，机器指令用微指令编制的一段微程序表示。微指令是一组由特定功能的微命令的集合，通常用二进制编码表示。
答案：Ｂ。
例1.6在计算机系统中，表征系统运行状态的部件是___。
A.程序计数器
B.累加寄存器
C.指令寄存器
D.程序状态字 分析：程序计数器指示当前指令的地址；累加寄存器保存计算的结果；指令寄存器存放当前指令；程序状态字则存放当前系统的运行状态。故选D 。
例1.7 .为使虚存系统有效的发挥其预期的作用，所运行的程序应具有的特性是___。
A. 该程序不应含有过多的I/O 操作
B. 该程序的大小不应超过实际的内存容量
C. 该程序应具有较好的局部性
D. 该程序的指令间相关不应过多
分析： A 不是主要原因；B 刚好与虚存的目的相反；C 正确；D 也不是主要的原因。 简答题
例1.1 简要说明指令周期、CPU 周期和时钟周期三者之间的关系。
答：指令周期是取出并执行一条指令所用的时间，指令周期常常用若干个CPU 周期数来表示。由于CPU 内部的操作速度较快，而CPU 访问一次主存储器所花的时间比较长，故通常是用主存储器中读取一个指令字的最短时间来规定CPU 周期。CPU 周期也称为机器周期。而一个CPU 周期又包含有若干个时钟周期，时钟周期通常又称为节拍脉冲或T 周期，是处理操作的最基本时间单位，它由机器的主频决定。一个CPU 周期的时间宽度就由若干个时钟周期的总和决定。
例1.2 简要说明组合逻辑与微程序控制器组成的同异之处，两种控制器各自的优缺点。 答：组合逻辑与微程序的控制器组成的相同之处，均有PC 、IR 、时序电路、中断机构及状态条件。不同在于微操作命令序列形成部件不同，组合逻辑控制器的核心部件是门电路，微程序控制器的核心部件是控制存储器ROM 。
微程序控制设计规整、可调整、可形式化，速度慢；组合逻辑控制设计不规整、不可调整、难以形式化、速度快，现在主流微处理器大多数采用组合逻辑和微程序控制相结合的设计来实现。
例1.3 阐述RISC 和CISC 的不同。
答：RISC 是精简指令系统计算机，CISC 是复杂指令系统计算机。RISC 与CISC 的不同表现在两个方面。
（1）结构不同：RISC 与CISC 处理机的硬件特性如图5.12所示。
传统的CISC 结构用一个合一的Cache 来保存指令和数据。因此，数据/指令通路是共享的。通常在RISC 处理机中，指令和数据Cache 是分开的，使用不同的存取通路。传统的CISC 是用微程序控制，而大多数RISC 则使用硬连线控制，因而速度快。随着技术的发展，CISC 处理机目前也大多采用硬连线和分开的Cache 。
(a) (b)
图5.12 典型的RISC与典型的CISC处理机结构的区别
(a)采用微程序控制与合一高速缓存的CISC结构
(b)采用硬连线控制和分开指令高速缓存与数据高速缓存的RISC结构
（2）结构特性不同：RISC与CISC处理机在指令系统、寻址方式、寄存器堆与Cache 设计、时钟频率与预期的每条指令的周期数（CPI）的区别如表5.1所示。
表5.1 CISC与RISC的结构特性表
在CISC处理机中，许多指令都采取可变格式——整数、浮点及向量数据，并用了十几种不同的寻址方式。另外，由于通用寄存器不多，将使很多指令要访问存储器获得操作数，这样控制执行一些复杂指令需要的微操作码比较长，因而指令周期就比较长。
大多数RISC处理机使用32位指令，它们以寄存器为基础，因而具有明显优势。而且采用的寻址方式数量少又比较简单，可以将存储器存取周期插入到使用高速缓存和工作寄存器的流水线存取操作中。另外，采用一个大寄存器堆与分开的指令和数据Cache，也有利于内部数据定向，并可将中间结果不必要的存储省掉；又加上使用硬连线控制，因而大多数RISC 指令可以在一个CPU周期内完成。
计算题
例1.1 某机采用微程序控制器设计，已知每一条机器指令的执行过程均可分解成８条微指令组成的微程序，该机指令系统采用６位定长操作码格式，控制存储器至少应能容纳多少条微指令？如何确定机器指令操作码与该指令微程序的起始地址的对应关系，请给出具体方案。
解：采用６位定长操作码可表示26＝64条指令，控存至少能容纳64×8=512条微指令。
微指令后继微地址由微指令的微地址码字段产生，若由微地址码字段直接给出，微地址码字段至少需９位，将全部512条微指令统一编码，这种设计方法所需控存容量较大，微指令地址码长，另可采用顺序――转移方法或断定方法产生后继地址。若采用顺序――转移方式，需增加μPC，指明下一条微指令的微地址，通过改变μPC的值达到转移的目的。若用断定方式，则需增加测试字段，以实现转移。
设计分析题
例1.1 某两个数据M、N存在内存储器中，要求的F＝(M－Ｎ)/2，把结果存放在运算器的同时送回存储器，试设计实现该功能的逻辑框图，并写出微操作序列。
分析：根据要求，将F＝(M－Ｎ)/2的结果存放在运算器中，同时送回存储器。因此，
①需要一个ALU，具有+、－和M（传送）三种功能。
②需要在运算器中增加两个寄存器A、B，以便存放参加运算的数。这两个寄存器之一具有接受存储器数据的功能，如B寄存器；另一个寄存器能接受加法器的结果，如A寄存器。
③需要一个移位寄存器，具有L（左移），R（右移），V（直送）三种方向的移位。
本题要求计算F＝(M－Ｎ)/2，即将数M、N送入ALU，进行M－N的操作后，将其结果送入移位器，右移1位，即可得F的值。
解：
其微操作序列为：
①P0：B←MBR；取操作数M送B寄存器
②P2：ALU←B；将操作数M送入ALU
P1：A←ALU；将操作数Ｍ送Ａ寄存器
③P0：B←MBR；将操作数N送B寄存器
④P2：ALU←B；将操作数Ｍ送ＡＬＵ
P3：ＡLU←A；将操作数Ｎ送ＡＬＵ
P4：移位器←ALU；将M－Ｎ结果送移位器，右移１位
⑤P1：A←移位器；将Ｆ送入Ａ寄存器
P5：MBR←移位器；将F送入存储器。
其逻辑框图如图5.13所示：
MBR
图5.13 运算器逻辑框图
例1.2 已知某CPU采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512×32位。微程序可以在整个控制存储器中实现转移，控制微程序转移的条件有5个，微指令采用水平型格式，后继微地址采用断定方式，微指令格式如下：
（1）说明微指令中的三个字段应分别为多少位。
（2）画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。
解：（1）因为控制存储器容量为512×32位。所以可以得知控制存储器有512个单元。
微指令若可以寻址512个控制单元，则下微地址字段应为9位。因为29=512。因控制微程序转移的条件有5个，所以可以得知有5个判别测试条件。若采用直接表示法，则判别测试字段应为5位，每一位表示一个测试条件。微命令字段即为32-5-9=18位。因此，微指令格式为
（2）对应该微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图5.9所示。其中，微地址寄存器（μAR）对应微指令格式中的下微地址字段，S字段即为判别测试字段，S字段和微字段组成微指令寄存器（μIP）。地址转移逻辑的输入是指令寄存器IR的操作码字段、各种状态条件以及判别测试字段给出的判别标志；其输出修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分支转移。
e)练习题
一、填空题
1. 中央处理器CPU的功能是。
2.固件是，一般用实现。
3.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式，通常有以下三种方式：
、、。
4.微指令格式的基本类型为和。
5.控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做
，而执行部件执行此控制命令后所进行的操作叫做。
6.在微程序控制器中，一条机器指令对应一个。
7.微程序控制器主要由、、三大部分组成，其核心部件
是由组成，用来存放。
8.实现机器指令的微程序一般存放在中，而用户程序存放在中，
前者的速度比后者。
9.中央处理器（CPU）的四个主要功能是：、、和
。
10.各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少有六个主要寄存器，
它们是：、、、、、和。
11.在CPU中，指令寄存器的作用是，程序计数器的作用是，程序状态字
寄存器PSW的作用是，地址寄存器的作用是。
12.CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫做，它常常用若干个
表示，而后者又包含有若干个。
13.在程序执行的过程中，控制器控制计算机的运行总是处于、分析指令和
的循环之中。
14.顺序执行时PC的值，遇到转移和调用指令时，后继指令的地址（即PC的
内容）是从指令寄存器中的取得的。
15.状态寄存器是由各种拼成的寄存器，如进位标志、溢出标志等。
16.微指令的三种编码方式分别为：表示法、表示法及混合表示法。
17.微指令执行时产生后继微地址的方法主要有、和结合法。
18.一条转移指令的操作过程包括、及三部分。
19.任何指令周期的第一个CPU周期必定是周期。
20.一条微指令可划分为字段和字段；微指令的基本格式可分为
和。
21.从广义上讲，计算机中引入并行性有三种基本途径,分别是、、。
22.多媒体CPU是一种带有__ _技术的处理器，它是一种_______技术，其特别适用于___
处理当中。
二、选择题
1.中央处理器（CPU）是指。
A. 运算器
B. 控制器
C. 运算器和控制器
D. 运算器、控制器和主存储器
2.在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是。
A. 主存地址寄存器
B. 程序计数器
C. 指令寄存器
D. 状态条件寄存器
3.操作控制器的功能是。
A. 产生时序信号
B. 从主存取出一条指令
C. 完成指令操作码译码
D. 从主存取出指令，完成指令操作码译码，并产生有关的操作控制信号，以解释执行该指令
4.指令周期是指。
A. CPU从主存取出一条指令的时间
B. CPU执行一条指令的时间
C. CPU从主存取出一条指令加上执行这条指令的时间
D. 时钟周期时间
5.同步控制是。
A. 只适用于CPU控制的方式
B. 只适用于外围设备控制的方式
C. 由统一时序信号控制的方式
D. 所有指令执行时间都相同的方式
6.异步控制常用于作为其主要控制方式。
A. 在单总线结构计算机中访问主存与外围设备时
B. 微型机的CPU控制中
C. 组合逻辑控制的CPU中
D. 微程序控制器中
7. 微操作在执行部件中是最基本的操作。由于数据通路的关系，微操作可分为相容性和相斥性微操作。请在以下叙述中选出一个正确描述的句子。
A. 同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相容性微操作
B. 同一个CPU周期中，不可以并行执行的微操作叫相容性微操作
C. 同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相斥性微操作
D. 同一个时钟周期中，不可以并行执行的微操作叫相斥性微操作
8. 用PLA器件设计的操作控制器称为PLA控制器。从技术实现的途径来说，PLA控制器是一种。
A. 用存储逻辑技术设计的控制器
B. 用组合逻辑技术设计的控制器
C. 用微程序技术设计的控制器
D. 用组合逻辑技术和存储逻辑技术结合设计的控制器
三、名词解释
1.指令流
2.数据流
3.指令周期
4.异步控制方式
5.同步控制方式
6.节拍
7.节拍电位
四、简答题
1.试述控制器基本功能。
2.控制器有哪几种控制方式？各有何特点？
3.试述指令周期、时钟周期、存储周期三者的关系。
4.指令周期内节拍划分的原则是什么？
5.试述取指周期和执行周期各执行哪些操作？
6.什么是微命令和微操作？它们有什么关系？
7.在微程序的控制器中，通常有哪5种得到下一条微指令地址的方式。
8.简要说明组合逻辑控制器中的节拍发生器的作用是什么？简述它的工作原理。
9.简要说明条件转移指令和无条件转移指令的相同点和不同点？子程序调用指令与转移
指令的区别是什么？
10.简述计算机的控制器的功能和基本组成，微程序的控制器和组合逻辑的控制器在组成和
运行原理方面的相同、不同之处表现在哪里？
11.一般情况下，怎样区分从内存中取出的机器字是数据字还是指令字？
五、计算题
1.假设某机器有86条指令，平均每条指令由12条微指令组成，其中一条是取指微指令。
取指指令是公用的，已知微指令字长48 位。请问控制存储器的容量需多大？
2.CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100
次，已知cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。求：（1）cache/主存系统的效率。（2）平均访问时间。
六、分析题
1.已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512×48位。微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制微程序转移的条件共有4个，采用水平型格式，后继微指令地址采
(1) 微指令中的三个字段分别应为多少位？
(2) 画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。
2.某机有8条微指令I 1～I 8，每条微指令所包含的微命令控制信号如表5.3所示。
A ～j 分别对应10种不同性质的微命令信号，假设一条微指令的控制字段为8位，请安排微指令的控制字段格式。
3. 请在下表中第二列、第三列填写简要文字对CISC 和RISC 的主要特征进行对比。
比 较 内 容 CISC RISC (1) 指令系统 (2) 指令数目 (3) 指令格式 (4) 寻址方式 (5) 指令字长 (6) 可访存指令
(7) 各种指令使用频率 (8) 各种指令执行时间 (9) 优化编译实现 (10) 程序源代码长度 (11) 控制器实现方式 (12) 软件系统开发时间
七、设计题
1. 时序产生器需要在一个CPU 周期中产生三个节拍脉冲信号：T l （200ns ），T 2（400ns ），
T 3（200ns ），请设计时序逻辑电路（不考虑启停控制）。 2. 某假想机主要部件如图5.14所示。其中：
M ——主存储器 MBR ——主存数据寄存器 IR ——指令寄存器， MAR ——主存地址寄存器 PC 一—程序计数器 R 0- R 3——通用寄存器 C ，D ——暂存器
（1）请补充各部件之间的主要联结线，并注明数据流动方向。
（2）拟出“ADD(R 1)，(R 2)+”指令的执行流程(含取指过程与确定后继指令地址)。该指令
的含义是进行求和操作，源操作数地址在寄存器R1中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址方式(先取地址后加1)。
图5.14 某假想机主要部件
3．运算器结构如图5．15所示，IR为指令寄存器，R1—R3是三个通用寄存器，其中任何一个可作为源寄存器或目标寄存器，A和B是三选一多路开关，通路的选择分别由AS0，AS l 和BS0，BS l控制（如BS0BS l＝01时选择R l，10时选择R2，11时选择R3）S1S2是ALU的操作性质控制端，功能如下：
S1S2＝00时，ALU输出B S1S2＝0l时，ALU输出A+B
S1S2＝10时，ALU输出A-B S1S2＝11时，ALU输出B
假设有如下四条机器指令，其操作码OP和功能如表5．4所示，要求：
（1）如机器字长8位，请设计四条指令的指令格式。
（2）如限定微指令字长不超过14位，请设计微指令格式（只考虑运算器数据通路的控制），假设控存CM容量仅16个单元。
（3）假定取指微指令完成从主存M取指令到IR，画出四条指令的微程序流程图．标
注微地址和测试标志。
（4）假定用节拍脉冲T4修改微地址寄存器，用T1脉冲做为CM读出信号的打入信号，试画出微地址转移逻辑图。
图5.15 运算器结构
表5.4 操作码OP和功能
4. 现在要设计一个新处理机，但机器字长尚悬而未决，有两种方案等待选择：一种是指令字长16位，另一种指令字长24位。该处理机的硬件特色是：①有两个基值寄存器（20位）。
②有两个通用寄存器组，每组包括16个寄存器。请问：
（1）16位字长的指令和20位字长的指令各有什么优缺点？哪种方案较好？
（2）若选用24位的指令字长，基地址寄存器还有保留的必要吗？
5. CPU的结构如下图所示，其中AC为累加器，AR为主存地址寄存器，DR为主存数据寄存器，DR(OP)为DR的操作码字段，DR(ADR)为DR的地址码字段，IR为指令寄存器，PC 为程序计数器，M为主存储器，表(1)列出CPU控制信号，表(2)列出指令组助记符及其功能，并给出每条指令的操作码。
请设计：1）满足所给条件的微指令格式（直接控制法）。
2）设计表（2）中6条指令的微程序流程图，标明每条微指令在控存中的地址。
ALU
AC
D'R
主存M
AR PC IR控制部件
（写M）C4C3（读M）
C1（ADD）
C2（COM）
AC=0
C5C6
C7
C8
C9
C10C11
C1 C2 ……C11
AC=0
表(1)
被控制的操作控制信号被控制的操作
C1 C2 C3 C4 C5AC AC+DR
AC AC
DR M（AR）（读M）
M（AR） DR（写M）
DR AC
C6
C7
C8
C9
C10
C11
AC DR
AR DR（ADR）
PC DR（ADR）
PC PC＋1
AR PC
IR DR（OP）
表（2）
f)练习题题解
一、填空题
1.从主存取出指令，分析指令并产生有关的操作控制信号
2.微程序，ROM
3.直接控制编码表示法，分段直接编码，分段间接编码
4.垂直型微指令，水平型微指令
5.微命令，微操作
6.微程序
7.控制存储器，控存地址寄存器，控制存储器，ROM，微程序
8.控制存储器，主存储器，快
9.指令控制，操作控制，时间控制，数据加工
10.指令寄存器，程序计数器，地址寄存器，缓冲寄存器，累加器，状态条件寄存器
11.保存当前正在执行的一条指令，跟踪后继指令的地址，保存处理器的状态信息和中
断优先级，保存当前CPU所访问的主存单元的地址
12.指令周期，机器周期，时钟周期
13.取指令，执行指令
14.自动加1，地址字段
15.状态标志位
16.直接，编码
17.计数器方式，断定方式
18.取指令，指令译码，计算地址
19.取指
20.微操作控制，微地址，垂直型微指令，水平型微指令
21.时间重叠，资源重复，资源共享
22.MMX，多媒体扩展结构，图象数据
二、选择题
1. C
2. B
3. D
4. C
5. C
6. A
7. A
8. D
三、名词解释
1.指令流：计算机执行的指令序列。
2.数据流：根据指令要求依次访问的数据序列。
3.指令周期：一条指令的执行时间，即从取指开始到指令结束的全过程所需的时间。
4.异步控制方式：系统各个部件之间没有统一的时钟，各部件有自己的时钟。
5.同步控制方式：机器有统一的时钟信号，所有的微操作信号都与时钟信号同步。
6.节拍：将CPU周期划分为若干个相等的时间段，每个时间段称为一个节拍。
7.节拍电位：节拍一般用具有一定宽度的电位信号表示。
四、简答题
1.控制器基本功能：取指令字、解释指令字、组织计算机各个部件操作的信号序列，以完成指令的执行，确定下一条指令的地址。
2.CPU常用的控制方式有三种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式，是指在任何情况下给定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的控制方式。
异步控制方式中，每条指令的指令周期既可由数量不等的机器周期数组成，也可由执行部件完成CPU要求的操作后发回控制器的“回答”信号决定。亦即CPU访问的每个操作控制信号的时间根据其需要占用的时间来决定。显然，用这种方式形成的操作控制序列没有固定的CPU周期数(节拍电位)和严格的时钟周期(节拍脉冲)与之同步，所以称为不同步即异步方式。
联合控制方式，就是指同步控制和异步控制相结合的方式。是目前计算机控制器设计中采用最多的、主要的控制方式。在控制器的设计中，集中控制部分一般采用同步控制方式，而分布控制部分一般采用异步控制方式。
3.现代计算机系统指令周期为离CPU最近的存储器系统的存储周期的整数倍；系统时钟周期与节拍宽度相等，故指令周期和存储周期是时钟周期的整数倍。
4.（１）存储周期是节拍周期的整数倍；（２）相关指令的顺序保证；（３）互斥微操作不能安排在同一节拍内；（４）相容微操作可安排在相同节拍或不同节拍中；（５）除访存等微操作外，大多数微操作在一个节拍内完成。
5.取指周期完成的操作：取指、指令译码、PC+１、送操作数地址；执行周期：取操作数、完成操作、结果回写、AC送存储器。
6.微命令是构成控制信号序列的最小单位，微命令由控制部件通过控制线向执行部件发出；微操作是执行部件接收微命令后所进行的最基本的操作。微命令是微操作的控制信号，而微操作是微命令控制的操作过程，在计算机内部实质上是同一信号。对控制部件为微命令，对执行部件为微操作。
7.（1）微程序顺序执行时，下地址为本条微指令地址加1。
（2）在微程序必定转向某一微地址时，可以在微指令字中的相关字段中给出该地址值。
（3）按微指令（上一条或本条）的某一执行结果的状态，选择顺序执行或转向某一地址。
（4）从微堆栈中取出从微子程序返回到微主程序断点的返回地址，用于微子程序返回处理。
（5）依条件判断转向多条微指令地址中的某一地址的控制。
8.（1）其作用是提供执行每一条指令的步骤（时序）标记信号和时序脉冲信号。
（2）它是用时序逻辑方式运行的，依据当前的时序状态信息，指令的操作码信息以及指令执行状态信息，产生下一条指令的时序脉冲信号。
9. （1）二者相同点是都必须在指令中给出转移地址，不同点在于条件转移指令还必须在指令中给出判断是否执行转移所依据的条件。
（2）子程序调用指令与转移指令的区别，子程序调用指令转移后要保存当前地址，以备