【正文】 當(dāng)后繼指令需要的操作數(shù)剛好是前一條指令的運(yùn)算結(jié)果，便發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。處理機(jī)流水線應(yīng)用在多機(jī)系統(tǒng)中。將指令的處理過(guò)程劃分為取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行、寫(xiě)回等幾個(gè)并行處理的過(guò)程段。在統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，數(shù)據(jù)從一個(gè)過(guò)程段流向相鄰的過(guò)程段。這種并行技術(shù)帶來(lái)的高效益是最好的。 ? 時(shí)間并行：它是指 時(shí)間重疊 ，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。 請(qǐng)注意區(qū)分微指令自己的微地址和它所指向的下一條微指令的微地址！ 67 微地址（ 自己的 ） 微指令 操作控制字段 順序控制字段 二進(jìn)制 十進(jìn)制 微命令 測(cè)試判斷 下地址 0000 0 A 00 0001 0001 1 B 00 0010 0010 2 C 01 0100 0011 3 E 10 1010 0100 4 D 00 0011 0101 5 H 00 1000 0110 6 L 00 1001 0111 7 P 00 1001 1000 8 I 00 1011 1001 9 M 00 1110 1010 10 F 00 1100 1011 11 J 00 1101 1100 12 G 00 0000 1101 13 K 00 0000 1110 14 N 00 1111 1111 15 O 00 0000 68 設(shè)計(jì)舉例（三） 例 某機(jī)有 8條微指令 I1— I8，每條微指令所含的微命令控制信號(hào)如下表所示。 微地址分配的關(guān)鍵是帶有分支的微指令。 F=A； F=B F=A+1； F=B+1 F=A1； F=B1 寫(xiě)出轉(zhuǎn)子指令（ JSR）取指和執(zhí)行周期的微操作。 ② 進(jìn)行微操作信號(hào)的綜合 微操作信號(hào) = 機(jī)器周期 ∧ 節(jié)拍電位 ∧ 節(jié)拍脈沖 ∧ 操作碼 ∧ 運(yùn)行狀態(tài) ③ 根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出邏輯圖。 59 六、控制單元的設(shè)計(jì) ? 中央處理器 CPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心。第一步從控制存儲(chǔ)器中取出微指令，第二步執(zhí)行微指令所規(guī)定的各個(gè)微操作。操作控制字段采用直接控制法、字段編碼法生成的微指令一般屬于水平型微指令。 ? 各小段包含的信息位不能太多。這種編碼方式使得并行性差，微程序變長(zhǎng)。 52 微指令的編碼方法 微指令包含操作控制字段和順序控制字段兩大部分。 49 后繼微地址的形成（續(xù)二） ? 斷定方式 ：斷定方式又稱(chēng)為下址字段法，在微程序控制器中不設(shè)置微程序計(jì)數(shù)器（ μPC），而是在微指令格式中設(shè)置一個(gè)下址字段，用于指明下一條要執(zhí)行的微指令的地址。 ? 編程轉(zhuǎn)換： 當(dāng)機(jī)器指令的操作碼位數(shù)和位置都不固定時(shí)，可以采用 可編程邏輯陣列（ PLA）將每條機(jī)器指令的 操作碼翻譯成 對(duì)應(yīng)的微程序的入口地址 . 47 后繼微地址的形成 ? 找到微程序的入口地址，開(kāi)始執(zhí)行位程序。 ? 任何一條機(jī)器指令的取指令操作都是相同，取指令操作的微命令被統(tǒng)一編制成一段微程序，作為 公操作 使用。取指令操作對(duì)所有機(jī)器指令都一樣，通常由一段取指微程序來(lái)完成（取機(jī)器指令），屬于公操作。對(duì)控制存儲(chǔ)器的要求是速度要快。當(dāng)某一位為 1時(shí)，表示發(fā)出微命令；當(dāng)某一位為 0時(shí)，表示不發(fā)出微命令。它們是不能同時(shí)產(chǎn)生的。執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作，叫做 微操作 ，它是最基本的、不可再分的操作。目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)普遍采用 微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 來(lái)產(chǎn)生這些微動(dòng)作。 ? 異步控制方式 ：異步控制方式中沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，各部件按自身固有的速度工作。 ? 每個(gè) CPU周期狀態(tài)的建立信號(hào)由微操作信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，而且是在上一個(gè) CPU周期的最后一個(gè)節(jié)拍脈沖信號(hào)的下降沿建立。 節(jié)拍電位 工作脈沖 節(jié)拍脈沖 機(jī)器周期 CPU周期 29 時(shí)序部件 ? 下圖是組合邏輯控制器的時(shí)序部件結(jié)構(gòu)圖，由時(shí)鐘源、啟?？刂七壿嫛?CPU周期信號(hào)發(fā)生器、節(jié)拍電位信號(hào)發(fā)生器、節(jié)拍脈沖（工作脈沖）發(fā)生器等部分組成。 不單獨(dú)占 CPU周期 26 三、時(shí)序部件與控制方式 在日常生活中，我們學(xué)習(xí)、工作和休息遵循作息時(shí)間，以維持正常的秩序。因譯碼器譯出是“ NOP”指令，在第二個(gè) CPU周期中微操作信號(hào)發(fā)生器不發(fā)出任何控制信號(hào)。 CPU做 4個(gè)動(dòng)作： ① MAR?ABUS ② DBUS?MDR ③ MDR?ALU ④ add ， ALU?AC CPU完成指令操作 21 ③ STA指令的指令周期 程序的第三條指令是“ STA 40”，這是一條訪問(wèn)內(nèi)存的存數(shù)指令。 ? ALU響應(yīng)控制信號(hào)，將累加寄存器 AC的內(nèi)容全部清零，從而執(zhí)行了CLA指令。 ? 指令周期通常用若干個(gè) CPU周期 來(lái)表示， CPU周期也叫 機(jī)器周期 。 11 CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路 ? CPU內(nèi)部各部件之間需要傳送信息，例如操作數(shù)由寄存器送到 ALU進(jìn)行運(yùn)算， ALU將運(yùn)算結(jié)果送入寄存器存放，等等。 ? 累加寄存器（ AC） ：執(zhí)行算術(shù)邏輯操作時(shí)，為 ALU提供操作數(shù)及存放運(yùn)算結(jié)果。 8 CPU中的主要寄存器 ? CPU中的寄存器用來(lái)暫時(shí)存放運(yùn)算過(guò)程的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及狀態(tài)信息。 ? 時(shí)間控制：對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，即進(jìn)行時(shí)間控制。 ? CPU由哪些部件組成？ ? 各部件之間如何交換信息？ ? CPU如何建立與外部的連接？ ? CPU如何形成微命令序列來(lái)控制指令的執(zhí)行？ 2 本章主要內(nèi)容 主要內(nèi)容 ? 中央處理器的功能和組成 ? 控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法 ? 指令周期、時(shí)序系統(tǒng)與控制方式 ? 微程序控制原理 ? 操作控制單元的設(shè)計(jì) ? 流水線技術(shù) 3 一、中央處理器的功能 當(dāng)我們用計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問(wèn)題時(shí)，首先要為計(jì)算機(jī)編寫(xiě)程序。程序是一個(gè)指令序列，這個(gè)指令序列就是要明確告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)行什么操作、數(shù)據(jù)從哪里來(lái)、結(jié)果送到哪里去。 ? 數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。各種計(jì)算機(jī) CPU可能不同，但 CPU中至少要有六類(lèi)寄存器必不可少： ? 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 ? 指令寄存器 ? 程序計(jì)數(shù)器 ? 地址寄存器 ? 累加寄存器 ? 狀態(tài)標(biāo)志寄存器。 ? 狀態(tài)標(biāo)志寄存器（ PSW） ：用來(lái)存放由指令執(zhí)行結(jié)果所建立的狀態(tài)以及機(jī)器自身的運(yùn)行狀態(tài) ，第一類(lèi)為狀態(tài)標(biāo)志 ，第二類(lèi)為控制標(biāo)志 。把 CPU內(nèi)部各部件之間傳送數(shù)據(jù)的通路稱(chēng)為數(shù)據(jù)通路。一個(gè) CPU周期在時(shí)間上等于主存的一個(gè)存取周期。 0?AC。STA指令由三個(gè) CPU周期組成。 程序進(jìn)行到第五條指令，即“ JMP 21”指令，這是一條程序控制指令。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中也有一個(gè)類(lèi)似 “ 作息時(shí)間 ”的東西，它叫時(shí)序部件。 ? 時(shí)鐘源用來(lái)為整個(gè)機(jī)器提供頻率穩(wěn)定的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)，通常由石英晶體振蕩器和與非門(mén)組成的正反饋電路組成。 33 啟?？刂七壿? ? 計(jì)算機(jī)工作期間，要求時(shí)序信號(hào)必須是完整的?？刂破靼l(fā)出某操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件發(fā)回完成操作的 “ 回答 ” 信號(hào)，再開(kāi)始新的操作。 36 微程序控制原理（續(xù)） ? 微程序設(shè)計(jì)的概念和原理最早是英國(guó)劍橋大學(xué)的 Wilkes教授在 1951年提出來(lái)的。微操作與微命令具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 ? 微命令 3可以同時(shí)進(jìn)行，所以是相容性的微命令。 順序控制部分 ：用來(lái)產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令的地址。 控制器一旦開(kāi)始工作，從控制存儲(chǔ)器讀出一條微指令、執(zhí)行一條微指令；接著再讀一條，再執(zhí)行一條， …… 。 ② 由機(jī)器指令的操作碼字段通過(guò)微地址形成部件產(chǎn)生該機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。 45 微程序入口地址的形成 機(jī)器指令的操作碼字段指出其對(duì)應(yīng)的微程序的入口地址。當(dāng)執(zhí)行完一條位指令后，如何找到要執(zhí)行的下一條微指令？這就是后繼微地址的形成問(wèn)題，有三種方式。同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)移控制字段進(jìn)行條件測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)下地址修改，形成轉(zhuǎn)移微地址。微指令編碼方法就是操作碼字段的編