【正文】 度最慢，因此，取最慢的器件工作時(shí)間（周期）作為整個(gè)工作的最長同步標(biāo)準(zhǔn)。 計(jì)算機(jī)的工作時(shí)序是按照存儲器的工作周期劃分的。每個(gè)存儲器工作周期又稱為機(jī)器周期。因此，每個(gè)機(jī)器周期至少完成一個(gè)基本操作。一般最長的操作是訪問存儲器（讀/寫），這個(gè)時(shí)間也用于訪問外設(shè)接口（寄存器）。如果，某個(gè)操作，比如利用運(yùn)算器執(zhí)行一次運(yùn)算，如果不訪問存儲器，即使占用的時(shí)間很短，但是，也必須為其劃分一個(gè)機(jī)器周期。因此，機(jī)器周期是計(jì)算時(shí)序劃分的最大單位。現(xiàn)在我們?yōu)橛?jì)算機(jī)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行最基本的劃分：由于計(jì)算機(jī)不斷地重復(fù)執(zhí)行每個(gè)指令，所以，我們將執(zhí)行的時(shí)間劃分為一條一條指令執(zhí)行所占用的時(shí)間，如下：執(zhí)行指令1執(zhí)行指令2執(zhí)行指令3執(zhí)行指令4執(zhí)行指令5我們將每指令占用的時(shí)間稱為指令周期。由于每條指令的功能不一樣，因此執(zhí)行的時(shí)間也不同，指令周期長短不一樣。而每條指令的執(zhí)行，又可以是取指令，分析指令，執(zhí)行指令。由于取指令必須訪問存儲器，所以占用一個(gè)機(jī)器周期。分析指令是由指令譯碼電路完成的，所占用的時(shí)間極短，無需分配一個(gè)完整的機(jī)器周期。一般是在取指周期后期（結(jié)束之前的很短時(shí)間內(nèi)）就可以完成。指令的執(zhí)行較為復(fù)雜：可能不訪問存儲器；訪問一次存儲器；訪問兩次存儲器等。因此，可能是一個(gè)機(jī)器周期到幾個(gè)機(jī)器周期。因此，每條指令的執(zhí)行過程如下：取指周期執(zhí)行周期1執(zhí)行周期2執(zhí)行周期3執(zhí)行周期4第一個(gè)機(jī)器周期總是取指周期，而指令的地址總是從PC中獲得，當(dāng)發(fā)出讀取存儲器命令后，指令總是從數(shù)據(jù)總線DB送回，CPU接受到指令之后，將指令放在指令寄存器IR之中。指令在IR中一直保留到取下一條指令為止。第二個(gè)機(jī)器周期開始，根據(jù)指令有所不同： 執(zhí)行一次ALU運(yùn)算：分配一個(gè)機(jī)器周期。 執(zhí)行訪問一次存儲器：分配一個(gè)機(jī)器周期。 所以，根據(jù)指令執(zhí)行的不同情況，將會得到不同指令執(zhí)行所占用的機(jī)器周期。 根據(jù)每個(gè)機(jī)器周期完成的任務(wù)不同，我們將每個(gè)機(jī)器周期按照任務(wù)命名。如同用取指周期命名第一個(gè)機(jī)器周期一樣。2．指令執(zhí)行過程舉例 假設(shè)指令格式如下：操作碼rs,rdrs1imm(Disp)rs，rd，rsl為通用寄存器地址；imm（或disp）為立即數(shù)（或位移量）。 加法指令功能：將寄存器（rs）中的一個(gè)數(shù)與存儲器中的一個(gè)數(shù)（其地址為（rsl）＋disp）相加，結(jié)果放在寄存器rd中,rs與rd為同一寄存器。加法指令完成以下操作：（1）取指周期從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼（分析指令）。 程序計(jì)數(shù)器加1，為下一條指令作好準(zhǔn)備。 控制器發(fā)出的控制信號：PC→AB，W/R=0，M/IO=1；DB→IR；PC＋1。（2）計(jì)算地址周期計(jì)算數(shù)據(jù)地址，將計(jì)算得到的有效地址送地址寄存器AR。 控制器發(fā)出的控制信號：rsl→GR，（rsl）→ALU，disp→ALU（將rsl的內(nèi)容與disp送ALU）；“+”（加法命令送ALU）；ALU→AR（有效地址送地址寄存器）。（3）取數(shù)周期到存儲器取數(shù)。 控制器發(fā)出的控制信號：AR→AB，W/R=0，M/IO=1；DB→DR（將地址寄存器內(nèi)容送地址總線，同時(shí)發(fā)訪存讀命令，存儲器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后，打入數(shù)據(jù)寄存器）。（4）執(zhí)行周期進(jìn)行加法運(yùn)算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N，Z，V，C。 控制器送出的控制信號：rs,rd→GR，（rs）→ALU，DR→ALU（兩個(gè)源操作數(shù)送ALU）；ALU→rd（運(yùn)算結(jié)果送寄存器rd）（三） 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)CPU的數(shù)據(jù)通路是連接CPU內(nèi)部各個(gè)部件以及和CPU外部個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)和控制信號的連接關(guān)系圖，數(shù)據(jù)通路的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。（四） 控制器的功能和工作原理1. 硬布線控制器控制器控制信號的產(chǎn)生是采用邏輯電路，也稱組合邏輯電路控制方式。 “時(shí)序控制信號形成部件”是由硬邏輯布線完成的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要幾十~幾百條指令，確定每條指令所需的機(jī)器周期，將情況相同的指令歸并在一起，列出表達(dá)式，畫出邏輯圖。（1）時(shí)序與節(jié)拍每一步由一個(gè)機(jī)器周期來完成，假設(shè)采用4個(gè)機(jī)器周期，總之，需要4個(gè)不同的信號輸出，代表4個(gè)不同的周期。（2）操作碼譯碼器 指令的操作碼部分指出本指令將執(zhí)行什么指令，如加法、減法等。對于不同的指令，采用不同的代碼表示。（3）操作控制信號的產(chǎn)生 以加法指令為例，加法指令的完成是由4個(gè)機(jī)器周期cycycycy4組成，分別是取指、計(jì)算地址、取數(shù)、計(jì)算4個(gè)機(jī)器周期。將所有的機(jī)器周期的操作控制信號的邏輯表達(dá)式全部寫出來，就會得到各個(gè)操作控制信號的所有表達(dá)式，再將這些表達(dá)式安每個(gè)操作控制信號組合起來，就得到某個(gè)操作控制信號的表達(dá)式。取指周期需要產(chǎn)生的操作控制信號如下： PC→AB=cy1 ；將PC送地址總線 ADS=cy1T1 ；存儲器地質(zhì)有效 M/IO=cy1 ；存儲器操作 W/R=cy1 ；讀操作 DB→IR=cy1 ；將讀出的結(jié)果送IR PC+1=cy1 ；將程序計(jì)數(shù)器加1計(jì)算地址周期cy2需要完成有效地址（(rs1)+Disp）的計(jì)算。產(chǎn)生的操作控制信號如下： rs1→GR=加法指令cy2 ；送通用寄存器地址 (rs1)→ALU=加法指令cy2 ；通用寄存器送ALU Disp→ALU=加法指令cy2 ；偏移量送ALU “+”=加法指令cy2 ；ALU執(zhí)行加法操作 ALU→AR=加法指令cy2 ；運(yùn)算結(jié)果送地址總線例如，“+”操作控制信號在加法指令的cy2（計(jì)算有效地址）和cy4（操作數(shù)相加）時(shí)需要；減法指令的cy2（計(jì)算有效地址）時(shí)需要；轉(zhuǎn)移指令的cy2（計(jì)算有效地址）時(shí)需要；…。 所以，“+”操作控制信號的邏輯表達(dá)式如下： “+”=加法指令（cy2+cy4）+減法指令cy2+轉(zhuǎn)移指令cy2+… 設(shè)機(jī)器有7位操作碼（OP0～OP6），假設(shè)加法指令的操作碼為0001100，形成的加法指令信號的邏輯表達(dá)式為： 加法指令= OP0OP1OP2OP3OP4OP5OP6如，某機(jī)器128條指令，用7位操作碼（OP0～OP6），如果其中有16條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，可以將這些指令的3位操作碼都設(shè)計(jì)相同的編碼，如OP0OP1OP2= 001，而其他位OP3～OP6編碼表示16個(gè)不同的指令。 設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯運(yùn)算在cy2周期需要產(chǎn)生的，邏輯表達(dá)式： A=加法指令cy2+減法指令cy2+邏輯加指令cy2+… =（加法指令+減法指令+邏輯加指令+…）cy2 = OP0OP1OP2cy2 只需要一個(gè)與門，就可實(shí)現(xiàn)命令A(yù)。2. 微程序控制器（1）微程序、微指令和微命令在計(jì)算機(jī)中，一條指令的功能是通過按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的，這些基本操作稱為微操作。例如，前面講到的加法指令，分成四步（取指令、計(jì)算地址、取數(shù)、加法運(yùn)算）完成，每一步實(shí)現(xiàn)若干個(gè)微操作。實(shí)現(xiàn)這些微操作的控制命令就是微命令。微操作是指最基本的、不可再分的操作，如前面提到的：PC→AB。 W/R=0。 DB→IR等。PC→AB等就是微命令。微指令：在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將由同時(shí)發(fā)出的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令，所以微指令就是把同時(shí)發(fā)出的控制信號的有關(guān)信息匯集起來而形成的。將一條指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實(shí)現(xiàn)指令的功能。組成微指令的微操作又稱微命令。微程序：計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成，而計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序。（2）微指令的編碼方式；1）直接控制法在微指令的控制字段中，每一位代表一個(gè)微命令，在設(shè)計(jì)微指令時(shí)，是否發(fā)出某個(gè)微命令，只要將控制字段中相應(yīng)位置成“1”或“0”，這樣就可打開或關(guān)閉某個(gè)控制門，這就是直接控制法。2）字段直接編譯法在計(jì)算機(jī)中的各個(gè)控制門，在任一微周期內(nèi)，不可能同時(shí)被打開，而且大部分是關(guān)閉的（相應(yīng)的控制位為“0”）。所謂微周期，指的是一條微指令所需的執(zhí)行時(shí)間。如果有若干個(gè)（一組）微命令，在每次選擇使用它們的微周期內(nèi)，只有一個(gè)微命令起作用，那么這若干個(gè)微命令是互斥的。選出互斥的微命令，并將這些微命令編成一組，成為微指令字的一個(gè)字段，用二進(jìn)制編碼來表示， 就是字段直接編譯法。3）字段間接編譯法字段間接編譯法是在字段直接編譯法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮短微指令字長的一種編譯法。 如果在字段直接編譯法中，還規(guī)定一個(gè)字段的某些微命令，要兼由另一字段中的某些微命令來解釋，稱為字段間接編譯法。 （3）微地址的形成方式1）微程序入口地址的形成1一級轉(zhuǎn)移方式 當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置固定時(shí)，可直接使操作碼與入口地址的部分位對應(yīng)。2多級轉(zhuǎn)移方式 先按照指令類型標(biāo)志轉(zhuǎn)移到某條微指令，以區(qū)分出是哪一大類，然后可以進(jìn)一步按指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)分出是該指令中的哪一類具體操作。2）微程序后繼地址的形成1以增量方式產(chǎn)生后繼微地址。 在順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量（通常為1）形成的；而在非順序執(zhí)行時(shí)則要產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移微地址。2增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址 將微指令的下址字段分成兩部分：轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAF，當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，將BAF送181。PC，否則順序執(zhí)行下一條微指令（181。PC＋1）。（五） 指令流水線1. 指令流水線的基本概念（1）流水線基本原理流水線技術(shù)是一種顯著提高指令執(zhí)行速度與效率的技術(shù)。方法是：指令取指完成后，不等該指令執(zhí)行完畢即可取下一條指令。如果把一條指令的解釋過程進(jìn)一步細(xì)分，例如，把分析、執(zhí)行兩個(gè)過程分成取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回寄存器五個(gè)子過程，并用五個(gè)子部件分別處理這五個(gè)子過程。 這樣只需在上一指令的第一子過程處理完畢進(jìn)入第二子過程處理時(shí)，在第一子部件中就開始對第二條指令的第一子過程進(jìn)行處理。隨著時(shí)間推移，這種重疊操作最后可達(dá)到五個(gè)子部件同時(shí)對五條指令的子過程進(jìn)行操作。指令六級流水時(shí)序（2）影響流水線性能的因素在流水線中會出現(xiàn)三種相關(guān)，影響流水線的暢通流動，這三種相關(guān)是結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)。結(jié)構(gòu)相關(guān)是當(dāng)多條指令進(jìn)人流水線后，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求時(shí)產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)相關(guān)是指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，當(dāng)后繼指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果時(shí)發(fā)生的?？刂葡嚓P(guān)是當(dāng)流水線遇到分支指令和其他改變PC值的指令時(shí)引起的。（3）流水線性能流水線的性能通常用吞吐率、加速比和效率3項(xiàng)指標(biāo)來衡量。1）吞吐率 在指令流水線中，吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的指令或輸出結(jié)果的數(shù)量。2）加速比 流水線的加速比是指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。3）效率效率是指流水線中個(gè)功能段的利用率。2. 超標(biāo)量和動態(tài)流水線的基本概念(1) 超標(biāo)量在超標(biāo)量的處理器結(jié)構(gòu)中，整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、裝入、存儲以及條件轉(zhuǎn)移等普通操作指令可以同時(shí)啟動并獨(dú)立執(zhí)行。超標(biāo)量流水CPU是指集成了多條流水線結(jié)構(gòu)的CPU，當(dāng)流水線滿載時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘周期可以完成一條以上的指令。(2) 動態(tài)流水線流水線按功能可分成單功能流水線和多功能流水線兩種。 單功能流水線只完成一種功能。如浮點(diǎn)加法或乘法流水線。 多功能流水線則可完成多種功能，它允許在不同時(shí)間，甚至同一時(shí)間內(nèi)在流水線內(nèi)連接不同功能段的子集來實(shí)現(xiàn)不同功能。流水線按工作方式可分為靜態(tài)流水線和動態(tài)流水線兩種。 在靜態(tài)流水線中，同一時(shí)間內(nèi)它只能以一種功能方式工作。它可以是單功能的，也可以是多功能的。當(dāng)是多功能流水線時(shí)，則從一種功能方式變?yōu)榱硪环N功能方式時(shí)，必須先排空流水線，然后為另一種功能設(shè)置初始條件后方可使用。顯然，不希望這種功能的轉(zhuǎn)換頻繁的發(fā)生，否則將嚴(yán)重影響流水線的處理效率。 動態(tài)流水線則允許在同一時(shí)間內(nèi)將不同的功能段連接成不同的功能子集（前提條件是功能部件的使用不發(fā)生沖突），以完成不同的運(yùn)算功能。顯然，動態(tài)流水線必是多功能流水線，而單功能流水線則必是靜態(tài)的。六、 總線（一） 總線概述1. 總線的基本概念總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)，總線上信息的傳送分為串行和并行傳輸。2. 總線的分類（1）片內(nèi)總線芯片內(nèi)部的總線（2）系統(tǒng)總線計(jì)算機(jī)各部件之間的信息傳輸線，主要有：數(shù)據(jù)總線：雙向 與機(jī)器字長、存儲字長有關(guān)地址總線：單向 與存儲地址、 I/O地址有關(guān)控制總線：部分出部分入 控制器控制所有部件（3）通信總線用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）之間的通信。傳輸方式：串行通信總線和并行通信總線3. 總線的組成及性能指標(biāo)總線的結(jié)構(gòu)通常分為單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)。單總線結(jié)構(gòu)是將CPU、主存、I/O設(shè)備（通過I/O接口）都掛在一組總線上。多總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將速度較低的I/O設(shè)備從單總線上分離出來，形成主總線與I/O設(shè)備總線分開的結(jié)構(gòu)?？偩€的性能指標(biāo)：（1）總線寬度：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)（2）總線帶寬：數(shù)據(jù)傳輸率（3）時(shí)鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步的稱為同步總線，與時(shí)鐘不同步的稱為異步總線（4）總線復(fù)用：一條信號線上分時(shí)傳送兩種信號。（5）信號線數(shù)：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三種總線數(shù)的總和。（6）總線控制方式：包括突發(fā)工作、自動配置、總裁方式、邏輯方式、技術(shù)方式等。（7）其他指標(biāo)：負(fù)載能力、電源電壓、總線寬度能否擴(kuò)展等。（二） 總線