【正文】 送至指令寄存器中去。具體的操作如下：①將程序計(jì)數(shù)器（PC）中的內(nèi)容送至存儲器地址寄存器（MAR），并送地址總線（AB）。②由控制單元（CU）經(jīng)控制總線（CB）向存儲器發(fā)讀命令。③從主存中取出的指令通過數(shù)據(jù)總線（DB）送到存儲器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）。④將MDR的內(nèi)容送至指令寄存器（IR）中。⑤將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準(zhǔn)備。以上這些操作對任何一條指令來說都是必須要執(zhí)行的操作，所以稱為公共操作。完成取指階段任務(wù)的時(shí)間稱為取指周期。分析取數(shù)階段 取出指令后，指令譯碼器ID可識別和區(qū)分出不同的指令類型。此時(shí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入分析取數(shù)階段，以獲取操作數(shù)。由于各條指令功能不同，尋址方式也不同，所以分析取數(shù)階段的操作是各不相同的。完成分析階段任務(wù)的時(shí)間又可以細(xì)分為間址周期、取數(shù)周期等。執(zhí)行階段執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，形成穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果，并將其存儲起來。完成執(zhí)行階段任務(wù)的時(shí)間稱為執(zhí)行周期。計(jì)算機(jī)的基本工作過程就是取指令、取數(shù)、執(zhí)行指令，然后再取下一條指令……如此周而復(fù)始，直至遇到停機(jī)指令或外來的干預(yù)為止。指令執(zhí)行過程舉例控制器在實(shí)現(xiàn)一條指令的功能時(shí)，總要把每條指令分解成為一系列時(shí)間上先后有序的最基本、最簡單的微操作，即微操作序列。微操作序列是與CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路密切相關(guān)的，不同的數(shù)據(jù)通路就有不同的微操作序列。假設(shè)規(guī)定各部件用大寫字母表示，字母加下標(biāo)in表示該部件的接收控制信號，實(shí)際上就是該部件的輸入開門信號；字母加下標(biāo)out表示該部件的發(fā)送控制信號，實(shí)際上就是該部件的輸出開門信號。例如：MARin、PCout等就是這類微操作信號。如圖加法指令A(yù)DD @R0,R1舉例這條指令完成的功能是把R0的內(nèi)容作為地址送到主存以取得一個(gè)操作數(shù)，再與R1中的內(nèi)容相加，最后將結(jié)果送回主存中。即實(shí)現(xiàn)： ((R0))＋(R1)→(R0)⑴取指周期 取指周期完成的微操作序列是公共的操作，與具體指令無關(guān)。 ①PCout和MARin有效，完成PC經(jīng)CPU內(nèi)部總線送至MAR的操作，記作 (PC)→MAR； ②通過控制總線（圖中未畫出）向主存發(fā)讀命令，記作Read； ③存儲器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容（指令）送至MDR， 記作M(MAR)→MDR； ④MDRout和IRin有效，將MDR的內(nèi)容送至指令寄存器IR，記作 (MDR)→IR。至此，指令被從主存中取出，其操作碼字段開始 控制CU。 ⑤使PC內(nèi)容加1，記作(PC)+1→PC。⑵取數(shù)周期取數(shù)周期要完成取操作數(shù)的任務(wù)，被加數(shù)在主存中，加數(shù)已放在寄存器R1中。 ①R0out和MARin有效，完成將被加數(shù)地址送至MAR的操作，記作 (R0)→MAR； ②向主存發(fā)讀命令，記作Read； ③存儲器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容（數(shù)據(jù)）送至MDR， 同時(shí)MDRout和Yin有效，記作M(MAR)→MDR→Y；⑶執(zhí)行周期 執(zhí)行周期完成加法運(yùn)算的任務(wù)，并將結(jié)果寫回主存。 ①R1out和ALUin有效，同時(shí)CU向ALU發(fā)“ADD”控制信號，使R1的內(nèi) 容和Y的內(nèi)容相加，結(jié)果送寄存器Z，記作(R1)+Y→Z； ②Zout和MDRin有效，將運(yùn)算結(jié)果送寄存器MDR，記作(Z)→MDR。 ③向主存發(fā)寫命令，記作Write。6．2微程序控制計(jì)算機(jī)的基本工作原理n 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將程序設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲技術(shù)相結(jié)合，即用程序設(shè)計(jì)的思想方法來組織操作控制邏輯，將微操作控制信號按一定規(guī)則進(jìn)行信息編碼（代碼化），形成控制字（微指令），再把這些微指令按時(shí)間先后排列起來構(gòu)成微程序，存放在一個(gè)只讀的控制存儲器中。微程序設(shè)計(jì)的提出與發(fā)展：一條機(jī)器指令可以分解為許多基本的微命令序列。并且首先把這種思想用于計(jì)算機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。但是由于當(dāng)時(shí)還不具備制造專門存放微程序的控制存儲器的技術(shù)，所以在十幾年時(shí)間內(nèi)實(shí)際上并未真正使用。直到1964年，IBM公司在IBM360系列機(jī)上成功地采用了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)，解決了指令系統(tǒng)的兼容問題。20世紀(jì)70年代以來，由于VLSI技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。 基本術(shù)語⑴微命令和微操作一條機(jī)器指令可以分解成一個(gè)微操作序列，這些微操作是計(jì)算機(jī)中最基本的、不可再分解的操作。在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令叫做微命令，它是構(gòu)成控制序列的最小單位。例如：打開或關(guān)閉某個(gè)控制門的電位信號、某個(gè)寄存器的打入脈沖等。因此，微命令是控制計(jì)算機(jī)各部件完成某個(gè)基本微操作的命令。微命令和微操作是一一對應(yīng)的。微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的操作過程。微命令有兼容性和互斥性之分。兼容性微命令是指那些可以同時(shí)產(chǎn)生，共同完成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在機(jī)器中不允許同時(shí)出現(xiàn)的微命令。兼容和互斥都是相對的，一個(gè)微命令可以和一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。對于單獨(dú)一個(gè)微命令，談?wù)撈浼嫒莺突コ舛际菦]有意義的。⑵微指令、微地址微指令是指控制存儲器中的一個(gè)單元的內(nèi)容，即控制字，是若干個(gè)微命令的集合。存放控制字的控制存儲器的單元地址就稱為微地址。一條微指令通常包含兩部分：①操作控制字段，又稱微操作碼字段，用以產(chǎn)生某一步操作所需的 各微操作控制信號；②順序控制字段，又稱微地址碼字段，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行 的微指令地址。微指令有垂直型和水平型之分。垂直型微指令接近于機(jī)器指令的格式，每條微指令只能完成一個(gè)基本微操作；水平型微指令則具有良好的并行性，每條微指令可以完成較多的基本微操作。⑶微周期 從控制存儲器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微命令所需的全部時(shí)間稱為微周期。⑷微程序 一系列微指令的有序集合就是微程序。每一條機(jī)器指令都對應(yīng)一個(gè)微程序。微程序和程序是兩個(gè)不同的概念。微程序是由微指令組成的，用于描述機(jī)器指令，微程序?qū)嶋H上是機(jī)器指令的實(shí)時(shí)解釋器，是由計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者事先編制好并存放在控制存儲器中的，一般不提供給用戶。對于程序員來說，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中微程序一級的結(jié)構(gòu)和功能是透明的，無須知道。而程序最終由機(jī)器指令組成，是由軟件設(shè)計(jì)人員事先編制好并存放在主存或輔存中的。所以說，微程序控制的計(jì)算機(jī)涉及到兩個(gè)層次：一個(gè)是機(jī)器語言或匯編語言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器層，包括：機(jī)器指令、工作程序、主存儲器；另一個(gè)是機(jī)器設(shè)計(jì)者看到的微程序?qū)?，包括：微指令、微程序和控制存儲器? 實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理根據(jù)每條指令執(zhí)行的階段性，將所需微操作信號以二進(jìn)制編碼形式存入存儲器，按序依次讀出執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)指令的功能。 微程序控制器的基本組成一個(gè)微程序控制器基本結(jié)構(gòu)如圖，在圖中主要畫出了微程序控制器比組合邏輯控制器多出的部件，包括以下幾個(gè)部分：控制存儲器、微指令寄存器、微地址形成部件、微地寄存器等。⑴控制存儲器（CM） 這是微程序控制器的核心部件，用來存放微程序。⑵微指令寄存器（mIR） 用來存放從CM中取出的微指令。⑶微地址形成部件 用來產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址。⑷微地址寄存器（mMAR） 接受微地址形成部件送來的微地址，為在CM中讀取微指令做準(zhǔn)備。 6．3微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何確定微指令的結(jié)構(gòu)。 6．3．1 微指令的編譯法微指令可以分成操作控制字段和順序控制字段兩大部分。這里所說的微指令編碼法指的就是操作控制字段的編碼方法。各類計(jì)算機(jī)從各自的特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了各種各樣的微指令編碼法。例如：大型機(jī)強(qiáng)調(diào)速度，要求譯碼過程盡量快；微、小型機(jī)則更多地注意經(jīng)濟(jì)性，要求更大限度地縮短微指令字長；而中型機(jī)介于這兩者之間，兼顧速度和價(jià)格，要求在保證一定速度的情況下，能盡量縮短微指令字長。直接控制法（不譯碼法）操作控制字段中的各位分別可以直接控制計(jì)算機(jī)，無須進(jìn)行譯碼。在這種形式的微指令字中，操作控制字段的每一個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制位代表一個(gè)微命令，該位為“1”表示這個(gè)微命令有效，為“0”則表示這個(gè)微命令無效。每個(gè)微命令對應(yīng)并控制數(shù)據(jù)通路中的一個(gè)微操作。n 這種方法結(jié)構(gòu)簡單，并行性強(qiáng)，操作速度快，但是微指令字太長。若微命令的總數(shù)為N個(gè)，則微指令字的操作控制字段就要有N位。在某些計(jì)算機(jī)中，微命令的總數(shù)可能會多達(dá)三、四百個(gè)，甚至更多，這使微指令的長度達(dá)到難以接受的地步。另外，在N個(gè)微命令中，有許多是互斥的，不允許并行操作，將它們安排在一條微指令中是毫無意義的，只會使信息的利用率下降。所以這種方法在復(fù)雜的系統(tǒng)中很少單獨(dú)采用，往往與其他編碼方法混合起來使用。字段編碼法這是前述兩種編碼法的一個(gè)折衷的方法，既具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)。這種方法將操作控制字段分為若干個(gè)小段，每段內(nèi)采用最短編碼法，段與段之間采用直接控制法。⑴ 字段直接編碼法各字段都可以獨(dú)立地定義本字段的微命令，而和其他字段無關(guān)，因此又稱為顯式編碼或單重定義編碼方法。這種方法縮短了微指令字，因此得到了廣泛的應(yīng)用。⑵ 字段間接編碼法字段間接編碼法是在字段直接編碼法的基礎(chǔ)上，用來進(jìn)一步縮短微指令字長的方法。間接編碼的含義是，一個(gè)字段的某些編碼不能獨(dú)立地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來聯(lián)合定義，因此又稱為隱式編碼或多重定義編碼方法。字段編碼法中操作控制字段的分段原則：①把互斥性的微命令分在同一段內(nèi)，兼容性的微命令分在不同段內(nèi)。這樣不僅有助于提高信息的利用率，縮短微指令字長，而且有助于充分利用硬件所具有的并行性，加快執(zhí)行的速度。②應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。③每個(gè)小段中包含的信息位不能太多，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。④一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何微命令。因此當(dāng)某字段的長度為三位時(shí)，最多只能表示七個(gè)互斥的微命令，通常用000表示不操作。最短編碼法直接控制法使微指令字過長，而最短編碼法則走向另一個(gè)極端，使得微指令字最短。這種方法將所有的微命令統(tǒng)一編碼，每條微指令只定義一個(gè)微命令。若微命令的總數(shù)為N，操作控制字段的長度為L，則最短編碼法應(yīng)滿足下列關(guān)系式： L≥log2N最短編碼法的微指令字長最短，但要通過一個(gè)微命令譯碼器譯碼以后才能得到需要的微命令。微命令數(shù)目越多，譯碼器就越復(fù)雜。這種方法在同一時(shí)刻只能產(chǎn)生一個(gè)微命令，不能充分利用機(jī)器硬件所具有的并行性，使得機(jī)器指令對應(yīng)的微程序變得很長，而且對于某些要求在同一時(shí)刻同時(shí)動(dòng)作的組合性微操作將無法實(shí)現(xiàn)。因此，這種方法也只能與其他方法混合使用。 6．3．2 微程序流的控制6．3．3 微指令格式 水平型微指令：一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。 垂直型微指令：微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，內(nèi)微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。垂直型微指令的結(jié)構(gòu)類似于機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)。 比較： l 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)。垂直型微指令則較差。 l 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長。 l 由水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字比較長，但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反，微指令字比較短而微程序長。 l 水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對來說，比較容易掌握。 6．3．4 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì) 對應(yīng)于一臺計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令只有一組微程序，而且這一組微程序設(shè)計(jì)好之后，一般無需改變而且也不好改變，這種微程序設(shè)計(jì)技術(shù)稱為靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)。 通過改變微指令和微程序來改變機(jī)器的指令系統(tǒng)，這種微程序設(shè)計(jì)技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)?！?．4 硬布線控制器的計(jì)算機(jī)硬布線控制器是一種由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)。 硬布線控制器是早期設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的一種方法，但是隨著新一代機(jī)器及VLSI技術(shù)的發(fā)展，硬布線邏輯設(shè)計(jì)思想又得到了重視。 與微程序控制相比，硬布線控制的速度較快。其原因是微程序控制中每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而硬布線控制主要取決于電路延遲。因此，近年來在某些超高速新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，又選用了硬布線控制，或與微程序控制器混合使用。 時(shí)序與節(jié)拍微操作的節(jié)拍安排設(shè)機(jī)器采用同步控制，每個(gè)機(jī)器周期包括3個(gè)節(jié)拍，安排微操作節(jié)拍時(shí)應(yīng)注意：①有些微操作的次序是不容改變的，故安排微操作節(jié)拍時(shí)必須注意微操作的先后順序。②凡是被控制對象不同的微操作，若能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，應(yīng)盡可能安排在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，以節(jié)省時(shí)間。③如果有些微操作所占的時(shí)間不長，應(yīng)該將它們安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成，并且允許這些微操作有先后次序。6．5 流水線工作原理 n 對于指令的執(zhí)行，可有幾種控制方式：順序方式、重疊方式、先行控制及流水線控制方式。順序方式指的是各條機(jī)器指令之間順序串行的執(zhí)行，即執(zhí)行完一條指令后，方可取出下一條指令來執(zhí)行。這種方式控制簡單，但速度慢，機(jī)器各部件的利用率低。為了加快指令的執(zhí)行速度，充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源，提高機(jī)器的吞吐率，計(jì)算機(jī)中常采用重疊方式、先行控制方式，以及流水線控制方式。n 流水處理技術(shù)是在重疊、先行控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它基于重疊的原理，但卻是在更高程度上的重疊。程序的順序執(zhí)行方式程序中的各條機(jī)器指令按順序串行執(zhí)行在計(jì)算機(jī)順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)分成指令部件I和執(zhí)行部件E168。 I完成取指和指令譯碼等操作。168。 E完成運(yùn)算和保存結(jié)果等操作。168。 順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)：控制簡單順序執(zhí)行的缺點(diǎn)：機(jī)器各部分的利用率不高重疊控制通常，一條指令的執(zhí)行過程可以分為3個(gè)階段：取指、分析、執(zhí)行。假定每個(gè)階段所需的時(shí)間為t，采用順序方式執(zhí)行n條指令所需的時(shí)間為 T=3nt最早出現(xiàn)的重疊是“取指K+1”和“執(zhí)行K”在時(shí)間上的重疊，稱為一次重疊，這將使處理機(jī)速度有所提高，所需執(zhí)行時(shí)間減少為