计组笔记_chapter5
处理器的功能
- 指令控制
- 操作控制
- 时间控制
- 数据加工
- 中断处理
CPU=控制器+运算器+一堆寄存器
控制器
主要功能
- 从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置
- 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作
- 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向
运算器
组成：ALU,累加寄存器，数据缓冲寄存器DR，状态条件寄存器PSW
主要功能：
- 执行所有的算数和逻辑运算
- 并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较
CPU中的主要寄存器（6种）
- 数据缓冲寄存器DR
用来暂时存放：- 向数据cache写入一个数据时，用DR暂存
- ALU计算结果
作用 - 作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲
- 补偿CPU和内存、外设之间在操作速度上的差别
- 指令寄存器IR(控制器内部)
用来保存当前正在执行的一条指令
指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入
操作码经过译码器译码之后，。。。 - 程序计数器PC(控制器内部)
也称指令计数器，来确定下一条指令的地址
在程序开始执行之前，将程序的第一条指令所在的内存单元送入PC
执行完之后会自加 - 地址寄存器AR
用来保存当前处理器所访问的数据cache - 通用寄存器R0~R3(一般举例子说是4个)
在ALU执行运算时，为其提供一个暂存数据的工作区
累加寄存器暂时存放ALU计算结果 - 状态条件寄存器PSW（ALU内部）
保存进位标志C，溢出标志O，是否为0Z，结果为负N等等
就是存汇编语言中标志位的那个。
操作控制器和时序产生器
数据通路
操作控制器
功能：
根据设计方法的不同分类：
- 时序逻辑型 硬布线控制器(RISC也是)
- 存储逻辑性 微程序控制器(CISC也是)
时序产生器
指令周期
基本概念
- 指令周期：取指令、分析指令、执行指令的time
由于各种指令的操作功能不同，各种指令的指令周期长度是不同的。
指令周期通常包含若干个CPU周期 - CPU周期，也称机器周期
内存中读取一个指令字的最短time
可以分成若干个时钟周期 - 时钟周期
处理操作的最基本的单位，也成为节拍脉冲/T周期
时钟周期是最基本的周期单位
如图
↑图中，分析指令过程被包含在执行指令过程中。时钟周期是最小单位，若干时钟周期组成CPU周期，若干CPU周期组成指令周期。
程序示例
Intel 汇编语言的指令与 AT&T 的指令操作数的方向上正好相反：在 Intel 语法中，第一个操作数是目的操作数，第二个操作数源操作数。而在 AT&T 中，第一个数是源操作数，第二个数是目的操作数。
这个程序示例里面是AT&T
STO为写数指令
凡是RR型指令，都是2个CPU周期，RS型指令，都是3个COU周期。
每条指令的取指令阶段都是一样的，花费一个CPU周期，具体步骤是
- 根据PC的之（将要执行的指令的地址）从内存中取出指令，送到IR
- 取完之后PC就++
- 分离操作码和操作数，对指令进行译码
RS型指令多一个CPU周期的原因是需要送操作数地址。
特别的，JMP指令是无条件的转移指令，相当于是把某个立即数送到寄存器PC，并没有访问memory，所以还是2周期。
最后，检查有无中断的操作也是每条指令都要进行的操作。
方框图
- 方框：代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作
- 菱形：通常用来表示某种判别或测试，在时间上依附于紧接它的前面一个方框的CPU周期，不单独占用一个CPU周期
例子
答案
（1）：
（2）：
指令周期参考信号图
STO指令：
5.3时序产生器和控制方式
基本概念
时序 Timing
计算机以时序信号为基准完成协调动作
控制器分类：
- 硬布线控制器
时序信号一般采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。节拍电位的时间=CPU周期的时间 - 微程序控制器
时序信号比较简单。一般采用节拍电位-节拍脉冲二级体制
微程序控制器中时序信号产生器的组成：
- 时钟源
- 环形脉冲发生器
- 节拍脉冲和读/写时序的译码
- 启停控制逻辑
框图：
时钟源
环形脉冲发生器
- 产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲
- 为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉冲发生器通常采用循环移位寄存器形式
节拍脉冲和读写时序的译码
译码逻辑：
一种环形脉冲发生器：
关于D触发器：左边的SD端是清零端，右边的RD端是预置端（置1）（）二者都是低电平有效。
分析得，上图的电路状态是一个循环。
C1,C2,C3–>000->100->110->111->000
节拍电位与节拍脉冲时序关系图
启停控制逻辑
启停控制逻辑
u机器一旦接通电源，就会自动产生原始的节拍脉冲信号T1°-T4°。但只有发出启动信号后，才允许时序产生器发出CPU工作所需的完整节拍脉冲
启动信号保证产生完整的CPU周期信号
启停控制逻辑
当触发器Cr的Q端为“1”时，原始节拍脉冲和读写信号通过门电路发送出去，变成CPU真正需要的节拍脉冲信号和读写时序，反之，就关闭时序产生器.
T4信号取反做时钟信号的原因：
保证时序信号以T1,T2,T3,T4的顺序输出。
控制方式
同步控制方式
Def:在任何情况下，各指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数是固定的
实现方案：
- 采用完全统一的机器周期执行不同的指令。简单指令会导致时间浪费
- 采用不定长机器周期，复杂指令采取延长机器周期的方法
- 中央控制与局部控制结合，上面俩结合
异步控制方式
- 每条指令，操作按需占用时间
- 不采用统一的时序信号，而是根据指令或者部件的具体情况而定。“应答”方式，没有时间上的浪费，但控制比较复杂.
联合控制方式
同步和异步相结合
- 大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间难以确定的操作则采用“应答”信号作为本次操作的结束
- 机器周期的节拍脉冲数是固定的，但是各条指令的机器周期数不固定
微程序控制器
微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术
微程序控制器与硬布线控制器相比较，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点
基本思想
- 用多条微指令（即：一个微程序）解释每条指令的执行过程。全部的微程序有机地组合在一起，存储在控制存储器（只读存储器）中。
- 当机器运行时，一条一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应的部件执行特定的操作
微命令和微操作
计算机的构成
- 控制部件–控制器
- 执行部件–运算器、存储器、外围设备
微命令－控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令（即：控制信号）
微操作－执行部件接受微命令后所进行的特定操作
反馈信息
通常执行部件使用反馈线向控制部件报告操作情况，控制部件则根据执行部件的“状态”发出新的微命令。
分类：
- 相容性操作：同时或在同一个CPU周期内可以并行执行的微操作
- 相斥性操作：不能同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作
微指令
- 在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令
或者说 - 用一条微指令对应一条机器指令的一个执行步骤
- 微指令需要具备的2个功能
- 供一条机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号，以实现该执行步骤的操作功能
- 提供读出下一条待用微指令的地址，以便自动有序地读出每一条微指令，解决机器指令执行步骤之间的正确的接续关系
微指令基本格式
微程序控制器
- 控制存储器
- 微指令寄存器
- 微地址寄存器
- 微命令寄存器
- 地址转移逻辑
原理框图：
微程序的特点
一条机器指令是若干条微指令组成的序列来实现的
一条机器指令对应着一段微程序，而微程序的总和便可实现整个的指令系统
微程序设计可以很容易地在不同的微体系结构上实现相同的
以十进制加法指令操作码为地址，去查微地址映射部件得到微程序在控制存储器中的地址，就可以调出所需要的微程序（如上图中微程序地址为1010）
微地址映射部件是用ROM实现的，地址输入为指令寄存器IR的操作码，输出为该指令对应的微程序段的入口地址
微程序举例
微指令周期与CPU周期的关系
微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间
为了保证整个机器控制信号的同步，可以将一个微指令周期 时间设计得恰好和CPU周期时间相等
机器指令与微指令的关系
5.4微程序设计技术
微命令编码
微指令操作控制字段的微命令表示方法可分为3类
- 直接表示法：操作控制字段中的每一位代表一个微命令
- 直接编码表示法：
把一组相斥性的微命令信号组成一个小组(即一个字段) ，然后通过小组(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编码表示法使微指令字的长度大大缩短。但由于增加译码电路，微程序的执行速度稍稍减慢编码表示法使用较
- 混合表示法：见图
在微指令中还可附设一个常数字段
- 可作为操作数送入ALU运算
- 也可作为计数器初值用来控制微程序循环次数
微地址的形成方法
产生后继微地址的方法
- 计数器方式(类似PC)
- 多路转移方式(跳转)
- 当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出
- 当微程序出现分支时，有若干“候选”微地址可供选择：即按顺序控制字段P的“判别测试”和“状态条件”标志来选择其中一个微地址
- “状态条件”有n位标志，可实现微程序2n路转移，且涉及微地址寄存器的n位
- 由指令的操作码转换得到，典型方式为查表方式
微指令格式
- 水平型微指令
- 竖直型微指令
简单说，水平行比较长，上面那三种译码方式都是针对水平指令的，一次能定义并执行多个并行操作微命令。效率高，灵活性强，但基本别想凭肉眼看懂，因为每一位代表一个操作，然后每条指令就是微操作的组合（位的组合），然后最后写出来的微程序比较短，整体是个躺着的长方形（不恰当的比喻）。
竖直型指令就有点像经常见的指令了，有操作码，有源地址和目的地址。
每条指令完成的功能比较简单，所以最后写出来的微程序比较长，整体看就是个竖着的长方形。特别的，竖直型指令虽然完成的功能简单，这玩意儿执行时间还长。
5.5硬连线控制器
基本概念：
硬连线控制器原理框图：
写出以下控制信号的逻辑表达式：
例子：
另一个举例：
这里需要注意的是T信号的划分：
一般一个微操作分配一个时钟周期，读写内存分配两个时钟周期
5.6流水CPU
流水方式CPU：指令部件、指令队列、执行部件
- 指令部件
- 指令队列：FIFO寄存器栈
- 执行部件：可以有多个采用流水线方式构成的算术逻辑部件构成，可以将定点运算部件和浮点运算部件分开
几个缩写的含义：
- IF（Instruction Fetch取指）
- ID（Instruction Decode指令译码）
- EX（Execution执行）
- WB（Write Back写回
4级指令流水线
几个概念：
线性流水线的时钟周期
$$
\tau=\max {\tau_i}+\tau_1=\tau+m+\tau_1;
$$