&&&&& 感觉对这些概念很是搞不清....&& 以下都是摘自百度百科，也没怎么整理，看完后，还是觉得有点搞不懂，有不少疑问需解决（最后）。
&&&&& 字节：数据存储是以&字节&(Byte)为单位,数据传输是以&位&（bit）为单位，一个位就代表一个0或1，每8个位（bit）组成一个字节 （Byte）。8bit=1Byte 注意1b不等于1B，数据传输是以10进制表示，数据存储是以2进制表示所以1Kb不等于 1KB，1Kb=1000bit，1KB=1024Byte=1024*8bit
&&&&& 在ASCII码中，一个英文字母（不分大小写）占一个字节的空间，一个中文汉字占两个字节的空间。
&&&&& 字：在计算机中，一串数码作为一个整体来处理或运算的，称为一个计算机字，简称字。字通常分为若干个字节(每个字节一般是8位)。在存储器中，通常每个单元存储一个字，因此每个字都是可以寻址的。字的长度用位数来表示。
&&&&& 在计算机的运算器、控制器中，通常都是以字为单位进行传送的。字出现在不同的地址其含义是不相同。例如，送往控制器去的字是指令，而送往运算器去的字就是一个数。
&&&&& 字长：计算机的每个字所包含的位数称为字长。根据计算机的不同，字长有固定的和可变的两种。固定字长，即字长度不论什么情况都是固定不变的；可变字长，则在一定范围内，其长度是可变的。
&&&&& 计算的字长是指它一次可处理的二进制数字的数目。计算机处理数据的速率，自然和它一次能加工的位数以及进行运算的快慢有关。如果一台计算机的字长是另一台计算机的两倍，即使两台计算机的速度相同，在相同的时间内，前者能做的工作是后者的两倍。
&&&&& 一般地，大型计算机的字长为32―64位，小型计算机为12―32位，而微型计算机为4一16位。字长是衡量计算机性能的一个重要因素。
&&&&& 单元地址：单元地址简称地址，在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号，称为单元地址。
假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。
&&&&& 编址：存储器是由一个个存储单元构成的，为了对存储器进行有效的管理，就需要对各个存储单元编上号，即给每个单元赋予一个地址码，这叫编址。经编址后，存储器在逻辑上便形成一个线性地址空间。
&&&&& 存储单元一般应具有存储数据和读写数据的功能，一般以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。每个单元有一个地址，是一个整数编码，可以表示为二进制整数。
&&&&& 一个存储单元通常可以存放一个字或若干个字节；存储单元是CPU访问存储器的基本单位。
&&&&& 存放一个机器字的存储单元，通常称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。而存放一个字节的单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。如果计算机中可以编址的最小单元是字存储单元，则该计算机称为按字寻址的计算机。如果计算机中可编址的最小单位是字节，则该计算机称为按字节寻址的计算机。如果机器字长等于存储器单元的位数，一个机器字可以包含数个字节，所以一个存储单元也可以包含数个能够单独编址的字节地址。例如一个16位二进制的字存储单元可存放两个字节，可以按字地址寻址，也可以按字节地址寻址。当用字节地址寻址时，16位的存储单元占两个字节地址。
&&&&& 存储元：存储器的最小存储单元，它的作用是用来存放一位二进制代码0或1，任何具有两个稳定状态（双稳态）的物理器件都可以来做存储元。一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一个二进制代码。
&&&&& 机器字长:是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（整数运算即定点整数运算）。机器字长也就是运算器进行定点数运算的字长，通常也是CPU内部数据通路的宽度。即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。倘若CPU字长较短，又要运算位数较多的数据，那么需要经过两次或多次的运算才能完成，这样势必影响整机的运行速度。
&&&&& 机器字长与主存储器字长通常是相同的，但也可以不同。不同的情况下，一般是主存储器字长小于机器字长，例如机器字长是32位，主存储器字长可以是32位，也可以是16位，当然，两者都会影响CPU的工作效率。
&&&&& CPU字长：电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。
&&&&& 存储字长：一个存储单元存储一串二进制代码（存储字），这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等。
&&&&& 早期计算机的存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，故访问一次主存便可取一条指令或一个数据。随着计算机的应用范围的不断扩大，解题精度的不断提高，往往要求指令字长是可变的，数据字长也要求可变。为了适应指令和数据字长的可变性，其长度不由存储字长来确定，而且字节的个数来表示。1个字节（Byte)被定义为由8位（Bit）二进制代码组成。
&&&&&& 程序计数器（PC）的内容即是从内存提取的一条指令的地址,当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令 所含的字节数，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。
我的疑问如下：&&&&& 1.机器字长与CPU字长是不是同个概念？
&&&&& 2.计算机的字长与上述2个哪个相关？？
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字长是CPU的主要性能指标之一，它表示 （）A.CPU一次能处理二进制数据的位数B.最长的十
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字长是CPU的主要性能指标之一，它表示 （）A.CPU一次能处理二进制数据的位数B.最长的十进制整数的位数C.最大的有效数字位数D.计算结果的有效数字长度请帮忙给出正确答案和分析，谢谢！
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1下列度量单位中，用来度量计算机运算速度的是 （　　）A.Mb／s&&&B.MIPS&&&C.GHzD.MB2组成微型机主机的部件是（　　）A.CPU、内存和硬盘&&&B.CPU、内存、显示器和键盘C.CPU和内存D.CPU、内存、硬盘、显示器和键盘3下列用户XUEJY的电子邮件地址中，正确的是（　　）A.XUEJY$bjl63．cornB.XUEJY&bjl63．cornC.XUEJY#bjl63．cornD.XUEJY@bj163．corn
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第6章 中央处理器
第6章计算机组成原理中央处理器内蒙古大学计算机学院1第6章计算机组成原理中央处理器（CPU）是整个计算 机的核心，它包括运算器和控制器。 本章着重讨论CPU的功能和组成，控 制器的工作原理和实现方法，微程序 控制原理，基本控制单元的设计以及 先进的CPU系统设计技术。内蒙古大学计算机学院26.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理6.1.1 CPU的功能计算机的工作过程就是程序的运行过程，也就是在控制器的控制下逐条执行程序中各指令的过 程。在程序运行过程中，在各部件之间流动的指令 和数据形成了指令流和数据流。指令流指的是处理器执行的指令序列，数据流指的是根据指令操作要求依次存取数据的序列。内蒙古大学计算机学院36.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理从程序运行的角度来看，控制器的基本功能是 对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。 对指令流的控制： 指令流出的控制 指令分析与执行的控制 指令流向的控制内蒙古大学计算机学院46.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理对数据流的控制主要应包括对数据的流 入与流出的控制；对数据变换、加工等操作 的控制。 对于冯? 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。内蒙古大学计算机学院56.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理6.1.2 CPU中的主要寄存器 CPU中的主要寄存器是用来暂时保存在 运算和控制过程中的中间结果、最终结果以 及控制、状态信息的，它又可分为通用寄存 器和专用寄存器两种。 1、通用寄存器 通用寄存器可用来存放原始数据和运算 结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、 地址指针等。通用寄存器一般可以由CPU直 接访问。内蒙古大学计算机学院66.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理2、专用寄存器专用寄存器是专门用来完成某一种特 殊功能的寄存器。CPU中至少要有五个专 用的寄存器。它们是：程序计数器（PC）、 指 令 寄 存 器 （ IR ） 、 存 储 器 地 址 寄 存 器 （MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、 状态标志寄存器（PSWR）。内蒙古大学计算机学院76.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理⑴ 程序计数器 程序计数器用来存放正在执行的指令 地址或接着要执行的下条指令地址。 对于顺序执行的情况，PC的内容应不 断地增量（加“1”），以控制指令的顺序 执行。 在遇到需要改变程序执行顺序的情况 时，将转移的目标地址送往PC，即可实现 程序的转移。在有些情况下除需要改变PC 的内容外，还需要保留PC过去的内容，以 便返回时使用。内蒙古大学计算机学院86.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理⑵ 指令寄存器 指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。 当指令从主存取出暂存于指令寄存器之后，在执行 指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化， 以保证实现指令的全部功能。⑶ 存储器数据寄存器存储器数据寄存器用来暂时存放由主存储器读 出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入 一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在存 储器数据寄存器中。内蒙古大学计算机学院96.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理⑷ 存储器地址寄存器 存储器地址寄存器用来保存当前CPU 所访问的主存单元的地址。由于主存和 CPU之间存在着操作速度上的差别，所以 必须使用地址寄存器来保持地址信息，直 到主存的读/写操作完成为止。 当CPU和主存进行信息交换，无论是 CPU向主存存/取数据时，还是CPU从主存 中读出指令时，都要使用存储器地址寄存 器和数据寄存器。内蒙古大学计算机学院106.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理⑸ 状态标志寄存器状态标志寄存器用来存放程序状态字的。程序 状态字的各位表征程序和机器运行的状态，是参与 控制程序执行的重要依据之一。它主要包括两部分 内容：一是状态标志，如：进位标志（C）、结果 为零标志（Z）等，大多数指令的执行将会影响到 这些标志位；二是控制标志，如：中断标志、陷阱 标志等。 8086的状态标志寄存器共16位，包括九个标志 位，其中六个为状态标志，三个为控制标志。内蒙古大学计算机学院116.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理溢出 标志位 15符号 标志位零 标志位进位 辅助进位 校验 标志位 标志位 标志位0 AF PF CFOF DF IF TF SF ZF 方向 标志 中断允 许标志 陷阱 标志内蒙古大学计算机学院126.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理6.1.3 CPU的组成控制信号 ALU CUPSWRACID+1PC MDR MAR主 存 I/O内蒙古大学计算机学院…IRCPU136.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理控制器的主要功能有：⑴从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主 存中的位置。 ⑵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。 ⑶指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间的数 据流动方向。运算器的主要功能有：⑴执行所有的算术运算； ⑵执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。内蒙古大学计算机学院146.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理6.1.4 CPU的主要技术参数 1.字长CPU的字长是指在单位时间内同时处理的二 进制数据的位数。CPU按照其处理信息的字长可 以分为：8位CPU、16位CPU、32位CPU以及64位 CPU等。内蒙古大学计算机学院15计算机组成原理2、内部工作频率内部工作频率又称为内频或主频，它是衡量CPU 速度的重要参数。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲 信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接 关系。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。内部时钟频率的倒数是时钟周期，这是CPU中最 小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。内蒙古大学计算机学院166.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理3.外部工作频率CPU除了主频之外，还有另一种工作频 率，称为外部工作频率，它是由主板为CPU 提供的基准时钟频率。内蒙古大学计算机学院176.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理早期，CPU的内频就等于外频。例如：80486DX-33的内频 是33MHz，它的外频也是33MHz。也就是说，80486DX-33以 33MHz的速度在内部进行运算，也同样以33MHz的速度与外界沟 通。目前，CPU的内频越来越高，相比之下主存的速度还很缓慢，如果外频设计得跟内频同步，则主存都将无法跟上CPU的速度。所以现在外频跟内频不再只是一比一的同步关系，从而 出现了所谓的内部倍频技术，导致了“倍频”的出现。内频、外频和倍频三者之间的关系是：内频=外频×倍频 理论上倍频是从1.5一直到无限，以0.5为一个间隔单位。内蒙古大学计算机学院186.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理4. 前端总线频率前端总线（Front Side Bus），通常用FSB表示，它 是CPU和外界交换数据的最主要通道，主要连接主存、显卡 等数据吞吐率高的部件，因此前端总线的数据传输能力对 计算机整体性能作用很大。 在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外频是相同的， 因此往往直接称前端总线频率为外频。随着计算机技术的发展，需要前端总线频率高于外频，因此采用了QDR（QuadDate Rate）技术或者其他类似的技术，使得前端总线频率 成为外频的2倍、4倍甚至更高。内蒙古大学计算机学院196.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理5.片内Cache的容量片内Cache又称CPU Cache，它的容量和工作速率对提 高计算机的速度起着关键的作用。CPU Cache可以分为L1 Cache、L2 Cache，部分高端CPU还具有L3 Cache。 L1 Cache的容量基本在4KB到64KB之间，L2 Cache的 容量则从128KB～2MB不等。L2 Cache是影响CPU性能的关键 因素之一，在CPU核心不变化的情况下，增加L2 Cache的容量能使性能大幅度提高，而同一核心CPU的高低端之分往往也是在L2 Cache上有差异。内蒙古大学计算机学院206.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理6.工作电压 工作电压指的是CPU正常工作所需的电 压。 7.地址总线宽度 地址总线宽度决定了CPU可以访问的最 大的物理地址空间，简单地说就是CPU到底 能够使用多大容量的主存。例如，Pentium 有32位地址线，可寻址的最大容量为232 ＝ 4096MB（4GB），Itantium有44位地址线， 可寻址的最大容量为244＝16TB。内蒙古大学计算机学院216.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理8.数据总线宽度 数 据 总 线 宽 度 则 决 定 了 CPU 与 外 部 Cache、主存以及输入输出设备之间进行一 次数据传输的信息量。如果数据总线为32位， 每次最多可以读写主存中的32位；如果数据 总线为64位，每次最多可以读写主存中的64 位。 数据总线和地址总线是互相独立的， 数据总线宽度指明了芯片的信息传递能力， 而地址总线宽度说明了芯片可以访问多少个 主存单元。内蒙古大学计算机学院226.1 中央处理器的功能和组成计算机组成原理9.制造工艺线宽是指芯片内电路与电路之间的距离， 可以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意味着 芯片上包括的晶体管数目越多。Pentium Ⅱ的线 宽是0.35μm，晶体管数达到7.5M个；Pentium Ⅲ 的 线 宽 是 0.25μm ， 晶 体 管 数 达 到 9.5M 个 ； Pentium 4的线宽是0.18μm，晶体管数达到42M 个。近年来线宽已由0.15μm、0.13μm、90nm一 直发展到目前最新的65nm，而45nm和32nm的 制造工艺将是下一代CPU的发展目标。内蒙古大学计算机学院236.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理控制器是计算机系统的指挥中心，它把运算器、存储器、输入/输出设备等部件组成一个有机的整体，然后根据指令的要 求指挥全机的工作。内蒙古大学计算机学院246.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理6.2.1 控制器的基本组成微操作命令序列 …… I/O状态信息 控制台信息 运行状态 微操作 信号发生器 … 程序计数器PC +1… 状态寄存器 节拍发生器 译码器 地址形成部件送MAR 或ALU指令寄存器IR中断控制逻辑指令结束 中断请求时钟操作码地址码内蒙古大学计算机学院256.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理1.指令部件指令部件的主要任务是完成取指令并分析指 令。指令部件包括： ⑴程序计数器（PC） ⑵指令寄存器（IR）⑶指令译码器（ID）：指令译码器又称操作 码译码器或指令功能分析解释器。暂存在指令寄 存器中的指令只有在其操作码部分经过译码之后 才能识别出这是一条什么样的指令，并产生相应 的控制信号提供给微操作信号发生器。内蒙古大学计算机学院266.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理⑷地址形成部件 根据指令的不同寻址方式，用来形成 操作数的有效地址，在微、小型机中，一 般不设专门的地址形成部件，而是利用运 算器来进行有效地址的计算。内蒙古大学计算机学院276.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理2.时序部件 时序部件能产生一定的时序信号，以 保证机器的各功能部件有节奏地进行信息 传送、加工及信息存储。时序部件包括： ⑴脉冲源 脉冲源用来产生具有一定频率和宽度 的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信 号。内蒙古大学计算机学院286.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理⑵启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的 需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序 信号的发生或停止，实现对整个机器的正 确启动或停止。启停控制逻辑保证启动时 输出的第一个脉冲和停止时输出的最后一 个脉冲都是完整的脉冲。 ⑶节拍信号发生器 节拍信号发生器又称脉冲分配器。脉 冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生 器后产生出各个机器周期中的节拍信号， 用以控制计算机完成每一步微操作。内蒙古大学计算机学院296.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理3.微操作信号发生器 一条指令的取出和执行可以分解成很 多最基本的操作，这种最基本的不可再分 割的操作称为微操作。微操作信号发生器 也称为控制单元（CU）。不同的机器指令 具有不同的微操作序列。 4.中断控制逻辑 中断控制逻辑是用来控制中断处理的 硬件逻辑。内蒙古大学计算机学院306.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理6.2.2 控制器的硬件实现方法 控制器的输入是机器指令代码，输出 是微操作控制信号，因此微操作信号发生 器是控制器的核心。根据产生微操作控制 信号的方式不同，控制器可分为3种，它们 的根本区别在于微操作信号发生器的实现 方法不同，而控制器中的其它部分基本上 是大同小异的。内蒙古大学计算机学院316.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理微操作控制信号 …… 时序信号 各部件状态 反馈信号微操作信号发生器操作码译码输出内蒙古大学计算机学院326.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理1.组合逻辑型 这种控制器称为常规控制器或硬布线控 制器，它是采用组合逻辑技术来实现的，其 微操作序列形成部件是由门电路组成的复杂 树形网络。 组合逻辑控制器的最大优点是速度快， 但是微操作信号发生器的结构不规整，使得 设计、调试、维修较困难，难以实现设计自 动化。一旦微操作信号发生器构成之后，要 想增加新的控制功能是不可能的。内蒙古大学计算机学院336.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理2.存储逻辑型这种控制器称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现 的，也就是把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一 段微程序并存入一个专门的存储器（控制存储器）中，微操作 控制信号由微指令产生。 微程序控制器的设计思想和组合逻辑设计思想截然不同。 它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点， 易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。但是，由于 它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比组合逻辑控制 器慢。内蒙古大学计算机学院346.2 控制器的组成和实现方法计算机组成原理3.组合逻辑和存储逻辑结合型 这种控制器称为PLA控制器，它是组 合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物， 它克服了两者的缺点，是一种较有前途的 方法。内蒙古大学计算机学院356.3 时序系统与控制方式计算机组成原理时序系统是控制器的心脏，其功能是为 指令的执行提供各种定时信号。 6.3.1 时序系统 1.指令周期和机器周期 指令周期是指取指令、分析指令到执行 完该指令所需的全部时间。由于各种指令的 操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此 各种指令的指令周期不尽相同。 机器周期通常又称CPU周期，通常把一 条指令划分为若干个机器周期，每个机器周 期完成一个基本操作。内蒙古大学计算机学院366.3 时序系统与控制方式计算机组成原理指令周期＝i×机器周期 通常，每个机器周期都有一个与之对应 的周期状态触发器。机器运行在不同的机器周期，其对应的周期状态触发器被置“1”，显然， 因此，有一个且仅有一个触发器被置“1” 。在机器运行的任何时刻只能建立一个周期状态，内蒙古大学计算机学院376.3 时序系统与控制方式计算机组成原理2.节拍在一个机器周期内，要完成若干个微操 作。这些微操作有的可以同时执行，有的需 要按先后次序串行执行。因而需要把一个机 器周期分为若干个相等的时间段，每一个时 间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。 节拍的宽度取决于CPU完成一次基本操 作的时间。内蒙古大学计算机学院386.3 时序系统与控制方式计算机组成原理由于不同的机器周期内需要完成的微操作内容 和个数是不同的，因此，不同机器周期内所需要的 节拍数也不相同。节拍的选取一般有以下几种方法：(1)统一节拍法以最复杂的机器周期为准定出节拍数，每一节 拍时间的长短也以最繁的微操作作为标准。这种方 法采用统一的、具有相等时间间隔和相同数目的节 拍，使得所有的机器周期长度都是相等的，因此称 为定长CPU周期。内蒙古大学计算机学院396.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(2)分散节拍法按照机器周期的实际需要安排节拍数，需要多少节拍，就发出多少节拍，这样可以 避免浪费，提高时间利用率。由于各机器周 期长度不同，又称为不定长CPU周期。内蒙古大学计算机学院406.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(3)延长节拍法 在照顾多数机器周期要求的情况下，选 取适当的节拍数，作为基本节拍，如果在某 个机器周期内统一的节拍数无法完成该周期 的全部微操作，则可以延长节拍。T0 T0 T0 T0 T1 T0’ T1 T0’ T1 T1’T1T1’内蒙古大学计算机学院416.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(4)时钟周期插入在一些微型机中，时序信号中不设置节 拍，而直接使用时钟周期信号。一个机器周 期中含有若干个时钟周期，时钟周期的数目 取决于机器周期内完成微操作的多少及相应 功能部件的速度。一个机器周期的基本时钟 周期数确定之后，还可以不断插入等待时钟 周期。内蒙古大学计算机学院426.3 时序系统与控制方式计算机组成原理M T1 T2 T3 T4T1T2T3TwTwT4M’内蒙古大学计算机学院436.3 时序系统与控制方式计算机组成原理3.工作脉冲 在节拍中执行的有些操作需要同步定 时脉冲，为此，在一个节拍内常常设置一 个或几个工作脉冲，作为各种同步脉冲的 来源。工作脉冲的宽度只占节拍电位宽度 的1/n，并处于节拍的末尾，只要能保证所 有触发器都可靠、稳定地翻转就可以了。 在只设置机器周期和时钟周期的微型 机中，一般不再设置工作脉冲，因为时钟 周期既可以作为电位信号，其前后沿又可 以作为脉冲触发信号。内蒙古大学计算机学院446.3 时序系统与控制方式计算机组成原理4.多级时序系统小型机中常采用机器周期、节拍、工作 脉冲三级时序系统。每个机器周期M中包括 若干节拍，每个节拍内有一个脉冲。在机器 周期间、节拍电位间、工作脉冲间既不允许 有重叠交叉，也不允许有空隙，应该是一个 接一个的准确连接。内蒙古大学计算机学院456.3 时序系统与控制方式计算机组成原理M1M2 T1T2T3 T4 P内蒙古大学计算机学院466.3 时序系统与控制方式计算机组成原理T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3取指周期M1 存储器读周期M2存储器写周期M3指令周期内蒙古大学计算机学院476.3 时序系统与控制方式计算机组成原理6.3.2 控制方式 1.同步控制方式 同步控制方式即固定时序控制方式，各 项操作都由统一的时序信号控制，在每个机 器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉 冲。由于不同的指令，操作时间长短不一致， 同步控制方式应以最复杂指令的操作时间作 为统一的时间间隔标准。内蒙古大学计算机学院486.3 时序系统与控制方式计算机组成原理这种控制方式设计简单，容易实现，但 是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时 间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了 指令的执行速度。 在同步控制方式中，各指令所需的时序 由控制器统一发出，所有微操作都与时钟同 步，所以又称为集中控制方式或中央控制方 式。内蒙古大学计算机学院496.3 时序系统与控制方式计算机组成原理2.异步控制方式 异步控制方式即可变时序控制方式。各 项操作不采用统一的时序信号控制，而根据 指令或部件的具体情况决定，需要多少时间， 就占用多少时间。 异步控制采用不同时序，没有时间上的 浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比 较复杂。内蒙古大学计算机学院506.3 时序系统与控制方式计算机组成原理由于这种控制方式没有统一的时钟，而 是由各功能部件本身产生各自的时序信号自我控制，故又称为分散控制方式或局部控制方式。内蒙古大学计算机学院516.3 时序系统与控制方式计算机组成原理3.联合控制方式 这是同步控制和异步控制相结合的方式。 实际上现代计算机中几乎没有完全采用同步 或完全采用异步的控制方式，大多数是采用 联合控制方式。通常的设计思想是：在功能 部件内部采用同步方式或以同步方式为主的 控制方式，在功能部件之间采用异步方式。内蒙古大学计算机学院526.3 时序系统与控制方式计算机组成原理6.3.3 指令执行的基本过程一条指令执行过程可以分为三个阶段：取指 令阶段、分析取数阶段和执行阶段。 1.取指令阶段 取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存 中取出来并送至指令寄存器中去。具体的操作为： ①将程序计数器（PC）中的内容送至存储器 地址寄存器（MAR），并送地址总线（AB）。 (PC)→MAR内蒙古大学计算机学院536.3 时序系统与控制方式计算机组成原理② 由 控 制 单 元 （ CU ） 经 控 制 总 线 （CB）向主存发读命令。 Read ③从主存中取出的指令通过数据总线 （DB）送到存储器数据寄存器（MDR）。 M(MAR) →MDR ④将MDR的内容送至指令寄存器（IR） 中。 (MDR)→IR ⑤将PC的内容递增，为取下一条指令 做好准备。 (PC)＋1→PC内蒙古大学计算机学院546.3 时序系统与控制方式计算机组成原理地 址 总 线 1 PC 5 CU 4 IR MDR 3 MAR 2 1数 据 总 线控 制 总 线 主存 储器内蒙古大学计算机学院556.3 时序系统与控制方式计算机组成原理以上这些操作对任何一条指令来说都是 必须要执行的操作，所以称为公共操作。 2.分析取数阶段取出指令后，机器立即进入分析指令阶 段，指令译码器ID可识别和区分不同的指令 类型及各种获取操作数的方法。由于各条指 令功能不同，寻址方式也不同，所以分析取 数阶段的操作是各不相同的。内蒙古大学计算机学院566.3 时序系统与控制方式计算机组成原理3.执行阶段 执行阶段完成指令规定的各种操作，形 成稳定的运算结果，并将其存储起来。 计算机的基本工作过程可以概括成为取 指令、分析取数、执行指令，然后再取下一条 指令，……。如此周而复始，直至遇到停机指 令或外来的干预为止。内蒙古大学计算机学院576.3 时序系统与控制方式计算机组成原理6.3.4 指令的微操作序列控制器在实现一条指令的功能时，总要把每条指令分解成为一系列时间上先后有序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。微 不同的数据通路就有不同的微操作序列。操作序列是与CPU的内部数据通路密切相关的，内蒙古大学计算机学院586.3 时序系统与控制方式计算机组成原理1.加法指令ADD R1,@R0 这条指令完成的功能是把R0的内容作为地址送 到主存以取得第一操作数，再与R1的内容相加，最 后将结果送回主存中。即实现： ((R0))＋(R1)→(R0)内蒙古大学计算机学院596.3 时序系统与控制方式时钟控制信号…CU字 母 加 下 标 in 表 示 该部件的接收控制信号，指令译码器 OP IRAd IRout IRin PCin C P U 内 部 总 线实际上就是该部件的输地址线+ 1PC MAR MDRPCout MARin MDRin MDRout R0in入开门信号；字母加下存储 总线 数据线标out表示该部件的发送控制信号，实际上就是 该部件的输出开门信号。控制信号R0R0out Rn-1in Rn-1out Yin ALUinRn-1 YALU Z Zout……6.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(1)取指周期 ① PCout 和MARin 有效，完成PC经CPU内部总线送至MAR 的操作，记作(PC)→MAR； ② 通过控制总线（图中未画出）向主存发读命令， 记作Read； ③ 存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（指令） 送至MDR，记作M(MAR)→MDR； ④ MDRout 和 IRin 有 效 ， 将 MDR 的 内 容 送 至 IR ， 记 作 (MDR)→IR。至此，指令被从主存中取出，其操作 码字段开始控制CU。 ⑤ 使PC内容加1，记作(PC)+1→PC。内蒙古大学计算机学院616.3 时序系统与控制方式计算机组成原理这条指令的微操作序列的第①～⑤步 为取指令阶段的公共操作，它完成的任务 为： (PC)→MAR Read M(MAR)→MDR→IR (PC)＋1→PC内蒙古大学计算机学院626.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(2)取数周期 取数周期要完成取操作数的任务，被加数在主 存中，加数已放在通用寄存器R1中。 ① R0out和MARin 有效，完成将被加数地址送至MAR的操作，记作(R0)→MAR；② 向主存发读命令，记作Read； 送 至 MDR ， 同 时 MDRout 和 Yin 有 效 ， 记 作 M(MAR)→MDR→Y；内蒙古大学计算机学院③ 存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（数据）636.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(3)执行周期 执行周期完成加法运算的任务，并将结果写回 主存。 ① R1out和ALUin有效，同时CU向ALU发“ADD”控制信号， 使R1 的内容和Y的内容相加，结果送寄存器Z中，记 作(R1)+Y→Z； ② Zout 和 MDRin 有 效 ， 将 运 算 结 果 送 MDR ， 记 作 (Z)→MDR。 ③ 向主存发写命令，记作Write。内蒙古大学计算机学院646.3 时序系统与控制方式计算机组成原理2.转移指令JC A 这是一条条件转移指令，若上次运算 结果有进位（C=1），就转移；若上次运算 结果无进位（C=0），就顺序执行下一条指 令。设A为位移量，转移地址等于PC的内 容加位移量。相应的微操作序列如下： (1)取指周期 与上条指令的微操作序列完全相同。内蒙古大学计算机学院656.3 时序系统与控制方式计算机组成原理(2)执行周期 如 果 有 进 位 （ C=1 ） ， 则 完 成 (PC)+A→PC的操作，否则跳过以下几步。 ① PCout和Yin有效，记作(PC)→Y（C=1）； ② Ad IRout和ALUin有效，同时CU向ALU发 “ADD”控制信号，使IR中的地址码字段A 和Y的内容相加，结果送寄存器Z，记作 Ad(IR)+Y→Z （C=1） ； ③ Zout和PCin有效，将运算结果送PC，记作 (Z)→PC （C=1） 。内蒙古大学计算机学院666.4 微程序控制原理计算机组成原理微程序设计技术的实质是将程序设计技术和存储 技术相结合，即用程序设计的思想方法来组织操作控 制逻辑，将微操作控制信号按一定规则进行信息编码 （代码化），形成控制字（微指令），再把这些微指令按时间先后排列起来，存放在一个只读存储器中。内蒙古大学计算机学院676.4 微程序控制原理计算机组成原理每一条机器指令对应一段“程序”，该“程序” 被存放在一个只读的控制存储器中，因为每段“程序” 的执行结果是实现了一条机器指令的功能，所以我们将这些“程序”称为指令的微程序。内蒙古大学计算机学院686.4 微程序控制原理计算机组成原理6.4.1 微程序控制的基本概念 1.微程序设计的提出与发展微程序设计的概念和原理最早是由英国剑桥大 学的M.V.Wilkes教授于1951年提出来的。1964年， IBM公司在IBM360系列机上成功地采用了微程序设计 技术，解决了指令系统的兼容问题。70年代以来， 由于VLSI技术的发展，推动了微程序设计技术的发 展和应用，目前，大多数计算机都采用微程序设计 技术。内蒙古大学计算机学院696.4 微程序控制原理计算机组成原理2.基本术语 (1)微命令和微操作一条机器指令可以分解成一个微操作序列，这 些微操作是计算机中最基本的、不可再分解的操作。 微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的 命令。微命令和微操作是一一对应的。微命令是微操 作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。内蒙古大学计算机学院706.4 微程序控制原理计算机组成原理微命令有兼容性和互斥性之分，兼容性微命令是 指那些可以同时产生，共同完成某一些微操作的微命 令；而互斥性微命令是指在机器中不允许同时出现的 微命令。兼容和互斥都是相对的，一个微命令可以和 一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。对于单独一 个微命令，谈论其兼容和互斥都是没有意义的。内蒙古大学计算机学院716.4 微程序控制原理计算机组成原理(2)微指令、微地址微指令是指控制存储器中的一个单元的内容， 即控制字，它是若干个微命令的集合。存放控制字 的控制存储器的单元地址就称为微地址。 一条微指令通常至少包含两大部分信息： ① 操作控制字段，又称微操作码字段，用以产 生某一步操作所需的各微操作控制信号。② 顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控 制产生下一条要执行的微指令地址。内蒙古大学计算机学院726.4 微程序控制原理计算机组成原理(3)微周期 从控制存储器中读取一条微指令并执行 相应的微命令所需的全部时间称为微周期。 (4)微程序 一系列微指令的有序集合就是微程序。 一条机器指令对应于一段微程序。内蒙古大学计算机学院736.4 微程序控制原理计算机组成原理程序指令的集合指令 （微程序）微指令微指令的集合微命令的集合微命令内蒙古大学计算机学院746.4 微程序控制原理计算机组成原理微程序和程序是两个不同的概念。微程序是由微 指令组成的，它用于描述机器指令，实际上是机器指令的实时解释器，它是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存储器中的。对于程序员来说，计算机系统中微程序一级的结构和功能是透明的。程序则最终由机器指令组成，它是由软件设计人员事先编制好并存放在主存或辅存中的。内蒙古大学计算机学院756.4 微程序控制原理计算机组成原理微程序控制的计算机涉及到两个层次一个是机器语言或汇编语言程序员所看到的传统机器层，包括：机器指令、工作程序、主存储器。另一个是机器设计者看到的微程序层，包括：微指令、微程序和控制存储器。内蒙古大学计算机学院766.4 微程序控制原理计算机组成原理6.4.2 微指令编码法 微指令编码法指的就是操作控制字段 的编码方法。各类计算机的微指令编码法 不同。 1.直接控制法（不译码法） 操作控制字段中的各位分别可以直接 控制计算机，不需要进行译码。操作控制 字段的每一个独立的二进制位代表一个微 命令，该位为“1”表示这个微命令有效， 为“0”表示这个微命令无效。每个微命令 对应并控制数据通路中的一个微操作。内蒙古大学计算机学院776.4 微程序控制原理 ……计算机组成原理1 0 1操作控制字段0 1这种方法结构简单，并行性强，操作 速度快，但是微指令字太长，若微命令的 总数为N个，则微指令字的操作控制字段 就要有N位。另外，在N个微命令中，有许 多是互斥的，不允许并行操作，将它们安 排在一条微指令中是毫无意义的，只会使 信息的利用率下降。内蒙古大学计算机学院786.4 微程序控制原理计算机组成原理2.最短编码法 最短编码使得微指令字最短。这种方 法将所有的微命令统一编码，每条微指令 只定义一个微命令。若微命令的总数为N， 操作控制字段的长度为L，则： L≥log 2N内蒙古大学计算机学院796.4 微程序控制原理计算机组成原理最短编码法的微指令字长最短，但要 通过一个微命令译码器译码以后才能得到 需要的微命令。微命令数目越多，译码器 就越复杂。这种方法同一时刻只能产生一 个微命令，不能充分利用机器硬件所具有 的并行性，使得机器指令对应的微程序变 得很长，而且对于某些要求在同一时刻同 时动作的组合性微操作将无法实现。内蒙古大学计算机学院806.4 微程序控制原理计算机组成原理3.字段编码法 前两种编码法的一个折衷的方法，既具 有两者的优点，又克服了它们的缺点。这种 方法将操作控制字段分为若干个小段，每段 内采用最短编码法，段与段之间采用直接控 制法。这种方法又可进一步分为字段直接编 码法和字段间接编码法。内蒙古大学计算机学院816.4 微程序控制原理计算机组成原理⑴字段直接编码法 各字段都可以独立地定义本字段的微命 令，而和其他字段无关，因此又称为显式编 码或单重定义编码方法。这种方法缩短了微 指令字，因此得到了广泛的应用。微命令 微命令 … … 微命令 … … …译码器 译码器 … …微指令 寄存器译码器 …顺序控制字段操作控制字段内蒙古大学计算机学院826.4 微程序控制原理计算机组成原理⑵字段间接编码法 字段间接编码法是在字段直接编码法的基础上，用来进一步缩短微指令字长的方法。间接编码的含义是，一个字段的某些编码不能独立地定义某些微命令，而需要与其他字段的编码来联合定义，因此又称为隐式编码或多重定义编码方法。内蒙古大学计算机学院836.4 微程序控制原理a 1,1 a2,1 a7,1 a 1,2计算机组成原理a 2,2 a7,2??b2＆＆＆＆＆?微命令译码器b1微命令译码器?微指令 A? ?B内蒙古大学计算机学院＆846.4 微程序控制原理计算机组成原理字段编码法中操作控制字段的分段原 则： ① 把互斥性的微命令分在同一段内， 兼容性的微命令分在不同段内。这样不仅 有助于提高信息的利用率，缩短微指令字 长，而且有助于充分利用硬件所具有的并 行性，加快执行的速度。内蒙古大学计算机学院856.4 微程序控制原理计算机组成原理② 应与数据通路结构相适应。 ③ 每个小段中包含的信息位不能太多， 否则将增加译码线路的复杂性和译码时间。 ④ 一般每个小段还要留出一个状态，表 示本字段不发出任何微命令。因此当某字段 的长度为三位时，最多只能表示七个互斥的 微命令，通常用000表示不操作。内蒙古大学计算机学院866.4 微程序控制原理计算机组成原理例如，运算器的输出控制信号有直传、 左移、右移、半字交换等四个，这四个微命 令是互斥的，它们可以安排在同一字段编码。 同样，存储器的读和写命令也是一对互斥的 微命令。还有象A→C、B→C（A、B、C都 是寄存器）这样的一类微命令也是互斥的微 命令，它们不允许在同一时刻出现。内蒙古大学计算机学院876.4 微程序控制原理计算机组成原理假设某计算机共有256个微命令，如果采 用直接控制法，微指令的操作控制字段就要有 256位； 采用最短编码法，操作控制字段只需要8 位就可以了； 如果采用字段直接编码法，若4位为一个 段，共需18段，操作控制字段只需72位，而且 在同一时刻可以并行发出18个不同的微命令。内蒙古大学计算机学院886.4 微程序控制原理计算机组成原理6.4.3 微程序控制器的组成和工作过程1、微程序控制器的基本组成⑴控制存储器（CM）：这是微程序控制器的核心部件，用 来存放微程序。 ⑵微指令寄存器（μ IR）：用来存放从CM取出的正在执行 的微指令。⑶微地址形成部件：用来产生初始微地址和后继微地址。⑷微地址寄存器（μ AR）：它接收微地址形成部件送来的 微地址，为在CM中读取微指令作准备。内蒙古大学计算机学院89计算机组成原理微指令MIR 操作控制字段 顺序控制字段控制存储器ＭＡＲ微地址形成部件 IR ＯＰ ＡＤＤＲ内蒙古大学计算机学院906.4 微程序控制原理2、微程序控制器的工作过程计算机组成原理微程序控制器的工作过程实际上就是在微程序控制器的控 制下，计算机执行机器指令的过程。 ⑴执行取指令公操作。⑵由机器指令的操作码字段通过微地址形成部件产生出该 机器指令所对应的微程序的入口地址，并送入MAR。⑶从CM中逐条取出对应的微指令并执行之。⑷执行完对应于一条机器指令的一段微程序后又回到取指 微程序的入口地址，继续第⑴步，以完成取下条机器指令的公 共操作。内蒙古大学计算机学院916.4 微程序控制原理计算机组成原理6.4.4 微程序入口地址的形成每条机器指令对应一段微程序，当公用的取指微程序从主存中取出机器指令之后，由机器指令的操作 码字段指出各段微程序的入口地址（初始微地址）。 这是一种多分支（或多路转移）的情况，由机器 指令的操作码转换成初始微地址的方式主要有三种。内蒙古大学计算机学院92计算机组成原理1、一级功能转换如果机器指令操作码字段的位数和位置固定，可以直接使 操作码与入口地址码的部分位相对应。2、二级功能转换当同类机器指令的操作码字段的位数和位置固定，而不同 类机器指令的操作码的位数和位置不固定时采用的方法。所谓二级功能转换是指第一次先按指令类型标志转移，以 区分出指令属于哪一类，如：是单操作数指令，还是双操作数 指令等。因为每一类机器指令中操作码字段的位数和位置是固 定的，所以第二次即可按操作码区分出具体是哪条指令，以便 找出相应微程序的入口微地址。内蒙古大学计算机学院936.4 微程序控制原理计算机组成原理3、通过PLA电路实现功能转换 当机器指令的操作码位数和位置都不固定时，可 以采用PLA电路将每条机器指令的操作码翻译成对应的微程序入口地址。这种方法对于变长度、变位置的操作码显得更有效，而且转换速度较快。内蒙古大学计算机学院946.4 微程序控制原理计算机组成原理6.4.5 后继微地址的形成找到初始微地址之后，可以开始执行 微程序，每条微指令执行完毕都要根据要求 形成后继微地址。后继微地址的形成方法对微程序编制 的灵活性影响很大，它主要有两大基本类型： 增量方式和断定方式。内蒙古大学计算机学院956.4 微程序控制原理计算机组成原理1、增量方式（顺序－转移型微地址）这种方式和机器指令的控制方式很类似，它也有顺序执行、 转移和转子之分。 顺序执行时后继微地址就是现行微地址加上一个增量（通 常为1）；转移或转子时，由微指令的顺序控制字段产生转移 微地址。 因此，在微程序控制器中应当有一个微程序计数器 （MPC），为了降低成本，一般情况下都是将微地址寄存器MAR 改为具有计数功能的寄存器，以代替MPC。内蒙古大学计算机学院966.4 微程序控制原理计算机组成原理2、断定方式断定方式的后继微地址可由微程序设计者指定， 或者根据微指令所规定的测试结果直接决定后继微地址的全部或部分值。是一种直接给定与测试断定相结合的方式，其顺序控制字段一般由两部分组成：非测试段和测试段。内蒙古大学计算机学院976.4 微程序控制原理计算机组成原理⑴ 非测试段，可由设计者指定，一般是微地址的高位部分， 用来指定后继微地址在CM中的某个区域内。 ⑵ 测试段，根据有关状态的测试结果确定其地址值，一般 对应微地址的低位部分。这相当于在指定区域内断定具体的分支。所依据的测试状态可能是指定的开关状态、指令操作码、状态字等。 测试段如果只有一位，则微地址将产生两个分支，若有两 位，则最多可产生四个分支，依此类推，测试段为n位最多可产 生2n个分支。内蒙古大学计算机学院986.4 微程序控制原理计算机组成原理微程序实验内蒙古大学计算机学院99计算机组成原理内蒙古大学计算机学院100计算机组成原理6位6位18位内蒙古大学计算机学院101计算机组成原理内蒙古大学计算机学院102计算机组成原理内蒙古大学计算机学院103计算机组成原理内蒙古大学计算机学院104计算机组成原理内蒙古大学计算机学院105计算机组成原理内蒙古大学计算机学院106计算机组成原理内蒙古大学计算机学院107
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