第五章 中央处理器
5.1 CPU的组成和功能
5.1.1 CPU器的功能
CPU它具有如下四方面的基本功能：
★ 指令控制
★ 操作控制
★ 时间控制
★ 数据加工
5.1.2 CPU的基本组成 和 5.1.3 CPU中的主要寄存器
CPU的基本部分由 运算器,cache和 控制器 三大部分组成。
控制器由 程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序产生器 和 操作控制器 组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能有：
(1)
(2)对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；
(3)指挥并控制 CPU,内存和输入 /输出设备之间数据流动的方向。
运算器由 算术逻辑单元 (ALU),累加寄存器,数据缓冲寄存器 和 状态条件寄存器 组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 运算器有两个主要功能：
(1)
(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。
CPU模型参看
5.1.4 操作控制器与时序产生器数据通路,许多寄存器之间传送信息的通路时序产生器,产生电平和脉冲，规定指令执行时间等。
操作控制器,就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。
根据设计方法不同，操作控制器可分为 时序逻辑型、存储逻辑型、
时序逻辑与存储逻辑结合型 三种。
1.硬布线控制器是采用时序逻辑技术来实现的；
2.微程序控制器是采用存储逻辑来实现的；
3.前两种方式的组合
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念指令周期 CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。
CPU周期 又称机器周期,CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
时钟周期 通常称为节拍脉冲或 T周期。一个 CPU周期包含若干个时钟周期。
下图示出了采用定长 CPU周期的指令周期示意图。
5.2.2 –5.2.5 指令周期
（ 1） CLA
（ 2） ADD 30
（ 3） STA 40
（ 4） NOP
（ 5） JMP
我们把前面的五条典型指令取指和执行过程
5.2.6 用方框图语言表示指令周期在进行计算机设计时，可以采用 方框图语言 来表示一条指令的指令周期。
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，不过时间上它依附于紧接它的前面一个方框的 CPU周期，而不单独占用一个 CPU周期
。
我们把前面的五条典型指令加以归纳，
用方框图语言表示的指令周期例 1】
(1),ADD R2,R0”指令完成 (R0)+(R2)→R0 的功能操作，
画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入 PC中。
并列出相应的微操作控制信号序列。
(2),SUB R1,R3”指令完成 (R3)-(R1)→R3 的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。
5.3 时序产生器和控制方式
5.3.1 时序信号的作用和体制用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那 么 CPU
是怎样识别出它们是数据还是指令呢?
电位 _脉冲总之，计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号 来体现的。
(1)硬布线控制器中，时序信号往往采用 主状态周期 -节拍电位 -节拍脉冲 三级体制。
(2)在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用 节拍电位 -节拍脉冲 二级体制。
5.3.2 时序信号产生器微程序控制器中使用的时序信号产生器由时钟源、环形脉 冲发生器、节拍脉冲 和 读写时序译码逻辑、启停控制逻辑 等部分组成。
5.3.3 控制方式控制方式 即控制不同操作序列时序信号的方法。
常用的有 同步控制、异步控制、联合控制 三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式。
1.同步控制方式在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。根据不同情况，同步控制方式可选取
(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。
(2)采用不定长机器周期。
(3)中央控制与局部控制结合。
2.异步控制方式其特点是：每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成；也可以是当控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回答”信号
，再开始新的操作。显然，用这种方式形成的操作控制序列没有固定的 CPU周期数 (节拍电位 )或严格的时钟周期 (节拍脉冲 )与之同步。
3.联合控制方式此为同步控制和异步控制相结合的方式。
情况（ 1） 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以执行部件的“回答”信号作为本次操作的结束；
情况（ 2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。
微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作。
简单运算器数据通路
5.4.2 微指令和微程序微指令 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。
微程序 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。
具体的微指令结构
5.4.3 微程序控制器原理框图它主要由 控制存储器、微指令寄存器 和 地址转移逻辑 三大部分组成。
微程序控制器原理框图读出一条微指令并执 行微指令的时间总和称为一个 微指令周期 。
微指令周期 就是只读存储器的工作周期。
控制存储器的字长 就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量
5.4.4 微程序举例我们举“十进制加法”指令为例，具体看一看微程序控制的过程。
5.4.5 CPU周期与微指令周期的关系在串行方式的微程序控制器中,
微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间下图示出了某小型机中 CPU周期与微指令周期的时间关系：
机器指令与微指令的总结
1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的 操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。
2,CAI演示
3.我们在讲述本章 5.2节时，曾讲述了指令与机器周期概念，
并归纳了五条典型指令的指令周期,并演示了这五条指令的微程序流程图,每一个 CPU周期就对应一条微指令 。这就告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一步体验到机器指令与微指令的关系。
【例 2】 设某计算机运算器框图如图 (a)所示，其中 ALU为 16位的加法器 (高电平工作 ),SA,SB为 16位暂存器。 4个通用寄存器由 D
触发器组成,Q端输出，其读、写控制功能见下表。
R RA0 RA1 选择 W WA0 WA1 选择
1 0 0 R0 1 0 0 R0
1 0 1 R1 1 0 1 R1
1 1 0 R2 1 1 0 R2
1 1 1 R3 1 1 1 R3
0 * * 不读出 0 * * 不写入微指令格式如下 (未考虑顺序控制字段 )：
RA0RA1 WA 0WA
1
R W LDSA LDSB SB-ALU SB-ALU Reset ~
(1),ADD R0,R1”指令，即 (R0)+(R1)→R1
(2)“SUB R2,R3”指令，即 (R3)-(R2)→R3
(3)“MOV R2,R3”指令，即 (R2)→(R3)
5.5 微程序设计技术
5.5.1 微命令编码微命令编码 对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通常有以下三种方法：
1.直接表示法这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制。
2.编码表示法
3.混合表示法这种方法是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。
5.5.2 微地址的形成方法产生微地址有两种方法：
1.计数器方式这种方法同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似在顺序执行微指令时微地址寄存器通常改为计数器在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式
2.多路转移方式
在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继微地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“后选”微地址可供选择：
即按顺序控制字段的,判别测试” 标志和,状态条件” 信息来选择其中一个微地址。“判别测试”有 n位标志，可实现微程序 2的 n次方路转移，涉及微地址寄存器的 n位 。
【例 3】 微地址寄存器有 6位 (μA5-μA0),当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端 S将其置,1”。现有三种情况：
(1)执行“取指”微指令后，微程序按 IR的 OP字段 (IR3-IR0)进行 16
路分支；
(2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志 C的状态进行 2路分支；
(3)执行控制台指令微程序时，按 IR4,IR5的状态进行 4路分支。
(1)用 P1和 IR3-IR0修改 μA3-μA0；
(2)用 P2和 C修改 μA0；
(3)用 P3和 IR5,IR4修改 μA5,μA4。
另外还要考虑时间因素 T4(假设 CPU周期最后一个节拍脉冲 )，故
μA5=P3·IR5·T4
μA4=P3·IR4·T4
μA3=P1·IR3·T4
μA2=P1·IR2·T4
μA1=P1·IR1·T4
μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4
5.5.3 微指令格式微指令的格式大体分成两类,水平型微指令 和 垂直型微指令 。
控 制 字 段 判别测试字段 下地址字段
1.水平型微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做 水平型微指令 。 其一般格式如下：
按照控制字段的编码方法不同,水平型微指令 又分为三种：
I,全水平型 (不译法 )微指令
II,字段译码法水平型微指令
III,直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能,称为 垂直型微指令 。
下面举 4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指令字长为 16位，微操作码 3位。
(1)寄存器 -寄存器传送型微指令
(2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令
(4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。
(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。
(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似
5.5.4 动态微程序设计微程序设计技术有 静态微程序设计 和 动态微程序设计 之分。
1.静态微程序设计对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，而且这一组微程序设计好之后,
2.动态微程序设计当采用 EPROM作为控制存储器时，还可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统,这种技术又称为 仿真其他机器指令系统
5.8 流水 CPU
5.8.1 并行处理技术并行性 的两种含义：
同时性 指两个以上事件在同一时刻发生；
并发性 指两个以上事件在同一时间间隔内发生。
计算机的并行处理技术概括起来主要有以下三种形式：
1.时间并行
2.空间并行
3.时间并行 +空间并行
5.8.2 流水 CPU的结构其中 CPU按流水线方式组织，通常由三部分组成,指令部件、指令队列、执行部件 。
2,流水 CPU的时空图图 (a)表示流水 CPU中一个指令周期的任务分解。
图 (d)表示超标量流水计算机的时空图。
指令流水线 指指令步骤的并行。将指令流的处理过程划分为取指令、译码、执行、写回等几个并行处理的过程段。
3,流水线分类算术流水线 指运算操作步骤的并行。
处理机流水线 又称为宏流水线，是指程序步骤的并行。
5.8.3 流水线中的主要问题流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1,资源相关资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2,数据相关在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
(1) I1,ADD R1,R2,R3 ； (R2) + (R3)->R1
I2,SUB R4,R1,R5 ； (R1) - (R5)->R4
RAW相关
(2) I3,STA M(x),R3 ； (R3)->M(x),M(x)是存储器单元
I4,ADD R3,R4,R5 ； (R4)+(R5)->R3
WAR相关
(3) I5,MUL R3,R1,R2 ； (R1)× (R2)->R3
I6,ADD R3,R4,R5 ； (R4) + (R5)->R3
WAW
解决数据相关冲突的办法,
在流水 CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为,向前”
或定向传送技术 。
3,控制相关控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，
依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线 发生断流。
为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理技术：
延迟转移法 由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是“先执行再转移”
转移预测法 用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。通过使用转移取和顺序取两路指令预取队列器以及目标指令 cache,可将转移预测提前到取指阶段进行，以获得良好的效果。
5.8.4 pentium CPU
pentium是 Intel公司生产的超标量流水处理器,CPU内部的主要寄存器宽度为 32位，故认为它是一个 32位微处理器 。
但它通向存储器的外部数总线宽度为 64位以 CISC结构实现超标量流水线，并有 BTB方式的转移预测能力，堪称为当代 CISC机器的经典之作。
5.9.1 RISC CPU
RISC的三个要素是：
(1)一个有限的简单的指令集；
(2)CPU配备大量的通用寄存器；
(3)强调对指令流水线的优化。
什么是 RISC(精简指令系统计算机 )
RISC机器的特征
(1)使用等长指令，目前的典型长度是 4
(2)寻址方式少且简单，一般为 2—3种，最多不超过 4种，绝不出现存储器间接寻址方
(3)只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出现 RS型指令，绝不出现 SS型指
(4)指令集中的指令数目一般少于 100种，指令格式一般少于 4
(5)
(6)
(7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于 32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于 16个。
(8)
(9)
(10)RlSC技术的复杂性于它的编译程序，因此软件系统开发时间比 CISC机器长。
RISC与 CISC（ 复杂指令系统计算机）的主要特征对比
P199 表 5.6
媒体 一词在涉及信息传递的领域中是指传递信息的媒介，它包括存储信息的实体与传递信息的载体两部分。磁盘、光盘等皆属存储信息的实体，而载体则指用来表达信息的形体，
如数值、文字、声音、图形与动静图像等。
5.10.1 多媒体 CPU
多媒体技术 是指计算机把各种不同的电子媒质集成起来，
统一进行存储、处理和传输。多媒体技术使计算机进一步摆脱了“计算工具”的传统观念，成为处理各种信息本章小结
P208
作业
P210~211 8,13,16
5.1 CPU的组成和功能
5.1.1 CPU器的功能
CPU它具有如下四方面的基本功能：
★ 指令控制
★ 操作控制
★ 时间控制
★ 数据加工
5.1.2 CPU的基本组成 和 5.1.3 CPU中的主要寄存器
CPU的基本部分由 运算器,cache和 控制器 三大部分组成。
控制器由 程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序产生器 和 操作控制器 组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能有：
(1)
(2)对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；
(3)指挥并控制 CPU,内存和输入 /输出设备之间数据流动的方向。
运算器由 算术逻辑单元 (ALU),累加寄存器,数据缓冲寄存器 和 状态条件寄存器 组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 运算器有两个主要功能：
(1)
(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。
CPU模型参看
5.1.4 操作控制器与时序产生器数据通路,许多寄存器之间传送信息的通路时序产生器,产生电平和脉冲，规定指令执行时间等。
操作控制器,就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。
根据设计方法不同，操作控制器可分为 时序逻辑型、存储逻辑型、
时序逻辑与存储逻辑结合型 三种。
1.硬布线控制器是采用时序逻辑技术来实现的；
2.微程序控制器是采用存储逻辑来实现的；
3.前两种方式的组合
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念指令周期 CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。
CPU周期 又称机器周期,CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
时钟周期 通常称为节拍脉冲或 T周期。一个 CPU周期包含若干个时钟周期。
下图示出了采用定长 CPU周期的指令周期示意图。
5.2.2 –5.2.5 指令周期
（ 1） CLA
（ 2） ADD 30
（ 3） STA 40
（ 4） NOP
（ 5） JMP
我们把前面的五条典型指令取指和执行过程
5.2.6 用方框图语言表示指令周期在进行计算机设计时，可以采用 方框图语言 来表示一条指令的指令周期。
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，不过时间上它依附于紧接它的前面一个方框的 CPU周期，而不单独占用一个 CPU周期
。
我们把前面的五条典型指令加以归纳，
用方框图语言表示的指令周期例 1】
(1),ADD R2,R0”指令完成 (R0)+(R2)→R0 的功能操作，
画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入 PC中。
并列出相应的微操作控制信号序列。
(2),SUB R1,R3”指令完成 (R3)-(R1)→R3 的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。
5.3 时序产生器和控制方式
5.3.1 时序信号的作用和体制用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那 么 CPU
是怎样识别出它们是数据还是指令呢?
电位 _脉冲总之，计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号 来体现的。
(1)硬布线控制器中，时序信号往往采用 主状态周期 -节拍电位 -节拍脉冲 三级体制。
(2)在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用 节拍电位 -节拍脉冲 二级体制。
5.3.2 时序信号产生器微程序控制器中使用的时序信号产生器由时钟源、环形脉 冲发生器、节拍脉冲 和 读写时序译码逻辑、启停控制逻辑 等部分组成。
5.3.3 控制方式控制方式 即控制不同操作序列时序信号的方法。
常用的有 同步控制、异步控制、联合控制 三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式。
1.同步控制方式在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。根据不同情况，同步控制方式可选取
(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。
(2)采用不定长机器周期。
(3)中央控制与局部控制结合。
2.异步控制方式其特点是：每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成；也可以是当控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回答”信号
，再开始新的操作。显然，用这种方式形成的操作控制序列没有固定的 CPU周期数 (节拍电位 )或严格的时钟周期 (节拍脉冲 )与之同步。
3.联合控制方式此为同步控制和异步控制相结合的方式。
情况（ 1） 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以执行部件的“回答”信号作为本次操作的结束；
情况（ 2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。
微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作。
简单运算器数据通路
5.4.2 微指令和微程序微指令 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。
微程序 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。
具体的微指令结构
5.4.3 微程序控制器原理框图它主要由 控制存储器、微指令寄存器 和 地址转移逻辑 三大部分组成。
微程序控制器原理框图读出一条微指令并执 行微指令的时间总和称为一个 微指令周期 。
微指令周期 就是只读存储器的工作周期。
控制存储器的字长 就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量
5.4.4 微程序举例我们举“十进制加法”指令为例，具体看一看微程序控制的过程。
5.4.5 CPU周期与微指令周期的关系在串行方式的微程序控制器中,
微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间下图示出了某小型机中 CPU周期与微指令周期的时间关系：
机器指令与微指令的总结
1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的 操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。
2,CAI演示
3.我们在讲述本章 5.2节时，曾讲述了指令与机器周期概念，
并归纳了五条典型指令的指令周期,并演示了这五条指令的微程序流程图,每一个 CPU周期就对应一条微指令 。这就告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一步体验到机器指令与微指令的关系。
【例 2】 设某计算机运算器框图如图 (a)所示，其中 ALU为 16位的加法器 (高电平工作 ),SA,SB为 16位暂存器。 4个通用寄存器由 D
触发器组成,Q端输出，其读、写控制功能见下表。
R RA0 RA1 选择 W WA0 WA1 选择
1 0 0 R0 1 0 0 R0
1 0 1 R1 1 0 1 R1
1 1 0 R2 1 1 0 R2
1 1 1 R3 1 1 1 R3
0 * * 不读出 0 * * 不写入微指令格式如下 (未考虑顺序控制字段 )：
RA0RA1 WA 0WA
1
R W LDSA LDSB SB-ALU SB-ALU Reset ~
(1),ADD R0,R1”指令，即 (R0)+(R1)→R1
(2)“SUB R2,R3”指令，即 (R3)-(R2)→R3
(3)“MOV R2,R3”指令，即 (R2)→(R3)
5.5 微程序设计技术
5.5.1 微命令编码微命令编码 对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通常有以下三种方法：
1.直接表示法这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制。
2.编码表示法
3.混合表示法这种方法是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。
5.5.2 微地址的形成方法产生微地址有两种方法：
1.计数器方式这种方法同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似在顺序执行微指令时微地址寄存器通常改为计数器在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式
2.多路转移方式
在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继微地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“后选”微地址可供选择：
即按顺序控制字段的,判别测试” 标志和,状态条件” 信息来选择其中一个微地址。“判别测试”有 n位标志，可实现微程序 2的 n次方路转移，涉及微地址寄存器的 n位 。
【例 3】 微地址寄存器有 6位 (μA5-μA0),当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端 S将其置,1”。现有三种情况：
(1)执行“取指”微指令后，微程序按 IR的 OP字段 (IR3-IR0)进行 16
路分支；
(2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志 C的状态进行 2路分支；
(3)执行控制台指令微程序时，按 IR4,IR5的状态进行 4路分支。
(1)用 P1和 IR3-IR0修改 μA3-μA0；
(2)用 P2和 C修改 μA0；
(3)用 P3和 IR5,IR4修改 μA5,μA4。
另外还要考虑时间因素 T4(假设 CPU周期最后一个节拍脉冲 )，故
μA5=P3·IR5·T4
μA4=P3·IR4·T4
μA3=P1·IR3·T4
μA2=P1·IR2·T4
μA1=P1·IR1·T4
μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4
5.5.3 微指令格式微指令的格式大体分成两类,水平型微指令 和 垂直型微指令 。
控 制 字 段 判别测试字段 下地址字段
1.水平型微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做 水平型微指令 。 其一般格式如下：
按照控制字段的编码方法不同,水平型微指令 又分为三种：
I,全水平型 (不译法 )微指令
II,字段译码法水平型微指令
III,直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能,称为 垂直型微指令 。
下面举 4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指令字长为 16位，微操作码 3位。
(1)寄存器 -寄存器传送型微指令
(2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令
(4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。
(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。
(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似
5.5.4 动态微程序设计微程序设计技术有 静态微程序设计 和 动态微程序设计 之分。
1.静态微程序设计对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，而且这一组微程序设计好之后,
2.动态微程序设计当采用 EPROM作为控制存储器时，还可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统,这种技术又称为 仿真其他机器指令系统
5.8 流水 CPU
5.8.1 并行处理技术并行性 的两种含义：
同时性 指两个以上事件在同一时刻发生；
并发性 指两个以上事件在同一时间间隔内发生。
计算机的并行处理技术概括起来主要有以下三种形式：
1.时间并行
2.空间并行
3.时间并行 +空间并行
5.8.2 流水 CPU的结构其中 CPU按流水线方式组织，通常由三部分组成,指令部件、指令队列、执行部件 。
2,流水 CPU的时空图图 (a)表示流水 CPU中一个指令周期的任务分解。
图 (d)表示超标量流水计算机的时空图。
指令流水线 指指令步骤的并行。将指令流的处理过程划分为取指令、译码、执行、写回等几个并行处理的过程段。
3,流水线分类算术流水线 指运算操作步骤的并行。
处理机流水线 又称为宏流水线，是指程序步骤的并行。
5.8.3 流水线中的主要问题流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1,资源相关资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2,数据相关在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
(1) I1,ADD R1,R2,R3 ； (R2) + (R3)->R1
I2,SUB R4,R1,R5 ； (R1) - (R5)->R4
RAW相关
(2) I3,STA M(x),R3 ； (R3)->M(x),M(x)是存储器单元
I4,ADD R3,R4,R5 ； (R4)+(R5)->R3
WAR相关
(3) I5,MUL R3,R1,R2 ； (R1)× (R2)->R3
I6,ADD R3,R4,R5 ； (R4) + (R5)->R3
WAW
解决数据相关冲突的办法,
在流水 CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为,向前”
或定向传送技术 。
3,控制相关控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，
依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线 发生断流。
为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理技术：
延迟转移法 由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是“先执行再转移”
转移预测法 用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。通过使用转移取和顺序取两路指令预取队列器以及目标指令 cache,可将转移预测提前到取指阶段进行，以获得良好的效果。
5.8.4 pentium CPU
pentium是 Intel公司生产的超标量流水处理器,CPU内部的主要寄存器宽度为 32位，故认为它是一个 32位微处理器 。
但它通向存储器的外部数总线宽度为 64位以 CISC结构实现超标量流水线，并有 BTB方式的转移预测能力，堪称为当代 CISC机器的经典之作。
5.9.1 RISC CPU
RISC的三个要素是：
(1)一个有限的简单的指令集；
(2)CPU配备大量的通用寄存器；
(3)强调对指令流水线的优化。
什么是 RISC(精简指令系统计算机 )
RISC机器的特征
(1)使用等长指令，目前的典型长度是 4
(2)寻址方式少且简单，一般为 2—3种，最多不超过 4种，绝不出现存储器间接寻址方
(3)只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出现 RS型指令，绝不出现 SS型指
(4)指令集中的指令数目一般少于 100种，指令格式一般少于 4
(5)
(6)
(7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于 32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于 16个。
(8)
(9)
(10)RlSC技术的复杂性于它的编译程序，因此软件系统开发时间比 CISC机器长。
RISC与 CISC（ 复杂指令系统计算机）的主要特征对比
P199 表 5.6
媒体 一词在涉及信息传递的领域中是指传递信息的媒介，它包括存储信息的实体与传递信息的载体两部分。磁盘、光盘等皆属存储信息的实体，而载体则指用来表达信息的形体，
如数值、文字、声音、图形与动静图像等。
5.10.1 多媒体 CPU
多媒体技术 是指计算机把各种不同的电子媒质集成起来，
统一进行存储、处理和传输。多媒体技术使计算机进一步摆脱了“计算工具”的传统观念，成为处理各种信息本章小结
P208
作业
P210~211 8,13,16
