特点
①能以较短的顺序控制字段配合， 实现多路并行转移； ②灵活性好，速度较快； ③转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。
14
【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 标志 C 的状态进行路分支；（ 3 ）执行控制台指令 微程序时，按 IR4，IR5 的状态进行 4 路分支。请按 多路转移方法设计微地址转移逻辑。
空间S
WB EX ID I1 I1 I2 I1 I2 I1 I2 I3 I3 I4 I5 I4 I5 I5 I2
I3
I4
IF
I1 图5.38 I2 流水计算机的时空图 I4 I5 (c)标量流水线时空图 I3 1 2 3 4 5 6 7 8 时间T
45
比较：
流水计算机在8个单位时间中执行了5条指令，
25
5.5.4 动态微程序设计
微程序设计技术
静态微程序设计 动态微程序设计
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，微程序设计好之后，不好改变，这 种微程序设计技术称为静态微程序设计。
26
动态微程序设计
当采用 EPROM 作为控制存储器时，可以通过 改变微指令和微程序来改变机器的指令系统， 这种微程序设计技术称为动态微程序设计。
译码
字段1
字段2 顺序控制
……
P字段
下一个微地址 顺序控制
图5.30
段直接译码法
10
（3）混合表示法
混合表示法：
把直接表示法与字段编码法混合使用 ，综合 考虑微指令字长、灵活性、执行微程序速度等 方面的要求。 在微指令中可附设一个常数字段。 该常数可 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。
非流水计算机在8个单位时钟仅执行了2条指令。
结论
流水技术的应用，使计算机的速度大大提高了。
46
标量流水计算机
计算机只有一条指令流水线
超标量流水计算机
指计算机具有两条以上的指令流水线
例：Pentium微型机为超标量流水计算机
47
I1 I2 空间S I1 WB I1 I2 I1 I2 I1 I2 I3 I4 I3 I4 I5 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8
30
5.7 典型的CPU
1982年1月Intel公司推出80286。
它采用6引线的四列直插式封装。 它具有独立的16条数据线和24条地址
线。芯片上集成13.5万个晶体管。
31
32
Intel80386可以处理32位字长的数据 它采用CISC结构。 最高工作频率为40Mhz 它有32位寄存器和电源管理器 可以接80387协处理器 有3v版本 6个16位段缓冲器 132I/O引脚 32位地址线，24位地址线
空间S WB I1 I1 I2 I2 I2 1 2 3 4 5 6 7 8 时间T
44
I1 I2
I2
EX
ID IF I1
I1
图5.38 流水计算机的时空图 (b)非流水线时空图
图 5.38(c)表示流水计算机的时空图。对流水计算机 来说，上一条指令与下一条指令的四个子过程在时间 上可以重叠执行。因此，当流水线满载时，每一个时 钟周期就可以输出一个结果。
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。
特点
结构类似于机器指令的结构
每条微指令功能简单
20
(1)寄存器－寄存器传送型微指令
15 000 13 12 源寄存器编址 8 7 3 2 其他 0 目标寄存器编址
功能
把源寄存器数据送目标寄存器。
21
(2)运算控制型微指令
时间并行＋空间并行
既采用时间并行性又采用空间并行性。
40
5.8.2
存 储 器 体 系
流水CPU的结构
多体交叉存储器 cache 指令部件 （指令I+k+1） 取指令、指令译码 计算机操作数地址 取操作数 （指令I+k） （指令I+2） FIOF 指令队列
1．流水计算机的系统组成
流 水 方 式 的
37
38
5.8 流水CPU
5.8.1 并行处理技术 并行性：
同时性 并发性
计算机的的并行的三种形式：
时间并行 空间并行 时间并行＋空间并行
39
时间并行
多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地 使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件 周转而赢得速度。
空间并行
指资源重复，以“数量取胜”为原则来大幅度提 高计算机的处理速度。
解 ： 按所给设计条件，微程序有三种判别测试， 分别为 P1，P2，P3。由于修改μA5－μA0 的内容具 有很大灵活性，现分配如下：
15
（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，还要考虑到时间因素T4（假设 CPU周期最后一个节拍脉冲），故转移逻辑表达式 如下：
5.4.3 微程序控制器原理框图
（1）控制存储器(只读存储器 CM)
用来存放全部指令系统的微程序。
（2）微指令寄存器
用来存放控制存储器CM读出的一条微指 令信息
（3）地址转移逻辑
完成自动完成修改微程序的任务
1
图5.24
微程序控制器组成原理图
2
5.4.5
微程序举例
十进制加法调整指令的实现
3
5.4.5 CPU周期和微指令周期的关系
总线接口单元 BIU
A-BUS
AH BH CH DH AL BL CL DL
ALU
状态标志
SP BP SI DI
PSW
执行单元EU
29
IBM 370
16个32位 通用寄存器 4个64位 浮点寄存器
定点算术部件
十进算术部件
浮点算术部件
内
部
总
线
AR
IR
IR
DR
程序状态字
操作 控制器
…
存储控制部件
到主存储器
I3 I4
I5 I6
I7 I8
I9 I10
I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
I5 I6 I7 I8 I9 I10
I7 I8 I9 I10
I9 I10
EX
ID
IF
I6 2 3
1
4
5
6
7
8
时间T
图5.38 流水计算机的时空图 (d)超标量流水线时空图
48
3．流水线分类
指令流水线
指令步骤的并行
15 13 12 8 7 3 2 0
001
左输入源编址
右输入源编址
ALU
功能
选择ALU的左、右两输入源信息，按ALU字段所指定的运算功
能（8种操作）进行处理，并将结果送入暂存器中。左、右 输入源编址可指定31种信息源之一。
22
(3)访问主存微指令
15 010 13 12 寄存器编址 8 7 存储器编址 3 2 读写 1 0 其他
8
（2）编码表示法
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。
9
优点
字段译码控制法可使微指令字大大缩短。
缺点
由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍 稍减慢。
微命令 …. 译码 P1 P2 …. 译码 …. Pn ….
算术流水线
指运算操作步骤的并行 STAR-100为 4级流水运算器。
TI-ASC为8级流水运算器
CRAY-1为14级流水运算器。
49
处理机流水线（宏流水线）
是指程序步骤的并行，由一串级联的处理机 构成流水线的各个过程段， 每台处理机负责某一特定的任务。 数据流从第一台处理机输入，经处理后被送
6
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。
微指令编码的三种方法：
（1）直接表示法
（2）编码表示法
（3）混合表示法
7
（1）直接表示法
特点
操作控制字段中的每一位代表一个微命令。
优点：
简单直观，其输出直接用于控制。
缺点
微指令字较长，因而使控制存储器容量 较大。
42
2．流水CPU的时空图
假设指令周期包含四个子过程：
取指令(IF) 指令译码(ID) 运算(EX) 结果写回(WB)
每个子过程称为过程段(Si)
43
S1
S2
S3
S4
入
IF
ID
EX
WB
出
图5.38 流水计算机的时空图 (a)一个指令流水线过程段
图 5.38(b)表示非流水计算机的时空图。对非流水计算 机来说，上一条指令的四个子过程全部执行完毕后才能 开始下一条指令。因此，每隔 4 个机器时钟周期才有一 个输出结果。
27
传统CPU
1、M6800 CPU
A15----A8
地址缓冲寄存器（高） 程序计数器（高位）
A7----A0
地址缓冲寄存器（低） 程序计数器（低位）
堆栈指示器（高位）
变址寄存器（高位）
允许使用数据总线 状态控制 复位 非屏蔽中断 停机 中断请求 时钟φ 1 时钟φ 2 总线有效 读/写 有效存储地址
μA5＝P3· IR5· T4