计算机原理详解之运算器与控制器课件.ppt

运算器与控制器课件制作 钱光明 主要内容 1 处理器基本结构及基本流程 指令节拍与流程 组合逻辑控制器 微程序控制器 1 处理器基本结构及基本流程CPU CentralProcessorUnit 1 1处理器基本功能 1 正确取出 指令2 依据指令产生各种操作信号 3 控制操作信号的发生时间 4 数据加工 ALU 算术 逻辑运算等 1 2CPU的组成 1 控制器从内存取出一条指令 并指出下条指令的地址 对指令进行译码 产生相应的控制信号 指挥并控制CPU 内存和I O设备之间的数据传送 2 运算器加工信息 包括 算术运算逻辑运算等 3 CPU中的主要寄存器 MDR 数据缓冲寄存器暂存指令或数据 MAR 存储器地址寄存器 PC 程序计数器 IR 指令寄存器 InstructionRegister 保存当前指令 GR 通用寄存器 PSW 程序状态字 多 其它 1 3典型基本电路 加法器输入 移位器典型电路 1 4CPU的基本操作及基本流程取指流程 R1 R2流程 图中哪些叫微操作控制信号 有关缩写 PC ProgramCounter程序计数器IR InstructionRegister指令寄存器LA LatchA锁存器ALB LatchB锁存器BALU ArithmeticLogicUnit算术逻辑单元MB MemoryBlock存储体MAR MemoryAddressRegister存储器地址寄存器MDR MemoryDataRegister存储器数据寄存器 考研真题 2010年 18 下列存储器中 汇编语言程序员可见的是A 存储器地址寄存器 MAR B 程序计数器 PC C 存储器数据寄存器 MDR D 指令寄存器 IR 考研真题 2010年 43 11分 某计算机字长为16位 主存地址空间大小为128KB 按字编址 采用字长指令格式 指令名字段定义如下 注 X 表示存储器地址X或寄存器X的内容 请回答下列问题 1 该指令系统最多可有多少条指令 该计算机最多有多少个通用寄存器 存储器地址寄存器 MAR 和存储器数据寄存器 MDR 至少各需多少位 2 转移指令的目标地址范围是多少 3 若操作码0010B表示加法操作 助记符为add 寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B R4的内容为1234H R5的内容为5678H 地址1234H中的内容为5678H 地址5678H中的内容为1234H 则汇编语言为add R4 R5 逗号前为原操作数 逗号后为目的操作数 对应的机器码是什么 用十六进制表示 该指令执行后 哪些寄存器和存储单元的内容会改变 改变后的内容是什么 2 指令节拍与流程 2 1基本概念 时钟 节拍与周期举例 时钟周期 最小定时单位 一个或多个时钟周期组成一个节拍 节拍 一个或多个节拍组成一个机器周期 取指周期 又称为公操作 功能 从内存取指令 IR 并修改指令地址 取操作数周期 它与指令的类型和寻址方式有关 执行周期 例如 完成相加并送往目的地 以上3类周期均属机器周期 指令周期 从取指令到全部执行完该条指令 一个或多个机器周期组成一个指令周期 如何理解平常说的微机主频 定长机器周期每个机器周期中的时钟周期数相同 不定长机器周期每个机器周期中的时钟周期数不尽相同 指令周期包含的机器周期也可多可少 简单指令少 复杂指令多 2 2指令的执行过程举例 PDP 11指令 ADD R0 R1 该图总共可以表示几条指令 2 3指令的微操作序列举例 进一步细化 V0 V3为时钟周期 节拍 考研真题 2009年 11 冯 诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中 CPU区分它们的依据是A 指令操作码的译码结果B 指令和数据的寻址方式C 指令周期的不同阶段D 指令和数据所在的存储单元 考研真题 2011年 19 假定不采用Cache和指令预期技术 且机器处于 开中断 状态 则在下列有关指令执行的叙述中 错误的是A 每个指令周期中CPU至少访问内存一次B 每个指令周期一定大于或等于CPU周期C 空操作指令的指令周期中任何寄存器的内容都不会被改变D 当前程序在每条指令执行结束时都可能被外部中断打断 3 组合逻辑控制器3 1基本原理硬布线把控制器看成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路 设计目标 用最少的元件 取得最高的速度 理论基础 布尔代数 组成器件 门电路 触发器 特点 1 组成的网络复杂 2 无规则 3 设计和调试困难 4 不可改变指令系统和指令功能 5 适用于VLSI 6 速度高 设计依据 微操作 时钟因素 时钟 节拍 周期 指令码 基本条件 部件设计 首先 列出每条机器指令的微操作序列 结合时序信号 排出操作时间表 其次 将相同微操作的地方和条件逐个列出 这里的地方和条件是指有关的指令码 时序信号及其它条件 结果特征与状态 其三 将同一微操作的全部地方和条件进行 或 合并 化简 求得每个微操作的优化逻辑函数式 最后 根据每个逻辑的函数式得到用 与非 门实现的各自的逻辑电路 又称执行逻辑 再将每个微操作执行逻辑组合起来 就构成微操作产生部件 3 2设计举例完成 ALU BUS FETCH V1 SOF V1 间接寻址 ADD EXE V1 ADD 3 3用PLA实现组合逻辑控制器 考研真题 2009年 19 相对于微程序控制器 硬布线控制器的特点是A 指令执行的速度慢 指令功能的修改和扩展容易B 指令执行的速度慢 指令功能的修改和扩展难C 指令执行的速度快 指令功能的修改和扩展容易D 指令执行的速度快 指令功能的修改和扩展难 4 微程序控制器 组合逻辑变成了存储逻辑 从而可用类似程序设计的方法 称微程序设计 去设计繁杂控制逻辑 以下述节拍段为例 V0 PC BUS BUS MAR CLEAR PC LA 1 C0 ADD V1 READ ALU BUS BUS PC WAIT V2 MDR BUS BUS IR V3 1 SOF 下址字段001002 4 1下址字段法 用于存放全部指令的所有微程序 它采用只读存储器结构 控制存储器的字长等于微指令的长度 它的容量决定于所有微程序的总长度 它的读出周期要求尽可能短 故一般采用双极型只读存储器 其存取周期称微周期 控制存储器CROM AR 指微指令地址寄存器 它是控制存储器CROM中的地址寄存器 用于存放将要读取的微指令地址 简称微地址 IR 指微指令寄存器 它是控制存储器中的数据寄存器 用于存放从控制存储器取出的微指令 并保存到它被执行完毕为止 微地址译码逻辑PLA 产生后继微指令的地址 又称下址 下址有3种可能 起始地址 每条机器指令所对应的一段微程序的人口地址 它由指令操作码经PLA译码给出 顺序地址 由微指令的下址字段给出 它不经过PLA 在微指令取出后 直接从下字址字段取得 转移地址 由微指令的下址字段及PLA中的地址修改逻辑给出的部分地址并接而成 转移时用转移时用 4 2计数器法 4 3麓芯1号一看整体结构 二看指令编码 三看微指令编码 四看微程序举例 MOVR0 11H 五看CROM 且实际运行 0 x0000 0 x43800001 此2行为取指令0 x0001 0 xc401c4000 x00e4 0 x000008e5 此6行为 ADDR0 R1 1e110 x00e7 0 x000060e9 微程序设计0 x00e9 0 x000048ea0 x00ec 0 x000080ee0 x00ee 0 x228800ef0 x00ef 0 x2000a0000 x00a4 0 x000008a5 此6行为 MOVR0 11H 1a0800110 x00a7 0 x000060ae 微程序设计0 x00a9 0 x000048aa0 x00ab 0 x438000af0 x00ae 0 x029000a90 x00af 0 x440400b00 x00b0 0 x431900b10 x00b1 0 x68000000end 4 4相关概念4 4 1微命令编码 直接表示法 不译码法一位表示一个微命令 优点 简单 直观 输出直接用于控制 缺点 微指令字较长 CS容量大 译码表示法 字段译码法几个微命令组成一个小组 然后通过小组译码器译码输出 优点 缩短字长 缺点 速度稍减 混合表示法编码原则 相斥性的微命令尽量分在同一字段内 相容性的微命令可分在不同字段内 4 4 2微指令格式 水平型微指令一个机器周期内能同时发出多个微命令的微指令 垂直型微指令 一个机器周期内能发出 个微命令的微指令 考研真题 2012年 18 某计算机的控制器采用微程序控制方式 微指令中的操作控制字段采用字段直接编码法 共有33个微命令 构成5个互斥类 分别包含7 3 12 5和6个微命令 则操作控制字段至少有A5位B6位C15位D33位 考研真题 2009年 44 某计算机字长16位 采用16位字长指令字结构 部分数据通路结构如图所