计算机组织与结构-第二章第四讲-short.ppt

,计算机组织与结构,第二章指令系统,计算机组织与结构第二章,第二章指令系统2.1指令格式2.2寻址方式2.3指令种类2.4精简指令系统RISC2.5指令系统的优化与发展2.6指令的执行过程与控制2.7微程序控制器2.8中断系统,主要内容,基本概念微程序控制器微指令的格式与编码微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,计算机组织与结构2.7微程序控制器,计算机,控制部件,执行部件,运算器存储器外设,执行控制命令并通过反馈线反馈状态信息,控制器通过控制线发出控制命令,微程序控制器的基本思想：仿照通常的解题程序方法，把操作控制信号编成微指令存放在只读存储器里，当机器运行时，逐条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种微操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。微程序控制器的优点具有规整性灵活性可维护性,计算机组织与结构2.7微程序控制器,计算机组织与结构2.7微程序控制器,1微命令和微操作（Micro-order）1）微命令控制部件向执行部件发出的各种控制命令。2）微操作执行部件接受微命令后进行的操作（最基本、最简单的操作）。3)微操作类型相容性:在同时或同一CPU周期内可并行执行的操作相斥性:不能在在同时或同一CPU周期内可并行执行的操作,一、基本概念,简单运算器数据通路图(P176),计算机组织与结构2.7微程序控制器,相斥,相斥,1、2、3相容4、6、8与5、7、9也是相容的,相斥,2微指令（Microinstruction）和微程序1）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。2）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。3）微指令的构成操作控制字段+顺序控制字段,计算机组织与结构2.7微程序控制器,3、微指令基本结构,1)操作控制部分发出管理和指挥全机工作的控制信号。,2)顺序控制部分决定产生下一条微指令的地址。,计算机组织与结构2.7微程序控制器,微程序微指令微命令微操作的关系,计算机组织与结构2.7微程序控制器,二、微程序控制器组成原理图,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.7.1微程序控制器,1.控制存储器CM作用：用来存放实现全部指令系统的微程序操作：只读要求：是速度快，读出周期要短。2.微指令寄存器IR作用：用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。组成：微命令寄存器+微地址寄存器AR3.地址转移逻辑作用：当需要转移时，根据机器指令的操作码字段OP和状态条件及P字段实现对AR的修改。微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，即微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。,计算机组织与结构2.7微程序控制器,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。2.从指令，程序与地址与内存储器有关;微程序，微指令与微地址与控制存储器有关。3.每一个CPU周期对应一条微指令,机器指令与微指令的关系,三、微程序举例“十进制加法”指令的微程序控制过程1、执行“取指”微指令，取出“十进制加法”指令,计算机组织与结构2.7微程序控制器,LDAR(uIR16):(PC)ARRD(uIR13):读内存LDDR(uIR14):指令DRLDIR(uIR15):(DR)IRPC1（uIR17）:(PC)+1PCP1(uIR18):允许用OP作为下一微地址，即微程序入口设十进制加法指令OP1010,2.7.1微程序控制器,2、执行“十进制加法”指令的微程序（1）1010微指令R1x，R2y，LDR2完成（R1）（R2）R2,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2、执行“十进制加法”指令的微程序（2）1001微指令R2x，R3y，LDR2完成（R2）（R3）R2P2测试CyCy0，1uAR0，0001为下一微地址Cy1，0000为下一微指令,计算机组织与结构2.7微程序控制器,（3）（Cy0），0001微指令R2x，R3y，LDR2完成（R2）（R3）R2,计算机组织与结构2.7微程序控制器,计算机组织与结构2.7微程序控制器,0000,1010,1001,0001,四、微程序控制的计算机的工作过程1、执行取指微指令，依（PC）从内存读出指令，由操作码经地址转移逻辑形成执行该指令的微程序入口地址uAR；2、根据（uAR）从CM中读出微指令uIR；3、微命令控制字段（经译码）产生微命令，送各功能部件执行；4、由转移逻辑形成下一微地址uAR可见：234234的循环过程就是微程序的执行过程。,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.6.1微程序控制器,例.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。R0R3为四个通用寄存器，其读、写控制功能见下表。,计算机组织与结构2.7微程序控制器,SB-ALU：传送SB的控制信号,并使加法器最低位加1.Reset：清暂存器SB为零的信号：一段微程序结束，转入取机器指令的控制信号要求：用二进制代码写出如下指令的微程序：(1)“ADDR0，R1”指令，即(R0)+(R1)R1(2)“SUBR2，R3”指令，即(R3)-(R2)R3(3)“MOVR2，R3”指令，即(R2)(R3),RA0RA1：读R0-R3的选择控制WA0WA1：写R0-R3的选择控制R：寄存器读命令W：寄存器写命令LDSA：打入SA的控制信号LDSB：打入SB的控制信号SB-ALU：传送SB的控制信号,01234567891011,计算机组织与结构2.7微程序控制器,【解】先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。,每一框表示一条微指令。根据微指令周期时间关系，完成ADD，SUB指令的执行动作需要3条微指令，MOV指令只需2条微指令。用二进制代码写出的三条指令的微程序列。,计算机组织与结构2.7微程序控制器,01234567891011,计算机组织与结构2.7微程序控制器,00*10100000,01*10010000,*0101001001,计算机组织与结构2.7微程序控制器,11*10100000,10*10010000,*1101000101,计算机组织与结构2.7微程序控制器,10*10100000,*1101001011,R0，R1,R2，R3,R2，R3,R0-SA,R1-SB,01234567891011,01234567891011,SA+SB-R1,R3-SA,R2-SB,SA-SB-R3,R2-SA,0-SB,SA+SB-R3,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,微程序设计的关键：确定微指令的结构。一、设计微指令结构的目标：1、有利于缩短微指令字长度；2、有利于减少CM的容量；3、有利于提高微程序的执行速度；4、有利于微指令的修改；5、有利于微程序设计的灵活性。,2.6.2微程序设计技术,二、微命令编码对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。1、直接表示法（直接控制法，不译法）操作控制字段中的每一位表示一个微命令。每一个二进制位表示一个微命令优点：简单，直观，快速。缺点：微指令字太长，位信息利用率低。,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.7.2微程序设计技术,二、微命令编码对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。2、编码表示法（字段编码法）将微命令分段编码，经简单译码产生微命令。优点：微指令字长适中，译码器不庞大，能实现并行操作，速度较快,计算机组织与结构2.7微程序控制器,分段原则：A、相容相斥原则B、每个字段的位数不能太多（24位）。,简单运算器数据通路图(P176),计算机组织与结构2.7微程序控制器,相斥,相斥,1、2、3相容4、6、8与5、7、9也是相容的,相斥,二、微命令编码2、编码表示法（字段编码法）(续）A、字段直接译码法（字段显式编码法）微命令由字段自身的编码确定。n个字段的微命令总数：,式中：Xj第j个字段包含的二进制位数n字段数,2.6.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.7.2微程序设计技术,B、字段间接法（字段隐式编码法）字段的含义需由字段自身的编码和另一字段或某特征触发器的状态共同确定。,字段A译码后输出一个信号到字段B字段是把一个特征触发器的状态送译码，如给使用，给通道使用好处：可进一步缩短微指令字长,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.6.2微程序设计技术,二、微命令编码,3、混合表示法把直接表示法和编码表示法相混合使用,计算机组织与结构2.7微程序控制器,形成下条微指令地址（简称下地址）可能有下列五种情况：下地址为本条微指令地址加1；微程序必转某一微地址，可在微指令中给出该微地址值；根据状态标志位，选择顺序执行或转向某一地址；微子程序的调用及返回控制，要用到微堆栈；根据条件判断转向多条微指令地址中的某一地址，比更复杂的情况。,三、微地址的确定方法,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,三、微地址的确定方法1、无分支时微地址的确定A、计数器方式设置一个微指令计数器，也可以由控制存储器的地址寄存器增加计数功能来完成，每执行一条微指令后，加上一个增量形成下条微指令地址。B、断定方式直接由微指令的顺序控制（下址）字段给出。特点：微指令存放位置灵活，不需uPC。,2.6.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,四、微指令格式1、水平型微指令一次能定义并执行多个并行微命令操作的微指令。,1)全水平型（不译法）微指令2)字段译码法水平型微指令3)直接和译码相混合水平型微指令,2.6.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2、垂直型微指令设置微操作码（经编译）规定微指令功能的微指令。,例：1)RR传送型微指令,2)运算控制型微指令,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,4)条件转移微指令,3)访问主存微指令,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,3、水平型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，垂直型的较差；2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型的长；3)水平型微指令字比较长，但微程序短，垂直型的则相反；4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令较相似，较易掌握,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,2、并行执行方式访问CM的操作与执行微指令的操作是重叠进行的。,优点：缩短了微周期速度快缺点：控制结构较复杂，必须解决好微指令的转移问题，,2.7.2微程序设计技术,计算机组织与结构2.7微程序控制器,计算机组织与结构2.8中断系统,1、中断：程序运行过程中，由于出现某种特殊情况，中止现行程序，转去执行处理这一事件的程序，处理完毕后再恢复原运行程序，这个过程叫作中断。,2.8.1基本概念,2、为什么要有中断？可以使CPU与输入输出并行工作；故障处理的功能；多机之间的联系；人与机器间的联系。,3、中断源：引起中断的各种事件称为中断源。,计算机组织与结构2.8中断系统,计算机组织与结构2.8中断系统,2.8.2中断的种类：1.按中断产生的方式分类：自愿中断强迫中断（随机中断）2.按照中断请求的来源与原因分类：内部中断外部中断3.按照CPU对中断的响应状态分类：屏蔽中断非屏蔽中断,2.8.3中断的处理过程,中断优先级排队中断屏蔽中断响应中断处理,计算机组织与结构2.8中断系统,1、中断优先级排队,中断优先级：当CPU正在处理中断时，能响应更高级别的中断请求，而屏蔽掉同级或较低级别的中断请求。单级中断处理和多级中断处理：单级中断处理不允许其他设备再中断CPU的程序；多级中断处理允许优先级高的中断打断优先级低的中断服务程序。,计算机组织与结构2.8中断系统,2.8.3中断的处理过程,同时中断请求的处理方法,（a）单级中断处理,（b）多级中断处理,计算机组织与结构2.8中断系统,计算机组织与结构2.8中断系统,2.中断屏蔽封锁中断源的中断请求功能。-为什么要屏蔽?1)决定设备是否采用中断方式工作。2)为能动态改变中断的处理次序,需要屏蔽技术。,2.8.3中断的处理过程,计算机组织与结构2.8中断系统,2.8.3中断的处理过程3、中断的处理次序通过中断屏蔽位的设置，可改变（或保证）中断的处理次序。,按1-2-3-4处理顺序的中断屏蔽位设置,中断处理次序为1234的处理过程,计算机组织与结构2.8中断系统,2.8.3中断请求的排优与处理次序3、中断的处理次序,按1-4-3-2处理顺序的中断屏蔽位设置,中断处理次序为1432的处理过程,4、中断响应：CPU中止现行程序的执行,转向中断服务程序的过程。,-CPU响应中断的条件：CPU处于允许(开放)中断的状态；至少有一个中断源请求中断；通常一条指令执行完。,2.8.3中断的处理过程,计算机组织与结构2.8中断系统,5、中断响应与处理,接收中断请求(硬件完成）进入中断处理程序(硬件完成）中断现场保存(软件完成）对中断请求进行分析和处理(软件完成）返回中断点(软、硬件完成）,2.8.3中断的处理过程,计算机组织与结构2.8中断系统,计算