组成原理课程第六章(2013版)

1、1 第六章第六章 中央处理器中央处理器 计算机组成原理计算机组成原理 2 本章知识点本章知识点 6.1 CPU6.1 CPU的功能和基本结构的功能和基本结构 CPU的基本功能和常见的CPU基本结构 6.2 6.2 指令执行的过程指令执行的过程 1)数据通路的概念及组成 2)指令周期流程图 6.36.3时序与控制器时序与控制器 6.46.4微程序控制器的工作原理微程序控制器的工作原理 1)微程序控制的基本概念 2)微程序控制器的组成原理 3)微指令的编码方法 4)微程序设计举例 6.56.5硬布线控制器的工作原理硬布线控制器的工作原理 1)硬布线控制器的模型 2)硬布线控制器的基本原理与设计方法

2、 计算机组成原理计算机组成原理 3 6.1 CPU6.1 CPU的功能和基本结构的功能和基本结构 (1)(1)指令执行顺序的控制指令执行顺序的控制： 控制程序中的指令按事先规定的顺序自动地执行。控制程序中的指令按事先规定的顺序自动地执行。 (2)(2)指令的操作控制：指令的操作控制： 产生指令执行过程中所需要的信号，以控制执行部件按指令规定产生指令执行过程中所需要的信号，以控制执行部件按指令规定 的操作运行。的操作运行。 (3)(3)时间控制：时间控制： 对各控制信号进行定时，以便按规定的时间顺序启动各操作。对各控制信号进行定时，以便按规定的时间顺序启动各操作。 (4)(4)异常和中断处理：异

3、常和中断处理： 处理运算中的异常及处理外部设备的中断服务请求等。处理运算中的异常及处理外部设备的中断服务请求等。 (5) (5) 数据加工处理：数据加工处理： 对数据进行算术、逻辑运算，或将数据在相关部件之间传送。对数据进行算术、逻辑运算，或将数据在相关部件之间传送。 1.CPU1.CPU的基本功能的基本功能 计算机组成原理计算机组成原理 4 2.CPU2.CPU的基本结构的基本结构 计算机组成原理计算机组成原理 5 计算机组成原理计算机组成原理 1)1)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :程序计数器程序计数器PCPC 给出并指示下一条指令的地址给出并指示下一条指令的

4、地址完成顺序控制的功能完成顺序控制的功能 内容在取指完成后即可改变内容在取指完成后即可改变转移指令直接修改转移指令直接修改PCPC值值 计算机组成原理计算机组成原理 7 保存当前正执行的指令保存当前正执行的指令指令的操作码字段和寻址方式送译码指令的操作码字段和寻址方式送译码 2)2)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :指令寄存器指令寄存器IRIR 计算机组成原理计算机组成原理 8 对指令的对指令的OPOP字段和寻址方式译码，指出指令的操作方式字段和寻址方式译码，指出指令的操作方式 译码的结果是找到与该指令相关的微程序的入口译码的结果是找到与该指令相关的微程序的入口 3

5、)3)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :指令译码器指令译码器IDID 计算机组成原理计算机组成原理 9 产生指令执行过程中所需要的控制信号产生指令执行过程中所需要的控制信号 实现指令的操作控制功能实现指令的操作控制功能 4)4)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :操作控制器操作控制器OCOC 计算机组成原理计算机组成原理 5)5)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :时序产生器时序产生器 对操作控制信号进行同步对操作控制信号进行同步 实现控制器的时间控制功能实现控制器的时间控制功能 计算机组成原理计算机组成原理 11

6、 6)6)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DRDR 保存与主存之间交换的数据保存与主存之间交换的数据 计算机组成原理计算机组成原理 12 7)7)控制器中各主要功能部件的作用控制器中各主要功能部件的作用: :地址寄存器地址寄存器ARAR 存放存放CPU将要访问的主存单元地址将要访问的主存单元地址 计算机组成原理计算机组成原理 13 6.2 6.2 指令执行的过程指令执行的过程 1.1.数据通路的概念及组成数据通路的概念及组成 数据通路数据通路: :数据在功能部件之间传送的路径；数据在功能部件之间传送的路径； 数据在数据通路中的传送操作是

7、在控制信号的控制下进行的；数据在数据通路中的传送操作是在控制信号的控制下进行的； 数据通路的建立可用总线或专用通路两种方法来构建；数据通路的建立可用总线或专用通路两种方法来构建； 不同功能的指令及同一指令在执行的不同阶段的数据通路可不同；不同功能的指令及同一指令在执行的不同阶段的数据通路可不同； 数据通路的结构直接影响数据通路的结构直接影响CPUCPU内各种信息的传送路径、指令执行流程、内各种信息的传送路径、指令执行流程、 所需要的微操作控制信号及其时序安排和控制器的设计；所需要的微操作控制信号及其时序安排和控制器的设计； 计算机组成原理计算机组成原理 14 2.2.指令周期流程指令周期流程

8、1)1)程序控制的过程程序控制的过程，本质上是由控制器根据程序所包含的指令序列，本质上是由控制器根据程序所包含的指令序列， 逐条执行指令的过程。逐条执行指令的过程。 2)2)指令周期指令周期 一条指令从取出到执行完成所需时间一条指令从取出到执行完成所需时间 3)3)指令周期划分指令周期划分 (1)(1)取指令周期取指令周期: : 根据根据PCPC的值取去主的值取去主存储取指令；存储取指令； 如何形成后续指令地址。如何形成后续指令地址。 (a)(a)顺序执行指令时，将顺序执行指令时，将PCPC内容加当内容加当 前指令所占用的主存单元数前指令所占用的主存单元数 (b)(b)当出现转移时，根据寻址方

9、式、当出现转移时，根据寻址方式、 转移条件、转移的目标地址等内容计算转移条件、转移的目标地址等内容计算 得到。得到。 计算机组成原理计算机组成原理 15 (2)(2)译码译码/ /取操作数周期取操作数周期 对指令寄存器中的操作码字段进行译对指令寄存器中的操作码字段进行译 码并识别指令类型码并识别指令类型 根据指令地址码和寻址方式，从寄存根据指令地址码和寻址方式，从寄存 器或存储器中读取操作数。器或存储器中读取操作数。 不同的寻址方式可能具有不同的取操不同的寻址方式可能具有不同的取操 作数周期。作数周期。 算术运算类指令大都要求双操作数，算术运算类指令大都要求双操作数， 因此，取操作数流程要经历

10、两次，第因此，取操作数流程要经历两次，第 一次取源操作数，操作流程由源寻址一次取源操作数，操作流程由源寻址 方式字段确定，第二次取目的操作数，方式字段确定，第二次取目的操作数， 操作流程由目的寻址字段确定。操作流程由目的寻址字段确定。 计算机组成原理计算机组成原理 16 (3)(3)执行周期执行周期 控制器向算术逻辑运算单元及数据通控制器向算术逻辑运算单元及数据通 路中的其它相关部件发送操作控制命路中的其它相关部件发送操作控制命 令，完成由指令操作码规定的动作，令，完成由指令操作码规定的动作， 包括传送结果及记录状态信息。包括传送结果及记录状态信息。 操作结果送到哪里由寻址方式确定；操作结果送

11、到哪里由寻址方式确定； 状态信息状态信息( (如溢出如溢出) )记录在记录在PSWPSW中中; ; 对对转移指令还需在执行周期内计算机转移指令还需在执行周期内计算机 移地址。移地址。 (4)(4)写回写回 将运算结果写到结果寄存器或存储器。将运算结果写到结果寄存器或存储器。 写回存储器时间较长写回存储器时间较长, ,一般需要多个时一般需要多个时 钟周期。钟周期。 计算机组成原理计算机组成原理 17 3.3.寄存器级传送语言寄存器级传送语言RTL(Register Transfer Language)RTL(Register Transfer Language) 为统一表示指令执行流程，采用寄存

12、器描述语言表示指令执行过程中为统一表示指令执行流程，采用寄存器描述语言表示指令执行过程中 的操作，使用的操作，使用RTLRTL的规则如下：的规则如下： 1)1)用用( )( )表示读取寄存器或主存地址的内容，如（表示读取寄存器或主存地址的内容，如（PCPC）表示读取）表示读取PCPC寄寄 存器中的内容；存器中的内容； 2)2)用用 表示主存单元地址或寄存器堆中寄存器的编号，则：表示主存单元地址或寄存器堆中寄存器的编号，则： M6M6表示主存表示主存6 6号单元，号单元，(M6)(M6)表示读取主存表示读取主存6 6号单元的数据；号单元的数据； R6R6表示寄存器堆中表示寄存器堆中6 6号寄存器

13、，号寄存器，(R6)(R6)表示读取寄存器堆中表示读取寄存器堆中6 6号号 寄存器的数据；寄存器的数据； M(R6)M(R6)表示寄存器堆中表示寄存器堆中6 6寄存器内容所指主存单元寄存器内容所指主存单元;(M(R6);(M(R6) 表示读取寄存器堆中表示读取寄存器堆中6 6寄存器内容所指主存单元的内容。为简化对主寄存器内容所指主存单元的内容。为简化对主 存单元的表示和访问，将它们分别简化成存单元的表示和访问，将它们分别简化成MR6MR6和（和（MR6MR6）。）。 3)3)用用“A AB”B”表示数据传送，其中表示数据传送，其中B B为数据源，为数据源，A A为目的端；为目的端； 计算机组成

14、原理计算机组成原理 18 4.4.指令操作流程指令操作流程: :基于单总线结构的处理器基于单总线结构的处理器 计算机组成原理计算机组成原理 19 根据指令周期的概念，任何指令第一个根据指令周期的概念，任何指令第一个CPUCPU周期都是取指周期，取周期都是取指周期，取 指周期中指周期中CPUCPU要完成以下三件事：要完成以下三件事： (1)(1)根据根据PCPC的内容取出指令并送指令寄存器的内容取出指令并送指令寄存器IRIR中保存中保存( (本书假定程序本书假定程序 首地址已存放在首地址已存放在PCPC中中) )； (2)(2)修改修改PCPC的值；（这里假定计算机字长的值；（这里假定计算机字长

15、8 8位，采用单字长指令，主位，采用单字长指令，主 存按字节编址）；存按字节编址）； (3)(3)对指令的操作码进行译码或测试，以确定指令在执行阶段将要对指令的操作码进行译码或测试，以确定指令在执行阶段将要 具体进行何种操作。具体进行何种操作。 计算机组成原理计算机组成原理 20 (1)(1) LOAD LOAD 指令周期流程指令周期流程 R0 R0 (M6): (M6): 将主存将主存6 6号单元内容送号单元内容送R0, RSR0, RS型指令型指令 取指阶段的操作取指阶段的操作 MAR MAR (PC)(PC) X X (PC) (PC) Z Z ALU ALU PC PC (Z) (Z)

16、 MDR MDR (MMAR) (MMAR) IR IR ( MDR) ( MDR) 各操作对应的控制信号各操作对应的控制信号 PCout =ARin=1PCout =ARin=1 Xin=1Xin=1 +1+1 Zout=PCin=1Zout=PCin=1 Read=DREin=1Read=DREin=1 DRIout=IRin=1 DRIout=IRin=1 (a)(a)取指取指CPUCPU周期用到两条数据通路：周期用到两条数据通路： PC MAR MEM MDR IR PC MAR MEM MDR IR PC X ALU Z PCPC X ALU Z PC (b)(b)执行阶段用到的数据

17、通路：执行阶段用到的数据通路： IRIRA A MAR MEM MDR R0 MAR MEM MDR R0 计算机组成原理计算机组成原理 21 (1)(1) LOAD LOAD 指令周期流程指令周期流程 R0 R0 (M6): (M6): 将主存将主存6 6号单元内容送号单元内容送R0, RSR0, RS型指令型指令 执行阶段用到的数据通路：执行阶段用到的数据通路： IRIRA A MAR MEM MDR R0 MAR MEM MDR R0 执行阶段的操作执行阶段的操作 MAR MAR (IRA) (IRA) MDR MDR (MMAR) (MMAR) R0 R0 (MDR) (MDR) 各操

18、作对应的控制信号各操作对应的控制信号 IRout=ARin=1IRout=ARin=1 Read=DREin=1Read=DREin=1 DRIout=R0in=1 DRIout=R0in=1 计算机组成原理计算机组成原理 22 (2)(2) MOVE 指令周期流程指令周期流程 R1 R1 (IR (IRA A) )：将来自于：将来自于IRIR形式地址字段的立即数形式地址字段的立即数1010送送R1R1，RRRR型指令型指令 执行阶段的操作执行阶段的操作 R1 R1 (IRA) (IRA) 对应的控制信号对应的控制信号 IRout=R1in=1IRout=R1in=1 执行执行CPUCPU周期

19、用到的数据通路：周期用到的数据通路： IR R1 IR R1 指令中的立即数送指令中的立即数送R1R1。 计算机组成原理计算机组成原理 23 (3)(3) ADD 指令周期流程指令周期流程 R0 R0 (R0)+ (R1): (R0)+ (R1): 将将R0R0和和R1R1相加，结果送相加，结果送R0R0，RRRR型指令型指令 执行阶段的操作执行阶段的操作 X X (R0) (R0) Z Z ALU ALU R0 R0 (Z) (Z) 对应的控制信号对应的控制信号 R0out=Xin=1R0out=Xin=1 R1out=1=R1out=1= ADD=1ADD=1 Zout = R0in=1Z

20、out = R0in=1 执行执行CPUCPU周期用到的数据通路：周期用到的数据通路： R0 X ALU R0 X ALU ；R1 ALUR1 ALU 加数和被加数送加数和被加数送ALUALU输入端输入端 ALU Z R0 ALU Z R0 运算结果经运算结果经Z Z写回寄存器写回寄存器R0R0。 计算机组成原理计算机组成原理 24 (4)(4) STORE 指令周期流程指令周期流程 MR2 MR2 (R0): (R0): 将将R0R0内容送内容送R2R2内容所指主存单元保存内容所指主存单元保存 ，RSRS型指令型指令 执行阶段的操作执行阶段的操作 MAR MAR (R2)(R2) MDR M

21、DR (R0)(R0) MR2MR2(MDR)(MDR) 对应的控制信号对应的控制信号 R2out=ARin=1R2out=ARin=1 R0out=DRIin=1R0out=DRIin=1 DREout=Write=1DREout=Write=1 执行执行CPUCPU周期用到的数据通路：周期用到的数据通路： R2 MAR R2 MAR 传送地址；传送地址； R0 MDR MEM R0 MDR MEM 往主存存数据。往主存存数据。 指令的执行需要两个指令的执行需要两个CPUCPU周期，执行阶周期，执行阶 段的第一个段的第一个CPUCPU送地址，即将寄存器送地址，即将寄存器R2R2 的内容的内容

22、MARMAR；执行阶段第二个；执行阶段第二个CPUCPU周期内周期内 将将R0R0的值送的值送MDRMDR，然后存入，然后存入MARMAR指向的内指向的内 存单元存单元 计算机组成原理计算机组成原理 25 (5)(5) JMP 指令周期流程指令周期流程 PC PC (IRA) : (IRA) : 将将10001000送入送入PCPC，实现无条件转移，实现无条件转移 执行阶段的操作执行阶段的操作 PC PC (IRA) (IRA) 对应的控制信号对应的控制信号 IRout=PCin=1IRout=PCin=1 执行执行CPUCPU周期用到的数据通路：周期用到的数据通路： IRA PC IRA P

23、C 计算机组成原理计算机组成原理 26 6.36.3时序与控制器时序与控制器 1.1.中央处理器的时序中央处理器的时序 过去的计算机采用主状态周期、节拍电位和节拍脉冲三级时序体制过去的计算机采用主状态周期、节拍电位和节拍脉冲三级时序体制 来对操作控制信号进行定时控制来对操作控制信号进行定时控制. . 主状态周期主状态周期: :一般对应指令的执行时间一般对应指令的执行时间 节拍电位节拍电位: :对应指令执行的不同周期对应指令执行的不同周期, ,如取指周期如取指周期, ,以主存的工作周期为基础以主存的工作周期为基础 节拍脉冲节拍脉冲: :完成一次微操作所需要的时间完成一次微操作所需要的时间 计算机

24、组成原理计算机组成原理 27 2.2.启停控制电路启停控制电路 启停控制逻辑的作用是保证节拍和脉冲启停控制逻辑的作用是保证节拍和脉冲 信号的完整性。即启动从第一个信号的完整性。即启动从第一个CPUCPU周期周期 的第一个节拍脉冲前沿开始工作，停机在的第一个节拍脉冲前沿开始工作，停机在 一个一个CPUCPU周期的最后一个节拍脉冲的下降周期的最后一个节拍脉冲的下降 沿结束。只有这样才能保证时序信号脉冲沿结束。只有这样才能保证时序信号脉冲 的完整性和指令功能的完整性。的完整性和指令功能的完整性。 计算机组成原理计算机组成原理 28 6.4 6.4 微程序控制器的工作原理微程序控制器的工作原理 1.1

25、.微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念 微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的技术微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的技术 微程序控制的基本思想微程序控制的基本思想 仿照程序设计的方法，把完成每条仿照程序设计的方法，把完成每条指令指令所需要的操作控制信号编写成所需要的操作控制信号编写成 微指令微指令，存放到一个只读存储器，存放到一个只读存储器( (控存控存) )中。每条机器指令对应一段微中。每条机器指令对应一段微 程序，当机器执行程序，当机器执行程序程序时依次读出每条指令所对应的微指令时依次读出每条指令所对应的微指令, ,执行每条执行每条 微指令中规定的微操作微指令中规定的微操作,

26、,从而完成指令的功能从而完成指令的功能, ,重复这一过程重复这一过程, ,直到该程直到该程 序的所有指令完成序的所有指令完成. . 微程序控制器的设计采用了存储技术和程序设计技术，使复杂的微程序控制器的设计采用了存储技术和程序设计技术，使复杂的 控制逻辑得到简化，从而推动了微程序控制器的广泛应用控制逻辑得到简化，从而推动了微程序控制器的广泛应用. . 计算机组成原理计算机组成原理 29 程序程序 微指令微指令 微程序微程序 计算机组成原理计算机组成原理 30 1)1)微命令和微操作微命令和微操作 控制部件与执行部件之间的联系控制部件与执行部件之间的联系 控制部件控制部件执行部件执行部件 控制线

27、控制线 反馈线反馈线 微命令微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制信号控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制信号( (打开和关闭控制门打开和关闭控制门) ) 微操作微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作执行部件接受微命令后所进行的操作 反馈线的作用反馈线的作用 向控制部件反馈执行的状态信息，以便控制部件进行状态测试向控制部件反馈执行的状态信息，以便控制部件进行状态测试 计算机组成原理计算机组成原理 31 2)2)微操作的分类微操作的分类 微操作是计算机中最基本的操作，由于数据通路、逻辑功微操作是计算机中最基本的操作，由于数据通路、逻辑功 能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥

28、性的微操作：能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥性的微操作： 相容性的微操作相容性的微操作 能能同时同时并行执行的微操作并行执行的微操作 相斥性的微操作相斥性的微操作 不能同时并行执行的微操作不能同时并行执行的微操作 计算机组成原理计算机组成原理 32 图中相斥性的微操作有：图中相斥性的微操作有： ( + ( + 、 、 M ) ( 4M ) ( 4、 6 6、 8 ) ( 58 ) ( 5、 7 7、 9 )9 ) 图中相容性的微操作有：图中相容性的微操作有： 1 1、2 2、3 3 (4(4、6 6、8) 8) 与与 (5(5、7 7、9)9)两组中各取一个任意组合两组中各取一个任意组合

29、 计算机组成原理计算机组成原理 33 1)1)控制存储器：控制存储器： 存放用来实现全部指令的所有微程序，是一种只读存储器，微程序固化存放用来实现全部指令的所有微程序，是一种只读存储器，微程序固化 在其中，其容量取决于机器指令和每条指令微程序的长度，字长取决于在其中，其容量取决于机器指令和每条指令微程序的长度，字长取决于 微指令的字长，也与容量有一定关系微指令的字长，也与容量有一定关系( (! !) )。要求控制存储器快速。要求控制存储器快速。 2.2.微程序控制器的组成原理微程序控制器的组成原理 计算机组成原理计算机组成原理 34 2)2)微指令寄存器微指令寄存器( ( IRIR) ) 存放

30、从控存中读出的微指令存放从控存中读出的微指令 是图中的哪部分是图中的哪部分? ? 3)3)微地址寄存器微地址寄存器( ( ARAR) ) 存储访问存储访问CMCM的微地址的微地址 计算机组成原理计算机组成原理 35 4)4)微地址产生逻辑微地址产生逻辑 用于产生后续微指令地址。能作为后继微指令地址的有下列形式：用于产生后续微指令地址。能作为后继微指令地址的有下列形式： 微程序的入口地址微程序的入口地址 顺序地址顺序地址 转移地址转移地址 计算机组成原理计算机组成原理 36 3.3.微指令的的格式与微命令编码微指令的的格式与微命令编码 1)1)微指令的格式微指令的格式 操作控制字段是微指令的主体

31、，由若干微命令位组成。控制操作控制字段是微指令的主体，由若干微命令位组成。控制 字段中的每一位通常表示一个特定的微命令，微指令是否含字段中的每一位通常表示一个特定的微命令，微指令是否含 某个微命令，由该位的状态某个微命令，由该位的状态1 1或或0 0决定。决定。 判别测试字段指出微指令执行过程中需要测试的外部条件，判别测试字段指出微指令执行过程中需要测试的外部条件， 如进位、运算结果是否为零等；如进位、运算结果是否为零等； 下地址字段给出的地址是下条微指令地址，最终是否按照该下地址字段给出的地址是下条微指令地址，最终是否按照该 地址执行下一条微指令与是否进行条件测试及测试条件是否地址执行下一条

32、微指令与是否进行条件测试及测试条件是否 成立等有关。成立等有关。 计算机组成原理计算机组成原理 37 微命令编码就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法微命令编码就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法 (1)(1)直接表示法直接表示法 操作字段的每一位表示一个微命令操作字段的每一位表示一个微命令 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 LDLA LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下下 址址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR

33、LDDR P1 控控制制字字段段 顺顺序序控控制制 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 优点优点: : 简单、直观，简单、直观， 缺点缺点: : 微指令字长、不利于减少控存容量微指令字长、不利于减少控存容量 2)2)微指令的格式微指令的格式 计算机组成原理计算机组成原理 38 (2)(2)编码表示法编码表示法 把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器译码，译码输把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器译码，译码输 出将作为操作控制信号。每次每个小组最多只能有一个有效。出将作为

34、操作控制信号。每次每个小组最多只能有一个有效。 译码译码译码译码译码译码译码译码 字段字段1字段字段2字段字段3P字段字段下地址字段下地址字段 微微 命命 令令 若某小组有若某小组有4 4个微命令，则微指令中该字段需要多少位？个微命令，则微指令中该字段需要多少位？ 需要需要3 3位位，为什么？为什么？ 因为每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。因为每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。 计算机组成原理计算机组成原理 39 编码表示法的优点编码表示法的优点: : 大大缩短微指令字的长度，从而减少控存的容量。大大缩短微指令字的长度，从而减少控存的容量。 编码表示

35、法的缺点：编码表示法的缺点： 增加的译码电路降低了微指令的执行速度。增加的译码电路降低了微指令的执行速度。 (3)(3)混合表示法混合表示法 综合前面的直接表示法和编码表示法综合前面的直接表示法和编码表示法. . 关于微命令编码的结论关于微命令编码的结论: : 目前一般使用字段直接表示法目前一般使用字段直接表示法. . 计算机组成原理计算机组成原理 40 4.4.微程序设计举例微程序设计举例 LOADLOAD指令取指周期的操作及控制信号指令取指周期的操作及控制信号 计算机组成原理计算机组成原理 41 4.4.微程序设计举例微程序设计举例 MOVEMOVE指令取指周期的操作及控制信号指令取指周期

36、的操作及控制信号 计算机组成原理计算机组成原理 42 4.4.微程序设计举例微程序设计举例 ADD ADD 指令取指周期的操作及控制信号指令取指周期的操作及控制信号 计算机组成原理计算机组成原理 43 4.4.微程序设计举例微程序设计举例 STORE STORE 指令取指周期的操作及控制信号指令取指周期的操作及控制信号 计算机组成原理计算机组成原理 44 4.4.微程序设计举例微程序设计举例 JMP JMP 指令取指周期的操作及控制信号指令取指周期的操作及控制信号 计算机组成原理计算机组成原理 45 4.4.微程序设计举例微程序设计举例 各指令操作系列顺序的安排必须保证指令功能的正确实现。如取

37、指令阶段各指令操作系列顺序的安排必须保证指令功能的正确实现。如取指令阶段MAR MAR (PC)(PC)操作一定要在操作一定要在IR IR (MDR)(MDR)之前完成，否则取出出错；之前完成，否则取出出错； 同一节拍内不能同时有两个或两个以上的部件向公共总线输出信息。如取指阶同一节拍内不能同时有两个或两个以上的部件向公共总线输出信息。如取指阶 段段PCoutPCout、ZoutZout和和DRIoutDRIout必须被分别安排在不同的节拍内；必须被分别安排在不同的节拍内； 上述指令微操作序列实现，重在描述实现方法，并不是优化；上述指令微操作序列实现，重在描述实现方法，并不是优化； 指令执行不

38、同周期所需要的节拍数可能不同，上述安排采用了同步控制方法，指令执行不同周期所需要的节拍数可能不同，上述安排采用了同步控制方法， 每个周期都分配了四个节拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空节拍，没每个周期都分配了四个节拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空节拍，没 有任何微操作。有任何微操作。 计算机组成原理计算机组成原理 46 5.5.微命令的同步微命令的同步 微程序存放在控存中，每条指令的微程序包含几条微指令微程序存放在控存中，每条指令的微程序包含几条微指令( (包括取指包括取指 令微指令令微指令) )就表示该指令的执行需要几个就表示该指令的执行需要几个CPUCPU周期。周期。 微命令自从

39、控存中取出并送入微指令寄存器后就开始生效，直到新的微命令自从控存中取出并送入微指令寄存器后就开始生效，直到新的 微指令送入微指令寄存器微指令送入微指令寄存器( (一个一个CPUCPU周期的时间周期的时间) ) 一条微指令的若干个微命令中一条微指令的若干个微命令中, , 大部分微命令只能在一个大部分微命令只能在一个CPUCPU周的某周的某 个个T T周期有效，必须对微命令进行时间同步后才能与相应执行部件的周期有效，必须对微命令进行时间同步后才能与相应执行部件的 控制端相连。控制端相连。 计算机组成原理计算机组成原理 47 微命令同步的基本方法就是列出每个微命令的逻辑表达式，并用相应微命令同步的基

40、本方法就是列出每个微命令的逻辑表达式，并用相应 的逻辑电路实现表达式的功能，电路的输入来自微指令的相关位和时的逻辑电路实现表达式的功能，电路的输入来自微指令的相关位和时 序信号（包括节拍电位或节拍脉冲），对应逻辑电路的输出才能与相序信号（包括节拍电位或节拍脉冲），对应逻辑电路的输出才能与相 应执行部件的控制端相连。应执行部件的控制端相连。 下面以下面以ZoutZout为例说明微命令的同步方法。为例说明微命令的同步方法。 Zout = M取指周期ZoutT2 + ADD M执行周期ZoutT3。 48 7、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程

41、 LAD R0，（，（80) ADD R0, (81) JO 75 STA (R1), R0 000000000000101010101110 10 0000 000000010010000001101110 00 0000 100100000000000000000000 00 0011 000010110000000001101110 00 0100 000000000010010000000000 00 0000 000000000000000101000000 01 0000 000000000000000000000000 00 0111 0000000000000000000000

42、00 00 0000 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 LDLA LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下下 址 址 L R0 LDLB LDR0 PC 1 LDIR RD LDAR LDDR P1 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 49 【问】【问】一会儿取机器指令，一

43、会儿取一会儿取机器指令，一会儿取 微指令，它们之间到底是什么关系微指令，它们之间到底是什么关系? ? 【解】【解】 1.一条机器指令对应一个微程序，一条机器指令对应一个微程序，这个微程这个微程 序是由若干条微指令序列组成的。因此，一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，序列来实现的。简言之，一条机器指令所完一条机器指令所完 成的成的 操作划分成若干条微指令来完成，由微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。指令进行解释和执行。 2.从从指令与微指令，程序与微程序，地址与指令与微

44、指令，程序与微程序，地址与 微地址微地址的一一对应关系来看，前者与的一一对应关系来看，前者与内存储内存储 器器有关，后者与有关，后者与控制存储器控制存储器有关。与此相关有关。与此相关 ，也有相对应的硬设备，请参见，也有相对应的硬设备，请参见CAI演示。演示。3. 我们在讲述本章我们在讲述本章5.2节时，曾讲述了指令与机节时，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器周期概念，并归纳了五条典型指令的指令 周期周期,并演示了这五条指令的微程序流程图，并演示了这五条指令的微程序流程图， 每一个每一个CPU周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。这就告这就告 诉我们如何设计微程序，

45、也将使我们进一步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。体验到机器指令与微指令的关系。 机器指令与微指令的关系机器指令与微指令的关系 50 4）应用举例）应用举例 例例1 如图所示的为双总线结构机器的数据通路，如图所示的为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存为指令寄存 器，器，PC为程序计数器为程序计数器(具有自动增加功能具有自动增加功能)，M为主存为主存(受受R/W控控 制制)，AR为地址寄存器，为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，为数据缓冲寄存器，ALU由加、减由加、减 控制信号决定需要完成何种操作，控制信号控制信号决定需要完成何种操作，控制信号G控制的是

46、一个门控制的是一个门 电路，另外，线上标注有控制信号，例如电路，另外，线上标注有控制信号，例如yi表示表示y寄存器的输入寄存器的输入 控制信号，控制信号，R10表示寄存器表示寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为的输出控制信号，未标字符的线为 直通线，不受控制。直通线，不受控制。 (1)ADD R2 ，R0 指令完成指令完成 (R0)+(R2) R0 的功能操作，画出的功能操作，画出 其其指令周期流程图指令周期流程图，假设该指令的地址已经放入，假设该指令的地址已经放入PC，并列出相并列出相 应的微操作控制信号序列应的微操作控制信号序列。 (2) SUB R1 ，R3 指令完成指令完成 (R3

47、)+(R1) R3 的操作，画出其的操作，画出其指指 令周期流程图令周期流程图，并列出相应的，并列出相应的微操作控制信号序列微操作控制信号序列。 51 IR PCAR MDRR0 R1 R2 R3 X Y ALU IROPCO DRO R0OR3O IRiPCiARi R/WDRi R0iR3ixi yi + _ G 52 PC AR M DR DR IR R2 Y R0 X R0+R2 R0 (R0)+(R2) R0 PC0 , G, ARi R/W = R DR0,G,IRi R20 , G , Yi R00 , G , Xi + , G , R0i 计算机组成原理计算机组成原理 53 6

48、.56.5硬布线控制器的工作原理硬布线控制器的工作原理 1.1.硬布线控制器的模型硬布线控制器的模型 1)1)组合逻辑控制单元组合逻辑控制单元 是控制器的核心，产生指令执行所需是控制器的核心，产生指令执行所需 要的控制信号要的控制信号( (包括控制电位与打入包括控制电位与打入 脉冲脉冲) )，可采用组合逻辑电路或可编，可采用组合逻辑电路或可编 程阵列逻辑或程阵列逻辑或ROMROM实现实现. . 输入来自输入来自: : 指令码译码器的输出；指令码译码器的输出； 条件状态寄存器的状态标志信息；条件状态寄存器的状态标志信息； 来自时序电路的节拍信号，包括节来自时序电路的节拍信号，包括节 拍电位信号拍电位信号M1M1MiMi和节拍脉冲信号和节拍脉冲信号 T1T1TmTm。 计算机组成原理计算机组成原理 54 1.1.硬布线控制器的模型硬布线控制器的模型 2)指令寄存器和指令译码器指令寄存器和指令译码器 3)节拍电路节拍电路 4)周期电路周期电路 5)条件状态寄存器条件状态寄存器 计算机组成原理计算机组成原理 55 2.2.硬布线控制器的基本原理与设计方法硬布线控