ppt 21-25计算机组成原理

1、计算机组成原理计算机组成原理第5章 中央处理器5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 l5.3.1时序信号的作用和体制l什么是时序l控制计算机在规定时间内按指定顺序做动作的一种机制。l由指令周期的概念，从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执行指令”阶段。从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器。l2. 时序信号的必要性l需要在一个CPU周期中，把时间分为若干个小段，以便规定在这一小段时间中CPU干什么，在那一小段时间中C

2、PU又干什么，这种时间约束对CPU来说是非常必要的，否则就可能造成丢失信息或导致错误的结果。因为时间的约束是如此严格，以至于时间进度既不能来得太早，也不能来得太晚。l所以，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。一般来说，操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素(时序信号)和空间因素(部件位置)的函数。5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 l5.3.1时序信号的作用和体制l时序信号的多级体制时序信号的多级体制 l主状态周期主状态周期节拍电位节拍电位节拍脉冲体制：节拍脉冲体制：一个节拍电位表示一个CPU周期的时间，它表示了一个较大的时间单位；在一个节拍电位中又包

3、含若干个节拍脉冲，以表示较小的时间单位；而主状态周期可包含若干个节拍电位，所以它是最大的时间单位。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间来表示。用于硬布线控制器l节拍电位节拍电位节拍脉冲体制：节拍脉冲体制：它只有一个节拍电位，在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲(时钟周期)。节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。根据需要，这些时间间隔可以相等，也可以不相等。用于微程序控制器。 l5.3.2 时序信号产生器（）5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l5.3.2 时序信号产生器l1.时钟脉冲源l用来

4、为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号它通常由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成，其输出送至环形脉冲发生器。l2. 环形脉冲发生器l环形脉冲发生器的作用是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲。l为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉冲发生器通常采用循环移位寄存器形式。 5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l5.3.2 时序信号产生器l3节拍脉冲和读写时序的译码l图518中的上半部示出了节拍脉冲和读写时序的译码逻辑。l假定在一个CPU周期中产生4个等间隔节拍脉冲，可以采用下面的译码逻辑：l读/写时序的译码逻辑表达式

5、： 5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l5.3.2 时序信号产生器5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l5.3.2 时序信号产生器5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l5.3.2 时序信号产生器l4. 起停控制逻辑l(1)CLRL系统Reset。QLl(2)启动HD输入H，启动l(3)停机HD输入L，停机l(4)脉冲信号选用T4的目的保证计算机可以在CPU周期的开始启动计算机，在CPU周期的末尾停机，保证计算机指令执行的完整。5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l5.3.3控制方式控制方式l控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制器的控制方式。l1同步

6、控制方式l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是固定不变的，称为同步控制方式。根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：l (1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。所有指令周期具有相同的节拍电位数和相同的节拍脉冲数。显然，对简单指令和简单的操作来说，将造成时间浪费。l (2)采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短的机器周期内完成，对某些时间紧张的操作，则采取延长机器周期的办法来解决。l (3)中央控制与局部控制结合。将大部分指令安排在固定的机器周期完成，称为中央控制，对少数复杂指令(乘、除、浮点运算)采用另外的时序进行定时，称为局部控制。l2异步控制方

7、式l异步控制方式的特点是：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l3联合控制方式l为同步控制和异步控制相结合的方式。l一种情况是，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。l另一种情况是，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微程序控制器微程序控制器l5.4.1 微命令和微操作微命令和微操作l1. CPU与部件之间的联系l（1）微命令；操作控制器发出的控制命令l（2）微操作；执行部件的动作l（3）信号反馈l2. 相容微操作与互斥微

8、操作l相容微操作：可以同时有效的微操作，可以在一个CPU周期内同时出现l互斥微操作：不能同时有效的微操作，不能在一个CPU周期内同时出现。5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.1 微命令和微操作微命令和微操作l3. CPU内数据通路l信号解释：l1:BUSR1 2:BUSR2 3:BUSR3l4:R1X6:R2X 8:DRXl5:R3Y7:R2Y9:R1Xl+:算术加法-:算术减法M:X通过ALU5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.2 微指令和微程序微指令和微程序l1. 什么是微指令l在一个CPU周期内，一组实现一定操作功能的微命令的组合。l2. 微指令格式 5.4微程序控制器微程序控制

9、器l5.4.2 微指令和微程序微指令和微程序l2. 微指令格式l （1）操作控制字段发送控制信号发出的信号都是原始信号，在整个CPU周期内有效，不能直接送给执行部件，需要经过时序部件处理后产生有时序的微操作信号后再送给各个执行部件。l（2）顺序控制字段确定下一条微指令的地址。后续微地址的确定方法有很多种，一般都采用直接后续微地址加测试转移的方式。就是说，在微指令的顺序控制字段中直接说明后续微地址，如果测试位为1，则按照测试规则进行转移。 5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.3 微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.3 微程序控制器原理框图微程序控制

10、器原理框图l1. 控制存储器l用来存放实现全部指令系统的微程序。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。l2. 微指令寄存器l微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条徽指令的操作控制字段和判别测试字段的信息，l3. 地址转移逻辑l确定下一条微指令地址的判断逻辑.5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.4 微程序举例微程序举例-一位一位BCD码加法微程序码加法微程序l1. 算法基础l加6调整的问题，在2.2定点加减法运算的“五、十进制加法器”中有详细叙述。l如何判断是否需要加6调整？l解决方法：先加6，如果

11、有进位则调整正确，运算结束；如果没有进位则不应加6调整，需要减6，将加错的6修正。 5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.4 微程序举例微程序举例l2.微程序流程图微程序流程图l每一个方框为1个CPU周期l右上角数字为微指令入口微地址l右下角数字为后续微地址lP1为OP译码lP2为测试加6后是否有进位。 5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.4 微程序举例微程序举例l3. 微指令微指令l（1）取指微指令）取指微指令入口微地址：入口微地址：0000，系统默认，系统默认后续微地址：需要测试后续微地址：需要测试OP获得，获得，0000为直接后续微地址为直接后续微地址0 0 0 0 0 0 0 0

12、 0 0 0 0 1 1 1 1 11 00 0 0 0l（2）R1+R2R2，加法，加法入口微地址；入口微地址；1010，OP译码得到译码得到后续微地址：后续微地址：10010 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 00 01 0 0 1l（3）R2+R3R2，加，加6入口微地址：入口微地址：1001，上一条微指令指定，上一条微指令指定后续微地址：需要测试进位位获得，后续微地址：需要测试进位位获得，0000为直接后续微地址为直接后续微地址0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 00 10 0 0 0l（4）R2-R3R2，减，减6入口微地址：入口

13、微地址：0001，测试进位位后获得，测试进位位后获得后续微地址：后续微地址：0000 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 10 00 0 0 05.4微程序控制器微程序控制器l5.4.5 CPU周期与指令周期的关系l一个指令周期由若干个CPU周期组成l每一个CPU周期执行一条微指令l每一个指令周期执行一条机器指令。5.4微程序控制器微程序控制器l5.4.6 机器指令与微指令的关系机器指令与微指令的关系l一条机器指令的执行由若干条微指令组成的微程序实现。lCPU中微程序的执行类似于计算机整机的机器语言程序的执行。5.5微程序设计技术微程序设计技术 l设计微指令结构应当

14、追求的目标是：l1) 有利于缩短微指令字长度；l2) 有利于减小控制存储器的容量；l3) 有利于提高微程序的执行速度；l4) 有利于对微指令的修改；l5) 有利于提高微程序设计的灵活性。5.5微程序设计技术微程序设计技术 l5.5.1 微命令编码 l1.直接表示法l上一节的微指令表示方式，速度快 l2.编码表示法l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。l速度稍慢5.5微程序设计技术微程序设计技术 l5.5.2微地址形成方法 l微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址问题。通常，产生

15、后继微地址有两种方法。l1计数器方式l在顺序执行微指令时，后继微地址由现行微地址加上一个增量来产生；在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式l微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。但是多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。l2多路转移方式l一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继微地址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，原理见图p175页5.24。l能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快，

16、但转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。5.5微程序设计技术微程序设计技术 l5.5.3微指令格式 l1.水平微指令l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。例如上一节中所讲的微指令即为水平型微指令。 l2.垂直微指令（了解）l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。 5.5微程序设计技术微程序设计技术 l5.5.4微程序设计实例 l设计要点：l1.微指令格式的设计微指令格式的设计l总结数据通路的微操作信号，并设计成水平微指令的操作控制字段。l2.微操作序列的设计微操作序列的设计l按照指令执行时的动作顺序设计微操作信号的时

17、序。l3.微程序方框流程图的设计微程序方框流程图的设计l按照微操作序列设计微程序方框流程图。l4.微地址的设计微地址的设计l确定每一条微指令的地址、后续微地址，以及微地址形成逻辑，顺序控制字段的测试位设计。l5.形成微指令形成微指令l按照已经设计好的微指令格式、微程序方框流程图和微地址设计方案设计微程序的每一条微指令。 5.5微程序设计技术微程序设计技术 l设计实验三中指令的微程序5.5微程序设计技术微程序设计技术 l指令执行的前期准备l(01H)43HlAR写入01HINPUT=01H, SWBL, ALUBH, CEH, WEL, LDDR1L, LDDR2L, LDARHl数据43写入R

18、AMINPUT=43H, SWBL, ALUBH, CEL, WEH, LDDR1L, LDDR2L, LDARLlDR101HlINPUT=01H, SWBL, ALUBH, CEH, WEL, LDDR1H, LDDR2L, LDARLlDR202HlINPUT=02H, SWBL, ALUBH, CEH, WEL, LDDR1L, LDDR2H, LDARL5.5微程序设计技术微程序设计技术 lADD DR2, (DR1) 执行的动作序列lARDR1SWBH, ALUBL, LDDR1L, LDDR2L, LDARH, CEH, WEL, (S3S0,M,CN)(H,H,H,H,H,H)lDR1RAMSWBH, ALUBH, LDDR1H, LDDR2L, LDARL, CEL, WELlDR2DR1+DR2SWBH, ALUBL, LDDR1L, LDDR2H, LDARL, CEH, WEL