计算机原理详解之运算器与控制器课件(1)

1、 制作制作: 钱光明钱光明 主要内容主要内容:1处理器处理器基本基本结构及结构及基本基本流程流程；指令节拍与流程指令节拍与流程;组合逻辑控制器组合逻辑控制器;微程序控制器微程序控制器;1.1.处理器处理器基本基本结构及结构及基本基本流程流程CPU：Central Processor Unit1.1处理器处理器基本基本功能功能: 1).正确取出正确取出;指令指令 2).依据指令产生各种操作信号依据指令产生各种操作信号; 3). 控制操作信号的发生时间控制操作信号的发生时间; 4).数据加工数据加工-ALU: 算术算术/逻辑运算等逻辑运算等. 1.2CPU的组成的组成: 1). 控制器控制器l 从

2、内存取出一条指令从内存取出一条指令,并指出下条指令的地址并指出下条指令的地址;l 对指令进行译码对指令进行译码,产生相应的控制信号产生相应的控制信号;l指挥并控制指挥并控制CPU、内存和、内存和I/O设备之间的数据传送设备之间的数据传送. 2). 运算器运算器 加工信息加工信息.包括包括: 算术运算算术运算 逻辑运算等逻辑运算等 3). CPU中的主要寄存器中的主要寄存器: .MDR-数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 暂存暂存指令指令或或数据数据. . MAR-存储器地址寄存器存储器地址寄存器 .PC-程序计数器程序计数器 . IR-指令寄存器指令寄存器(Instruction Register)

3、 保存保存当前指令当前指令. .GR-通用寄存器通用寄存器. .PSW程序状态字程序状态字) 多.其它其它 1.3 典型基本电路典型基本电路* 加法器加法器输入输入: 移位器移位器典型电路典型电路*:1.4 CPU的的基本基本操作及操作及基本基本流程流程取指流程取指流程:(R1)R2流程流程: 图中哪些图中哪些叫叫微操作微操作控制信号？控制信号？ 有关缩写：有关缩写：PC: Program Counter 程序计数器程序计数器IR: Instruction Register 指令寄存器指令寄存器LA: Latch A 锁存器锁存器ALB: Latch B 锁存器锁存器BALU: Arithme

4、tic Logic Unit 算术逻辑单元算术逻辑单元MB: Memory Block 存储体存储体MAR:Memory Address Register存储器地址寄存器存储器地址寄存器MDR: Memory Data Register存储器数据寄存器存储器数据寄存器考研真题考研真题*: (2010年年)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） 考研真题考研真题*: (2010年年) 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

5、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a d d），寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的内容为1 2 3 4 H，R5的内容为5 6 7 8 H，地址1 2 3 4 H中的内容为5 6 7 8 H，地址5 6 7 8 H中的内容为1 2 3 4 H，则汇编语言为a d d（R4），（R5）+（逗号前为原操作数，逗号后

6、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？ 2.2.指令指令节拍与流程节拍与流程2.1 基本概念基本概念 时钟、时钟、节拍与周期举例：节拍与周期举例：时钟周期：时钟周期：最小定时单位。最小定时单位。 一个或多个一个或多个时钟周期时钟周期组成一组成一 个个节拍节拍。节拍：节拍： 一个或多个节拍组成一个一个或多个节拍组成一个机器周期机器周期。取指周期取指周期：又：又称为称为公公操作。操作。 功能：从内存取指令功能：从内存取指令IR；并；并修改修改指令地址。指令地址。取操作数周期取操作数周期：它与指令的类型和寻址方式有关。

7、它与指令的类型和寻址方式有关。执行周期执行周期：例如，完成相加并送往目的地。例如，完成相加并送往目的地。 以上以上3类周期均属类周期均属机器周期机器周期。指令周期：指令周期：从从取指令取指令到到全部执行完该条指令。全部执行完该条指令。 一个或多个一个或多个机器周期机器周期组成一组成一 个个指令周期指令周期。如何理解平常说的微机主频？如何理解平常说的微机主频？ 定长定长机器周期机器周期 每个机器周期中的时钟周期数相同。每个机器周期中的时钟周期数相同。 不定长不定长机器周期机器周期 每个机器周期中的时钟周期数不尽相同。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。指令周期

8、包含的机器周期也可多可少。 简单指令少，复杂指令多。简单指令少，复杂指令多。2.2 指令的执行过指令的执行过程程举例举例:PDP-11指令：指令：ADD （R0), R1; 该图总共可以表示该图总共可以表示几条指令？几条指令？2.3指令的指令的微微操作序列操作序列举例举例: 进一步细化进一步细化. V0V3为为时钟周期时钟周期（节拍（节拍） 考研真题考研真题*: (2009年年)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. 考研真题考研真题

9、*: (2011年年)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.组合逻辑组合逻辑控制器控制器3.1基本原理基本原理 硬布线硬布线 把控制器看成产生专门固定时序控制信号的逻把控制器看成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路。辑电路。 设计目标：用最少的元件，取得最高的速度。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

10、。理论基础：布尔代数。 组成器件：门电路，触发器。组成器件：门电路，触发器。 特点：特点： 1）组成的网络复杂；）组成的网络复杂； 2）无规则；）无规则； 3）设计和调试困难；）设计和调试困难； 4）不可改变指令系统和指令功能；）不可改变指令系统和指令功能； 5）适用于）适用于VLSI； 6）速度高。）速度高。设计依据：设计依据： 微操作微操作= 时钟因素（时钟时钟因素（时钟节拍节拍周期）周期）指令码指令码基本条件基本条件 操作码操作码操作码译码操作码译码微操作信号微操作信号发生器发生器时序时序状态，条件状态，条件微操作信号微操作信号部件设计：部件设计： 首先，首先，列出每条机器指令的微操作序

11、列，结合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。时序信号，排出操作时间表。 其次其次，将相同微操作的地方和条件逐个列出。，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）。号及其它条件（结果特征与状态）。 其三其三，将同一微操作的全部地方和条件进行，将同一微操作的全部地方和条件进行“或或”合并、化简，求得每个微操作的优化逻合并、化简，求得每个微操作的优化逻辑函数式。辑函数式。 最后最后，根据每个逻辑的函数式得到用，根据每个逻辑的函数式得到用“与非与非”门实现的各自的逻辑电路，又称

12、执行逻辑。再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，就构成微操将每个微操作执行逻辑组合起来，就构成微操作产生部件。作产生部件。 3.2设计举例设计举例完成完成“ALUBUS”=FETCHV1+SOFV1（间接寻址间接寻址）ADD+EXEV1ADD3.3 用用PLA实现组合逻辑控制器实现组合逻辑控制器* 考研真题考研真题*: (2009年年) 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

13、改和扩展难. 4.4.微程序控制器微程序控制器组合逻辑组合逻辑变成了变成了存储逻辑存储逻辑。从而可用类似程序设。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。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：以下述节拍段为例： V0: PCBUS, BUSMAR, CLEAR, PCLA, 1C0, ADD; V1: READ, ALUBUS, BUSPC, WAIT; V2: MDRBUS, BUSIR; V3: 1SOF。 下址下址字段字段0010024.14.1下址字段法下址字段法用于用于存放存放全部指令的全部指令的所有微程序所有微程序。它。它采用只读采用只读

14、存储器存储器结构结构。控制存储器的字长等于微指令的长度，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，其存取周期称用双极型只读存储器，其存取周期称微微周期周期。 控制存储器控制存储器CROM:CROM:ARAR：指：指微指令地址寄存器微指令地址寄存器。它是控制。它是控制存储器存储器CROMCROM中的地址寄存器，用于中的地址寄存器，用于存放存放将将要读取的要读取的微指令地址微指令地址，简称，简称微地址微地址。 IRIR：指：指微指令寄存器微指令寄存器。

15、它是控制存储。它是控制存储器中的数据寄存器，用于器中的数据寄存器，用于存放存放从控制存储从控制存储器取出的器取出的微指令微指令，并保存到它被执行完毕，并保存到它被执行完毕为止。为止。 微地址译码逻辑微地址译码逻辑PLAPLA：产生后继微指令的地址（又称产生后继微指令的地址（又称下址下址）。）。下址有下址有3 3种可能种可能：起始地址起始地址: :每条机器指令所对应的一段微程序的每条机器指令所对应的一段微程序的人口地址，它由指令操作码经人口地址，它由指令操作码经PLAPLA译码给出；译码给出；顺序地址：顺序地址：由微指令的下址字段给出，它不经过由微指令的下址字段给出，它不经过PLAPLA，在微指

16、令取出后，直接从下字址字段取得。，在微指令取出后，直接从下字址字段取得。转移地址：转移地址：由微指令的下址字段及由微指令的下址字段及PLAPLA中的地址中的地址修改逻辑给出的部分地址并接而成。修改逻辑给出的部分地址并接而成。转移时用转移时用转移时用转移时用4.24.2计数器法计数器法* *4.3 4.3 麓芯麓芯1 1号号一看一看整体整体结构结构:二看二看指令编码指令编码:三看三看微指令编码微指令编码:四看四看微程序举例微程序举例: MOV R0,11H;五看五看CROM,且实际运行且实际运行: 0 x0000:0 x43800001/此此2行为取指令行为取指令0 x0001:0 xc401c

17、4000 x00e4:0 x000008e5 /此此6行为行为ADD R0,R1;1e110 x00e7:0 x000060e9 /微程序设计微程序设计0 x00e9:0 x000048ea0 x00ec:0 x000080ee0 x00ee:0 x228800ef0 x00ef:0 x2000a0000 x00a4:0 x000008a5/此此6行为行为MOV R0,11H; 1a08 00110 x00a7:0 x000060ae /微程序设计微程序设计0 x00a9:0 x000048aa0 x00ab:0 x438000af0 x00ae:0 x029000a90 x00af:0 x4

18、40400b00 x00b0:0 x431900b10 x00b1:0 x68000000end4.4 4.4 相关概念相关概念4.4.14.4.1微命令编码微命令编码: 直接表示法直接表示法-不译码法不译码法 一位表示一个微命令。一位表示一个微命令。 优点：简单，直观，输出直接用于控制。优点：简单，直观，输出直接用于控制。 缺点：微指令字较长，缺点：微指令字较长，CS容量大。容量大。 译码表示法译码表示法-字段译码法字段译码法几个微命令组成一个小组，然后通过小组译几个微命令组成一个小组，然后通过小组译码器译码输出。码器译码输出。 优点：缩短字长。缺点：速度稍减。优点：缩短字长。缺点：速度稍减。 混合表示法混合表示法编码原则编码