微程序控制计算机的设计课件

微程序控制计算机的设计16、人民应该为法律而战斗，就像为了城墙而战斗一样。——赫拉克利特17、人类对于不公正的行为加以指责，并非因为他们愿意做出这种行为，而是惟恐自己会成为这种行为的牺牲者。——柏拉图18、制定法律法令，就是为了不让强者做什么事都横行霸道。——奥维德19、法律是社会的习惯和思想的结晶。——托·伍·威尔逊20、人们嘴上挂着的法律，其真实含义是财富。——爱献生微程序控制计算机的设计微程序控制计算机的设计16、人民应该为法律而战斗，就像为了城墙而战斗一样。——赫拉克利特17、人类对于不公正的行为加以指责，并非因为他们愿意做出这种行为，而是惟恐自己会成为这种行为的牺牲者。——柏拉图18、制定法律法令，就是为了不让强者做什么事都横行霸道。——奥维德19、法律是社会的习惯和思想的结晶。——托·伍·威尔逊20、人们嘴上挂着的法律，其真实含义是财富。——爱献生第9章微程序控制计算机的设计计算机组成原理2007.7.22计算机组成原理第9章微程序控制计算机的设计本章主要是为配合前面各章节理论教学而设计的，是理论与应用相结合教学内容的一部分。通过讲述微程序控制计算机的设计方法和过程，加深读者对计算机存储器、微程序控制器、指令系统等内容的理解2007.7.23计算机组成原理所谓化学教学策略，就是为了实现教学目标，完成教学任务所采用的方法、步骤、媒体和组织形式等教学措施构成的综合性方案，它是实施教学活动的根本依据，是教学设计的中心环节，其主要作用就是根据特定的教学条件和需要制定出向学生提供教学信息、引导其活动的最佳方式方法和步骤.教学策略是重点研究“如何教”一类的问题，它包括教学内容、教学思路、教学方法等一系列有助于最优实现既定教学目标的工作方式.针对中学生的认知特点，要想让学生轻松、深刻理解学好化学这门课程，教者应当从课前、课堂、课后三个方面设计得当的教学策略，在教学中将会取得事半功倍的效果.一、课前探究指导策略新课改形势下的教育，是把学习的内容拓展到了课前，延伸到了课后，这样给了学生很多的学习机会和发展空间.《化学》课程标准告诉我们，这是一门以青少年的生活为基础，以培养良好实验技能、乐于探究、热爱生活的新时代青少年为目标的活动型综合课程.教学的课前准备是教学活动的需要，也是培养学生自主学习能力和分析处理信息能力的重要手段，是培养学生探究能力的有效途径之一.学生可以在课前对这次活动主题进行相应的课前体验、资料收集、准备素材等丰富多彩的活动.在上《金属的性质》这节课时，在两个班都进行了同样的教学设计，但是由于2班的学生没有准备充足的关于“金属”的材料，课堂上仅靠教师的引导显得很单调，很被动.教学效果不好，而1班的学生在课前却搜集到了许多素材，有的带来了消防器材的照片，有的准备了铁钉和铜线，有的甚至还弄到了金、银（首饰链），有许多老师都没有准备到的东西，学生却找到了，整节课学生心潮起伏，求知欲高涨，师生互动配合达到最理想状态.这让我们在感慨学生潜力的同时，还感受到课前探究活动关系到整堂课活动的开展，要引起老师们足够的重视.教师对学生的课前探究做出明确的要求和必要的引导、示范，这样更能有利于学生高效地进行活动，增强学生对生活和自然界中化学现象的好奇心和探究欲，培养学生学习化学的兴趣.二、课堂活动设计策略在教学实践中，我们经常能感受到学生的主体性地位，因为这门课程是以学生直接参与丰富多彩的实验、实践活动为主要教学形式去展开教学的.活动是课程的呈现形式，是课程实施的“灵魂”.所以，我们在设计课堂活动时就应该注意以下问题：1.利用多媒体，使教学内容“活”起来化学是一门宏观现象后面藏着微观本质的自然科学，现象是它的特点，微观抽象性是它的难点；同时化学又是一门以实验为基础的自然科学，它与社会、生活、生产实际联系又非常紧密……；基于以上种种特点，为我们中学化学多媒体课件的制作提供了丰富多彩的素材，而操作简单、功能强大的各种软件又为我们中学化学课件的制作提供了技术保证.化学课上利用多媒体进行辅助教学就有很多优点，其形象直观，能增强学生的记忆和对重点难点的理解；其交互性有利于激发学生的学习兴趣和发挥学生学习主体的作用.如学习《金属矿物与冶炼》这一节课时，通过多媒体投影课件，显示生活中的金属器材图片，有自行车、汽车、铁塔架、钛锅、钢笔、铝合金门窗等近十种日常金属器材，并附有旁边：我是金属，是人类忠实的朋友，在人类文明的发展过程中，我总是扮演着“铮铮铁骨”的角色，其实，我是从矿石中“千锤百炼”形成的.从课件展示常见的金属矿物图片，提示金属冶炼的原理、还原反应的特点，至于“钢铁是怎样炼成的”，由学生通过实验活动去切身体会.由此，激发学生的探索热情，激发了学生强烈的求知欲.2.联系生活实际，使教学内容“实”起来化学课要培养学生热爱生活、了解自然，做对社会有用、有责任的人.因此，在设计教学活动时不能脱离生活、脱离社会实际来进行.只有来自于学生生活中东西才能在最大程度上让学生乐于接受.在第一次上化学课，我就为学生搭建自由表现的舞台：布置学生搜集与化学有关的物品商标、说明书及现代高科技复合材料等有关信息资料.接着让学生自由地全部展示从食盐、味精、醋到人造革、化纤，从学习用品的纸、墨、橡皮到涂改液、自动铅笔，从自然界中的空气、水到土壤、演示，从矿泉水、汇源果汁到果冻、方便面……学生尽情展示纷纷参与，表现欲望空前高涨，教师在整个教学过程中起组织、点拨、协助、控制作用.三、课后实践活动策略通过对《化学课程标准》课堂教学实施，可以帮助学生认识化学对社会发展的作用，从化学的视角去认识科学、技术、社会和生活方面的有关问题，初步了解化学制品对人类健康的影响；懂得运用化学知识和方法去治理环境、合理开发和利用化学资源.但课堂上教学的结束并不等于教育的结束.课后实践活动的开展仍然离不开教师的关注和指导，老师们应及时捕捉各种有利于学生实践的契机，将社会实践活动与其他学科的实践活动相结合，形成良好的情感态度价值观.新教材中设置了大量的“资料”、“化学?技术?社会”、“拓展性课题”等栏目，可以要求学生课后去阅读和理解这些栏目，并要求学生写出阅读笔记，谈出自己的感受和体会，还可以让学生课后去查找与教材有关的资料.例如：让学生查找沼气的主要成分、沼气的发展史，比较天然气、煤气、液化石油气的优缺点.实践半年来，我发现学生的知识面扩大了，思维和见识更加开阔了.学生自主学习，养成了通过查阅资料了解有关化学的发展、联系生产实际的知识及有关社会热点、焦点问题的习惯，从而缩小了学生在校学习的相对稳定的基础知识与社会生产、人们生活、科学技术日新月异的发展变化之间的距离.为此，我们也将收集的一些与教学相关的化学资料和最新科研成果推荐给学生，让学生阅读，这样更增强知识的时效性.为适应经济国际化的趋势，不断提高大学英语教学水平，教育部于2007年颁布了《大学英语课程教学要求》（以下简称《教学要求》），明确指出：“大学英语课程致力于培养学生英语综合应用能力，特别是听说能力，使他们在今后的工作和社会交往中能运用英语有效地进行口头和书面的信息交流，同时，增强其自主学习能力，提高其综合文化素养，以适应我国经济发展和国际交流的需要。”［１］这一描述强调了听说能力的培养。四、六级考试新方案也体现了对听说能力培养的侧重，其目的就是借助考试的反拨作用促进大学英语教学目标的实现。由此，大学英语视听说课程的重要性也就凸显了出来。分级模式下的视听说课程有其优势，但也存在着一些问题，因此，为了提高教学效率，必须及时解决问题，采取合理的改革策略。1.分级模式下英语视听说教学的优势大学英语分级教学的主要理论依据来自美国应用语言学家StephenD.Krashen提出的i+1概念。Krashen认为人们习得语言的唯一途径是通过可理解性的语言输入，用公式表示为i+1，i表示语言学习者目前的水平，1表示略高于学习者现有水平的语言知识，只有学习者在学习过程中大量接触i+1层面上的知识，才有可能获取尽可能多的知识。分级教学正是依据这一理论较科学地划分了学习者语言水平的等级，从而使同一个班级的绝大部分学生处于相近的认知水平，这样，教师就能够更好地使学生理解语言输入，进而保证学生从“i阶段（习得者的能力水平）移向i+1阶段。”［2］分级教学改革旨在对英语视听说课程实施“分类指导、因材施教、个性化教学”的教法改革，在教学内容、教学过程和教学评估等方面对英语视听说教学产生了更为积极的影响。一方面，分级模式使视听说教学更具有针对性，为教学手段的多样化提供了更为广阔的空间。这种教学模式明晰了不同级别的教学目标，充分考虑了学生的需求，有利于充分发挥多媒体和小班制课堂的教学优势。另一方面，分级教学增强了学生学习英语视听说课程的兴趣和积极性。首先，分级教学教材（即输入内容）的选择重视了知识性和趣味性的结合，有效地促进了外语习得。其次，分级教学中学生的英语水平相当，学生的顾虑感和焦虑感趋弱，在教师的积极引导下，他们会更多地尝试与同学进行语言方面的交流和练习。2.分级模式下英语视听说教学的问题分级模式下的英语视听说教学仍然存在着一些问题，这些问题在一定程度上影响了教学效果。首先是分级测评标准同质化，读写译和视听说课程的分级标准同质化影响了视听说课程的教学效果。所谓分级标准同质化是指以四级考试题型为模本，将学生听说和读写译的总成绩作为视听说和读写译课程的统一标准。在应试教育和哑巴英语传统教学方式的影响下，分级标准的同质化会在很大程度上影响视听说教学。如果一名学生的读写译课程是高级，那么他的视听说课程也相应是高级。一些能够进入高级班的学生，往往不是由于其听说能力突出，而是由于读写译成绩的突出拉高了总成绩，造成了听说能力也很优秀的假象。其次，教学模式单一化使学生易产生枯燥感，从而失去学习兴趣。在实际教学中对学生学习策略的培养和学生情感因素的忽视，也在一定程度上影响了教学效率的提高。3.后续改革的对策及建议3.1建立科学的分级测评系统分级教学的等级往往是根据学生高考成绩结合入校后的摸底测试成绩确定的，不可避免地会带有较强的偶然因素；分级标准的同质化也在一定程度上影响了视听说教学效果。因此，分级测试应以核心语言能力为分级的原则。在入学分级测试中，采用一种兼顾英语基础与技能的分级模式，避免分级标准的单一化；结合视听说和读写译的分课型建设，可以引入听说作为评测的依据。建立升降级激励滚动机制，加强动态的教务教学管理，促进分级教学的顺利进行。3.2构建优化的教学模式首先，改革传统的听力课堂教学模式，营造适合自主学习的课堂氛围，使“视、听、说”课程名副其实。其次，注重教学组织的科学性，把课堂学习和课外学习结合起来，课内学知识，课外求实践。多媒体计算机作为重要的教学辅助手段能够极大地改善课堂内的语言环境，网络技术能够为学生创造良好的课堂和课外语言环境。教师应鼓励并指导学生利用课外时间获取、储存、检索和使用信息；充分利用网络、图书馆、现代化的教学设备，以及有利的学习环境，获取语言学习材料。增加英语课外语言实践，增设英语第二课堂，例如组织英语演讲、英语影片配音、英语话剧表演、英语歌曲演唱、英语角活动等。最后，推动分级教学模式下的小班制教学，让老师有更多精力用于教学内容和方法的改善，也更利于建立互信和谐的课堂人际关系。3.3重视学生学习策略的培养Oxford将学习策略定义为，学习者为使学习过程更轻松、有效、更富有自我导向及更易于投入新环境而采取的具体行动。语言学习策略，即学习者为学好某种语言所采取的一系列行动，包括学习者对语言知识的认识和了解，对学习目标、学习过程、学习结果进行计划、调控、控制、评估而采取的宏观策略，以及学习者为了完成学习任务和学习活动而采取的具体策略。Pintrich和DeGroot将学习策略分成认知策略（cognitivestrategies）、自我调制策略（self-regulatedstrategies）与资源管理策略（managementstrategies）。认知策略分为背诵（rehearsal）、精致化（elaboration）与组织化（organization）、批判性思考及元认知的自我调整。资源管理策略指的是善用资源、工具等帮助学习的方法，主要包括管理环境、时间等资源的学习策略，以及谋求他人助力的学习策略。［4］良好的学习习惯和有效的学习策略直接作用于学习效果。Oxford和Nyikos认为在影响学习策略选择的诸多因素中，动机是影响学习策略选择的重要的因素之一。［3］Pintrich和DeGroot也主张优质的动机会促进学生使用比较细致的学习策略。［4］因此教师应帮助学生树立良好的学习动机，掌握正确的学习方法，养成良好的学习习惯。将学生良好的学习动机转化为强烈的求知欲和旺盛的学习热情。教师在教学中应努力将策略培养作为教学的目标之一，将语言学习、学习策略的培养和课程学习紧密结合，真正践行以学生为中心的教学理念，不断尝试个性化、自主化的教学方式，做到教与学的动态平衡。教师要尊重个体差异，重视个别指导，使学生在课堂上积极参与活动，在课后主动学习英语，培养其自主学习的意识。3.4促进学生认知与情感的统一协调学习者的情感状态会直接影响到他们的学习行为和学习效果。教师的教学目标不仅包括认知目标，还包括情感目标，大学英语教学必须统一协调认知与情感，做好学生的情感教育工作，避免分级对落后生产生负面心理。分级教学使部分学生对英语学习产生焦虑感，挫伤了部分学生的自信心。成绩偏差的学生往往因为自身的局限而不能与教师产生良好的互动，他们的学习热情要比成绩好的学生更难激发，他们的焦虑感较强，在学习中比较被动，如不敢主动参加各类英语活动，上课不主动与教师配合，担心教师提问，等等。这就是所谓的“抑制性焦虑”（debilitatinganxiety）。教师要正确评价学生，善于发现落后生的优点和进步，鼓励学生，增强其自信心：帮助学生改进学习方法，消除落后生的心理障碍；指导学生使用情感策略调控自己，激发他们学习的内在动机和参与欲望。分级教学模式能为英语基础不同的学生提供与之相应的学习环境，真正实现因材施教，但是作为一个极为复杂、立体的系统工程，大学英语分级教学也对组织管理和教学各环节提出了更高的要求。如何充分发挥其优势，削弱其劣势，以进一步实现其科学性和可行性是一个重大课题，需要在改革实践中进一步研究和探讨。第9章微程序控制计算机的设计计算机组成原理2007.7.22计算机组成原理第9章微程序控制计算机的设计本章主要是为配合前面各章节理论教学而设计的，是理论与应用相结合教学内容的一部分。通过讲述微程序控制计算机的设计方法和过程，加深读者对计算机存储器、微程序控制器、指令系统等内容的理解2007.7.23计算机组成原理本章要点：◆计算机整机框图设计◆指令系统设计◆微操作信号设计◆指令微程序设计◆编写应用程序2007.7.24计算机组成原理第9章微程序控制计算机的设计●9.1微程序控制计算机概述●9.2指令系统设计●9.3微程序设计●9.4编写源程序2007.7.25计算机组成原理9.1微程序控制计算机概述控制计算机工作的微命令信号主要通过两种方法实现，一种是由设计的微程序产生，另外一种是通过组合逻辑电路产生。计算机控制器构成电路主要是围绕这两种方法进行设计的，二者各有优缺点，详细知识第6章已经讲述，在此通过设计实例主要介绍微程序控制计算机的应用情况。2007.7.26计算机组成原理9.1微程序控制计算机概述◆9.1.1设计要求与目标◆9.1.2计算机硬件设计2007.7.27计算机组成原理设计一个完整的计算机系统不仅要考虑计算机硬件设计，还要考虑机器字长、指令系统规模、外部设备规模等。详细分析主要包括如下几个方面：（1）机器字长采用8位还是16位。即运算器、数据总线是采用8位还是16位。（2）地址总线的位数。确定计算机寻址空间的大小。（3）计算机运算器采用什么结构(如多通用寄存器结构、多累加器结构等)。1.设计要求2007.7.28计算机组成原理（4）计算机指令系统规模(共有多少条指令，多少种寻址方式，指令功能等)。（5）计算机是否使用外设（键盘和打印机），以什么方式使用外设（程序查询I/O方式还是中断I/O方式）。2007.7.29计算机组成原理计算机系统采用8位字长，计算机系统的硬件组成应该完备，运算器、控制器、主存、I/O接口及总线等应有一定的典型性，并能驱动简单的I/O设备。此外该计算机系统应具备一定规模的指令系统，能够完成基本的算术逻辑运算以及数据的输入输出控制。2.设计目标2007.7.210计算机组成原理计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进行传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的结构也就不—样，因此数据通路的设计是至关重要的。所谓数据通路的设计，也就是确定机器各逻辑部件相对位置的总框图。9.1.2计算机硬件设计1．设计整机逻辑框图2007.7.211计算机组成原理数据通路的设计，目前还没有非常标准的方法。主要是依据设计者的经验，并参考现有机器的几种典型形式（比如单总线、双总线或三总线结构），根据指令系统的要求，可采用试探方法来完成。其主要步骤如下：（1）对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周期与操作序列，以便决定各器件的类型和数量。2007.7.212计算机组成原理（2）构成一个总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求。（3）检验全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号。（4）检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路。

注：以上过程可以反复进行，以便得到一个较好的方案。2007.7.213计算机组成原理根据设计要求，对计算机模块的硬件资源进行逻辑剪辑组合，便可设计出该计算机的整机数据通路逻辑框图，如图9-1所示。为利于调试，在通路框图上标明了各器件的控制信号及必要的输出信号。图9-1中设计了运算器ALU、移位发生器（74299）、数据寄存器（DR1、DR2等）、寄存器组（R0、R1、R2）、内存RAM、微程序控制器单元CU、地址加法器、指令寄存器IR、程序计数器PC以及输入/输出设备等单元模块。2007.7.214计算机组成原理图9-1计算机整机逻辑框图2007.7.215计算机组成原理（1）移位发生器单元如图9-2所示，该电路使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8位输入／输出和8位数据总线连接。299-B信号控制其使能端（0有效），T4为时序节拍脉冲。由S0、S1、M控制信号设置其运行状态，其控制特性见表9-1所示。2．单元模块详细设计2007.7.216计算机组成原理表9-1移位发生器控制状态表299-BUSS1S2M功能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0011带进位循环左移任意11任意装数2007.7.217计算机组成原理图9-2移位发生器电路图2007.7.218计算机组成原理受设计复杂度的限制，在计算机整机框图中时序启停模块并没有画出，但对于计算机系统来说，控制计算机工作的时序信号是极为重要的。如图9-3时序启停电路原理所，其中时序电路由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入与非门和3个反向器构成。可产生4个等间隔的时序信号T1~T4，其中“时钟”信号由“脉冲源”提供。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器CR，使T1~T4信号输出可控。（2）时序启停电路单元2007.7.219计算机组成原理图中给出了“运行方式”、“停机”和启动控制位，用来分别管理时序信号T1~T4将周而复始地发送或单步发送。时序信号T1~T4连续发送，机器就可以连续执行微程序；机器仅发送单周期4拍制时序信号，便单步运行状态，机器每次只执行一条微指令，这样，可以观察微控制状态与当前微指令的执行结果。2007.7.220计算机组成原理图9-3时序启停电路图2007.7.221计算机组成原理

用示波器观察时序波形，可看到时序信号T1~T4的波形，如图9-4所示。图9-4时序信号T1～T4的波形图2007.7.222计算机组成原理在计算机进行算术运算、逻辑运算或移位运算时，运算结果的状态主要依靠标志寄存器来显示，因此设计计算机系统时，设计合理的标志位锁存电路十分必要。如电路图9-5所示，其中181的8位输出端逻辑或非后进入74LS74锁存器D端，该端的状态由AR和T4信号控制，当AR=1时，在时序T1～T4处于单步执行状态下，在T4节拍把当前零（ZQ）状态锁存到零标志锁存器中。（3）标志位锁存单元2007.7.223计算机组成原理图9-5标志位锁存电路图2007.7.224计算机组成原理如电路图9-6所示，使用2片74LS163组成8位程序计数器PC，其8位输入/输出公用端与总线(BUS)接口相连接。通过LDPC、LOAD信号和脉冲T3来控制对程序计数器PC装载数据和加1操作。当LOAD=1、LDPC=1时，在时序T3上升沿把数据开关的内容装入PC。当LOAD=0、LDPC=1时，在单周期四节拍时序的T2时刻打开PC-B三态门，在T3时刻PC值通过总线打入地址寄存器、同时PC值加1。（4）程序计数器单元2007.7.225计算机组成原理图9-6程序计数器电路图2007.7.226计算机组成原理（5）指令寄存器单元如图9-7所示，1片74LS273作为指令寄存器单元，其8位输入端与BUS总线已作连接，其输出端与微程序存储器地址（SE5~SE0）接口连接。指令数据寄存器IR（74LS273）的LDIR为电平正跳变时，把来自数据总线的数据打入寄存器IR，IR的输出就作为本系统内的8位指令I7~I0。在本系统内由这8位指令（可最多译码256条不同的指令），通过编码可对应这些指令在微程序存储器中的入口地址，并且输出相应的微控制指令。2007.7.227计算机组成原理图9-7指令寄存器电路图2007.7.228计算机组成原理（6）输入/输出单元计算机系统中所用的输入/输出设备如电路图9-8、9-9所示。其中输入设备有8位带显示数据开关经一个三态门（74LS245）8位数据总线相连。输出设备经一锁存器（74LS273）实现，该锁存器的8位输入端和8位数据总线相连，其锁存输出端与8个发光二极管的显示接口相连，该显示接口以二进制方式显示输出结果（灯亮表示该输出位为1，灯灭表示该输出位为0）。2007.7.229计算机组成原理说明:在本设计中8位数据开关就是简单的输入设备，一次只能向计算机输入8位二进制；8个发光二极管是简单的输出设备，一次能显示一个字节的结果。图9-8输入设备电路图2007.7.230计算机组成原理图9-9输出设备电路图2007.7.231计算机组成原理说明：运算器、存储器及微程序控制器工作原理分别在前面第2章、第4章和第6章已讲述，它们设计及应用内容在第10章实训部分还会详细介绍，此处不再重点讲述。

思考：结合数字电路知识，请查阅资料分析74LS245、74LS74、74LS175、74LS299、74LS273芯片的作用及特性。2007.7.232计算机组成原理9.2指令系统设计

设计一个计算机系统需确定计算机的指令系统具体由哪些指令组成，包括哪几种类型指令，指令操作数有哪几种寻址方式，以及指令编码等，要兼顾必要性（编程方便）和可行性（硬件条件）两个条件。2007.7.233计算机组成原理9.2指令系统设计◆9.2.1指令类型◆9.2.2设计指令执行流程2007.7.234计算机组成原理1.算术逻辑指令系统共设计9条算术逻辑指令，分别是：寄存器清零指令（CLR）、数据传送指令（MOV）、带进位加法指令（ADC）、借位减法指令（SUC）、自增运算指令INC）、与运算指令（AND）、取反运算指令（COM）、带进位循环右移指令（RRC）和带进位循环左移指令RLC）。这些指令全部用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：微程序控制计算机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。2007.7.235计算机组成原理D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODErsrd其中，OP－CODE为操作码占用4位二进制（D7～D4），rs为源寄存器占用2位二进制（D3、D2），rd为目的寄存器占用2位二进制（D1、D0），并规定：rs或rd选定的寄存器00R001R110R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表9-1所示。2007.7.236计算机组成原理2.访存指令及转移指令系统共设计2条访存指令――存数（STA）和取数（LAD），2条转移指令――无条件转移(JMP)和结果为零或有进位转移指令（JZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：D7D6D5D4D3D2D1D000MOP-CODErdD2007.7.237计算机组成原理其中，OP－CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为偏移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=(D)E=(RI)+DE=(PC)+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本计算机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。2007.7.238计算机组成原理3.I/O指令I/O指令共两个，分别是输入（IN）和输出(OUT)。指令采用单字节指令，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODEaddrrd其中，addr＝01时，选中“输入设备”中的开关组作为输入设备，addr＝10时，选中“输出设备”中的数码显示单元作为输出设备。2007.7.239计算机组成原理4.停机指令设计一个停机指令HLT，该指令用于实现停机操作。指令格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODE0000根据上面介绍，表9-1列出了本计算机系统16条基本指令的格式、汇编符号和指令功能，其中算术逻辑指令9条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，停机指令1条。2007.7.240计算机组成原理表9-1指令详细信息表汇编指令指令格式指令功能CLRrd011100rd0→rdMOVrs,rd1000rsrdrs→rdADCrs,rd1001rsrdrs+rd+cy→rd(cy是进位值)SUCrsrd1010rsrdrs-rd-cy→rdINCrd1011rsrdrs+1→rdANDrs,rd1100rsrdrs&rd→rdCOMrd1101rsrd求反RRCrs,rd1110rsrd带进位的循环右移RLCrs,rd1111rsrd带进位的循环左移LADM,D,rd00M00rdE(有效地址单元数据)rdDSTAM,D,rd00M01rdrd→E(有效地址单元)DJMPM,D00M11rdE→PCDJZCM,D00M11rd当CY=1时或Z=1时E→PCDINaddr,rd010001rdaddr→rdOUTaddr,rd010110rdrd→addrHLT01100000停机2007.7.241计算机组成原理9.2.2设计指令执行流程指令类型和数量确定后，还需结合计算机整机通路逻辑图（见图9-1）设计出每条指令的执行流程。我们知道，一条指令从内存取出到执行完毕，需要若干个机器周期（节拍）。任何指令的第一个机器周期都是“取指令周期”，或称为公共操作周期。而—条指令共需几个机器周期取决于指令在计算机系统中实现的复杂程度。对于微程序控制的计算机设计指令执行流程时，要保证每条微指令所含微操作的必要性和合理性，防止微操作之间有时序冲突，为此要分析：2007.7.242计算机组成原理（1）哪些微操作信息可以安排在同一条微指令中；（2）哪些微操作信息必须安排在同一条微指令中；（3）哪些微操作信息不能安排在同—条微指令中。另外，还应记住：总线（数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB）仅是传输信息的通路而已，无寄存信息的功能；利用总线传输信息时要保证信息的唯一性（即不能有—个以上器件向总线发送信息）；ALU的输出缓冲器仅是三态传输门电路，无寄存功能。2007.7.243计算机组成原理下面我们举几个例子说明如何设计指令流程。说明：箭头表示数据信息流向，括号中的T1，T2，T3为工作脉冲。【例9-1】单字节指令ADCrs,rd（rd是目的寄存器，rs是源寄存器，硬件见图（9-1)该指令功能为rs+rd+cy→rd（cy是进位值），需执行的微操作和所需的微操作信号如下：（1）(PC)→（AR）→RAM；根据PC访问内存所需的微操作信号：LDPC，LDAR(T3)（2）RAM→DB→IR（DB为数据总线）；读出指令字节送IR所需的微操作信号：WE，CE,LDIR（T3）（3）(PC)+1→PC；PC加l计数，为取下条指令字节准备所需的微操作信号：PC+1（T3）（4）R0→DR1；R1→DR2；取两个操作数送数据寄存器为ALU准备好被加数所需的微操作信号：R0-B，R1-B，RS-BUS，LDDR1，LDDR2（5）（DR1+DR2）+cy→R1；ALU执行加法，结果暂存目的寄存器所需的微操作信号：M，CN，S0，S1，S2，S3，ALU-BUS，LDRi（T2）

2007.7.244计算机组成原理【例9-2】单字节指令MOVrs,rd该指令功能为rs→rd，需执行的微操作和所需的微操作信号如下：（1）(PC)→（AR）→RAM；根据PC访问内存所需的微操作信号：LDPC，LDAR(T3)（2）RAM→DB→IR（DB为数据总线）；读出指令字节送IR所需的微操作信号：WE，CE,LDIR（T3）（3）R0→DB；读出数据到数据总线所需的微操作信号：R0-B，RS-BUS（4）DB→R1；数据总线上的数据送R1所需的微操作信号：LDRi（T2）根据计算机整机数据通路逻辑框图（9-1)，参照例9-1和9-2的设计方法，可以完成对INC、AND、RRC等其余14条指令的微操作流程和所需的微操作信号的设计。详细设计留给读者完成。思考：

指令执行过程中微操作信号的作用是什么？2007.7.245计算机组成原理9.3微程序设计在微程序控制计算机中，源程序指令的执行是建立在微程序的基础之上的。计算机要完成程序执行，必须先设计每条指令的微程序，并且放在微程序控制器的存储器中，这样，计算机就把执行源程序指令的工作通过执行一个微程序来实现。在计算机中指令执行的效率如何和微程序控制、微指令字长以及微程序设计情况密切相关。2007.7.246计算机组成原理9.3.1微程序控制器微程序控制计算机的数据通路确定后，下一个设计重点就集中在控制器的设计上。控制器逻辑框图，如图9-10所示。图中IR存放的是源程序指令，控制器对源程序指令的操作码译码可以找到该指令的微程序的入口地址，然后送入微程序计数器Upc中，根据微程序的入口地址访问控制存储器就可以读取微程序的第一条微指令，从而开始执行一个微程序完成指令的工作。图中微程序每一条微指令的执行都是在微指令寄存器中完成的。2007.7.247计算机组成原理图9-10微程序控制逻辑框图2007.7.248计算机组成原理9.3.2微程序设计将机器的全部指令系统采用微指令序列实现的过程，叫做微程序设计。一条机器指令对应一个微程序，本系统共有16条机器指令就应当对应有16个微程序。计算机中微程序控制器的强大与否，机器性能如何，取决于如何设计控制流程，并转化为微程序。微程序设计是以微指令设计为基础的。2007.7.249计算机组成原理1.微指令格式本部分设计任务是综合微程序控制计算机指令系统各指令执行流程中涉及到的微操作控制信号，统计总共需多少个微操作控制信号，决定这些信号中在微指令中产生的方式及格式。微指令设计分为水平型微指令和垂直微指令两种。如果计算机系统复杂不高，微指令格式建议采用水平型微指令，微命令编码采用直接表示法和分段直接译码法相结合的混合表示法，以缩短微指令长度。后继地址采用下址字段给出的方式。微指令格式如下：2007.7.250计算机组成原理结合计算机指令系统和数据通路逻辑框图，可以分析系统所需的微命令信号的数目，从而确定微指令中控制字段的长度。比如微指令长24位，若微指令采用全水平不编码直接控制的格式，那么至多可有24个微命令控制信号直接产生。如果采用分组编码译码，那么n位微指令编码通过译码器译码可实现2n个互斥的微命令控制信号（即它们不可能在同一节拍内激活）。系统中微指令格式及微命令信号设计实例如下：控制字段判别字段下址字段2007.7.251计算机组成原理微指令字长共24位，其控制位顺序如下：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWECELDPCABCuA5～uA024～16为直接控制字段，共给出9个微命令信号；A、B、C为译码字段，可以分别送3-8译码器，共可以设计出互斥的24个微命令信号；µA5～µA0为下址字段（微指令后继微地址），6位地址可以访问的控制存储器的空间为26，即系统设计的微指令最多不超过64条。2007.7.252计算机组成原理2.指令流水执行时空表设计指令执行流程时空表应在设计数据通路之前确定，因为具体的流水线是跟时空表紧密相联的。本设计是在已有的数据通路的基础上（该数据通路支持流水），通过改进控制来提升系统性能，因此将时空表放在控制器部分进行设计。表9-2给出的是指令执行过程时空表，表9-3给出的是指令两级流水执行时空表，表9-4给出的是指令四级流水执行时空表。2007.7.253计算机组成原理表9-2指令执行过程时空表周期123456789101112131415161718取指12345678执行1122334455667788写回12345678表9-3指令两级流水执行时空表周期

1234567891011121314151617指令11122334455667788指令211223344556677882007.7.254计算机组成原理表9-2指令执行过程时空表周期123456789101112131415指令1123456789101112功能段2123456789101112功能段2123456789101112功能段2123456789101112注意：设计选用的时空表只要设计可以实现即可，不同的时空表直接影响系统的性能。思考：

设计微指令格式时，判别字段的主要作用是什么？2007.7.255计算机组成原理3.编写各指令的微程序根据指令流程和微指令格式仔细地逐条编写每一个指令的微程序，源程序指令对应的微程序流程图及确定微地址，如图9-11所示。2007.7.256计算机组成原理

图9-11微程序流程图

2007.7.257计算机组成原理根据流程图，可以写成二进制表示的微程序，为了书写方便，在此用十六进制书写。××××××××十六进制微地址$：表示地址M：表示微指令十六进制表示微程序格式说明微指令代码：微指令代码××××××××十六进制微地址$：表示地址M：表示微指令$M

2007.7.258计算机组成原理$M2205DB81$M230180E4$M24018001$M2595AAA0$M2600A027$M2701BC28$M2895EA29$M2995AA0$M2A01B42B$M2B959B41$M2C01A42D$M2D65AB6E$M2E0D9A01$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32019A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A$M3A019801$M3B070A08$M3C068A09$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300A004$M230180E4$M24018001$M2595AAA0$M2600A027$M2701BC28$M2895EA29$M2995AA0$M2A01B42B$M2B959B41$M2C01A42D$M2D65AB6E$M2E0D9A01$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32019A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A$M3A019801$M3B070A08$M3C068A09$M0400E0A0$M0500E006$M0600A007$M0700E0A0$M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A03B$M0B018001$M0C00203C$M0D00A00E$M0E01B60F$M0F95EA25$M1001ED83$M1101ED85$M1201ED8D$M1301EDA6$M14001001$M15030401$M16018016$