第11讲-控制器的功能

一.（10分）求[X]补、[X/2]补、[X/4]补、[2X]补=？

X=-43/64X=（-43/64）10=（-0.101011）2

（2分）

[X]补=1.010101（2分）

[X/2]补=1.101010或[X/2]补=1.101011（2分）

[X/4]补=1.110101（2分）

[2X]补=溢出（2分）

测验1参考答案注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整，125位小数原码的表示范围：

+(1—2-24）~-(1—2-24）二.（12分）定点数的表示范围。

32位整数原码。25位小数原码。

28位整数补码。27位小数补码。32位整数原码的表示范围：+(231—1）~-(231—1）解：28位整数补码的表示范围：

+(227—1）~-22727位小数补码的表示范围：

+(1—2-26）~-1.0测验1参考答案注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整，N+1位的机器数2三．（16分）定点补码加减法。求X+Y，X—YX=-0.5625，Y=+39/64解：X=（-0.5625）10=（-0.1001）2Y=（+39/64）10=（+0.100111）2采用7位机器数（N=6）[X]补=1.011100[X+Y]补=[X]补+[Y]补=11.011100+00.100111X+Y=+0.000011=00.000011[Y]补=0.10011111.011100+00.10011100.000011[X—Y]补=[X]补+[-Y]补=11.011100+11.011001[-Y]补=1.011001=溢出11.011100+11.01100110.110101取双符号位运算注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整测验1参考答案四.（8分）浮点数表示范围。尾数12位原码，阶码8位补码。写出该浮点数能表示的：最大正数，绝对值最大负数，最小正数，绝对值最小负数。解：最大正数绝对值最大负数最小正数绝对值最小负数规格化非规格化测验1参考答案4五．（16分）移码加减法。求X+Y，X—YX=-69，Y=+57，解：X=（-69）10=（-1000101）2Y=（+57）10=（+111001）2[X]补=10111011[X]移=00111011（N=7）[Y]补=00111001[Y]移=10111001[X+Y]移=[X]移+[Y]补=000111011+000111001=00111011+00111001=001110100

00+00

00取双符号位运算[X+Y]补=11110100X+Y=（-1100）2=（-12）10测验1参考答案5[-Y]补=11000111[X-Y]移=[X]移+[-Y]补=00111011+11000111=000111011+111000111=000000010

00+11

00[X-Y]补=10000010X-Y=（-1111110）2=（-126）10移码加减法。X=-69，Y=+57，求X+Y，X—Y取双符号位运算测验1参考答案6六．（23分）浮点数，尾数8位补码，阶码6位移码（都包括符号位）。

X=-4.75，Y=+28.75，（8分）(1)求X和Y的规格化浮点机器数（15分）（2）求X+Y解：X=（-4.75）10=（-100.11）2=-0.1001100×2+011(1)[MX]补=1.0110100[EX]补

=000011[EX]移

=100011Y=（+28.75）10=（+11100.11）2=+0.1110011×2+0101[MY]补=0.1110011[EY]补

=000101[EY]移

=100101设浮点数格式为：阶码尾数尾符[X]浮点=11000110110100设浮点数格式为：阶码尾数[Y]浮点=10010101110011浮点加法。（尾数8位补码，阶码6位移码）

X=-4.75，Y=+28.75，(2)求X+Y[-EY]补

=111011①对阶[ΔE]移=[EX—EY]移=[EX]移+[-EY]补=0100011+1111011取双符号位运算

0100011+1111011

0011110ΔE=-2，应将EX加2，MX右移2位：[MX]补=1.110110100[EX+Y]移=0100101=00111108②尾数相加[MX+Y]补=[MX]补+[MY]补=11.1101101+00.1110011=00.110000000

11.1101101+00.1110011

00.1100000取双符号位运算③规格化已经是规格化尾数。[MX+Y]补=0.110000000[EX+Y]移=0100101④舍入处理用0舍1入法，舍去保留位的0：[MX+Y]补=0.1100000⑤判断溢出阶码（移码）的符号位为01，没有溢出。结果：X+Y=+0.1100000×2+01019七、（共7分）判断题（请在正确的句子前写T，错误的句子前写F）（T）1．零的原码表示形式不是唯一的。（F）2．两个符号相同的浮点数相加后必须进行一次右规。（F）4．带符号机器数的符号位都用0表示正数，1表示负数。（T）5．补码加减法运算，符号位产生的进位是模。（T）3．计算机的ALU是用加法和部分积右移操作实现乘法运算的。（F）7．“右规”是将尾数右移一位，并将阶码的值减1。（T）6．若补码加法运算结果的双符号位为01，表示发生正溢出。测验1参考答案10八、（共8分）填空题1．原码加法运算，符号位与数值部分分开计算

。若两数的符号不同，做绝对值大的加数减绝对值小的加数

，和的符号取决于绝对值大的加数的符号

，若两数的符号相同，做两数的绝对值相加。2．算术移位应保持数据的符号

不变，只改变数据的值

。数据左移一位将使数值增大一倍

；数据右移一位相当于除以2

。测验1参考答案11计算机组成原理Principlesof

ComputerOrganization广义双语教学课程青岛理工大学

校级精品课程/ec/C84/第6章中央处理器Chapter6CentralProcessingUnitMostRISCmachineshaveonlyaboutfivesimpleaddressingmodes,whileCISCmachinessuchastheDECVAXsuperminihaveoveradozenaddressingmodes,someofwhicharequitecomplicated.TheIBMSystem/360mainframehadonlythreeaddressingmodes;afewmorehavebeenaddedfortheSystem/390.（1）13

中央处理机是计算机系统的核心组成部件，它包括运算器和控制器两大部分。

计算机系统由硬件和软件两大子系统组成。只有硬件没有软件的计算机称为“裸机”，“裸机”是不能工作的。

现代计算机的功能日益强大、结构日益复杂。不能想象由人来直接管理这样复杂的机器，必须由软件系统来代替人管理机器自动的工作。这个软件就是操作系统。

控制器是全机的指挥中枢。它根据工作程序的指令序列、外部请求、控制台操作去指挥和协调全机的工作。Thecontrolunitisthecircuitrythatcontrolstheflowofdatathroughtheprocessor,andcoordinatestheactivitiesoftheotherunitswithinit.Inaway,itisthe"brainwithinthebrain",asitcontrolswhathappensinsidetheprocessor,whichinturncontrolstherestofthePC.14

机器一加电，立即开始执行BIOS程序。自动到系统磁盘的0道装入引导程序Boot。该程序装入主存运行后把操作系统的常驻内存部分装入内存，建立相应的环境，管理计算机的资源，等待人的命令。

机器加电时，硬件电路自动产生一个Reset信号，将CPU复位。Reset使程序计数器PC清0，使CPU的一些寄存器为规定的某个初始状态。按程序计数器PC的内容到主存储器取指令。计算机在上电后要执行的第一条指令被安排在主存储器的00…00H单元。通常在该单元放一条转移指令，转移到操作系统程序的入口地址。

操作系统的一小部分内核程序（BIOS）必须固化在ROM中，安装在主板上，保证机器一上电就可以立即执行。

现代计算机的操作系统也是十分庞大复杂的。这样庞大的软件系统不可能全部驻留在内存中，只能保存在辅存（磁盘、磁带）上。在开机后按需要装入主存储器运行。§6.1控制器的组成控制器的功能

冯·诺伊曼计算机是“程序存储”计算机，把要解决的问题编制程序，装入主存，即可由计算机自动地取指令执行程序。“程序是指令的有序集合”。在程序运行过程中，计算机的各部件在控制器的控制下逐条执行程序中各指令，有条不紊地工作，在各部件之间流动的指令和数据形成了指令流和数据流。

控制器的基本功能是周而复始的按一定顺序逐条取指令，分析指令，执行指令，再取下一条指令，……直至停机。ThefundamentaloperationofmostCPUs,regardlessofthephysicalformtheytake,istoexecuteasequenceofstoredinstructionscalledaprogram.Theprogramisrepresentedbyaseriesofnumbersthatarekeptinsomekindofcomputermemory.TherearefourstepsthatnearlyallCPUsuseintheiroperation:fetch,decode,execute,andwriteback.16控制器必须具备以下基本功能：①取指令FetchtheInstructionfromMemory②分析指令DecodetheInstruction

对指令译码，分析它要求的操作并产生相应的控制命令。形成操作数有效地址。发出指令地址及访存控制信号。将指令从主存取入CPU。Thefirststep,fetch,involvesretrievinganinstructionfromprogrammemory.Thelocationinprogrammemoryisdeterminedbyaprogramcounter(PC),whichstoresanumberthatidentifiesthecurrentpositionintheprogram.Afteraninstructionisfetched,thePCisincrementedbythelengthoftheinstructionwordintermsofmemoryunits.TheinstructionthattheCPUfetchesfrommemoryisusedtodeterminewhattheCPUistodo.Inthedecodestep,theinstructionisbrokenupintopartsthathavesignificancetootherportionsoftheCPU.17控制器必须具备以下基本功能：③执行指令ExecutetheInstruction④控制主机与I/O设备交换信息（控制输入输出）⑤对异常情况和某些请求的处理

按照操作数有效地址取出操作数，并按操作性质形成相应的操作控制信号序列，完成指令的各种操作（包括对运算结果的处理）。形成下一条指令的地址。能响应来自外部和内部的请求，处理一些异常情况和事件。Duringtheexecutestep,variousportionsoftheCPUareconnectedsotheycanperformthedesiredoperation.If,forinstance,anadditionoperationwasrequested,anarithmeticlogicunit(ALU)willbeconnectedtoasetofinputsandasetofoutputs.18控制器的组成

控制器的主要部件包括：程序计数器，指令寄存器，指令译码器，脉冲源及启停线路，时序信号形成部件，微操作控制信号形成部件等。AcontrolunitisthepartofaCPU.Theoutputsoftheunitcontroltheactivityoftherestofthedevice.Acontrolunitcanbethoughtofasafinitestatemachine.控制器的基本组成框图19程序计数器PCOP地址码指令寄存器指令译码器ID微操作控制信号形成部件脉冲源启停线路时序信号产生部件运算器ALU通用寄存器组状态寄存器数据寄存器MDR地址寄存器MARCLK+1ResetReset中断机构DBABCB主存储器I/O指令数据操作数地址指令地址转移地址形式地址总线控制控制器的基本组成框图11．程序计数器PC

程序计数器是用来存放要取的下一条指令在主存储器的地址的，有自动加1功能。程序计数器的位数取决于CPU能够访问的程序存储空间的大小。

当程序是顺序执行时，每取一个指令字，程序计数器PC自动加1，形成下一条指令的地址。当程序发生转移时，用转移目标地址取代PC原来的值作为下一条指令的地址。2．指令寄存器IR

指令寄存器IR是用来存放（从存储器取来）当前正在执行的指令的，指令寄存器的位数取决于指令字长。Aftertheexecutionoftheinstructionandwritebackoftheresultingdata,theentireprocessrepeats,withthenextinstructioncyclenormallyfetchingthenext-in-sequenceinstructionbecauseoftheincrementedvalueintheprogramcounter.4．脉冲源及启停线路产生一定频率的脉冲信号作为机器的时钟脉冲。产生Reset信号。5．时序信号形成部件

为了保证指令及各个微操作的执行按正确顺序完成，需要相应的控制指令周期、机器周期的节拍电位、节拍脉冲等。6．微操作控制信号形成部件根据指令分析的结果和时序信号，产生相应的微操作控制信号。3．指令译码器ID

指令译码器的功能是对指令寄存器中的指令的操作码进行分析（译码），决定应该执行的基本操作。22程序计数器PCOP地址码指令寄存器指令译码器ID微操作控制信号形成部件脉冲源启停线路时序信号产生部件运算器ALU通用寄存器组状态标志位数据寄存器MDR地址寄存器MARCLK+1ResetReset中断机构DBABCB主存储器I/O指令数据操作数地址指令地址转移地址形式地址总线控制控制器的基本组成框图2

取指令时，首先把程序计数器PC的内容送到地址总线，接着发出存储器读命令Read。等待一段时间后，从数据总线将取出的指令读入并送到CPU的指令寄存器IR。

访问主存储器取操作数时，首先把主存地址寄存器MAR的内容送到地址总线，接着发出存储器读命令Read。等待一段时间后，从数据总线将读出的数据读入并送到CPU的数据寄存器MDR。

把数据写到主存储器时，首先把主存地址寄存器MAR的内容送到地址总线，数据寄存器MDR的内容送到数据总线，接着发出存储器写命令Write。等待一段时间后存储器写周期结束。24指令执行过程设指令格式为：Opcoders,rdrs1imm或disprs,rd为源/目的操作数地址，rs1为另一源操作数地址，rs,rd和rs1均为通用寄存器的地址。imm/disp为立即数或位移量。25（1）加法指令的执行过程加法指令的功能：将寄存器rs中的一个数与存储器中的一个数（地址为（rs1）+disp）相加，结果放在寄存器rd中。操作表达式：（rs）+（（rs1）+disp）→rd26CPT1T2(rs1)→ALUALU→PCPC→ABPC+1PC→ALUALU→GRDB→DRALU→DRDR→ALUDR→DBDB→IRALU→ARAR→ABrs1→GRResetimm/disp→ALUrs,rd→GR程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器ID微操作控制信号形成部件脉冲源启停线路时序信号产生部件ALU通用寄存器组GRFlag数据寄存器DR地址寄存器ARCLK2DBABCB主存储器(rs)→ALUOPimm/disprs1rs,rdCLK+ADS-（1）加法指令的执行过程加法指令的功能：将寄存器rs中的一个数与存储器中的一个数（地址为（rs1）+disp）相加，结果放在寄存器rd中。操作表达式：（rs）+（（rs1）+disp）→rd28（1）加法指令的执行过程

以上操作需4个机器周期。其中，取指令和取数周期通过总线访存。计算地址和运算送结果周期是在CPU内部操作，不使用总线。29（2）条件转移指令的执行过程

条件转移指令的功能：根据状态标志寄存器中相关标志的状态决定是否转移。如果转移条件成立，则转移到指令指定的目标地址，否则顺序执行下一条指令。30加法指令时序图CLK2CLKPC→AB，DB→DR，PC+1AR→AB，DB→DRADSININT1T2T1T2T1T2T1T2取指令计算地址取数据加法运算DBrs1→GR,(rs1)→ALU,disp→ALU+rs→GR,(rs)→ALU,DR→ALUALU→ARrd→GR，

ALU→rd，置Flag时