計算機組成原理910模板課件

1、計算機組成原理9-10模板1alucpu主機主機i/o設備設備cu主主存存cpucualu完成對數(shù)據(jù)完成對數(shù)據(jù)的暫存及運的暫存及運算處理算處理基本運算規(guī)則基本運算規(guī)則基本硬件配置基本硬件配置指揮各部件指揮各部件協(xié)同運行協(xié)同運行節(jié)拍分析節(jié)拍分析cu 設設計邏輯計邏輯微程序微程序硬布線硬布線cu節(jié)拍分析節(jié)拍分析計算機組成原理9-10模板2第第章章 控制單元的功能控制單元的功能9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 控制單元的功能控制單元的功能計算機組成原理9-10模板3第第10章章 控制單元的設計控制單元的設計10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計 (硬布線邏輯硬布線邏輯)10.2 微程序設計微程

2、序設計計算機組成原理9-10模板4重點：重點：1 1、cucu功能及結(jié)構(gòu)；功能及結(jié)構(gòu)； 2 2、微操作命令序列分析及節(jié)拍安排；、微操作命令序列分析及節(jié)拍安排； 3 3、理解控制單元的兩種設計思想：、理解控制單元的兩種設計思想： 組合邏輯控制器和微程序控制器。組合邏輯控制器和微程序控制器。難點：難點：1 1、節(jié)拍產(chǎn)生；、節(jié)拍產(chǎn)生； 2 2、微操作命令序列分析；、微操作命令序列分析； 3 3、微指令格式及微程序控制器設計。、微指令格式及微程序控制器設計。 計算機組成原理9-10模板59.2 9.2 控制單元的功能控制單元的功能一、控制單元基本結(jié)構(gòu)一、控制單元基本結(jié)構(gòu)指令寄存器指令寄存器控制單元控制

3、單元 cu標志標志cpu 內(nèi)部控制信號內(nèi)部控制信號到系統(tǒng)總線控制信號到系統(tǒng)總線控制信號來自系統(tǒng)總線控制信號來自系統(tǒng)總線控制信號系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線時鐘時鐘節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器 pc-指揮各部件協(xié)同運行指揮各部件協(xié)同運行(intr 、hrq ) op ( ir ) cu(pc) + 1 pcalu: 、與、或與、或 io/m、rd、wrinta、hlda計算機組成原理9-10模板6clkt0t1t2t3時鐘周期時鐘周期機器周期機器周期機器周期機器周期t0t1t2t3t0t1t2t3節(jié)拍信號發(fā)生器：節(jié)拍信號發(fā)生器：計算機組成原理9-10模板7clk 機器周期機器周期 co q1q0 2/4t3t2t1

4、t0 節(jié)拍節(jié)拍時鐘時鐘計算機組成原理9-10模板8二、控制方式二、控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式任一微操作均由任一微操作均由 統(tǒng)一基準時標統(tǒng)一基準時標 的時序信號控制的時序信號控制clk機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期t0t1t2t3t0t1t2t3t0t1t2t3計算機組成原理9-10模板92. 異步控制方式異步控制方式無基準時標信號無基準時標信號無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步無固定的周期節(jié)拍和嚴格的

5、時鐘同步采用采用 應答方式應答方式3. 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式4. 人工控制方式人工控制方式(1) reset、wait(2) 連續(xù)連續(xù) 和和 單條單條 指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關同步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合計算機組成原理9-10模板109.1 9.1 微操作命令的分析微操作命令的分析若指令周期由若指令周期由 4 個工作周期組成：個工作周期組成：取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流-與微操作與微操作(微命令微命令)序列對應序列對應一、工作周期數(shù)據(jù)流及微操作分析：一、工作周期數(shù)據(jù)流及微操作分析：計算機組成原理9-10模板11mdrcumarpc

6、ir存儲器存儲器cpu地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線ir+1 1、取指周期、取指周期pc mar 地址線地址線1 rm ( mar ) mdrmdr irop（ir） cu( pc ) + 1 pc計算機組成原理9-10模板12mdrcumarcpu地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線pcir存儲器存儲器mdr2、間址周期、間址周期 ad ( ir ) mar1 rm ( mar ) mdrmdr mar計算機組成原理9-10模板133、執(zhí)行周期、執(zhí)行周期不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流及微操作命令序列不同不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流及微操作命令序列不同ad ( ir ) m

7、ar1 rm ( mar ) mdrmdr acc lda m計算機組成原理9-10模板14mdrcumarcpu地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線pc存儲器存儲器（程序斷點（程序斷點 進棧）進棧）( sp ) 1 mar1 w4、中斷周期、中斷周期pc mdrmdr m ( mar ) 中斷服務程序入口地址中斷服務程序入口地址 pc0 eint（置置“0”）計算機組成原理9-10模板15 pciraccu時鐘時鐘aluc1c2c5c9c0c10c3c7c4c6c12c11c8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 m d r m a rc13二、控制信號舉例二、控制信號舉例-

8、微命令分析微命令分析與與 cpu 內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微操作序列有關內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微操作序列有關不采用不采用 cpu 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式 (門控類控制信號門控類控制信號)計算機組成原理9-10模板16pciraccu時鐘時鐘alu控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號c0c1c2c3c4取指周期：取指周期：pcircupcpcpc m d r m a r m d r m a rpc mar 地址線地址線c0 c11 rm ( mar ) mdrc2mdr irc3op（ir） cuc4( pc ) + 1 pc計算機組成原理9-10模板17mdrcuirpcmarac yaluz控制信號控制信號

9、控制信號控制信號cpu 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時鐘時鐘2. 采用采用 cpu 內(nèi)部總線方式內(nèi)部總線方式計算機組成原理9-10模板18mdrmdrcu取指周期取指周期: pc cu 發(fā)讀命令發(fā)讀命令 1 r mdr op（ir） （pc）+ 1 pcirpcmarac yaluz控制信號控制信號iriiripcopcomarimarimdromdro 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制信號控制信號cpu 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時鐘時鐘地址線地址線地址線地址線marmdrircuirpcpcmdrmarcuirpcpccu計算機組成原理9-10模板19基本原則： 盡可能同步控制； 保持微操作序列； 不同

10、被控對象微操作盡可能安排在一個節(jié)拍內(nèi)； 同一被控對象，先后微操作占用時間不長，允許在一個節(jié)拍內(nèi)先后完成； 數(shù)據(jù)傳遞不沖突。三、微命令節(jié)拍分配：三、微命令節(jié)拍分配：計算機組成原理9-10模板20 微操作節(jié)拍安排舉例：微操作節(jié)拍安排舉例：采用采用 同步控制方式同步控制方式cpu 內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線方式內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線方式一個一個 機器周期機器周期 內(nèi)有內(nèi)有 3 個節(jié)拍（時鐘周期）個節(jié)拍（時鐘周期）pciraccu時鐘時鐘aluc1c2c5c9c0c10c3c7c4c6c12c11c8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 m d r m a rc13計算機組成原理9-10模板21pciracc

11、u時鐘時鐘alu控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號c0c1c2c3c41、取、取指周期：指周期：pcircupcpcpc m d r m a r m d r m a rpc mar 地址線地址線c0 c11 rm ( mar ) mdrc2c3mdr irop（ir） cuc4( pc ) + 1 pct0t1( pc ) + 1 pcmdr irop（ir） cut2c3c4計算機組成原理9-10模板22lda mt0t1t2ad ( ir ) marm ( mar ) mdrmdr acc1 r2. 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 微操作節(jié)拍安排微操作節(jié)拍安排c5c2c12pciraccu時鐘時鐘

12、aluc1c2c5c9c0c10c3c7c4c6c12c11c8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 m d r m a rc13計算機組成原理9-10模板233. 中斷周期中斷周期 微操作節(jié)拍安排微操作節(jié)拍安排t0t1t2 marpc mdrmdr m ( mar )硬件關中斷硬件關中斷向量地址向量地址 pc1 wpciraccu時鐘時鐘aluc1c2c5c9c0c10c3c7c4c6c12c11c8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 m d r m a rc9c13c13?計算機組成原理9-10模板24組合邏輯設計步驟：組合邏輯設計步驟：1. 列出操作時間表列出操作時間表2. 寫

13、出微操作命令的最簡表達式寫出微操作命令的最簡表達式3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計計算機組成原理9-10模板25pciraccu時鐘時鐘aluc1c2c5c9c0c10c3c7c4c6c12c11c8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 m d r m a rc13計算機組成原理9-10模板26功能功能 指令指令 助記符助記符操作碼操作碼 地址碼地址碼 acc m000001lda m m acc000010sta m accacc+ m 000011add m acc acc *m000100mul m 打印打印 m 000101prt m 停機停機00011

14、0halt指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：計算機組成原理9-10模板27 取指周期取指周期 微操作節(jié)拍安排微操作節(jié)拍安排:pc marm ( mar ) mdrmdr ir( pc ) + 1 pct0t1t21 rop ( ir ) cuc0 c1c2c3c4計算機組成原理9-10模板28lda mt0t1t2ad ( ir ) marm ( mar ) mdrmdr acc1 r執(zhí)行周期執(zhí)行周期 微操作節(jié)拍安排微操作節(jié)拍安排:c5c2c12pciraccu時鐘時鐘aluc1c2c5c9c0c10c3c7c4c6c12c11c8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 m d r m a rc13計算機

15、組成原理9-10模板291. 列出操作時間表列出操作時間表t2t1t0 fe取指取指 haltprtmuladdstalda微操作命令信號微操作命令信號狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標記標記c0 、 c11 rc2 ( pc ) +1 pcc3c4111111111111111111111111111111111111計算機組成原理9-10模板301. 列出操作時間表列出操作時間表t2t1t0 ex執(zhí)行執(zhí)行 haltprtmuladdstalda微操作命令信號微操作命令信號狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標記標記c51 rc2 c12 1 w1111計算機組成原理9-10模板

16、312. 寫出微操作命令的最簡表達式寫出微操作命令的最簡表達式c4= fe t2 + c0= fe t0 + c1= fe t0 + c3= fe t2 + c12= ex t2 ( lda + ) + c2= fe t1 + ex t1 ( lda + ) + 計算機組成原理9-10模板323. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點特點 思路清晰，簡單明了思路清晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試困難，修改困難龐雜，調(diào)試困難，修改困難 速度快速度快&11&1feindexldaaddhltamulstat1m ( mar) mdr (c2)（risc）&計算機組成原理9-10模板33計算機組成原理9-10模板341

17、0.2 10.2 微程序設計微程序設計一、微程序設計思想的產(chǎn)生一、微程序設計思想的產(chǎn)生 完成完成一條機器指令一條機器指令微操作命令微操作命令 1微操作命令微操作命令 2微操作命令微操作命令 n微指令微指令 110100000微指令微指令 n微程序微程序00010010一條機器指令對應一個微程序一條機器指令對應一個微程序存入存儲器存入存儲器(控制存儲器控制存儲器)按節(jié)按節(jié)拍組拍組合合計算機組成原理9-10模板351.1.微程序個數(shù)：微程序個數(shù)： 取指周期 間址周期 執(zhí)行周期 中斷周期 取指周期 1 間址周期 1 中斷周期 1 執(zhí)行周期 指令條數(shù)計算機組成原理9-10模板36功能功能 指令指令 助

18、記符助記符操作碼操作碼 地址碼地址碼 acc m000001lda m m acc000010sta m accacc+ m 000011add m acc acc *m000100mul m 打印打印 m 000101prt m 停機停機000110halt模型機指令系統(tǒng)：模型機指令系統(tǒng)：模型機指令系統(tǒng)微程序：模型機指令系統(tǒng)微程序： 取指周期取指周期 1 1個個 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 6 6個個計算機組成原理9-10模板372. 控制存儲器模型：控制存儲器模型：m+1mm+2p+1kk+2pp+2k+1取指周期微程序取指周期微程序?qū)獙?lda 操作的微程序操作的微程序?qū)獙?sta 操作的

19、微程序操作的微程序間址周期微程序間址周期微程序中斷周期微程序中斷周期微程序微地微地址址微指微指令令占用存占用存儲單元儲單元個數(shù)即個數(shù)即微操作微操作節(jié)拍數(shù)節(jié)拍數(shù)計算機組成原理9-10模板38lda xadd ysta z主存主存prt用戶程序用戶程序控存控存m+1mm+2p+1qq+2pp+2q+1取指周期取指周期 微程序微程序?qū)獙?lda 操操作微程序作微程序?qū)獙?add 操操作微程序作微程序q+1q+2mm+1m+2p+1p+2m對應對應 sta 操操作微程序作微程序k+1k+2mkk+2k+13、微程序控制、微程序控制單元工作原理單元工作原理下地下地址址起起始始計算機組成原理9-1

20、0模板394. 微指令基本格式：微指令基本格式：1 0 0 0 0 1m+ +1m微命令微命令( (微指微指令令) )下地下地址址門控信號、門控信號、操作方式控制操作方式控制軟件：下地址字段軟件：下地址字段硬件：邏輯電路硬件：邏輯電路控存容量控存容量? ?順序控制順序控制操作控制操作控制控存程序控存程序計數(shù)器計數(shù)器cmar計算機組成原理9-10模板40三、微指令的編碼方式（控制方式）三、微指令的編碼方式（控制方式）1. 直接編碼（直接控制）方式直接編碼（直接控制）方式每一位代表一個微操作命令。每一位代表一個微操作命令。速度最快速度最快下地址下地址控制信號控制信號操作控制操作控制(操作控制字段編

21、碼方式操作控制字段編碼方式)計算機組成原理9-10模板412. 字段直接編碼方式字段直接編碼方式每個字段中的命令是每個字段中的命令是 互斥互斥 譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼下地址下地址操作控制操作控制控制信號控制信號微程序執(zhí)行速度較慢微程序執(zhí)行速度較慢顯式編碼顯式編碼保留一個代碼組合表示本字段不發(fā)命令保留一個代碼組合表示本字段不發(fā)命令計算機組成原理9-10模板423. 字段間接編碼方式字段間接編碼方式4. 混合編碼混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用5. 其他其他字段字段 1字段字段 2譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼操作控制操作控制控制信號控制信號字段

22、字段 n 下地址下地址控制信號控制信號隱式編碼隱式編碼計算機組成原理9-10模板43原則：盡可能少的二進制位 盡可能快的發(fā)出命令 合并直接編碼方式 字段編碼微指令的編碼舉例：微指令的編碼舉例：例例10.4 p408例例10.7 p419計算機組成原理9-10模板44控存控存m+1mm+2p+1qq+2pp+2q+1取指周期取指周期 微程序微程序?qū)獙?lda 操操作的微程序作的微程序?qū)獙?add 操操作的微程序作的微程序q+1q+2mm+1m+2p+1p+2m對應對應 sta 操操作的微程序作的微程序k+1k+2mkk+2k+1四、微指令序列四、微指令序列地址的形成地址的形成(順序控制字

23、順序控制字段編碼方式段編碼方式)計算機組成原理9-10模板451. 微指令的微指令的 下地址字段下地址字段 指出指出-軟件方式軟件方式2. 根據(jù)機器指令的根據(jù)機器指令的 操作碼操作碼 形成形成-軟件或硬件方式軟件或硬件方式3. 增量計數(shù)器增量計數(shù)器4. 分支轉(zhuǎn)移分支轉(zhuǎn)移( cmar ) + 1 cmar 轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址操作控制字段操作控制字段 轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式 指明判別條件指明判別條件轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址 指明轉(zhuǎn)移成功后的去向指明轉(zhuǎn)移成功后的去向計算機組成原理9-10模板465. 通過測試網(wǎng)絡通過測試網(wǎng)絡6. 由硬件產(chǎn)生由硬件產(chǎn)生微程序入口地址微程序入口地址第一條微指令地址第一條

24、微指令地址 由專門由專門 硬件硬件 產(chǎn)生產(chǎn)生中斷周期中斷周期 由由 硬件硬件 產(chǎn)生產(chǎn)生 中斷周期微程序首地址中斷周期微程序首地址非測試地址非測試地址 h測試地址測試地址 l測試網(wǎng)絡測試網(wǎng)絡測試源測試源微指令地址微指令地址cmdr操作控制操作控制順序控制順序控制hl計算機組成原理9-10模板47微指令序列地址形成原理圖：微指令序列地址形成原理圖：地址地址選擇選擇+ + 1cmar地址譯碼地址譯碼下地址下地址轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式cmdr控制存儲器控制存儲器控制信號控制信號 分支分支 邏輯邏輯標志標志微程序入口微程序入口opir 微地址微地址 形成部件形成部件 多路選擇多路選擇計算機組成原理9-10模板

25、48五、五、模型機模型機微程序設計舉例微程序設計舉例計算機組成原理9-10模板49指令助記符指令功能指令編碼add a,ri(a)+( ri)(a)0000 11 000000 11 010000 11 100000 11 11sub a,ri(a)-( ri)(a)0001 11 000001 11 010001 11 100001 11 11mov a,ri ri(a)0010 11 000010 11 010010 11 100010 11 11mov a,ri( ri)(a)0011 11 000011 11 010011 11 100011 11 11計算機組成原理9-10模板50m

26、ov ri, a(a)( ri)0100 11 000100 11 010100 11 100100 11 11mov a,#datadata(a) 0101 11 11 xxxx xxxxmov ri, #datadata( ri)0110 11 00 xxxx xxxx0110 11 01 xxxx xxxx0110 11 10 xxxx xxxx0110 11 11 xxxx xxxxlda addraddr(a) 0111 11 11 xxxx xxxxsta addr(a)addr 1000 11 11 xxxx xxxxrlc ac、a左移1位 1001 11 11rrc ac、a

27、右移1位 1010 11 11jz addrz=1，addr(pc) 1011 00 11 xxxx xxxxjc addrc=1，addr(pc) 1011 01 11 xxxx xxxxjmp addraddr(pc) 1011 11 11 xxxx xxxxorl a,#data(a)或data(a) 1100 11 11 xxxx xxxxanl a,#data(a)與data(a) 1101 11 11 xxxx xxxxhalt停機 1111 11 11計算機組成原理9-10模板511、微程序存儲模型：、微程序存儲模型：m+1mm+2p+1pp+2取指周期微程序取指周期微程序?qū)獙?/p>

28、應 add 操作的微程序操作的微程序? ?段：段： 1717若每段若每段4 4個節(jié)拍個節(jié)拍？單元：？單元：6868p+3m+3計算機組成原理9-10模板52 2、微指令格式：、微指令格式：1 0 0 0 0 1m直接控制直接控制控存容量控存容量? ? 2 27 7* *2424操作控制操作控制實驗四實驗四6264：2 28 8* *2424門控信號門控信號+ +操作方式控制：操作方式控制：2424位位計算機組成原理9-10模板53 3、下地址的形成、下地址的形成cmarcmar+ 100h-rd控存控存+10+2p+1qq+2pp+2q+1取指周期取指周期 微程序微程序q+1q+20+1+2p

29、+1p+20k+1k+20kk+2k+1實驗四：實驗四：74ls16300h-rd按操作碼散轉(zhuǎn)按操作碼散轉(zhuǎn)計算機組成原理9-10模板54 0 0 i7 i6 i5 i4 1 1 按操作碼散轉(zhuǎn)按操作碼散轉(zhuǎn):0 0 0 0 add 03h0 0 0 1 sub 07h1 1 1 1 halt 3fh-ld計算機組成原理9-10模板55計算機組成原理9-10模板56實驗準備：實驗準備： 實驗四實驗四 微程序控制單元實驗微程序控制單元實驗實驗時間實驗時間：1學時學時實驗準備：實驗準備： 實驗五實驗五 模型機實驗模型機實驗 實驗時間實驗時間：3學時學時計算機組成原理9-10模板57計算機組成原理9-10

30、模板58計算機組成原理9-10模板59六、微指令格式六、微指令格式1. 水平型微指令水平型微指令如如 直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、 直接和字段混合編碼直接和字段混合編碼2. 垂直型微指令垂直型微指令類似機器指令操作碼類似機器指令操作碼 的方式的方式一次能定義并執(zhí)行多個并行操作一次能定義并執(zhí)行多個并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能計算機組成原理9-10模板603. 兩種微指令格式的比較兩種微指令格式的比較(1) 水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力強水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力強 ，靈活性強靈活性強;(2) 水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的微指令水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的微指令 數(shù)目少，速度快數(shù)目少，速度快;(3) 水平型微指