計(jì)算機(jī)組成原理 第14講_組合邏輯設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)組成原理Principles of Computer Organization廣義雙語(yǔ)教學(xué)課程09/skyclass25/青島理工大學(xué) 校級(jí)精品課程http:/ there are only a few addressing modes, the particular addressing mode required is usually encoded within the instruction code (e.g. IBM System/390, most RISC). But when there are lots of addressing

2、modes, a specific field is often set aside in the instruction to specify the addressing mode.第第6章章 中央處理器中央處理器Chapter 6 Central Processing Unit(4)6.3.3 微指令格式微指令格式 微指令的格式大體上可分成兩類：Horizontal Microinstruction水平型微指令水平型微指令和Vertical Microinstruction垂直型微指令垂直型微指令。水平型微指令水平型微指令是在一條微指令中定義并執(zhí)行多個(gè)可并行操作在一條微指令中定義并執(zhí)行多

3、個(gè)可并行操作的微命令的微命令，控制盡可能多并行信息傳送控制盡可能多并行信息傳送。垂直型微指令垂直型微指令是一次只能執(zhí)行一個(gè)微命令的微指令一次只能執(zhí)行一個(gè)微命令的微指令。在微指令中有微操作碼字段，采用最短字長(zhǎng)編碼。水平型微指令與垂直型微指令的比較：1水平型微指令并行操作能力強(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)。水平型微指令并行操作能力強(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)。 在一條水平型微指令中設(shè)置有控制機(jī)器中信息傳送通路以及進(jìn)行所有微操作的微命令。在進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以同時(shí)定義比較多的并行操作的微命令，控制盡可能多并行信息傳送，使微指令效率高、靈活性強(qiáng)。 在一條垂直型微指令中，一般只能完成1個(gè)操作，控制一、兩個(gè)信息傳送通路，

4、微指令的并行操作能力低，效率低。盛建倫42水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間比垂直型微指令短。水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間比垂直型微指令短。 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，可用比較少的微指令數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一條指令的功能，縮短了指令的執(zhí)行時(shí)間。一條水平型微指令完成的功能相當(dāng)于若干條垂直型微指令。此外，垂直型微指令必須經(jīng)過(guò)完全譯碼，影響速度。用水平型微指令編制的微程序比較短，但微指令字比較長(zhǎng)。3垂直型微指令字比較短而微程序長(zhǎng)。垂直型微指令字比較短而微程序長(zhǎng)。 4水平型微指令編程難以掌握。垂直型微指令與機(jī)器指令水平型微指令編程難以掌握。垂直型微指令與機(jī)器指令相似，編程比較容易。相似，編程比較容易。 水平型微指

5、令與機(jī)器指令差別很大，一般需要對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時(shí)序系統(tǒng)以及微命令很精通才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。盛建倫5微程序控制器設(shè)計(jì)方法小結(jié)微程序控制器設(shè)計(jì)方法小結(jié) 1把每條機(jī)器指令所需的微操作命令組合成若干條微指令，把每條機(jī)器指令所需的微操作命令組合成若干條微指令，再將這些微指令構(gòu)成一個(gè)微程序。再將這些微指令構(gòu)成一個(gè)微程序。2將全部微程序存入一個(gè)高速的控制存儲(chǔ)器中。將全部微程序存入一個(gè)高速的控制存儲(chǔ)器中。3執(zhí)行機(jī)器指令就變成了執(zhí)行該指令對(duì)應(yīng)的一個(gè)微程序。執(zhí)行機(jī)器指令就變成了執(zhí)行該指令對(duì)應(yīng)的一個(gè)微程序。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。Microcode was originally d

6、eveloped as a simpler method of developing the control logic for a computer.Instruction Cycle - State Diagram計(jì)算指計(jì)算指令地址令地址取指令取指令I(lǐng)nstructionfetch取操作數(shù)取操作數(shù) Operand fetch保存操保存操作數(shù)作數(shù) Operand Store Instruction address calculating指令操指令操作譯碼作譯碼Instruction operation decoding Data Operation Operand address calcu

7、lating計(jì)算操作計(jì)算操作數(shù)地址數(shù)地址 Operand address calculatingReturn for String or Vector DataInstruction Complete Fetch Next InstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期狀態(tài)圖指令周期狀態(tài)圖盛建倫76.4 硬布線控制的計(jì)算機(jī)硬布線控制的計(jì)算機(jī) “組合邏輯控制組合邏輯控制” 又稱硬布線控制又稱硬布線控制（Hardwired Control）或或“硬連邏輯控制硬連邏輯控制”。 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法是：1列出全部微操作列出全部微操作2建立操作時(shí)間表建立

8、操作時(shí)間表4作組合邏輯框圖作組合邏輯框圖3求微操作命令的邏輯函數(shù)表達(dá)式求微操作命令的邏輯函數(shù)表達(dá)式盛建倫8組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法1列出全部微操作列出全部微操作 分析并列出各條指令在取指、分析、執(zhí)行中所需的全部微分析并列出各條指令在取指、分析、執(zhí)行中所需的全部微操作。（根據(jù)給定的操作。（根據(jù)給定的CPU數(shù)據(jù)通路和指令功能）數(shù)據(jù)通路和指令功能） 根據(jù)各條指令所需的全部微操作，按執(zhí)行的先后順序，再根據(jù)各條指令所需的全部微操作，按執(zhí)行的先后順序，再加上必要的控制條件，列出全部指令所需的微操作的操作時(shí)間加上必要的控制條件，列出全部指令所需的微操作的操作時(shí)間表。表。確定機(jī)器的狀態(tài)

9、周期、節(jié)拍與工作脈沖。確定機(jī)器的狀態(tài)周期、節(jié)拍與工作脈沖。2建立操作時(shí)間表建立操作時(shí)間表6.4 硬布線控制的計(jì)算機(jī)硬布線控制的計(jì)算機(jī)盛建倫9 安排微操作節(jié)拍時(shí)需注意：微操作的先后順序，能在安排微操作節(jié)拍時(shí)需注意：微操作的先后順序，能在1個(gè)節(jié)個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行的微操作應(yīng)盡可能安排在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)。拍內(nèi)執(zhí)行的微操作應(yīng)盡可能安排在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)。假設(shè)機(jī)器采用同步控制，每個(gè)機(jī)器周期包含假設(shè)機(jī)器采用同步控制，每個(gè)機(jī)器周期包含3個(gè)節(jié)拍。個(gè)節(jié)拍。微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排機(jī)器周期節(jié)拍T0T1T2M0M1M2盛建倫101取指周期微操作的節(jié)拍安排取指周期微操作的節(jié)拍安排T0節(jié)拍可安排兩個(gè)微操作。節(jié)拍可安排兩個(gè)微操作

10、。 PCMAR ， 1R微操作的節(jié)拍安排T1節(jié)拍可安排兩個(gè)微操作。節(jié)拍可安排兩個(gè)微操作。 M(MAR) MDR，(PC)+1 PCT2節(jié)拍節(jié)拍 MDR IR ， 指令一取到指令一取到IR就開(kāi)始進(jìn)行譯碼就開(kāi)始進(jìn)行譯碼2間址周期微操作的節(jié)拍安排間址周期微操作的節(jié)拍安排T0節(jié)拍節(jié)拍 Ad(IR) MAR ， 1RT1節(jié)拍節(jié)拍 M(MAR) MDR T2節(jié)拍節(jié)拍 MDR MAR盛建倫11（1）非訪存指令非訪存指令 清除累加器指令清除累加器指令CLAT03 執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2 0ACC 累加器取反指令累加器取反指令COMT0T1T2 ACCACC 盛建倫12（1）非

11、訪存指令）非訪存指令 算術(shù)右移算術(shù)右移1位指令位指令SHRT0執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2 R(ACC)ACC，ACC0ACC0 循環(huán)左移循環(huán)左移1位指令位指令CSLT0T1T2 L(ACC)ACC，ACC0ACCn 停機(jī)指令停機(jī)指令STPT0T1T2 0G盛建倫13（2）訪存指令訪存指令 加法指令加法指令A(yù)DD XT0 Ad(IR) MAR ， 1R執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1 M(MAR) MDR T2 (ACC)+ (MDR)ACC 存數(shù)指令存數(shù)指令STA XT0 Ad(IR) MAR ， 1WT1 ACC MDRT2 MDR M(MA

12、R) 盛建倫14（2）訪存指令訪存指令 取數(shù)指令取數(shù)指令LDA XT0 Ad(IR) MAR ， 1R執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1 M(MAR) MDR T2 MDRACC盛建倫15（3）轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令 無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令JMP XT03 執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2 Ad (IR)PC 零轉(zhuǎn)移指令零轉(zhuǎn)移指令JZ XT0T1T2 PCPCZIRAdZ)()(盛建倫16CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷隱指令響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷隱指令把把PC內(nèi)容壓棧，關(guān)中斷內(nèi)容壓棧，關(guān)中斷T0 SPMAR，0 中斷允許觸發(fā)器中斷允許觸發(fā)器4 中斷周期微操作

13、的節(jié)拍安排中斷周期微操作的節(jié)拍安排T1 PC MDR ， 1WT2 MDR M(MAR) ， 向量地址向量地址 PC操操作作時(shí)時(shí)間間表表AccAcc 清除累加器累 加 器取反算術(shù)右移 1 位循環(huán)左移 1 位停機(jī)加法存數(shù)取數(shù)無(wú)條件轉(zhuǎn)移工 作周期節(jié)拍微操作命令CLACOMSHRCSLSTPADDSTALDAJMPPCMAR111111111T01R111111111T1M(MAR) MDR111111111PC+1111111111取指T2MDRIR111111111Ad(IR) MAR1T01R1T1分析取數(shù)T2M(MAR) MDRAd(IR) MAR111R1Acc MDR1T01W1T1M(

14、MAR) MDR1(Acc)+( MDR) Acc1MDRM(MAR)1MDRAcc10Acc11R(AC)AC,AC0AC01L(AC)AC， AC0ACn10G1執(zhí)行T2Ad(IR) PC1盛建倫184作組合邏輯框圖作組合邏輯框圖 根據(jù)求出的組合邏輯函數(shù)表達(dá)式，畫(huà)出產(chǎn)生微操作命令序根據(jù)求出的組合邏輯函數(shù)表達(dá)式，畫(huà)出產(chǎn)生微操作命令序列的組合邏輯框圖。列的組合邏輯框圖。組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法3求微操作命令的邏輯函數(shù)表達(dá)式求微操作命令的邏輯函數(shù)表達(dá)式 根據(jù)微操作時(shí)間表，對(duì)各條指令中的同一種操作（公操作）根據(jù)微操作時(shí)間表，對(duì)各條指令中的同一種操作（公操作）進(jìn)行集中、合并、

15、化簡(jiǎn)，求出每一個(gè)操作的組合邏輯函數(shù)表達(dá)進(jìn)行集中、合并、化簡(jiǎn)，求出每一個(gè)操作的組合邏輯函數(shù)表達(dá)式。式?！拔⒊绦蚩刂莆⒊绦蚩刂啤迸c與“硬布線控制硬布線控制”的比較的比較 硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信號(hào)的形成硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信號(hào)的形成方法和原理有差別外，其余的組成部分沒(méi)有本質(zhì)上的差別。方法和原理有差別外，其余的組成部分沒(méi)有本質(zhì)上的差別。 微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲(chǔ)器和存微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲(chǔ)器和存放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的微指令寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的。電放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的微指令寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的。電路比較規(guī)整，

16、各條指令的控制信號(hào)的差別反映在控制存儲(chǔ)器的內(nèi)路比較規(guī)整，各條指令的控制信號(hào)的差別反映在控制存儲(chǔ)器的內(nèi)容上。增加或修改指令只要增加或修改控存內(nèi)容即可。有利于降容上。增加或修改指令只要增加或修改控存內(nèi)容即可。有利于降低設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)指令兼容。低設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)指令兼容。 硬布線控制由邏輯門(mén)組合實(shí)現(xiàn)，電路比較零亂、復(fù)雜。修硬布線控制由邏輯門(mén)組合實(shí)現(xiàn)，電路比較零亂、復(fù)雜。修改和增加指令極其困難。改和增加指令極其困難。 在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控制的速度低。因?yàn)閳?zhí)行每條微指令都要從控存中讀取，影響了速制的速度低。因?yàn)閳?zhí)行每條微指

17、令都要從控存中讀取，影響了速度。而硬布線控制邏輯的速度主要取決于電路延遲，比訪問(wèn)存儲(chǔ)度。而硬布線控制邏輯的速度主要取決于電路延遲，比訪問(wèn)存儲(chǔ)器的時(shí)間短。所以，器的時(shí)間短。所以，RISC機(jī)和一些追求高速的機(jī)和一些追求高速的CISC機(jī)都采用或機(jī)都采用或部分采用硬布線控制。部分采用硬布線控制。20Homework6- 11, 18, Common logic styles used in CPU design include:Unstructured random logic Finite-state machines Microprogramming (common from 1965 to 19

18、85, no longer common except for x86 RISC-like CPUs) Programmable logic array (common in the 1980s, no longer common).CPUs designed for high-performance markets might require custom designs for each of these items to achieve frequency, power-dissipation, and chip-area goals.盛建倫21測(cè)驗(yàn) 2請(qǐng)寫(xiě)好自己的姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)22測(cè)

19、驗(yàn)2一、（一、（20分）某計(jì)算機(jī)的指令字長(zhǎng)為分）某計(jì)算機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位，用指令操作碼擴(kuò)展技位，用指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，要求有零地址指令術(shù)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，要求有零地址指令16條，一地址指令條，一地址指令31條，兩條，兩地址指令地址指令14條及三地址指令條及三地址指令15條。每個(gè)地址碼字段為條。每個(gè)地址碼字段為4位。位。二（共二（共20分）某計(jì)算機(jī)能完成分）某計(jì)算機(jī)能完成78種操作，指令字長(zhǎng)為種操作，指令字長(zhǎng)為16位。位。（1）一）一地址格式的指令地址碼可取幾位？地址格式的指令地址碼可取幾位？（2）要想使指令的要想使指令的尋址范圍擴(kuò)大到尋址范圍擴(kuò)大到216，可采用哪些方法？，可采用哪些

20、方法？三（共三（共20分）某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)為分）某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)為16位，地址碼取位，地址碼取4位，試提位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條條三地址指令、三地址指令、16條二地址指條二地址指令、令、100條一地址指令。條一地址指令。請(qǐng)不要抄題，只寫(xiě)題號(hào)請(qǐng)不要抄題，只寫(xiě)題號(hào) 23測(cè)驗(yàn)2四四 （共（共20分）某機(jī)指令字長(zhǎng)分）某機(jī)指令字長(zhǎng)16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼長(zhǎng)位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼長(zhǎng)6位，位，設(shè)操作碼長(zhǎng)度固定，指令分為零地址、一地址和二地址三種格設(shè)操作碼長(zhǎng)度固定，指令分為零地址、一地址和二地址三種格式。式。（1）若零地址指令有若零地址指令有M條，一地址指令有條，一地址指

21、令有N條，問(wèn)二地址條，問(wèn)二地址指令最多可能有多少條？指令最多可能有多少條？（2）若操作碼位數(shù)可變，則二地址指若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有多少條？令最多允許有多少條？三（共三（共20分）某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)為分）某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)為16位，地址碼取位，地址碼取4位，試提位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條條三地址指令、三地址指令、16條二地址指條二地址指令、令、100條一地址指令。條一地址指令。請(qǐng)不要抄題，只寫(xiě)題號(hào)請(qǐng)不要抄題，只寫(xiě)題號(hào) 24五、 （共（共10分）分） 判斷題判斷題（請(qǐng)?jiān)谡_的句子前寫(xiě)（請(qǐng)?jiān)谡_的句子前寫(xiě)T，錯(cuò)誤的句子前寫(xiě)，錯(cuò)誤的句子前寫(xiě)F）請(qǐng)不要抄題，只寫(xiě)題號(hào)請(qǐng)不要抄題，只寫(xiě)題號(hào) （ ）1哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)都有輸入輸出指令。哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)都有輸入輸出指令。（ ）2CPU通過(guò)輸入通過(guò)輸入/輸出指令在磁盤(pán)上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。輸出指令在磁盤(pán)上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。（ ）4程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC的位數(shù)與指令寄存器的位數(shù)相同。的位數(shù)與指令寄存器的位數(shù)相同。（ ）5型計(jì)算機(jī)的總線由地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線組型計(jì)算機(jī)的總線由地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線組成，所以是三總線結(jié)構(gòu)。成，所以是三總線結(jié)構(gòu)。（ ）3累加器的位數(shù)與機(jī)器字長(zhǎng)相同。累加