計(jì)算機(jī)組成原理課件-CPU

第5章中央處理器計(jì)算機(jī)組成原理第5章中央處理器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理

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本章主要內(nèi)容CPU的功能和組成控制器控制原理指令周期（★★★）時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式硬布線控制器微程序控制器（★★★）流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理Slide2本章主要內(nèi)容CPU的功能和計(jì)算機(jī)組成原理

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5.1CPU的功能和組成CPU的功能CPU的組成CPU中的主要寄存器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器計(jì)算機(jī)組成原理Slide35.1CPU的功能和組成計(jì)算機(jī)組成原理

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CPU的基本功能取出指令并執(zhí)行指令的部件——CPUCPU（CentralProcessingUnit）數(shù)據(jù)加工：算術(shù)/邏輯運(yùn)算；（ALU

）指令控制：指令執(zhí)行的順序控制;（PC，JMP）操作控制:

產(chǎn)生各種操作信號(hào);（微操作信號(hào)）時(shí)間控制:

控制操作信號(hào)的發(fā)生時(shí)間;（時(shí)序信號(hào)發(fā)生器）包括控制器（CU）和運(yùn)算器（ALU）計(jì)算機(jī)組成原理Slide4CPU的基本功能取出指令并計(jì)算機(jī)組成原理

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CPU的組成運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算/邏輯運(yùn)算控制器：指揮計(jì)算機(jī)各部件按指令要求進(jìn)行操作的部件

控制取出、解釋和執(zhí)行指令從內(nèi)存中取指，并提供下一條指令地址對(duì)指令進(jìn)行譯碼/測試,產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)產(chǎn)生執(zhí)行部件的運(yùn)行所需要的控制信號(hào)指揮并控制CPU,內(nèi)存和I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送存儲(chǔ)器與控制器之間的信息流動(dòng)——指令流；存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之間的信息流動(dòng)——數(shù)據(jù)流。中斷控制——對(duì)異常情況和外部請(qǐng)求的處理計(jì)算機(jī)組成原理Slide5CPU的組成運(yùn)算器計(jì)算機(jī)組成原理

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典型計(jì)算機(jī)主機(jī)框圖

計(jì)算機(jī)組成原理Slide6典型計(jì)算機(jī)主機(jī)框圖計(jì)算機(jī)組成原理

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CPU中的主要寄存器PC—程序計(jì)數(shù)器：ProgramCounterAR—地址寄存器：AddressRegisterDR—數(shù)據(jù)緩沖寄存器：DataRegisterIR—指令寄存器：InstructionRegisterAC—累加寄存器：AccumulateCountPSW—程序狀態(tài)字：ProgramStatusWord計(jì)算機(jī)組成原理Slide7CPU中的主要寄存器PC—計(jì)算機(jī)組成原理

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控制器基本組成PC(ProgramCounter)---程序計(jì)數(shù)器IR(InstructionRegister)---指令寄存器ID(InstructionDecoder)---指令譯碼器OC(OperateController)---操作控制器TG(TimerGenerator)---時(shí)序發(fā)生器計(jì)算機(jī)組成原理Slide8控制器基本組成PC(Pr計(jì)算機(jī)組成原理

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指令譯碼器？對(duì)指令進(jìn)行分段（操作碼、地址碼）譯碼，指出指令的操作方式、尋址方式為操作控制器提供輸入信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理Slide9指令譯碼器？對(duì)指令進(jìn)行分段計(jì)算機(jī)組成原理

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操作控制器？根據(jù)指令操作碼和地址碼、時(shí)序信號(hào),產(chǎn)生各種控制信號(hào)序列,建立正確的數(shù)據(jù)通路,從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。硬布線控制器(時(shí)序邏輯型)(硬件實(shí)現(xiàn))微程序控制器(存儲(chǔ)程序型)(軟件實(shí)現(xiàn))數(shù)據(jù)通路—執(zhí)行部件間（寄存器）傳送信息的通路。計(jì)算機(jī)組成原理Slide10操作控制器？根據(jù)指令操作計(jì)算機(jī)組成原理

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時(shí)序產(chǎn)生器？產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)(電位,脈沖)；對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。計(jì)算機(jī)組成原理Slide11時(shí)序產(chǎn)生器？產(chǎn)生各種時(shí)序ALU運(yùn)算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YCLAADD30STA40NOPJMP21…000004…00000620212223243040ALU運(yùn)算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開CLAADD30STA40NOPJMP21…000004…00000620212223243040ALUADDAX,BXPSWAX=2BX=4CXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YAX=6CLAADD30STA40NOCLAADD30STA40NOPJMP21…000004…00000620212223243040ALUADDAX,[30]PSWAX=2BX=4CXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YAX=6DR=4CLAADD30STA40NOCLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU指令譯碼器000000程序計(jì)數(shù)器PCAR地址寄存器ARDR緩沖寄存器DRAC累加器ACIR指令寄存器IR操作控制器OC時(shí)序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUSCPU基本結(jié)構(gòu)PSWPSWCPUCLAADD30STA40NO主機(jī)基本組成主機(jī)基本組成計(jì)算機(jī)組成原理

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本章主要內(nèi)容CPU的功能和組成控制器控制原理指令周期（★★★）時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式硬布線控制器微程序控制器（★★★）流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理Slide17本章主要內(nèi)容CPU的功能計(jì)算機(jī)組成原理

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5.2指令周期（★★★）指令周期基本概念CLA指令周期ADD指令周期STA指令周期NOP指令周期JMP指令周期計(jì)算機(jī)組成原理Slide185.2指令周期（★★★計(jì)算機(jī)組成原理

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指令周期基本概念時(shí)鐘周期：T,節(jié)拍脈沖CPU周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)間指令周期：從內(nèi)存取一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)間。由若干個(gè)CPU周期組成，一個(gè)CPU周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖）

T周期T1T2T3T4T1T2T3T4機(jī)器周期（取指令）指令周期機(jī)器周期（執(zhí)行指令）將指令周期劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作階段。例如：取指令周期（IF），?。ㄔ础⒛康模┎僮鲾?shù)周期（SOF、DOF），執(zhí)行周期（EXE）等。計(jì)算機(jī)組成原理Slide19指令周期基本概念時(shí)鐘周期計(jì)算機(jī)組成原理

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指令周期基本概念（★★★）

取指令周期取操作數(shù)周期（可無）執(zhí)行周期取指令PC+1執(zhí)行指令開始計(jì)算機(jī)組成原理Slide20指令周期基本概念（★★★計(jì)算機(jī)組成原理

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典型指令程序：

助記符機(jī)器指令地址

CLA250000020ADD30030030021STA40020040022NOP000000023JMP21140021024

┋

┋┋

數(shù)000006030

據(jù)000040031

┋

┋

┋┋和數(shù)040CLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040計(jì)算機(jī)組成原理Slide21典型指令程序：CLAAD計(jì)算機(jī)組成原理

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CLA指令周期取指令PC+1指令譯碼執(zhí)行指令取下條指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始將累加器AC清0計(jì)算機(jī)組成原理Slide22CLA指令周期取指令指DRCLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALUAC000020ARCLAIR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000020CLA000000000CLA指令000021+1PC→AR→ABUS→RAM→DBUS→DR→IRPC+1DRCLAADD30STA40計(jì)算機(jī)組成原理

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CLA執(zhí)行過程的操作PC→ARPC+1→PCAR→ABUS→RAM→DBUS→DRDR→IR0→AC計(jì)算機(jī)組成原理Slide24CLA執(zhí)行過程的操作PC計(jì)算機(jī)組成原理

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ADD指令周期取指令PC+1指令譯碼取操作數(shù)取下條指令PC+1取指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始送操作數(shù)地址執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期執(zhí)行加法操作ADD30；(AC)+(30)→AC取操作數(shù)周期計(jì)算機(jī)組成原理Slide25ADD指令周期取指令指令CLACLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU000021000020ADD30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000021ADD30000000000ADD指令000022+1PC→AR→ABUS→RAM→DBUS→DR→IRPC+1CLACLAADD30STA4CLACLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU000021000021ADD30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000030ADD30000000000ADD指令000022+1000006IR→AR→ABUS→RAM→DBUS→DR→ALUALU→AC006CLACLAADD30STA計(jì)算機(jī)組成原理

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ADD執(zhí)行過程的操作PC→ARPC+1→PCAR→ABUS→RAM→DBUS→DRDR→IR

IR(A)→AR→ABUS→RAM→DBUS→DR→ALUALU→AC[DR+AC→AC]計(jì)算機(jī)組成原理Slide28ADD執(zhí)行過程的操作PC計(jì)算機(jī)組成原理

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STA指令周期取指令PC+1指令譯碼送操作數(shù)取下條指令PC+1取指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始送操作數(shù)地址執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期執(zhí)行寫存操作STA40;（AC）→（40）計(jì)算機(jī)組成原理Slide29STA指令周期取指令指CLACLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU000021000030ADD30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000040STA40STA指令000023+1000004000006000006000006IR(A)→AR→ABUSAC→DRDR→DBUS→RAMCLACLAADD30STA計(jì)算機(jī)組成原理

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STA執(zhí)行過程的操作PC→ARPC+1→PCAR→ABUS→RAM→DBUS→DRDR→IR

IR(A)→AR→ABUSAC→DRDR→DBUS→RAM計(jì)算機(jī)組成原理Slide31STA執(zhí)行過程的操作PC計(jì)算機(jī)組成原理

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NOP指令周期取指令PC+1指令譯碼空操作等待一個(gè)周期取下條指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始計(jì)算機(jī)組成原理Slide32NOP指令周期取指令指令計(jì)算機(jī)組成原理

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JMP21指令周期取指令PC+1指令譯碼送轉(zhuǎn)移地址取下條指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期開始計(jì)算機(jī)組成原理Slide33JMP21指令周期取指CLACLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU000025000024JMP21CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS000021JMP21JMP21指令000021+1000006000006000022IR→PCNextcommandCLACLAADD30STA計(jì)算機(jī)組成原理

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JMP執(zhí)行過程中的操作PC→ARPC+1→PCAR→ABUS→RAM→DBUS→DRDR→IR

IR(A)→PCNextcommand計(jì)算機(jī)組成原理Slide35JMP執(zhí)行過程中的操作P計(jì)算機(jī)組成原理

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方框圖語言

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用方框圖語言來表示一條指令的指令周期。方框：代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。菱形：通常用來表示某種判別或測試，在時(shí)間上它依附于緊接它的前面一個(gè)方框的CPU周期，而不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。計(jì)算機(jī)組成原理Slide36方框圖語言在進(jìn)行計(jì)算方框圖表示0→ACIR(A)→ARIR(A)→ARIR(A)→PCAR→RAMAC→DRDR→DBUSCLAADDSTAJMPNOP取指令執(zhí)行指令下一條指令譯碼測試公操作PC→AR→RAM→DBUS→DR→IRPC+1AR→RAMDBUS→DRDR→ALUDR+AC→AC方框圖表示0→ACIR(A)→ARIR(A)→ARIR(A)計(jì)算機(jī)組成原理

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例(1)“ADDR2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作，畫出其指令周期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列，假設(shè)該指令的地址已放入PC中。(2)“SUBR1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，畫出其指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。計(jì)算機(jī)組成原理Slide38例(1)“ADDR2，計(jì)算機(jī)組成原理

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PC->ARM->DRDR->IRR2->YR0->XR0+R2->R0PC->ARM->DRDR->IRR3->YR1->XR3-R1->R3取指操作取指操作計(jì)算機(jī)組成原理Slide39PC->ARM->DRD計(jì)算機(jī)組成原理

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公操作一條指令執(zhí)行完后，CPU所進(jìn)行的一些操作。對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理（中斷，通道）若無外設(shè)請(qǐng)求的處理，CPU則轉(zhuǎn)而取下條指令。由于取指令是每條指令都有的，所以，取指令也是公操作。計(jì)算機(jī)組成原理Slide40公操作一條指令執(zhí)行完后，計(jì)算機(jī)組成原理

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其他指令LADR0，（80）ADDR0，（81）JO75STA（R1），R0HALT計(jì)算機(jī)組成原理Slide41其他指令LADR0，主機(jī)基本組成主機(jī)基本組成取指控制信號(hào)PC→ARPC→BUSLDAR取指控制信號(hào)PC→ARPC→BUS取指控制信號(hào)READMEMAR→ABUSRDLDDR取指控制信號(hào)READMEMAR→ABUS取指控制信號(hào)DR→BUSLDIRDR→IR取指控制信號(hào)DR→BUSDR→IR執(zhí)行指令過程ADDR0，（81）執(zhí)行指令過程ADDR0，（81）執(zhí)行指令過程ADDR0，（81）執(zhí)行指令過程ADDR0，（81）執(zhí)行指令過程LADR0，（80）執(zhí)行指令過程LADR0，（80）執(zhí)行指令過程JO75執(zhí)行指令過程JO75執(zhí)行指令過程STA（R1），R0執(zhí)行指令過程STA（R1），R0計(jì)算機(jī)組成原理課件-CPUIRIRiPCARR0R1R2R3MDRXGYPCiARiDRiIRoPCoARoRWDRoR0oR0iR3oR3iXiYiA總線B總線ALU+-雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路IRIRiPCARR0R1R2R3MDRXGYPCiARiDIRIRiPCARR0R1R2R3MDRXYPCiARiDRiIRoPCoARoRWDRoR0oR0iR3oR3iXiYiA總線B總線ALU+-執(zhí)行指令GADDR0,R2IRIRiPCARR0R1R2R3MDRXYPCiARiDRIRIRiPCARR0R1R2R3MDRXYPCiARiDRiIRoPCoARoRWDRoR0oR0iR3oR3iXiYiGA總線B總線ALU+-單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器IRIRiPCARR0R1R2R3MDRXYPCiARiDRIRIRPCARR0R1R2R3MDRXYPCARDRRWR0R3XYA總線+-單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器操作控制器ALUIRIRPCARR0R1R2R3MDRXYPCARDRRWR取指周期T3周期T4周期T2周期T1執(zhí)行PC→AR譯碼測試M→DRDR→IRR2→YR0→XR0+R2→R0PCo,G,ARiRW=RDRo,G,IRiR2o,G,YiR0o,G,Xi+,G,R0iCPU周期取指周期T3周期T4周期T2周期T1執(zhí)行PC→AR譯碼測試M控制方式

同步控制方式

已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都是固定不變的。異步控制方式：

每條指令或操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。聯(lián)合控制方式計(jì)算機(jī)組成原理

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控制方式同步控制方式計(jì)算機(jī)組成原理Slide57計(jì)算機(jī)組成原理

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本章主要內(nèi)容CPU的功能和組成控制器控制原理指令周期（★★★）時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式硬布線控制器微程序控制器（★★★）流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理Slide58本章主要內(nèi)容CPU的功能計(jì)算機(jī)組成原理

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指令周期基本概念時(shí)鐘周期：T,節(jié)拍脈沖CPU周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)間指令周期：從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)間。由若干個(gè)CPU周期組成。一個(gè)CPU周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖）

T周期T1T2T3T4T1T2T3T4機(jī)器周期（取指令）指令周期機(jī)器周期（執(zhí)行指令）計(jì)算機(jī)組成原理Slide59指令周期基本概念時(shí)鐘周期計(jì)算機(jī)組成原理

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指令周期指令周期是指取指令、分析指令到執(zhí)行完該指令所需的全部時(shí)間。指令周期不盡相同：各種指令的操作功能不同，有的簡單，有的復(fù)雜。計(jì)算機(jī)組成原理Slide60指令周期指令周期是指取計(jì)算機(jī)組成原理

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機(jī)器周期

機(jī)器周期通常又稱CPU周期，通常把一條指令劃分為若干個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。一般的CPU周期有：取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等。所以有：

指令周期=i機(jī)器周期一般情況下，一條指令所需的最短時(shí)間為兩個(gè)機(jī)器周期：取指周期和執(zhí)行周期。計(jì)算機(jī)組成原理Slide61機(jī)器周期機(jī)器周期通常又計(jì)算機(jī)組成原理

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節(jié)拍一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作;有的微操作可以同時(shí)執(zhí)行，有的需要按先后次序串行執(zhí)行;把一個(gè)機(jī)器周期分為若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱為節(jié)拍電位信號(hào)節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本操作的時(shí)間，如：CPU完成一次正確的運(yùn)算；寄存器間的一次傳送等。計(jì)算機(jī)組成原理Slide62節(jié)拍一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完計(jì)算機(jī)組成原理

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工作脈沖在節(jié)拍中執(zhí)行的有些操作需要同步定時(shí)脈沖

如：將穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果打入寄存器，又如周期狀態(tài)切換等節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，作為各種同步脈沖的來源；工作脈沖的寬度只占節(jié)拍電位寬度的1/n，并處于節(jié)拍的末尾（只要能保證所有觸發(fā)器都可靠、穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)就可以了）多個(gè)脈沖的節(jié)拍常見于某些小型計(jì)算機(jī)中；在只設(shè)置機(jī)器周期和時(shí)鐘周期的微型機(jī)中，一般不再設(shè)置工作脈沖（因?yàn)闀r(shí)鐘周期既可以作為電位信號(hào)，其前后沿又可以作為脈沖觸發(fā)信號(hào)）計(jì)算機(jī)組成原理Slide63工作脈沖在節(jié)拍中執(zhí)行的有計(jì)算機(jī)組成原理

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附：三級(jí)時(shí)序CPU周期（機(jī)器周期）將指令周期劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作階段，稱為CPU周期。節(jié)拍電位CPU周期包括若干個(gè)完成微操作的節(jié)拍電位。節(jié)拍脈沖與節(jié)拍電位相配合完成數(shù)據(jù)加工與傳送。計(jì)算機(jī)組成原理Slide64附：三級(jí)時(shí)序CPU周期（計(jì)算機(jī)組成原理

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小型機(jī)的三級(jí)時(shí)序典型機(jī)器三級(jí)的時(shí)序體制說明：FETCH－取指周期W0，W1－節(jié)拍m－工作脈沖m*－預(yù)置脈沖mRC－外設(shè)工作脈沖微型機(jī)與小型機(jī)不同，常采用兩級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，此時(shí)節(jié)拍就是脈沖，被稱之為時(shí)鐘周期或T狀態(tài)，為計(jì)時(shí)最小單位。W0FETCHmRCW1m*m計(jì)算機(jī)組成原理Slide65小型機(jī)的三級(jí)時(shí)序典型機(jī)器計(jì)算機(jī)組成原理

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66

時(shí)序發(fā)生器-1時(shí)序信號(hào)的作用和體制作用：為計(jì)算機(jī)各部分的協(xié)調(diào)工作提供時(shí)序標(biāo)志。體制:電位-脈沖制

QQCPD計(jì)算機(jī)組成原理Slide66時(shí)序發(fā)生器-1時(shí)序信號(hào)計(jì)算機(jī)組成原理

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67

電位-脈沖制電位-脈沖制是時(shí)序信號(hào)最基本的體制。當(dāng)實(shí)現(xiàn)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)必須以電位形式加在觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，而數(shù)據(jù)輸入的控制信號(hào)可選用脈沖。數(shù)據(jù)必須先送到觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，并且表示數(shù)據(jù)的電位一定要保持在控制脈沖的作用下被觸發(fā)器記憶為止，這段時(shí)間較長，所以數(shù)據(jù)需要用電位表示。而輸入脈沖的時(shí)間寬度只需要保證數(shù)據(jù)從觸發(fā)器的輸入端穩(wěn)定在輸出端的時(shí)間。計(jì)算機(jī)組成原理Slide67電位-脈沖制電位-脈沖制計(jì)算機(jī)組成原理

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68

時(shí)序發(fā)生器-2三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)的組成

CPU周期信號(hào)發(fā)生器三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)組成框圖取指周期晶振S啟動(dòng)取數(shù)周期執(zhí)行周期節(jié)拍周期信號(hào)發(fā)生器T1T2Tn…節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器P1P2PnRQ停止…計(jì)算機(jī)組成原理Slide68時(shí)序發(fā)生器-2三級(jí)時(shí)序系計(jì)算機(jī)組成原理

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CPU周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生CPU周期信號(hào)。*通常，機(jī)器運(yùn)行期間，任一個(gè)時(shí)刻僅處于一個(gè)CPU周期狀態(tài)。節(jié)拍周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生節(jié)拍電位T1—T4。*在定長CPU周期中，每個(gè)CPU周期含有相同的節(jié)拍電位數(shù)

節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生節(jié)拍脈沖信號(hào)P1—P4.*節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖時(shí)間關(guān)系固定。下圖中，每個(gè)節(jié)拍電位包含一個(gè)脈沖。時(shí)間利用率高，控制較復(fù)雜計(jì)算機(jī)組成原理Slide69CPU周期信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)計(jì)算機(jī)組成原理

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70

時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘脈沖計(jì)算機(jī)組成原理Slide70時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘脈沖計(jì)算機(jī)組成原理

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71

時(shí)序發(fā)生器-3組成與原理

啟?？刂七壿?/p>

啟動(dòng)

節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序產(chǎn)生邏輯

脈沖發(fā)生器

時(shí)鐘源

停機(jī)

RD￠

WE￠

T1

T2

T3

T4

RD

WE

RD0

WE0

T1

0

T2

0

T3

0

T4

0

計(jì)算機(jī)組成原理Slide71時(shí)序發(fā)生器-3組成與原計(jì)算機(jī)組成原理

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72

時(shí)鐘源為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)；通常由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成假定此時(shí)時(shí)鐘源輸出50MHz（脈沖周期20ns）的時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)算機(jī)組成原理Slide72時(shí)鐘源為環(huán)形脈沖發(fā)生器提計(jì)算機(jī)組成原理

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73

環(huán)形脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，通常采用循環(huán)移位寄存器形式。由循環(huán)移位寄存器和譯碼器組成。計(jì)算機(jī)組成原理Slide73環(huán)形脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一組有計(jì)算機(jī)組成原理

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74

環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯&

脈沖時(shí)鐘源

RD￠

T4

0

T1

0

RD0

T2

0

T3

0

WE0

WE￠

R

＋5VSCLR&

&

&

&

&

Q

D

Q

C1

3

2

Q

D

Q

C4

Q

D

Q

C3

1

ff

Q

D

Q

C2

f計(jì)算機(jī)組成原理Slide74環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯計(jì)算機(jī)組成原理

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75

電路說明4個(gè)觸發(fā)器輸入輸出串聯(lián)構(gòu)成循環(huán)移位電路D觸發(fā)器R/S端分別為Reset和SetC1C2C3時(shí)鐘信號(hào)為上跳沿C4時(shí)鐘信號(hào)為下跳沿計(jì)算機(jī)組成原理Slide75電路說明4個(gè)觸發(fā)器輸入輸計(jì)算機(jī)組成原理

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76

循環(huán)移位寄存器工作過程：總清信號(hào)CLR*使C4置1，打開與非門3。Φ1上升邊經(jīng)與非門3反相將C1—C3清“0”。Φ1*上升邊使C4打入0，關(guān)閉與非門3。Φ2*的下降邊即Φ2的上升邊使C1—C3打入100。同理Φ3—Φ4使C1—C3打入110和111。當(dāng)C3=1時(shí)，Φ4*使C4=1，Φ5又使C1—C3清0。在Φ6時(shí)又重復(fù)Φ2開始的過程。計(jì)算機(jī)組成原理Slide76循環(huán)移位寄存器工作過程：脈沖時(shí)鐘源

R

＋5VSCLRQ

D

Q

C1

3

2

Q

D

Q

C4

Q

D

Q

C3

1

f

f

Q

D

Q

C2

0001上跳沿1111下跳沿1110上跳沿0110上跳沿0010上跳沿0000下跳沿0001CLR上跳沿C3C2C1C4ФffC4只有在下降延變化，C1-3只有在上升沿變化C4為0時(shí)與門2通，3不通；否則，相反2通時(shí)，C1-3狀態(tài)遷移脈沖時(shí)鐘源R＋5VSCLRQDQC132Q計(jì)算機(jī)組成原理

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78

節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯碼假設(shè)一個(gè)CPU周期中包括4個(gè)等間隔的節(jié)拍信號(hào)T10—T40節(jié)拍譯碼邏輯：

T10=C1·C2，T20=C2·C3T30=C3，T40=C1

機(jī)器運(yùn)行時(shí)，由T10—T40產(chǎn)生T1—T4。計(jì)算機(jī)組成原理Slide78節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯計(jì)算機(jī)組成原理

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79

節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯碼假設(shè)一個(gè)節(jié)拍含一個(gè)節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖譯碼邏輯：

P1=T1·φ，P2=T2·φ，

P3=T3·φ，P4=T4·φ，

計(jì)算機(jī)組成原理Slide79節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序的譯計(jì)算機(jī)組成原理課件-CPU時(shí)鐘源頻率50MHz，周期T=20ns，脈沖寬度為10ns。

12345678910ΦΦC4C1C2C3T4T3T2T1CPU周期CPU周期與節(jié)拍電位的關(guān)系圖時(shí)鐘源頻率50MHz，周期T=20ns，脈沖寬度為10ns。計(jì)算機(jī)組成原理

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82

啟停控制邏輯啟?？刂七壿嬘脕砜刂圃脊?jié)拍脈沖T10~T40的輸出，產(chǎn)生CPU工作所需的節(jié)拍脈沖T1~T4。同理，對(duì)讀/寫時(shí)序邏輯也要加以控制。

計(jì)算機(jī)組成原理Slide82啟?？刂七壿媶⑼？刂七壿嬘?jì)算機(jī)組成原理

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83

對(duì)啟停電路的要求計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)是隨機(jī)的，要求計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第一個(gè)節(jié)拍脈沖的前沿開始工作；在停機(jī)時(shí)，一定要在第四個(gè)節(jié)拍脈沖后沿結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器；要求第一個(gè)脈沖和最末一個(gè)脈沖是完整的脈沖。計(jì)算機(jī)組成原理Slide83對(duì)啟停電路的要求計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)組成原理

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84

啟停控制邏輯

T1

Q

D

Cr

Q

R

啟動(dòng)

停機(jī)

CLR

&

T4&

T4

0

T1

0

RD

&

RD0

T3&

T3

0

WE

&

WE0

T2

&

T2

0

T4

0

&

&

運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器CrRS觸發(fā)器計(jì)算機(jī)組成原理Slide84啟?？刂七壿婽1Q計(jì)算機(jī)組成原理

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85

啟停電路說明運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器CrCr=0—封鎖原始信號(hào)Cr=1—使上述原始信號(hào)變?yōu)镃PU所需的時(shí)序信號(hào)總清信號(hào)CLR*使Cr=0啟動(dòng)：啟動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，在T40*的后沿把Cr打入1；停機(jī)：停機(jī)信號(hào)為低電平時(shí)，在T40*的后沿把Cr打入0。計(jì)算機(jī)組成原理Slide85啟停電路說明運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)LDARRDMLDDRLDIRPC+1ΦT1T2T3T4CPU周期取指執(zhí)行CPU周期時(shí)序圖狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖ΦT1T2T3T4CPU周期取指執(zhí)行CPU周期時(shí)序圖狀態(tài)周期LDARRDMLDDRLDIRPC+1ΦT1T2T3T4CPU周期取指CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖LDARRDMLDDRLDIRPC+1ΦT1T2T3T4CPU周期取指CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍電LDARRDMLDDRLDIRPC+1ΦT2T3T4CPU周期取指T1CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖LDARLDAR’=lDAR*T1RD’=RD*T2ΦT2T3T4CPU周期取指T1CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍電LDARRDMLDDRLDIRPC+1ΦCPU周期取指CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍脈沖LDARRDMLDDRLDIRPC+1LDAR’RD’LDDR’LDIR’ΦCPU周期取指CPU周期狀態(tài)周期電位節(jié)拍脈沖LDARRD計(jì)算機(jī)組成原理

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90

控制器基本控制方式控制方式：形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法三種基本控制方式：同步控制方式異步控制方式聯(lián)合控制方式計(jì)算機(jī)組成原理Slide90控制器基本控制方式控制計(jì)算機(jī)組成原理

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91

同步控制方式每一步操作均由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)來控制特點(diǎn)：具有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)指令周期的控制：定長指令周期不定長指令周期、定長CPU周期變長CPU周期、定長節(jié)拍電位含義：每條指令含有相同的CPU周期數(shù)，每個(gè)CPU周期含有相同的節(jié)拍電位。特點(diǎn)：時(shí)序簡單，但時(shí)間利用率低含義：按指令需要確定CPU周期，但每個(gè)CPU周期時(shí)間相同。特點(diǎn)：時(shí)間利用率較高

含義：指令周期和CPU周期不固定，但CPU周期含有的節(jié)拍電位按需要確定

特點(diǎn)：時(shí)間利用率高，但控制電路復(fù)雜

計(jì)算機(jī)組成原理Slide91同步控制方式每一步操作計(jì)算機(jī)組成原理

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92

異步控制方式按實(shí)際需要確定每條指令，每個(gè)操作所需要的時(shí)間，稱為異步控制方式。做法：由前一微操作執(zhí)行完畢時(shí)產(chǎn)生的“結(jié)束”信號(hào)作為下一微操作的“起始”信號(hào)。特點(diǎn)：時(shí)間利用率高，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用器件多。計(jì)算機(jī)組成原理Slide92異步控制方式按實(shí)際需要計(jì)算機(jī)組成原理

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93

聯(lián)合控制方式是同步和異步控制方式的結(jié)合。將各種指令可公共起來的微操作安排在固定的周期、節(jié)拍中，對(duì)難以公共的微操作信號(hào)，則以執(zhí)行部件的“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束，部分統(tǒng)一，部分區(qū)別對(duì)待。計(jì)算機(jī)組成原理Slide93聯(lián)合控制方式是同步和異計(jì)算機(jī)組成原理

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94

本章主要內(nèi)容CPU的功能和組成控制器控制原理指令周期（★★★）時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式硬布線控制器微程序控制器（★★★）流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理Slide94本章主要內(nèi)容CPU的功能計(jì)算機(jī)組成原理

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95

硬布線控制器Hardwiredcontrol-基本原理由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)，用以產(chǎn)生執(zhí)行指令的一系列微操作信號(hào)；組成器件：門電路，觸發(fā)器將控制器看成產(chǎn)生固定時(shí)序控制信號(hào)的邏輯電路輸入信號(hào)：指令系統(tǒng)，時(shí)序信號(hào)，反饋信號(hào)輸出信號(hào)：計(jì)算機(jī)所需要的所有的控制信號(hào)設(shè)計(jì)目標(biāo)：用最少的元件，取得最高速度。理論基礎(chǔ)：布爾代數(shù)。計(jì)算機(jī)組成原理Slide95硬布線控制器Hardwi計(jì)算機(jī)組成原理

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96

硬布線控制器(組合邏輯控制器)組合邏輯線路指令譯碼器節(jié)拍電位/脈沖發(fā)生器微操作控制信號(hào)指令寄存器IR結(jié)果反饋信息M1MiT1TkI1ImC1CnB1Bj啟動(dòng)/停止時(shí)鐘/復(fù)位計(jì)算機(jī)組成原理Slide96硬布線控制器(組合邏輯控計(jì)算機(jī)組成原理

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組合邏輯線路的輸入信號(hào)指令譯碼器的輸出:Im

不同指令操作碼和尋址方式?jīng)Q定應(yīng)執(zhí)行的微操作。時(shí)序產(chǎn)生器輸出的節(jié)拍電位/節(jié)拍脈沖:Mi，Tk

使微操作信號(hào)按時(shí)序要求產(chǎn)生。結(jié)果的反饋信息:Bj

條件碼（如N、V、C、Z等）影響指令，不同狀態(tài)條件而產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果，即需不同的微操作信號(hào)。計(jì)算機(jī)組成原理Slide97組合邏輯線路的輸入信號(hào)指0→ACIR→ARIR→ARIR→PCPC→ARRDDBUS→DRDR→ALUDR+AC→ACRDAC→DRDR→DBUSCLAADDLDAJMPNOP取指令公操作啟動(dòng)M1M2M3LDART1RDT2LDDRT3LDIRT4PC→AR→RAM→DBUS→DR→IRPC+10→ACIR→ARIR→ARIR→PCRDRDCLAADDL計(jì)算機(jī)組成原理

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99

組合邏輯線路的輸出信號(hào)微操作控制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式：

C=?(Im·Mi·Tk·Bj)

例：讀主存信號(hào)C3------

(RD)

取指令在M1被激活或LDAADDANDM3

C3=M1+M3（LDA+ADD+AND）

C3=T2M1+T1M3（LDA+ADD+AND）想想全加器的設(shè)計(jì)？計(jì)算機(jī)組成原理Slide99組合邏輯線路的輸出信號(hào)微計(jì)算機(jī)組成原理

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100

硬布線控制器基本原理微操作控制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式：

計(jì)算機(jī)組成原理Slide100硬布線控制器基本原理微計(jì)算機(jī)組成原理

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101

組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟根據(jù)CPU的結(jié)構(gòu),畫出所有指令操作流程圖；找出產(chǎn)生同一微操作控制信號(hào)的條件編排指令操作時(shí)間表；即把指令操作流程圖中的微操作落實(shí)到不同的CPU周期和節(jié)拍中。綜合、化簡微操作邏輯式，并畫出邏輯控制電路 寫出各微操作控制信號(hào)的布爾表達(dá)式； 化簡各表達(dá)式； 利用電路或門陣列實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理Slide101組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步計(jì)算機(jī)組成原理

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102

硬布線控制器特點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜；無規(guī)則；設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)щy；不可改變指令系統(tǒng)和指令功能適用于VLSI速度快計(jì)算機(jī)組成原理Slide102硬布線控制器特點(diǎn)組成的計(jì)算機(jī)組成原理

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103

本章主要內(nèi)容CPU的功能和組成控制器控制原理指令周期（★★★）時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式硬布線控制器微程序控制器（★★★）流水線處理器計(jì)算機(jī)組成原理Slide103本章主要內(nèi)容CPU的功計(jì)算機(jī)組成原理

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104

微程序控制器的基本原理指令執(zhí)行的階段性：取指令，分析指令，執(zhí)行指令等；將所需微操作信號(hào)以二進(jìn)制編碼形式存入存儲(chǔ)器；按序依次讀出執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)指令的功能。計(jì)算機(jī)組成原理Slide104微程序控制器的基本原理計(jì)算機(jī)組成原理

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105

基本概念—微命令和微操作

控制部件與執(zhí)行部件二者通過控制線，反饋線聯(lián)系微命令

控制部件（如CU）通過控制線向執(zhí)行部件（如ALU、M、GRS等）發(fā)出的各種控制命令.

微操作執(zhí)行部件接受微命令后進(jìn)行的操作。計(jì)算機(jī)組成原理Slide105基本概念—微命令和微操計(jì)算機(jī)組成原理

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106

基本概念—微命令和微操作打開或者關(guān)閉控制門的控制信號(hào)為微命令微命令是控制信號(hào)最小，最基本的單位微命令帶來的執(zhí)行部件的動(dòng)作稱為微操作互斥性微命令：

不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的微命令,例如：+、-、M

相容性微命令可能同時(shí)出現(xiàn)的微命令

計(jì)算機(jī)組成原理Slide106基本概念—微命令和微操計(jì)算機(jī)組成原理

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107

基本概念—微指令和微程序微指令——在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。微程序——由若干條微指令組成的、用以實(shí)現(xiàn)指令功能的程序計(jì)算機(jī)組成原理Slide107基本概念—微指令和微程計(jì)算機(jī)組成原理

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108

微指令的基本格式操作控制字段用于產(chǎn)生微命令。順序控制字段用于確定下一條微指令地址。P字段下址字段操作控制順序控制……計(jì)算機(jī)組成原理Slide108微指令的基本格式P字計(jì)算機(jī)組成原理

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微指令基本格式舉例

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

LDLA

LDR1

＋

LDPC

BUS

↑

IR(A)

WE￠

P2

下

址

L

↑

R0

LDLB

LDR0

PC＋1

LDIR

RD￠

LDAR

LDDR

P1

控制字段

順序控制

L

↑

R1

L

↑

R2

bus

↑

L

L

↑

bus

bus

↑

BUS

BUS

↑

bus

BUS

↑

ALU

BUS

↑

PC

BUS

↑

DR

DR(D)

↑

BUS

計(jì)算機(jī)組成原理Slide109微指令基本格式舉例1計(jì)算機(jī)組成原理

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110

微程序控制概念microprogrammingcontrol一條指令的處理包含許多微操作序列這些操作可以歸結(jié)為信息傳遞、運(yùn)算將這些操作所需要的控制信號(hào)以多條微指令表示執(zhí)行一條微指令就給出一組微操作控制信號(hào)執(zhí)行一條指令也就是執(zhí)行一段由多條微指令組成的微程序計(jì)算機(jī)組成原理Slide110微程序控制概念micr計(jì)算機(jī)組成原理

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111

微指令基本格式

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

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19

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21

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25

26

27

28

29

30

LDLA

LDR1

＋

LDPC

BUS

↑

IR(A)

WE￠

P2

下

址

L

↑

R0

LDLB

LDR0

PC＋1

LDIR

RD￠

LDAR

LDDR

P1

控制字段

順序控制

L

↑

R1

L

↑

R2

bus

↑

L

L

↑

bus

bus

↑

BUS

BUS

↑

bus

BUS

↑

ALU

BUS

↑

PC

BUS

↑

DR

DR(D)

↑

BUS

計(jì)算機(jī)組成原理Slide111微指令基本格式12計(jì)算機(jī)組成原理

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112

微程序控制概念將指令系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所需的控制信號(hào)以微指令為單位存儲(chǔ)。微指令中的每一位對(duì)應(yīng)一根控制信號(hào)線每條指令對(duì)應(yīng)一段微程序微程序由若干條微指令構(gòu)成機(jī)器執(zhí)行指令時(shí)逐條取出微指令執(zhí)行，使得相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)定的操作，執(zhí)行完微程序，也就給出了該指令所需要的全部控制信號(hào)，從而完成一條指令的執(zhí)行。計(jì)算機(jī)組成原理Slide112微程序控制概念將指令系計(jì)算機(jī)組成原理

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113

微指令與微程序計(jì)算機(jī)組成原理Slide113微指令與微程序ALU運(yùn)算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YCLAADD30STA40NOPJMP21…000004…00000620212223243040ALU運(yùn)算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開ALU簡單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖Cy操作數(shù)X操作數(shù)Y左路開關(guān)選擇R1R2R3DR123468579-M+ALU簡單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖Cy操作數(shù)X操作數(shù)Y左路開關(guān)選擇R微命令1：LDR12：LDR23：LDR34：R1→X5：R1→Y6：R2→X7：R2→Y8：DR→X9：R3→YALUCy操作數(shù)X操作數(shù)YR1R2R3DR123468975-M+微命令1：LDR1ALUCy操作數(shù)X操作數(shù)YR1R2R3微命令10：+11：-12：M13：RD14：LDDR15：LDIR16：LDAR17：PC+1ALUCy操作數(shù)X操作數(shù)YR1R2R3DR123468579-M+微命令10：+ALUCy操作數(shù)X操作數(shù)YR1R2R3DR1計(jì)算機(jī)組成原理

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118

所有的微命令1：LDR12：LDR23：LDR34：R1→X5：R1→Y6：R2→X7：R2→Y8：DR→X9：R3→Y10：+11：-12：M13：RD14：LDDR15：LDIR16：LDAR17：PC+1計(jì)算機(jī)組成原理Slide118所有的微命令1：LD計(jì)算機(jī)組成原理

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119

微指令格式.1234567891011121314151617181920212223操作控制順序控制LDR1LDR2LDR3R1→XR1→YR2→XR2→YDR→XR3→Y+M-RDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址計(jì)算機(jī)組成原理Slide119微指令格式.12345計(jì)算機(jī)組成原理

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120

微指令格式…操作控制字段操作控制字段直接給出多種微操作的控制信號(hào)順序控制字段用于控制微程序的執(zhí)行順序包括判斷邏輯字段(P)和直接地址字段直接地址字段存放下一條微指令的地址判斷邏輯非零，則按約定好的規(guī)則，根據(jù)狀態(tài)修正直接地址字段，從而得到下一條微指令的地址計(jì)算機(jī)組成原理Slide120微指令格式…操作控制字計(jì)算機(jī)組成原理

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121

微指令基本格式

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

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21

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28

29

30

LDLA

LDR1

＋

LDPC

BUS

↑

IR(A)

WE￠

P2

下

址

L

↑

R0

LDLB

LDR0

PC＋1

LDIR

RD￠

LDAR

LDDR

P1

控制字段

順序控制

L

↑

R1

L

↑

R2

bus

↑

L

L

↑

bus

bus

↑

BUS

BUS

↑

bus

BUS

↑

ALU

BUS

↑

PC

BUS

↑

DR

DR(D)

↑

BUS

計(jì)算機(jī)組成原理Slide121微指令基本格式12計(jì)算機(jī)組成原理

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122

控制字段測試字段下址字段

微指令周期執(zhí)行一條微指令和取出下一條微指令所用的時(shí)間，稱為微周期。計(jì)算機(jī)組成原理Slide122控制字段測試字段下址字計(jì)算機(jī)組成原理

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123

取第i條(a)串行執(zhí)行方式第i微指令周期執(zhí)行第i條取第i+1條執(zhí)行第i+1條第i+1微指令周期取第i條(b)并行執(zhí)行方式第i微指令周期執(zhí)行第i條取第i+2條執(zhí)行第i+2條第i+1微指令周期取第i+1條執(zhí)行第i+1條第i+2微指令周期第i+3微指令周期計(jì)算機(jī)組成原理Slide123取第i條(a)串行執(zhí)計(jì)算機(jī)組成原理

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124

微程序控制器組成原理框圖控制存儲(chǔ)器地址譯碼微地址寄存器OP地址轉(zhuǎn)移邏輯P字段控制字段微命令信號(hào)微命令寄存器指令寄存器IR狀態(tài)條件AR

IR

計(jì)算機(jī)組成原理Slide124微程序控制器組成原理框計(jì)算機(jī)組成原理

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125

微程序控制器的框圖說明…控制儲(chǔ)存器CM

存放實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令系統(tǒng)功能的微程序，由高速ROM構(gòu)成。*①CM的字長就是微指令字長；②CM是控制器的一部分,位于CPU中；③高速可靠,讀出周期短。微指令寄存器MIR

寄存現(xiàn)行微指令。地址轉(zhuǎn)移邏輯按要求修改形成下一條微指令的地址。微地址寄存器μAR

寄存訪問CM的微指令地址。計(jì)算機(jī)組成原理Slide125微程序控制器的框圖說明計(jì)算機(jī)組成原理

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126

取指令微程序取指令取指令的微指令(簡稱取指微指令)地址送μAR，并自動(dòng)啟動(dòng)控制存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作，將讀出的微指令送IR，執(zhí)行微指令,讀取指令到IR計(jì)算機(jī)組成原理Slide126取指令微程序取指令計(jì)算機(jī)組成原理

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127

執(zhí)行指令微程序執(zhí)行指令：根據(jù)IR中指令的功能，產(chǎn)生該指令微程序入口地址，微程序入口地址送入AR，讀CS，讀出的微指令送IR、(下址字段送AR)，控制字段的微命令控制完成一組微操作同時(shí)由微地址產(chǎn)生邏輯或微指令下址字段形成下條微指令地址，按取微指令，執(zhí)行微指令過程重復(fù)執(zhí)行完微程序?qū)崿F(xiàn)指令的功能計(jì)算機(jī)組成原理Slide127執(zhí)行指令微程序執(zhí)行指令計(jì)算機(jī)組成原理

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128

執(zhí)行指令微程序…采用微程序控制的計(jì)算機(jī)的工作過程是執(zhí)行微指令序列的過程。微指令控制了取指令操作，多條微指令實(shí)現(xiàn)了指令的功能。而微指令中的微命令使執(zhí)行部件完成微操作，計(jì)算機(jī)的工作過程是執(zhí)行程序的過程，微觀看，是執(zhí)行指令的過程，再微觀一點(diǎn)看，是執(zhí)行部件進(jìn)行微操作的過程計(jì)算機(jī)組成原理Slide128執(zhí)行指令微程序…采用微計(jì)算機(jī)組成原理

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129

微程序存放示意圖下址字段地址……1000XXXX0111XXXX0110XXXX0101XXXX0100XXXX0011XXXX0010XXXX0001XXXX0000操作控制字段…HALT64STA(R1)，R063JO7562ADDR0，(81)61LADR0，(80)60控制存儲(chǔ)器CS取指微指令加法微程序取數(shù)微程序存數(shù)微程序轉(zhuǎn)移微程序0000000001100000000000110010主存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)組成原理Slide129微程序存放示意圖下址字計(jì)算機(jī)組成原理

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130

十進(jìn)制加法（例）BCD碼完成十進(jìn)制加法作加法時(shí)必須校驗(yàn):兩數(shù)之和大于9，需加6調(diào)整；8+6＝148+2＝10兩數(shù)之和小于9，結(jié)果正確；3+6＝95+2＝78+6+6=20高位進(jìn)位8+2+6＝16>15高位進(jìn)位3+6+6＝15<＝15不產(chǎn)生進(jìn)位5+2+6＝13<＝15不產(chǎn)生進(jìn)位計(jì)算機(jī)組成原理Slide130十進(jìn)制加法（例）BCDPC→AR→RAM→DBUS→DR→IRPC+1P1R1+R2→R2R2+R3→R2R2-R3→R2P2Cy=1Cy=0R3=6PC→AR→RAMP1R1+R2→R2R2+R3→R2R2-計(jì)算機(jī)組成原理

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132

第一條微指令PC→AR→ABUS→DBUS→DR→IRPC+1LDARRDLDDRLDIRPC+1000000000000111111234567891011121314151617101819000020212223RDLDDRLDIRLDARPC+1P1直接地址計(jì)算機(jī)組成原理Slide132第一條微指令PC→AR計(jì)算機(jī)組成原理

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133

第二條微指令R1→XR2→YX+YX+Y→R2R1→XR2→Y+LDR2010100100100000001234567891011121314151617001819100120212223LDR2R1→X+直接地址R2→Y計(jì)算機(jī)組成原理Slide133第二條微指令R1→X計(jì)算機(jī)組成原理

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134

010001001100000001234567891011121314151617011819000020212223LDR2R2→XR3→Y+P2直接地址R2→XR3→YX+YX+Y→R2R2→XR3→Y+LDR2第三條微指令計(jì)算機(jī)組成原理Slide13401000100110計(jì)算機(jī)組成原理

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135

010001001001000001234567891011121314151617001819000020212223LDR2R2→XR3→Y-P1P2直接地址R2→XR3→YX-YX-Y→R2R2→XR3→Y-LDR2第四條微指令計(jì)算機(jī)組成原理Slide13501000100100計(jì)算機(jī)組成原理

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136

機(jī)器指令與微指令的關(guān)系機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序由若干微指令組成，一個(gè)微指令又包含多個(gè)微操作機(jī)器指令與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，微指令與控制存儲(chǔ)器有關(guān)每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令計(jì)算機(jī)組成原理Slide136機(jī)器指令與微指令的關(guān)系計(jì)算機(jī)組成原理

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137

微指令設(shè)計(jì)有利于縮短微指令字長度有利于減少控制存儲(chǔ)器容量有利于提高微程序執(zhí)行速度有利于對(duì)微指令進(jìn)行修改有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性計(jì)算機(jī)組成原理Slide137微指令設(shè)計(jì)有利于縮短微計(jì)算機(jī)組成原理

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138

微命令編碼直接表示法編碼表示法混合表示法計(jì)算機(jī)組成原理Slide138微命令編碼直接表示法計(jì)算機(jī)組成原理

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直接表示方法微指令中每一位代表一個(gè)微命令簡單直觀，便于輸出控制，字長太長，控制存儲(chǔ)器容量大.1234567891011121314151617181920212223操作控制順序控制LDR1LDR2LDR3R1→XR3→YR2→XR2→YDR→XR1→Y+M-RDLDDRLDIRLDARPC+1P1P2直接地址計(jì)算機(jī)組成原理Slide139直接表示方法微指令中每計(jì)算機(jī)組成原理

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140

編碼表示方法字段直接譯碼法字長短，控制存儲(chǔ)器容量小，增加了譯碼電路注意譯碼時(shí)，需要多保留一個(gè)狀態(tài).1234567891011121314151617181920212223操作控制順序控制直接地址譯碼.譯碼.譯碼.微命令P1P2Pn計(jì)算機(jī)組成原理Slide140編碼表示方法字段直接譯計(jì)算機(jī)組成原理

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141

微地址形成方法計(jì)數(shù)器法PC下地址字段法計(jì)算機(jī)組成原理Slide141微地址形成方法計(jì)數(shù)器法計(jì)算機(jī)組成原理

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142

微指令格式水平型微指令（一次能并行多個(gè)微操作的指令）控制字段判別測試字段下地址字段000原寄存器目的寄存器其他001左輸入源編址右輸入源編址ALU010寄存器編址存儲(chǔ)器編址讀寫其他011測試條件垂直型微指令寄存器數(shù)據(jù)傳送型運(yùn)算控制型訪問主存型條件轉(zhuǎn)移型計(jì)算機(jī)組成原理Slide142微指令格式水平型微指令計(jì)算機(jī)組成原理

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143

水平型與垂直型微指令比較水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短由水平型微指令指令的微程序，微指令字較長，微程序短，垂直型號(hào)字長短，微