CU模型的組成及其數(shù)據(jù)通路

第3章CPU原理CPU的主要功能是執(zhí)行存放在主存儲(chǔ)器中的程序即機(jī)器指令。CPU是由控制器和運(yùn)算器。學(xué)習(xí)目標(biāo)：理解全加器的邏輯式和結(jié)構(gòu)，并行加法器及所采用的進(jìn)位鏈、多功能算術(shù)邏輯運(yùn)算部件SN74181的功能。掌握初碼定點(diǎn)加減運(yùn)算、移位操作，理解浮點(diǎn)加減運(yùn)算、十進(jìn)制加法運(yùn)算，掌握無符號(hào)整數(shù)一位乘法并了解其邏輯實(shí)現(xiàn)，掌握無符號(hào)整數(shù)一位除法，了解浮點(diǎn)乘除運(yùn)算。學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握模型機(jī)的基本組成、數(shù)據(jù)通路及數(shù)據(jù)傳送，掌握微命令的基本形式。理解控制器的功能，掌握指令流程及組合邏輯控制器的工作原理。掌握微型程序控制的概念，了解微指令的編碼方式和順序控制方式，了解微指令的格式?！?.1

算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALUALU是一種功能較強(qiáng)的組合邏輯電路，有時(shí)被稱為多功能函數(shù)發(fā)生器。ALU的核心是加法器。ALU主要完成對(duì)二進(jìn)制代碼的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?！?.1.1加法單元全加器與半加器：

AnAn-1…Ai…A2A1A0BnBn-1…Bi…B2B1B0

+CnCn-1…Ci…C2C1C0全加器為考慮三個(gè)輸入的加法單元，半加器為考慮兩個(gè)輸入的加法單元。

全加和Σi+向高位的進(jìn)位Ci低位送進(jìn)來的進(jìn)位Ci輸入量輸出量用半加器構(gòu)成全加器（1）半加求和可用異或門實(shí)現(xiàn)：半加和=AiOBi（半加器的邏輯式）半加器又稱為異或門（2）全加器=兩個(gè)半加，其邏輯式：

Σi=AiOBiOCiCi+1=AiBi+(AiOBi)Ci

因邏輯門電路均存在延遲時(shí)間，全加器電路是一個(gè)延遲部件，其特性將影響全加器的速度。+++++§3.1.2并行加法器與進(jìn)位鏈結(jié)構(gòu)并行加法器：是用n位全加器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)n位操作數(shù)各位同時(shí)相加，其中的全加器的位數(shù)與操作數(shù)的位數(shù)相同。并行加法器的最長時(shí)間是由進(jìn)位信號(hào)的傳遞時(shí)間決定的，而每位全加器本身的求和延遲是次要的因素。所以，加快進(jìn)位的產(chǎn)生和傳遞是提高其速度的關(guān)鍵。進(jìn)位鏈：并行加器中傳遞進(jìn)位信號(hào)的邏輯線路，稱為~1.基本進(jìn)位公式：Ci+1=AiBi+(AiOBi)Ci2.并行加法器的串行進(jìn)位：（1）串行進(jìn)位的并行加法器是將n個(gè)全加器串接起來，就可進(jìn)行兩個(gè)n個(gè)位數(shù)相加。（2）串行進(jìn)位方式：是指相加的進(jìn)位逐級(jí)形成的，每一級(jí)的進(jìn)位直接依賴于前一級(jí)的進(jìn)位。稱為~（行波進(jìn)位）+Gi為進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)Pi為進(jìn)位傳遞函數(shù)（3）串行進(jìn)位的延遲時(shí)間較長。（4）串行進(jìn)位的邏輯表達(dá)式：見教材P61。3.并行進(jìn)位（先行進(jìn)位，同時(shí)進(jìn)位）（1）定義：同時(shí)形成各級(jí)進(jìn)位信號(hào)的方法，稱為~。（2）采用并行進(jìn)位的加法器的運(yùn)算速度較快，但是以增加硬件邏輯線路為代價(jià)的?！?.1.3ALU舉例1.SN74181外特性2.SN74181內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.SN74181功能表4.用SN74181構(gòu)成多位的ALU§3.2運(yùn)算方法定點(diǎn)加減運(yùn)運(yùn)算1.原碼加減運(yùn)運(yùn)算：原碼的加減減法較復(fù)雜雜，很少使使用，其原原因：（1）原碼的加加減運(yùn)算，，因計(jì)算機(jī)機(jī)的實(shí)際操操作取決于于指令中的的操作碼和和兩個(gè)操作作數(shù)的符號(hào)號(hào)；（2）運(yùn)算結(jié)果果的符號(hào)判判斷也較復(fù)復(fù)雜。2.補(bǔ)碼加減運(yùn)運(yùn)算：（1）補(bǔ)碼加法法運(yùn)算：[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=[X+Y]補(bǔ)兩個(gè)相加的的數(shù)無論正正負(fù)，只要要是以補(bǔ)碼碼的形式表表示的，則則可按二進(jìn)進(jìn)制規(guī)則相相加。（2）補(bǔ)碼的減減法運(yùn)算：：[X-Y]補(bǔ)=[X+（-Y）]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)符號(hào)位作為為數(shù)的一部部分直接參參與運(yùn)算。。為[Y]補(bǔ)的機(jī)器負(fù)數(shù)數(shù)由[Y]補(bǔ)求[-Y]補(bǔ)（機(jī)器負(fù)數(shù)數(shù)）的方法法定點(diǎn)小數(shù)：：[-Y]補(bǔ)=[Y]補(bǔ)+2-n例：[Y]補(bǔ)=0.01011[-Y]補(bǔ)=1.10100+0.00001=1.10101定點(diǎn)整數(shù)：：[-Y]補(bǔ)=[Y]補(bǔ)+1例：[Y]補(bǔ)=1001011[-Y]補(bǔ)=0110100+1=0110101(3)補(bǔ)碼的運(yùn)算算規(guī)則：參加運(yùn)算的的操作數(shù)和和運(yùn)算結(jié)果果均用補(bǔ)碼碼表示；符號(hào)位作為為數(shù)的一部部分直接參參與運(yùn)算；；若指令操作作碼為加，，則兩個(gè)數(shù)數(shù)按二進(jìn)制制規(guī)則相加加；若指令操作作碼為減，，則被減數(shù)數(shù)+減數(shù)的機(jī)器器負(fù)數(shù)。機(jī)器負(fù)數(shù)的的求法見上上張幻燈片片。3.溢出判別溢出：指計(jì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)運(yùn)算結(jié)果超超出其所能能表示的范范圍，而發(fā)發(fā)生錯(cuò)誤。。溢出的分類類：正溢出：運(yùn)算結(jié)果為為正且大于于所能表示示的最大正正數(shù)。負(fù)溢出：運(yùn)算結(jié)果為為負(fù)且大于于所能表示示的最小正正數(shù)（絕對(duì)對(duì)值最大的的負(fù)數(shù)）。。溢出判斷的的方法：（1）采用一個(gè)個(gè)符號(hào)位判判斷：即：當(dāng)兩個(gè)個(gè)同號(hào)數(shù)相相加，若所所得結(jié)果與與兩數(shù)符號(hào)號(hào)不同，則則表示溢出出。（2）采用最高高有效位的的進(jìn)位判斷斷：即：兩正數(shù)數(shù)相加，最最高有效位位有進(jìn)位，，符號(hào)位無無進(jìn)位，表表明運(yùn)算結(jié)結(jié)果溢出；；兩負(fù)數(shù)相加加，最高有有效位無進(jìn)進(jìn)位，符號(hào)號(hào)位有進(jìn)位位，表明運(yùn)運(yùn)算結(jié)果溢溢出；以下各判斷斷邏輯式見見教材P66-67）（3）采用變形形補(bǔ)碼將符號(hào)位擴(kuò)擴(kuò)充為兩位位，稱為變變形碼。采用變形祉祉碼表示的的運(yùn)算結(jié)果果，可根據(jù)據(jù)兩個(gè)符號(hào)號(hào)位是否一一致來判斷斷是否溢出出。雙符號(hào)位的的含義：00——結(jié)果為正，，無溢出；；01——結(jié)果為正溢溢出；10——結(jié)果為負(fù)溢溢出；11——結(jié)果為負(fù)，，無溢出。。CPU內(nèi)設(shè)的一個(gè)個(gè)狀態(tài)寄存存器，其中中的溢出位位V是用來記錄錄溢出是否否發(fā)生。移位移位操作的的分類：按性質(zhì)分：：邏輯~、循環(huán)~、算術(shù)~按被移位數(shù)數(shù)據(jù)長度分分：字節(jié)、、半字節(jié)、、多倍字節(jié)節(jié)按每次移位位的位數(shù)分分：移1位、移n位（n≤被移位數(shù)據(jù)據(jù)長度）1.邏輯移位：：定義：將一組組無數(shù)值意義義的二進(jìn)制代代碼進(jìn)行移位位。移位規(guī)則：左左移時(shí)低位補(bǔ)補(bǔ)0,右補(bǔ)移時(shí)高位位補(bǔ)0。2.循環(huán)移位：定義：在閉合合移位環(huán)路中中，在被子移移位數(shù)據(jù)的最最高位與最低低位之間有移移位通路。移位規(guī)則：循環(huán)左移時(shí)最最高位移到最最低位，其余余各位依次左左移；循環(huán)右移時(shí)最最低位移到最最高位，其余余各位依次右右移；3.算術(shù)移位：定義：帶符號(hào)號(hào)數(shù)的移位，，移位后數(shù)的的符號(hào)不變而而數(shù)值變化。。移位規(guī)則：（1）原碼移位規(guī)規(guī)則（2）補(bǔ)碼右移規(guī)規(guī)則見見教教材P68頁（3）補(bǔ)碼左移規(guī)規(guī)則浮點(diǎn)加減運(yùn)算算運(yùn)算規(guī)則及硬硬件實(shí)現(xiàn)（1）對(duì)階操作（2）實(shí)現(xiàn)尾數(shù)的的加（減）運(yùn)運(yùn)算（3）結(jié)果規(guī)格化化和判斷溢出出左規(guī)右規(guī)（4）余入操作十進(jìn)制加減運(yùn)運(yùn)算1.進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.直接進(jìn)行十進(jìn)進(jìn)制運(yùn)算：采用BCD碼表示，運(yùn)算算由BCD碼運(yùn)算指令完完成。兩種方法：見見教材P71頁。3.BCD碼的加法運(yùn)算算“加六校正””定點(diǎn)乘除運(yùn)算算乘除法運(yùn)算是是計(jì)算機(jī)的基基本運(yùn)算之一一。因乘除法法運(yùn)算需要要更多的硬件件支持，并不不是所有的計(jì)計(jì)算機(jī)都配置置這種硬件，，但是所有的的計(jì)算機(jī)都能能做乘除法運(yùn)運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)運(yùn)算大致有三三種方案。本節(jié)只討論無無符號(hào)整數(shù)一一位乘法和除除法。實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)運(yùn)算大致有三三種方案：（1）采用軟件實(shí)實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)運(yùn)算。即用原有的運(yùn)運(yùn)算器設(shè)備，，運(yùn)用基本運(yùn)運(yùn)算指令編制制實(shí)現(xiàn)乘除法法運(yùn)算的子程程序。這種方方法適用于小小型機(jī)、微型型機(jī)。（2）在原有運(yùn)算算器基礎(chǔ)上增增加一些硬件件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)乘、除法操操作。（3）設(shè)置專用的的乘除法器。。使設(shè)備處理理設(shè)備專用化化，目的是加加快運(yùn)算速度度。一般適用用于大、中型型計(jì)算機(jī)。1.無符號(hào)整數(shù)一一位乘法1101被乘數(shù)B×1011乘數(shù)C110111010000+110110001111乘積1101×101100001101B共4次右移0001101B共3次右移00000B共2次右移+01101B共1次右移10001111乘積實(shí)現(xiàn)無符號(hào)整整數(shù)一位乘法法規(guī)則：將n位乘轉(zhuǎn)換為n次“累加與移移位”，即每每一步只求一一位乘數(shù)所對(duì)對(duì)應(yīng)的新部分分積，并與原原部分積作一一次累加，然然后右移一位位。流程圖：見教教材P73頁，圖3-8B—存放被乘數(shù)、、C—存放乘數(shù)、A—初值為0，存放部分積積，最后存放放乘積高位。。用A和C寄存器聯(lián)合右移以存放逐次增增加的部分積積，并且使每每次操作依據(jù)據(jù)的乘數(shù)位始始終在C的最低位。乘乘法完成時(shí)，，A、C存放的是最后后乘積，其中中C的內(nèi)容是乘積積的低位部分分。硬件邏輯原理理圖：圖3-9例：P73，圖3-8（無符號(hào)整數(shù)數(shù)一位乘算法法流程框圖））n位被除數(shù)—Bn位乘數(shù)—C，0—AC0=1？結(jié)束束開始始A，C右移一位A+0—AA+B—AC0=1？NYNY例3-11：1101×1011的運(yùn)算過程：：B1101（被乘數(shù)）Ca0A0000C1011（乘數(shù)）00000C0=1+B1101101101101001101101C0=1+B110110011010011110C0=0+0000001001001001111C0=1+B110110001010001111初始狀態(tài)第一節(jié)拍第二節(jié)拍第三節(jié)拍第四節(jié)拍乘積2.無符號(hào)整數(shù)一一位除法由手算法可知知：決定商是是“1”還是“0”，根據(jù)部分被被除數(shù)或余數(shù)數(shù)減去除數(shù)是是否夠減。計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)除法運(yùn)算，，就是要解決決如何判斷夠夠減與否的問問題。方法如如下：用邏輯線路進(jìn)進(jìn)行比較判別別恢復(fù)余數(shù)法——（改進(jìn)）不恢恢復(fù)余數(shù)法或或加減交替法法。（見教材材P75頁）恢復(fù)余數(shù)法：：將被除數(shù)或余余數(shù)減去除數(shù)數(shù)，若所得余余數(shù)符號(hào)位為為0（即正）表明明夠減，上商商1；若余數(shù)符號(hào)號(hào)位為1（即負(fù)）表明明不夠減，上上商0加上除數(shù)（即即恢復(fù)余數(shù)法法）即：先做減法法，若余數(shù)為為正，上商1；若余數(shù)為負(fù)負(fù)，上商0，必須恢復(fù)原原來的余數(shù)（（加上除數(shù)））。不恢復(fù)余數(shù)法法（加減交替替法）：此法的特點(diǎn)是是在運(yùn)算過程程中如出現(xiàn)不不夠減，則不不必恢復(fù)余數(shù)數(shù)，可根據(jù)符符號(hào)，繼續(xù)向向下運(yùn)算。這這樣運(yùn)算時(shí)步步數(shù)固定，控控制簡單。規(guī)則：當(dāng)余數(shù)為正時(shí)時(shí)，商為1，余數(shù)左移一一位，減除數(shù)數(shù)；當(dāng)余數(shù)為負(fù)時(shí)時(shí)，商為0，余數(shù)左移一一位，加除數(shù)數(shù)無符號(hào)整數(shù)不不恢復(fù)余數(shù)除除法流程圖：：見教材P75頁，圖3-11運(yùn)算初始時(shí)，，除數(shù)—B，被除數(shù)—A和C（其中A—高位、C—低位）除法完成后商商放在C寄存器中，余余數(shù)放在A寄存器中。A寄存的最高位位作為運(yùn)算中中的符號(hào)位，，用于指示余余數(shù)的正負(fù)。。注意：例3-12中第一步A-B=[A]原-[B]原=[A]初-[B]初=[A]初+[-B]初B的機(jī)器負(fù)數(shù)：：[-B]初=[B]初+1B求反浮點(diǎn)乘除運(yùn)算算1.浮點(diǎn)乘法運(yùn)算算階碼相加并判判斷溢出尾數(shù)相乘規(guī)格化處理2.浮點(diǎn)除法運(yùn)算算預(yù)置尾數(shù)調(diào)整求階差尾數(shù)相除§3.3CPU模型的組成及及其數(shù)據(jù)通路路CPU的組成：控制器：完成成取指令、分分析指令、執(zhí)執(zhí)行指令的操操作。運(yùn)算部件：實(shí)實(shí)現(xiàn)指令所指指定的各種算算術(shù)邏輯運(yùn)算算操作。各種寄存器：：用于存放指指令、指令地地址、操作數(shù)數(shù)及運(yùn)算結(jié)果果。CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路路：用以連接接CPU內(nèi)部各部件，，為信息提供供通路。DALUZBACR0R1R2R3MARMDRIRPCPSWSP地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線主存MI/O接口I/O設(shè)備EMAREMDRSMDRALU總線RDWR基本組成1.寄存器：存放控制信息息的寄存器，，如指令寄存存器、程序計(jì)計(jì)數(shù)器和程序序狀態(tài)字寄存存器。存放所處理的的數(shù)據(jù)的寄存存器，如通用用寄存器和暫暫存器。寄存器的種類類：（1）通用寄存器器：4個(gè)：R0、R1、R2、R3一組可編程訪訪問、具有多多種功能的寄寄存器。指令系統(tǒng)為其其分配編號(hào)，，即寄存器地地址。其本身在邏輯輯上只有接收收信息、存儲(chǔ)儲(chǔ)信息和發(fā)送送信息的功能能，但通過編編程與運(yùn)算部部件的配合可可實(shí)現(xiàn)多種功功能。（2）暫存器：3個(gè)：C、D、ZC用來暫存從主主存儲(chǔ)器讀出出的數(shù)據(jù)D設(shè)置在ALU的輸入端，用用來存放一個(gè)個(gè)操作數(shù)，還還可暫存從主主存儲(chǔ)器讀出出的數(shù)據(jù)，并并設(shè)有左移和和右移的功能能。Z設(shè)置在ALU的輸出端，用用來存放運(yùn)算算結(jié)果。指令系統(tǒng)中沒沒有為其分配配編號(hào)，故不不能編址訪問問。（3）指令寄存器器IR：指令寄存器IR——用來存放當(dāng)前前正在執(zhí)行的的一條指令。。IR的輸出是控制制器產(chǎn)生控制制信號(hào)的主要要邏輯依據(jù)。。（4）程序計(jì)數(shù)器器PC：程序計(jì)數(shù)器又又稱為指令計(jì)計(jì)數(shù)器或指令令指針I(yè)P。作用是提供指指令的地址。。具有加1計(jì)數(shù)功能，并并可編程訪問問。（5）程序狀態(tài)字字寄存器PS：程序狀態(tài)字寄寄存器又稱為為標(biāo)志寄存器器。作用：用來存存放現(xiàn)行程序序的運(yùn)行狀態(tài)態(tài)和工作方式式，其內(nèi)容稱稱為程序狀態(tài)態(tài)字PSW。PSW是參與控制程程序執(zhí)行的重重要依據(jù)。（6）堆棧指針SP：SP用來指示堆棧棧棧頂?shù)奈恢弥?，其?nèi)容是是棧頂單元的的地址。SP也是可編程訪訪問的寄存。。（7）與主存接口口的寄存器MAR、MDR：地址寄存器MAR用來存放CPU訪問主存或I/O接口的地址。。MAR連接地址總線線的輸出門是是三態(tài)門。數(shù)據(jù)寄存MDR用來存放CPU與主存或I/O接口之間傳送送的數(shù)據(jù)。CPU對(duì)主存的控制制信號(hào)有兩個(gè)個(gè)：讀信號(hào)RD—控制對(duì)主存的的讀操作寫信號(hào)WR—控制對(duì)主存的的寫操作2.運(yùn)算部件：控制ALU運(yùn)算的控制信信號(hào)有：ADDSUBANDORXOR加+減--與或異COMNEGA+1A--1B±1求負(fù)求反A加1A減1B加（減）13.總線與數(shù)據(jù)通通路結(jié)構(gòu)：（1）ALU總線CPU內(nèi)部采用單總總線結(jié)構(gòu)，即即設(shè)置一組由由16根雙向數(shù)據(jù)傳傳送組成的ALU總線（CPU內(nèi)總線），ALU和所有的寄存存器通過這組組公共總線連連接起來。在單總線結(jié)構(gòu)構(gòu)中，CPU的任何兩個(gè)部部件間的數(shù)據(jù)據(jù)傳送都必須須通過這組總總線，控制較較簡單，但傳傳送速度受到到限制。（2）系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線：：16根地地址址總總線線、、16根數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線，，以以及及控控制制總總線線。。CPU主存存接口口接口口I/O設(shè)備備I/O設(shè)備備常見見計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)硬硬件件系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)總線線地址址總總線線數(shù)據(jù)據(jù)總總線線控制制總總線線CPU通過過MAR向地地址址總總線線提提供供訪訪問問主主存存單單元元或或I/O接口口的的地地址址CPU通過過MDR向數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線發(fā)發(fā)送送或或接接收收數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，以以完完成成與與主主存存單單元元或或I/O接口口之之間間的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳送送。。CPU通過過控控制制總總線線向向主主存存或或I/O設(shè)備備發(fā)發(fā)出出（（或或接接收收））有有關(guān)關(guān)控控制制信信號(hào)號(hào)。。4.控制制器器及及微微命命令令的的基基本本形形式式：：（1）微微命命令令的的基基本本形形式式微操操作作命命令令：：是是最最基基本本的的控控制制信信號(hào)號(hào)，，是是指指直直接接作作用用于于部部件件或或控控制制門門電電路路的的控控制制信信號(hào)號(hào)，，簡簡稱稱微微命命令令。。微命命令令的的兩兩種種形形式式：：①電電位位型型微微命命令令：：見見教教材材P81頁②脈脈沖沖型型微微命命令令：：各各寄寄存存器器均均采采用用同同步步打打入入脈脈沖沖將將ALU總線線上上的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)打打入入其其中中。。其種種類類有有：：CPR0，CPR1，CPPC，CPIR，CPSP，CPMAR，CPMDR等…..…………………………（2）控制器器控制器：：基本功功能就是是執(zhí)行指指令，即即根據(jù)指指令產(chǎn)生生控制信信號(hào)序列列以命令令相應(yīng)部部件分步步完成指指定的操操作。傳統(tǒng)控制制器的主主要部件件包括：：指令寄寄存器IR、指令譯譯碼器、、程序計(jì)計(jì)數(shù)器PC、狀態(tài)字字寄存器器PSW、時(shí)序系系統(tǒng)和微微操作信信號(hào)發(fā)生生器。計(jì)算機(jī)的的組成框框圖：輸入設(shè)備備運(yùn)算器輸出設(shè)備備控制器存貯器控制信號(hào)號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)號(hào)數(shù)據(jù)程序結(jié)果輸入命令令操作命令令存取數(shù)據(jù)據(jù)輸出命令令存取命令令指令令CPU計(jì)算機(jī)的的基本工工作原理理——馮諾依曼曼原理數(shù)據(jù)傳送送1.寄存器之之間的數(shù)數(shù)據(jù)傳送送：直接接通過ALU總線傳送送數(shù)據(jù)，，具體傳傳送由輸輸出門和和打入脈脈沖控制制。2.主存數(shù)據(jù)據(jù)傳送到到CPU：通過系系統(tǒng)總線線傳送數(shù)數(shù)據(jù)。3.CPU數(shù)據(jù)傳送送到主存存4.執(zhí)行算術(shù)術(shù)或邏輯輯操作見教材P82頁2.主存數(shù)據(jù)據(jù)傳送到到CPU例如從存存儲(chǔ)器中中取指令令到指令令寄存器器IR（1）PCMAR；（2）MMDRIR；3.CPU數(shù)據(jù)傳送送到主存存例如要寫寫入主存存的數(shù)據(jù)據(jù)在R2中，存儲(chǔ)儲(chǔ)單元地地址R1中，則寫寫一個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)到存存儲(chǔ)器可可通過以以下操作作序列實(shí)實(shí)現(xiàn)：（1）R1MAR（2）R2MDR（3）MDRM4.執(zhí)行算術(shù)術(shù)或邏輯輯操作例如要執(zhí)執(zhí)行“把把寄存器器R1和R2的內(nèi)容相相加，結(jié)結(jié)果送到到R3”（1）R1D（2）D+R2Z（3）ZR3§3.4時(shí)序控制制方式計(jì)算機(jī)中中的一條條指令的的執(zhí)行過過程需要要分成讀讀取指令令、讀取取操作數(shù)數(shù)、運(yùn)算算、存放放結(jié)果等等步驟。。每一步步操作則則是由控控制器產(chǎn)產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)的一些些控制信信號(hào)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的，每每條指令令都可分分解為一一個(gè)控制制信號(hào)序序列。指令的執(zhí)執(zhí)行過程程就是依次次執(zhí)行一一個(gè)確定定的控制制信號(hào)序序列的過過程。時(shí)序控制制方式就是指微微操作與與時(shí)序信信號(hào)之間間采取保保種關(guān)系系，它不不僅直接接決定時(shí)時(shí)序信號(hào)號(hào)的產(chǎn)生生，也影影響到控控制器及及其它部部件的組組成，以以及指令令的執(zhí)行行速度。。指令執(zhí)行行過程1.指令的分分段執(zhí)行行過程（1）取指令令（2）分析指指令（3）執(zhí)行指指令取操作數(shù)數(shù)執(zhí)行操作作形成下條條指令地地址2.指令之間間的銜接接方式：：名稱定義特點(diǎn)串行的順序安排方式是指在一條指令執(zhí)行完畢后才開始取下條指令這種方式控制簡單，但在時(shí)間上不能充分利用部件。并行的重疊處理方式是在對(duì)現(xiàn)行指令系統(tǒng)運(yùn)算操作時(shí)提前從主存取出下條指令，而不必等當(dāng)前指令全部執(zhí)行完。能有效提高設(shè)備利用率和運(yùn)算速度，但若程序需要轉(zhuǎn)移，預(yù)取下條指令失敗。時(shí)序控制制方式時(shí)序控制制方式就是指微微操作與與時(shí)序信信號(hào)之間間采取保保種關(guān)系系，它不不僅直接接決定時(shí)時(shí)序信號(hào)號(hào)的產(chǎn)生生，也影影響到控控制器及及其它部部件的組組成，以以及指令令的執(zhí)行行速度。。本節(jié)節(jié)介介紹紹:同步步控控制制方方式式同步步控控制制方方式式的的多多級(jí)級(jí)時(shí)時(shí)序序系系統(tǒng)統(tǒng)1.同步步控控制制方方式式：：定義義：：指指各各項(xiàng)項(xiàng)操操作作由由統(tǒng)統(tǒng)一一的的時(shí)時(shí)序序信信號(hào)號(hào)進(jìn)進(jìn)行行同同步步控控制制，，這這就就意意味味著著各各個(gè)個(gè)微微操操作作必必須須在在規(guī)規(guī)定定時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi)完完成成，，到到達(dá)達(dá)規(guī)規(guī)定定時(shí)時(shí)間間就就自自動(dòng)動(dòng)執(zhí)執(zhí)行行后后繼繼的的微微操操作作。?；颈咎靥卣髡鳎海菏鞘菍⒉俨僮髯鲿r(shí)時(shí)間間分分為為若若干干長長度度相相同同的的時(shí)時(shí)鐘鐘周周期期（（也也稱稱節(jié)節(jié)拍拍）），，要要求求在在一一個(gè)個(gè)或或幾幾個(gè)個(gè)時(shí)時(shí)鐘鐘周周期期內(nèi)內(nèi)完完成成各各個(gè)個(gè)微微操操作作。。采用用范范圍圍：：CPU內(nèi)部部、、CPU、主主存存、、各各I/O接口口之之間間.優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：：時(shí)序序關(guān)關(guān)系系簡簡單單、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)上上易易于于集集中中，，相相應(yīng)應(yīng)的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)和和實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)較較方方便便。。缺點(diǎn)點(diǎn)：：對(duì)時(shí)時(shí)間間少少的的微微操操作作，，存存在在時(shí)時(shí)間間上上的的浪浪費(fèi)費(fèi)2.同步步控控制制方方式式的的多多級(jí)級(jí)時(shí)時(shí)序序系系統(tǒng)統(tǒng)：：在CPU中為為實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)同同步步控控制制，，必必須須設(shè)設(shè)置置一一時(shí)時(shí)序序系系統(tǒng)統(tǒng)，，以以產(chǎn)產(chǎn)生生統(tǒng)統(tǒng)一一的的時(shí)時(shí)序序信信號(hào)號(hào)對(duì)對(duì)各各種種操操作作進(jìn)進(jìn)行行定定時(shí)時(shí)控控制制。。（1）多多時(shí)時(shí)序序概概念念：：指在在同同步步控控制制方方式式中中，，通通常常將將時(shí)時(shí)序序信信號(hào)號(hào)劃劃分分幾幾級(jí)級(jí)（（其其中中包包括括指指令令周周期期）），，稱稱為為多多級(jí)級(jí)時(shí)時(shí)序序。。在組組合合邏邏輯輯控控制制器器中中，，是是依依靠靠不不同同的的時(shí)時(shí)間間標(biāo)標(biāo)志志使使CPU分步步執(zhí)執(zhí)行行指指令令，，其其時(shí)時(shí)序序信信號(hào)號(hào)常常劃劃分分為為3級(jí)：：機(jī)機(jī)器器周周期期、、節(jié)節(jié)拍拍、、時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖。。在微微程程序序控控制制器器中中，，一一條條指指令令對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)一一段段微微程程序序（（微微指指令令序序列列）），，其其時(shí)時(shí)序序信信號(hào)號(hào)劃劃分分為為2級(jí)：：節(jié)節(jié)拍拍、、時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖。。CPU每出出并并執(zhí)執(zhí)行行一一條條指指令令,都要要完完成成一一系系列列的的操操作作,這一一系系列列操操作作所所需需要要的的時(shí)時(shí)間間通通常常叫叫做做一一個(gè)個(gè)指指令令周周期期。。簡簡單單地地說說，，指指令令周周期期是是取取出出并并執(zhí)執(zhí)行行一一條條指指令令的的時(shí)時(shí)間間。。開始始取指指令令分析析指指令令執(zhí)行行指指令令取指指令令———執(zhí)行行指指令令序序列列時(shí)序序信信號(hào)號(hào)劃劃分分為為3級(jí)：：機(jī)器器周周期期：：在組組合合邏邏輯輯控控制制器器中中，，通通常常將將指指令令周周期期劃劃分分為為幾幾個(gè)個(gè)不不同同的的階階段段，，每每個(gè)個(gè)階階段段所所需需的的時(shí)時(shí)間間，，稱稱為為機(jī)機(jī)器器周周期期，，又又稱稱為為CPU工作作周周期期或或基基本本周周期期。。節(jié)拍拍（（時(shí)時(shí)鐘鐘周周期期））：：將一一個(gè)個(gè)機(jī)機(jī)器器周周期期劃劃分分若若干干相相等等的的時(shí)時(shí)間間段段，，其其間間僅僅完完成成一一步步基基本本操操作作，，這這個(gè)個(gè)時(shí)時(shí)間間段段用用一一個(gè)個(gè)電電平平信信號(hào)號(hào)寬寬度度對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)，，稱稱為為~。節(jié)拍拍長長度度由由CPU內(nèi)部部的的操操作作的的需需要要在時(shí)時(shí)序序系系統(tǒng)統(tǒng)中中設(shè)設(shè)置置節(jié)節(jié)拍拍發(fā)發(fā)生生器器，，用用以以產(chǎn)產(chǎn)生生節(jié)節(jié)拍拍信信號(hào)號(hào)。。時(shí)鐘鐘脈脈沖沖：：時(shí)時(shí)序序系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基本本定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào)。。（2）多多級(jí)級(jí)時(shí)時(shí)序序信信號(hào)號(hào)之之間間的的關(guān)關(guān)系系：：見教材P86頁，圖3-14三級(jí)時(shí)序信號(hào)號(hào)之間的關(guān)系系。（3）時(shí)序系統(tǒng)的的組成：見教材P87頁，圖3-15時(shí)序系統(tǒng)框圖圖?！?.5指令的執(zhí)行與與組合邏輯控控制器按產(chǎn)生控制信信號(hào)的方式不不同控制器可可分：組合邏邏輯控制器和和微程序控制制器。組合邏輯控制制器：是指產(chǎn)生控制制信號(hào)即微命命令的部件，，是用組合邏邏輯線路來實(shí)實(shí)現(xiàn)。微程序控制器器：即將機(jī)器指令令的操作（從從取指令到執(zhí)執(zhí)行）分解為為若干個(gè)更基基本的微操作作序列，并將將有關(guān)的控制制信息（微命命令）以微碼碼形式編成微微指令，輸入入控制存儲(chǔ)器器中。它是早期設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算機(jī)的一一種方法，這這種方法是是把控制部件件看作為產(chǎn)生生專門固定時(shí)時(shí)序控制信號(hào)號(hào)的邏輯電路路，而邏輯電電路以使用最最少元件和取取得最高操作作速度為設(shè)計(jì)計(jì)目標(biāo)。一旦旦控制部件構(gòu)構(gòu)后，除非重重新設(shè)計(jì)和物物理上對(duì)它重重新接線，否否則要想增加加新的控制功功能是不可能能的。模型機(jī)的指令令系統(tǒng)1.指令格式：（1）雙操作數(shù)指指令（2）單操作數(shù)指指令（3）轉(zhuǎn)移指令可編程寄存器器7個(gè)，編號(hào)如下下：通用寄存器R0~R3000~011堆棧指針SP100程序狀態(tài)字PSW101程序計(jì)數(shù)器PC111（留有一種編編碼未用，可可擴(kuò)展110）2.尋址方式采用定字長指指令格式，指指令字長16位，操作數(shù)字字長16位。（1）立即數(shù)尋址址，操作數(shù)緊緊跟著指令，，即在指令代代碼之中；（2）操作數(shù)在寄寄存器中，即即寄存尋址方方式（3）操作數(shù)在主主存中，相應(yīng)應(yīng)的尋址方式式有：直接尋址方式式，地址緊跟跟指令給出；；寄存器間址方方式，地址在在寄存器中；；自增型寄存器器間址方式；；自減型寄存器器間址方式：：變址方式。教材P89頁介紹了模型型機(jī)尋址方式式簡表（表3-3）3.操作類型：（1）傳送指令MOV——傳送，操作碼碼0000MOV指令可用預(yù)置置寄存器或存存儲(chǔ)單元內(nèi)容容，還可用進(jìn)進(jìn)行I/O操作，不再專專門設(shè)置顯示示I/O指令。（2）雙操作數(shù)算算邏指令：ADD——加，操作碼0001（帶進(jìn)位）SUB——減，操作碼0010（帶進(jìn)位）AND——邏輯與，操作作碼0011OR——邏輯或，操作作碼0100EOQ——異或，操作碼碼0101（3）單操作數(shù)算算邏指令COM——求反，操作碼碼0110NEG——求補(bǔ)，操作碼碼0111INC——加1，操作碼1000DEC——減1，操作碼1001SL——異或，操作碼碼0101SR——右移，操作碼碼1011（4）程序控制類類指令轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100返回指令RST，操作碼1100轉(zhuǎn)子指令JSR，操作碼1101模型機(jī)的時(shí)序序系統(tǒng)時(shí)序信號(hào)劃分分為3級(jí)：工作周期：在在組合邏輯控控制器中，通通常將指令周周期劃分為幾幾個(gè)不同的階階段，每個(gè)階階段所需的時(shí)時(shí)間，稱為機(jī)機(jī)器周期，又又稱為CPU工作周期或基基本周期或機(jī)機(jī)器周期。節(jié)拍（時(shí)鐘周周期）：將一一個(gè)機(jī)器周期期劃分若干相相等的時(shí)間段段，其間僅完完成一步基本本操作，這個(gè)個(gè)時(shí)間段用一一個(gè)電平信號(hào)號(hào)寬度對(duì)應(yīng)，，稱為~。工作脈沖（時(shí)時(shí)鐘脈沖）：：時(shí)序系統(tǒng)的的基本定時(shí)信信號(hào)。1.工作周期劃分分：模型機(jī)設(shè)置了了6種工作周期，，分別利用6個(gè)周期狀態(tài)觸觸發(fā)器來表示示它們的狀態(tài)態(tài)。任一時(shí)刻刻只允許一個(gè)個(gè)觸發(fā)器為1，表明CPU現(xiàn)在所處的工工作周期狀態(tài)態(tài)，為該階段段的工作提供供時(shí)間標(biāo)志與與依據(jù)。6種工作周期：：取指周期FT、源周期ST、目的周期DT、執(zhí)行周期ET、中斷響應(yīng)周期期IT、DMA傳送周期DMAT（1）取指周期FT：完成取指所需需的操作，與與指令操作碼碼無關(guān)的公共共性操作，但但FT結(jié)束后將轉(zhuǎn)向向哪個(gè)工作周周期，與FT中取出的指令令類型有關(guān)。。（2）源周期ST：在ST中將依據(jù)指令令寄存器IR的源地址字段段信息進(jìn)行操操作，形式源源地址，讀取取源操作數(shù)。。（3）目的周期DT：依據(jù)指令寄存存器IR的目的地址字字段信息進(jìn)行行操作。（4）執(zhí)行周期ET：依據(jù)IR中的操作碼執(zhí)執(zhí)行相應(yīng)操作作。（5）中斷響應(yīng)周期期IT：在IT中將直接依靠靠硬件進(jìn)行關(guān)關(guān)中斷、保存存斷點(diǎn)、轉(zhuǎn)服服務(wù)入口等操操作。中斷方式：見見教材P92頁（6）DMA傳送周期DMAT：在DMAT中，CPU交出系統(tǒng)總線線的控制權(quán)，，改由DMA控制器控制系系統(tǒng)總線，實(shí)實(shí)現(xiàn)主存與設(shè)設(shè)之間的數(shù)據(jù)據(jù)直接傳送。。DMA即直接接訪存存方式式，其其基本本思想想是在在主存存儲(chǔ)器器和I/O設(shè)備之之間建建立直直接的的數(shù)據(jù)據(jù)傳送送通路路。DMA請(qǐng)求的的優(yōu)先先級(jí)高高于中中斷請(qǐng)請(qǐng)求。。2.節(jié)拍（（時(shí)鐘鐘周期期）：：節(jié)拍寬寬度為為最長長微操操作所所需的的時(shí)間間，即即訪問問主存存操作作所需需的時(shí)時(shí)間。。在時(shí)序序系統(tǒng)統(tǒng)中設(shè)設(shè)置節(jié)節(jié)拍發(fā)發(fā)生器器，用用以產(chǎn)產(chǎn)生節(jié)節(jié)拍信信號(hào)。。節(jié)拍拍發(fā)生生器由由計(jì)數(shù)數(shù)器T與節(jié)拍拍譯碼碼器組組成。。3.工作脈脈沖：：工作脈脈沖：：時(shí)序序系統(tǒng)統(tǒng)的基基本定定時(shí)信信號(hào)。。模型機(jī)機(jī)在每每個(gè)節(jié)節(jié)拍的的未尾尾發(fā)出出一個(gè)個(gè)工作作脈沖沖P，作為為各種種同步步脈沖沖的來來源。。指令流流程1.取指周周期FT：（1）進(jìn)入入FT的條件件初始化化置入入FT：程序計(jì)計(jì)數(shù)器器PC置0（為開開機(jī)后后的第第一條條指令令地址址）同時(shí)將將取指指周狀狀態(tài)觸觸發(fā)器器FT置1開放時(shí)時(shí)鐘，，開始始執(zhí)行行取指指操作作。程序運(yùn)運(yùn)行過過程中中，同同步打打入FT進(jìn)入FT，D置1產(chǎn)生同同步脈脈沖CPFT將1打入FT結(jié)束FT，D置0產(chǎn)生同同步脈脈沖CPFT將0打入FTS總清QCDFTFT1--FTRCPFT圖3—19取指周周期狀狀態(tài)觸觸發(fā)器器有3種情況況可采采用同同步方方式進(jìn)進(jìn)入新新的取取指周周期：：當(dāng)一條條指令令系統(tǒng)統(tǒng)完畢畢，即即在執(zhí)執(zhí)行周周期FT中，如如果不不響應(yīng)應(yīng)DMA請(qǐng)求與與中斷斷請(qǐng)求求，程程序正正常執(zhí)執(zhí)行，，接著著就轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入新新的FT，開始始執(zhí)行行下一一條指指令。。在中斷斷周期期IT這一過過渡階階段操操作結(jié)結(jié)束后后，就就應(yīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入中中斷服服務(wù)程程序，，即進(jìn)進(jìn)入FT。在DMA周期完完成一一次DMA傳送后后，如如果沒沒有新新的DMA請(qǐng)求，，也沒沒有中中斷請(qǐng)請(qǐng)求，，則恢恢復(fù)執(zhí)執(zhí)行被被暫停停的程程序，，也應(yīng)應(yīng)進(jìn)入入FT。（2）取指指流程程：（取指指流程程圖））FT0FT1在FT0中先指指令地地址由由PC送入MAR。在FT1中從主主存M讀出指指令代代碼到到MDR再送到到指令令寄存存器IR中，因因PC的計(jì)數(shù)數(shù)功能能，所所以可可同時(shí)時(shí)修改改程序序計(jì)數(shù)數(shù)器PC內(nèi)容，，讓PC+1，則修修改后后的PC指向緊緊跟現(xiàn)現(xiàn)行指指令的的下一一單元元。PC———MARM———MDA———IR，PC+1———PC（3）微操操作時(shí)時(shí)間差差實(shí)現(xiàn)取取指流流程的的每步步基本本操作作與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入下下一步步操作作所需需的微微命令令（包包括控控制電電位和和脈沖沖）在FT0中要完完成PC——MAR操作，，則應(yīng)應(yīng)發(fā)控控制信信號(hào)PCOUT和CPMAR，由它它們控控制將將PC的內(nèi)容容送ALU總線打打入MAR中，控控制信信號(hào)T+1，CPT控制轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入下下一個(gè)個(gè)節(jié)拍拍FT1。在FT1中要完完成M—MDR———IR與PC+1——PC操作。?？刂浦菩盘?hào)號(hào)EMAR、RD、SMDR控制從從主存存中讀讀一個(gè)個(gè)字（（指令令）置置入MDR，由MDROUT、CPIR將MDR將內(nèi)容容打入入IR中?？乜刂菩判盘?hào)PC+1，CPPC將PC內(nèi)容加加1計(jì)數(shù)。。2.MOV指令MOV指令流流程圖圖包含含了各各種尋尋址方方式的的組合合，流流程分分支的的邏輯輯依據(jù)據(jù)就是是指令令的尋尋址方方式字字段代代碼。。（1）取指周周期FT：完成取取指所所需的的操作作，與與指令令操作作碼無無關(guān)的的公共共性操操作，，但FT結(jié)束后后將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向哪哪個(gè)工工作周周期，，與FT中取出出的指指令類類型有有關(guān)。。FT0PC———MARFT1M———MDA———IR，PC+1———PCMOV指令取指指RiC（1）取指周周期FT：（2）源周期期ST：從主存存中讀讀取源源操作作數(shù)，，將依依據(jù)指指令寄寄存器器IR的源地地址字字段信信息進(jìn)進(jìn)行操操作，，形式式源地地址，，讀取取源操操作數(shù)數(shù)。（3）目的周周期DT：從主存存中讀讀取目目的地地址或或目的的操作作數(shù)，，將依依據(jù)指指令寄寄存器器IR的目的的地址址字段段信息息進(jìn)行行操作作。（4）執(zhí)行周周期ET：依據(jù)IR中的