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控制器原理學(xué)習(xí)第1頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1126.1控制器的基本概念控制器和運(yùn)算器一起組成中央處理器,即CPU??刂破魇怯?jì)算機(jī)的指揮和控制中心,由它把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等聯(lián)系成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng),并根據(jù)各部件具體要求,適時(shí)地發(fā)出各種控制命令,控制計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。控制器根據(jù)事先編好并存放在存儲(chǔ)器中的解題程序,控制各部件有條不紊地、自動(dòng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。第2頁(yè)/共258頁(yè)第2頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/113計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序的基本過(guò)程:1.取指令:根據(jù)指令地址(由PC提供),從存儲(chǔ)器中取出所要執(zhí)行的指令。2.分析指令:①對(duì)取出的指令進(jìn)行譯碼分析。確定指令應(yīng)完成的操作,產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位.去參與形成該指令功能所需要的全部控制命令(微操作控制信號(hào))。②根據(jù)尋址方式的分析和指令功能要求,形成操作數(shù)的有效地址,并按此地址取出操作數(shù)據(jù)(運(yùn)算型指令)或形成轉(zhuǎn)移地址(轉(zhuǎn)移類(lèi)指令).以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟
第3頁(yè)/共258頁(yè)第3頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1143.執(zhí)行指令:根據(jù)指令分析所產(chǎn)生的操作控制信號(hào)和形成的有效地址,按一定的算法形成指令操作控制序列,控制有關(guān)部件完成指令規(guī)定的功能。一條指令執(zhí)行結(jié)束,若沒(méi)有異常情況和特殊請(qǐng)求,則按程序順序,再去取出并執(zhí)行下一條指令??刂破鞯闹饕δ芫褪前慈≈噶?、分析指令、執(zhí)行指令這樣的步驟進(jìn)行周而復(fù)始的控制過(guò)程,直到完成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機(jī)為止。第4頁(yè)/共258頁(yè)第4頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/115ADDA,R7的執(zhí)行過(guò)程(圖6-1a)第5頁(yè)/共258頁(yè)第5頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1166.1.2控制器的基本功能1.控制指令的正確執(zhí)行包括指令流出的控制,分析指令和執(zhí)行指令的控制,指令流向的控制。⑴指令流出控制(對(duì)取指令的控制)取指令時(shí)需進(jìn)行的操作(PC)→MAR,Read;給出指令地址,并向MEM發(fā)
出讀命令(MDR)→IR;讀出的指令經(jīng)MDR存放到指
令寄存器IR中(PC)增量→PC;為取下一條指令作準(zhǔn)備第6頁(yè)/共258頁(yè)第6頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/117⑵分析指令和執(zhí)行指令的控制IR中的指令經(jīng)指令譯碼器(ID)譯碼分析,確定操作性質(zhì),判明尋址方式并形成操作數(shù)的有效地址??刂破鞲鶕?jù)分析的結(jié)果和形成的有效地址產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)序列,控制有關(guān)的部件完成指令所規(guī)定的操作功能。例:設(shè)某指令的IR15~I(xiàn)R12=0000時(shí)為MOV指令,則MOV的控制信號(hào)為:第7頁(yè)/共258頁(yè)第7頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/118⑶指令流向的控制指令流向控制即下條指令地址的形成控制。①按指令序列順序執(zhí)行時(shí),通過(guò)PC自動(dòng)增量形成下條指令的地址。②當(dāng)需要改變指令流向時(shí),需改變程序計(jì)數(shù)器PC中的內(nèi)容。轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行:把形成的轉(zhuǎn)向地址送入PC;轉(zhuǎn)子指令的執(zhí)行:把子程序入口地址送入PC;中斷處理:將中斷服務(wù)程序入口地址送入PC。為了正確返回,轉(zhuǎn)子和中斷還需保留PC被改變之前的內(nèi)容(即返回地址)。第8頁(yè)/共258頁(yè)第8頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1192.控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出為完成某項(xiàng)任務(wù)而編制的程序及所需數(shù)據(jù),必須通過(guò)某些輸入設(shè)備預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中,運(yùn)算結(jié)果要用輸出設(shè)備輸出。所以必須由控制器統(tǒng)一指揮,完成程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出。3.異常情況和特殊請(qǐng)求的處理機(jī)器在運(yùn)行程序過(guò)程中,往往可能會(huì)遇到一些異常情況(如電源掉電、運(yùn)算溢出等)或某些特殊請(qǐng)求(如打印機(jī)請(qǐng)求傳送打印字符等)。這些異常和請(qǐng)求往往是事先無(wú)法預(yù)測(cè)的,控制器必須具有檢測(cè)和處理這些異常情況和特殊請(qǐng)求的功能。第9頁(yè)/共258頁(yè)第9頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1110宏觀上每條指令的執(zhí)行過(guò)程均是取指、譯碼、執(zhí)行,但每條指令有不同的操作序列,需要在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的控制序列,并有嚴(yán)格的時(shí)序要求??刂破鞅仨毟鶕?jù)不同指令產(chǎn)生不同的控制序列??刂破鞯闹饕蝿?wù):根據(jù)不同的指令、不同的狀態(tài)條件,在不同的時(shí)間,產(chǎn)生不同的控制信號(hào),控制計(jì)算機(jī)的各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。第10頁(yè)/共258頁(yè)第10頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1111指令執(zhí)行的一般流程
(圖6-1b)第11頁(yè)/共258頁(yè)第11頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11126.1.3控制器的組成(圖6-2)第12頁(yè)/共258頁(yè)第12頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1113指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。⑴程序計(jì)數(shù)器PC
(指令計(jì)數(shù)器、指令地址寄存器)程序計(jì)數(shù)器用于保證程序按規(guī)定的序列正確運(yùn)行,并提供將要執(zhí)行指令的指令地址。由于PC可以指向主存中任一單元的地址,因此它的位數(shù)應(yīng)能表示主存的最大容量并與主存地址寄存器MAR的位數(shù)相同。在CPU中可以單獨(dú)設(shè)置程序計(jì)數(shù)器,也可以指定通用寄存器中的某一個(gè)作為PC使用。程序順序執(zhí)行時(shí)的PC增量可以通過(guò)PC本身的計(jì)數(shù)邏輯實(shí)現(xiàn),也可以由運(yùn)算器的ALU實(shí)現(xiàn)。不同機(jī)器,實(shí)現(xiàn)方法可有所不同。
1.指令部件第13頁(yè)/共258頁(yè)第13頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1114(2)指令寄存器IR指令寄存器用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。當(dāng)指令從主存取出后,經(jīng)MDR傳送到指令寄存器中,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)一條指令執(zhí)行的全部過(guò)程的控制。(3)指令譯碼器ID指令譯碼器是指令分析部件,對(duì)指令寄存器中的指令操作碼進(jìn)行譯碼分析,產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位,提供給微操作控制信號(hào)形成部件。對(duì)尋址方式字段進(jìn)行譯碼分析,以控制操作數(shù)有效地址的形成。(4)地址形成部件根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式,形成操作數(shù)有效地址。在一些微、小型機(jī)中,為簡(jiǎn)化硬件邏輯,通常不設(shè)置專(zhuān)門(mén)的地址形成部件,而是借用運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)有效地址的計(jì)算。第14頁(yè)/共258頁(yè)第14頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11152.時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件:用于產(chǎn)生一系列時(shí)序信號(hào),為各個(gè)微操作定時(shí),以保證各個(gè)微操作的執(zhí)行順序。從宏觀(即程序控制)上看,計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程實(shí)質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過(guò)程。從微觀(即指令控制)上看,計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程是微操作序列即一個(gè)個(gè)(或一組組)微操作的執(zhí)行過(guò)程。微操作:機(jī)器最簡(jiǎn)單的基本操作一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分解為若干微操作。這些微操作有著嚴(yán)格的時(shí)間順序要求,不可隨意顛倒。第15頁(yè)/共258頁(yè)第15頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1116(1)脈沖源脈沖源用于產(chǎn)生一定頻率的主時(shí)鐘脈沖。一般采用石英晶體振蕩器作為脈沖源。計(jì)算機(jī)電源一接通,脈沖源立即按規(guī)定頻率給出時(shí)鐘脈沖。(2)啟停電路啟停電路用于控制整個(gè)機(jī)器工作的啟動(dòng)與停止。實(shí)際上是保證可靠地送出或封鎖主時(shí)鐘脈沖,控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生與停止。(3)時(shí)序信號(hào)發(fā)生器時(shí)序信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生機(jī)器所需的各種時(shí)序信號(hào),以便控制有關(guān)部件在不同的時(shí)間完成不同的微操作。不同的機(jī)器,有著不同的時(shí)序信號(hào)。在同步控制的機(jī)器中,一般包括周期、節(jié)拍、脈沖等三級(jí)時(shí)序信號(hào)。第16頁(yè)/共258頁(yè)第16頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1117微操作控制信號(hào)形成部件:根據(jù)指令部件提供的操作控制電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序信號(hào)以及有關(guān)的狀態(tài)條件,產(chǎn)生機(jī)器所需要的各種微操作控制信號(hào)。不同的指令,完成不同的功能,需要不同的微操作控制信號(hào)序列。每條指令都有自己對(duì)應(yīng)的微操作序列??刂破鞅仨毟鶕?jù)不同的指令,在不同的時(shí)間,產(chǎn)生并發(fā)出不同的微操作控制信號(hào),控制有關(guān)部件協(xié)調(diào)工作,完成指令所規(guī)定的任務(wù)。4.中斷控制邏輯(中斷機(jī)構(gòu))用于實(shí)現(xiàn)異常情況和特殊請(qǐng)求的處理。3.微操作控制信號(hào)形成部件第17頁(yè)/共258頁(yè)第17頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1118程序狀態(tài)寄存器:用于存放程序的工作狀態(tài)(如管態(tài)、目態(tài)等)和指令執(zhí)行的結(jié)果特征(如結(jié)果為零、結(jié)果溢出等),把它所存放的內(nèi)容稱(chēng)為程序狀態(tài)字(PSW)。PSW表明了系統(tǒng)的基本狀態(tài),是控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)。不同的機(jī)器,PSW的格式及內(nèi)容不完全相同。例:8086CPU中的PSW的格式CF:進(jìn)位PF:奇偶AF:半進(jìn)位ZF:結(jié)果為0SF:符號(hào)TF:?jiǎn)尾絀F:中斷允許DF:地址增/減量OF:溢出5.程序狀態(tài)寄存器PSR第18頁(yè)/共258頁(yè)第18頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1119
控制臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的通信聯(lián)系,如啟動(dòng)或停止機(jī)器的運(yùn)行、監(jiān)視程序運(yùn)行過(guò)程、對(duì)程序進(jìn)行必要的修改或干預(yù)等。早期有硬件控制臺(tái),用于設(shè)置地址和指令?,F(xiàn)在,在大型機(jī)中有軟件控制臺(tái)。通過(guò)控制臺(tái)命令,控制機(jī)器的啟停,干預(yù)機(jī)器的工作。6.控制臺(tái)第19頁(yè)/共258頁(yè)第19頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1120控制器的組成方式主要是指微操作控制信號(hào)形成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作控制信號(hào)??刂破鞯慕M成方式主要是指微操作控制信號(hào)形成部件的組成方式。根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同,控制器可分為組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種,它們的根本區(qū)別在于微操作信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法不同,而控制器中的其他部分基本上是大同小異的。6.1.4控制器的組成方式第20頁(yè)/共258頁(yè)第20頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11211.組合邏輯型組合邏輯控制器是根據(jù)控制要求和狀態(tài),采用組合邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其微操作信號(hào)發(fā)生器是由門(mén)電路組成的復(fù)雜樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。組合邏輯控制器也稱(chēng)為硬聯(lián)邏輯或硬布線邏輯。組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo):使用最少器件數(shù)和取得最高操作速度。優(yōu)點(diǎn):速度快缺點(diǎn):微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整,設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較困難,難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成之后,要想增加新的控制功能是不可能的。第21頁(yè)/共258頁(yè)第21頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11222.存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯型控制器稱(chēng)為微程序控制器。它是采用存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。存儲(chǔ)邏輯型控制器的實(shí)現(xiàn)方法:把微操作信號(hào)代碼化,使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序存入控制存儲(chǔ)器中。執(zhí)行指令時(shí),讀出控存中的微指令,由微指令產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn):設(shè)計(jì)規(guī)整,調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令方便的優(yōu)點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì),已成為當(dāng)前控制器的主流。缺點(diǎn):由于它增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器,所以指令的執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。第22頁(yè)/共258頁(yè)第22頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11233.組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型控制器稱(chēng)為PLA控制器,它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLA控制器實(shí)際上也是一種組合邏輯控制器,但它的輸出程序可編的,某一微操作控制信號(hào)由PLA的某一輸出函數(shù)產(chǎn)生。PLA控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,它克服了兩者的缺點(diǎn),是一種較有前途的方法。第23頁(yè)/共258頁(yè)第23頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1124以上幾種控制器的設(shè)計(jì)方法是不同的,但產(chǎn)生的微操作命令的功能是相同的,并且各個(gè)控制條件基本上也是一致的,都是由時(shí)序電路、操作碼譯碼信號(hào),以及被控部件的反饋信息有機(jī)配合而成的。從功能上看,這幾種控制器只是微操作信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和原理不同,而外部的輸入條件和輸出結(jié)果幾乎完全相同。第24頁(yè)/共258頁(yè)第24頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1125微操作信號(hào)發(fā)生器(圖6-3)第25頁(yè)/共258頁(yè)第25頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1126
6.2控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過(guò)程實(shí)際上是執(zhí)行一系列的微操作的過(guò)程。每一條指令都對(duì)應(yīng)著一個(gè)微操作序列,這些微操作中有些可以同時(shí)執(zhí)行,有些則必須按嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系執(zhí)行??刂破鞯目刂品绞叫杞鉀Q的問(wèn)題是:如何在時(shí)間上對(duì)各種微操作信號(hào)加以控制。6.2.1控制方式常用的控制方式有同步控制、異步控制和聯(lián)合控制。第26頁(yè)/共258頁(yè)第26頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11271.同步控制方式同步控制方式:任何指令的運(yùn)行或指令中各個(gè)微操作的執(zhí)行,均由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制,在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間內(nèi)完成。在同步控制方式下,每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著安排完成的工作已經(jīng)完成,隨即開(kāi)始執(zhí)行后續(xù)的微操作或自動(dòng)轉(zhuǎn)向下條指令的運(yùn)行。第27頁(yè)/共258頁(yè)第27頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1128典型的同步控制方式是:以微操作序列最長(zhǎng)的指令和執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的微操作為標(biāo)準(zhǔn),把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段(稱(chēng)為周期)或若干個(gè)時(shí)間區(qū)間(稱(chēng)為節(jié)拍),采用完全統(tǒng)一的周期(或節(jié)拍)控制各條指令的執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn):時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單,控制方便缺點(diǎn):浪費(fèi)時(shí)間。因?yàn)閷?duì)比較簡(jiǎn)單的指令,將有很多節(jié)拍是不用的,處于等待。所以,在實(shí)際應(yīng)用中都不采用這種典型的同步控制方式,而是采用某些折衷的方案。第28頁(yè)/共258頁(yè)第28頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1129(1)采用中央控制與局部控制相結(jié)合的方法中央控制:統(tǒng)一節(jié)拍的控制根據(jù)大多數(shù)指令的微操作序列的情況,設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù),使之大多數(shù)指令均能在統(tǒng)一的節(jié)拍內(nèi)完成。局部控制:在延長(zhǎng)節(jié)拍內(nèi)的控制對(duì)于少數(shù)在統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令,采用延長(zhǎng)節(jié)拍或增加節(jié)拍數(shù),使之在延長(zhǎng)節(jié)拍內(nèi)完成,執(zhí)行完畢再返回中央控制。第29頁(yè)/共258頁(yè)第29頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1130例:設(shè)某計(jì)算機(jī)的指令通常用8個(gè)節(jié)拍完成,即有8個(gè)中央節(jié)拍W0~W7,當(dāng)某指令在8個(gè)節(jié)拍中不能完成時(shí),就插入若干局部節(jié)拍W6*,經(jīng)過(guò)若干局部節(jié)拍W6*后,再返回中央節(jié)拍W7。第30頁(yè)/共258頁(yè)第30頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1131(2)采用不同的機(jī)器周期和延長(zhǎng)節(jié)拍的方法把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干機(jī)器周期,如取指、取數(shù)、執(zhí)行等周期。根據(jù)所執(zhí)行指令的不同需要,選取不同的機(jī)器周期數(shù)。在節(jié)拍安排上,每個(gè)周期劃分為固定的節(jié)拍,每個(gè)節(jié)拍都可根據(jù)需要延長(zhǎng)一個(gè)節(jié)拍。這種方法可以解決執(zhí)行不同的指令所需時(shí)間不統(tǒng)一問(wèn)題。在Intel8088的指令執(zhí)行過(guò)程中有讀寫(xiě)周期、內(nèi)部周期等,其中讀寫(xiě)周期為4個(gè)節(jié)拍,但可以延長(zhǎng)若干個(gè)節(jié)拍。第31頁(yè)/共258頁(yè)第31頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1132(3)采用分散節(jié)拍的方法分散節(jié)拍:運(yùn)行不同指令時(shí),需要多少節(jié)拍,時(shí)序部件就發(fā)生多少節(jié)拍。這種方法可完全避免節(jié)拍輪空,是提高指令運(yùn)行速度的有效方法,但這種方法使時(shí)序部件復(fù)雜化。同時(shí)還不能解決節(jié)拍內(nèi)那些簡(jiǎn)單的微操作因等待所浪費(fèi)的時(shí)間。第32頁(yè)/共258頁(yè)第32頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11332.異步控制方式異步控制方式:沒(méi)有統(tǒng)一的同步信號(hào),采用問(wèn)答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào),將前一操作的回答信號(hào)作為下一操作的啟動(dòng)信號(hào)。異步控制方式不僅要區(qū)分不同指令對(duì)應(yīng)的微操作序列的長(zhǎng)短,而且要區(qū)分其中每個(gè)微操作的繁簡(jiǎn),每條指令、每個(gè)微操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。這種方式不再有統(tǒng)—的周期、節(jié)拍,各個(gè)操作之間采用應(yīng)答方式銜接,前一操作完成后給出回答信號(hào),啟動(dòng)下一個(gè)操作。第33頁(yè)/共258頁(yè)第33頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1134數(shù)據(jù)間隔可變發(fā)送準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)已接受這種方式可根據(jù)每條指令的操作的實(shí)際需要而分配時(shí)間,所以沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi),效率高。但設(shè)計(jì)復(fù)雜且費(fèi)設(shè)備。第34頁(yè)/共258頁(yè)第34頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11353.聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式:將同步控制和異步控制相結(jié)合。聯(lián)合控制方式通常的設(shè)計(jì)思想:在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式;在功能部件之間采用異步方式。例如,對(duì)可以統(tǒng)一的微操作采用同步控制,對(duì)難以統(tǒng)一的微操作采用異步控制。實(shí)際上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒(méi)有完全采用同步或完全采用異步的控制方式,大多數(shù)都采用聯(lián)合控制方式。第35頁(yè)/共258頁(yè)第35頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11366.2.2時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng)是控制器的心臟,由它為指令的執(zhí)行提供各種定時(shí)信號(hào)。通常,設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針對(duì)同步控制方式的。1.指令周期與機(jī)器周期指令周期:從取指令、分析指令到執(zhí)行完一條指令所需的全部時(shí)間。由于各種指令的操作功能不同,繁簡(jiǎn)程度不同,因此各種指令的指令周期也不盡相同。機(jī)器周期(CPU周期):指令周期中的某一工作階段所需的時(shí)間。在指令執(zhí)行過(guò)程中,各機(jī)器周期相對(duì)獨(dú)立。一條指令的指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期所組成,每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。所以機(jī)器周期也稱(chēng)為基本周期。第36頁(yè)/共258頁(yè)第36頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1137一般機(jī)器的CPU周期有取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期,中斷周期等。每個(gè)機(jī)器周期設(shè)置一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器與之對(duì)應(yīng),機(jī)器運(yùn)行于哪個(gè)周期,與其對(duì)應(yīng)的周期狀態(tài)觸發(fā)器被置為“1”。顯然,機(jī)器運(yùn)行的任何時(shí)刻都只能建立一個(gè)周期狀態(tài),因此同一時(shí)刻只能有一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器被置為“1”。不同工作周期所占的時(shí)間可以不等。由于CPU內(nèi)部操作速度快,而CPU訪存所花時(shí)間較長(zhǎng),所以許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往以主存周期為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)定CPU周期,以便二者工作協(xié)調(diào)配合。第37頁(yè)/共258頁(yè)第37頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1138節(jié)拍:把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間,每一時(shí)間區(qū)間稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍。一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào),控制一個(gè)或幾個(gè)微操作的執(zhí)行。在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi),要完成若干個(gè)微操作,這些微操作不但需要占用一定的時(shí)間,而且有一定的先后次序。因此,在同步控制方式中,基本的控制方法就是把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)節(jié)拍,每一個(gè)節(jié)拍完成一步基本操作,如一次傳送、一次加減運(yùn)算等。一個(gè)節(jié)拍電位信號(hào)的寬度取決于CPU完成一個(gè)基本操作的時(shí)間。2.節(jié)拍第38頁(yè)/共258頁(yè)第38頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1139
節(jié)拍提供了一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間分段,但有的操作如打入寄存器,還需嚴(yán)格的定時(shí)脈沖,以確定在哪一時(shí)刻打入。節(jié)拍的切換,也需要嚴(yán)格的同步定時(shí)。所以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi),有時(shí)還需要設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖,用于寄存器的復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。脈沖:一個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖。3.脈沖(定時(shí)脈沖)第39頁(yè)/共258頁(yè)第39頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1140常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是在每個(gè)節(jié)拍的末尾發(fā)一次工作脈沖,脈沖前沿可用來(lái)打入運(yùn)算結(jié)果(或傳送),脈沖后沿則實(shí)現(xiàn)周期的切換。也有的計(jì)算機(jī),在一個(gè)節(jié)拍中先后發(fā)出幾個(gè)工作脈沖,有的脈沖位于節(jié)拍前端,可用作清除脈沖;有的脈沖位于中部,用作控制外圍設(shè)備的輸入/輸出脈沖;有的脈沖位于尾部,前沿用作CPU內(nèi)部的打入,后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。第40頁(yè)/共258頁(yè)第40頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1141周期、節(jié)拍、脈沖構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng),它們之間關(guān)系如下圖所示。圖中包括兩個(gè)機(jī)器周期M1、M2,每個(gè)周期包含四個(gè)節(jié)拍W0~W3,每個(gè)節(jié)拍內(nèi)有一個(gè)脈沖P。(圖6-6)第41頁(yè)/共258頁(yè)第41頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1142微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)有所不同,稱(chēng)之為時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。下圖所示的是一典型指令的基本時(shí)序,一個(gè)指令周期包含三個(gè)機(jī)器周期:取指周期、存儲(chǔ)器讀周期和存儲(chǔ)器寫(xiě)周期,三個(gè)周期中分別包含4個(gè)、3個(gè)、3個(gè)時(shí)鐘周期。(圖6-7)第42頁(yè)/共258頁(yè)第42頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11436.3CPU的總體結(jié)構(gòu)CPU即中央處理器,它包含運(yùn)算器和控制器兩個(gè)部分。CPU的功能為:⑴程序控制:標(biāo)準(zhǔn)程序按所要求的次序正確執(zhí)行。⑵操作控制:管理如何產(chǎn)生每條指令所需的操作信號(hào),送往有關(guān)部件,控制完成指令規(guī)定的操作。⑶時(shí)序控制:對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí),使計(jì)算機(jī)有條不紊地工作。⑷數(shù)據(jù)加工:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏邏運(yùn)算處理。第43頁(yè)/共258頁(yè)第43頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1144
6.3.1寄存器的設(shè)置不同計(jì)算機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)存在差別,但在CPU中一般都設(shè)置下列寄存器:(1)指令寄存器IR(2)程序計(jì)數(shù)器PC(3)累加寄存器AC(4)程序狀態(tài)寄存器PSR(5)地址寄存器MAR(6)數(shù)據(jù)緩沖寄存器
MDR(或MBR)其中⑵、⑶、⑷是用戶(hù)可用的,⑴、⑸、⑹是用戶(hù)不可用的。CPU中還常設(shè)置一些程序不能直接訪問(wèn),用于暫存操作數(shù)據(jù)或中間結(jié)果的寄存器,稱(chēng)為暫存器。第44頁(yè)/共258頁(yè)第44頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1145通用寄存器:一組程序可訪問(wèn)的、具有多種功能的寄存器。在指令系統(tǒng)中,為通用寄存器分配了編號(hào)(寄存器地址),可以編程指定使用其中的某個(gè)寄存器。通用寄存器自身的邏輯往往很簡(jiǎn)單并且比較統(tǒng)一,甚至是快速的小規(guī)模存儲(chǔ)器的一些單元,但通過(guò)編程與運(yùn)算器配合,可指定其實(shí)現(xiàn)多種功能,如提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果(即作累加器用),或用作地址指針、基址寄存器、變址寄存器、計(jì)數(shù)器等。第45頁(yè)/共258頁(yè)第45頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11466.3.2數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及指令流程分析數(shù)據(jù)通路:信息傳送的基本路徑。CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路通常是指運(yùn)算器與寄存器之間的信息傳輸通道。數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)直接影響著CPU內(nèi)各種信息的傳送路徑。數(shù)據(jù)通路不同,指令執(zhí)行過(guò)程的微操作序列的安排也不同,它將直接影響到微操作信號(hào)形成部件的設(shè)計(jì)。第46頁(yè)/共258頁(yè)第46頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1147
1.總線結(jié)構(gòu)⑴單總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)部采用單總線IBUS將寄存器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件連接起來(lái)。CPU、主存、I/O設(shè)備也通過(guò)一組單總線(系統(tǒng)總線)連接起來(lái)。在單總線結(jié)構(gòu)中,CPU內(nèi)部的任何兩個(gè)部件間的數(shù)據(jù)傳送都必須經(jīng)過(guò)單總線IBUS,因此單總線結(jié)構(gòu)的控制比較簡(jiǎn)單,但傳送速度受到限制。在一些微、小型機(jī)中常采用這種結(jié)構(gòu)。⑵
雙總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)部采用兩條總線(B總線和F總線),將寄存器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件連接起來(lái)。各寄存器可通過(guò)控制門(mén),建立寄存器與總線之間的聯(lián)系。CPU通過(guò)地址總線ABUS和數(shù)據(jù)總線DBUS與主存、I/O設(shè)備連接。第47頁(yè)/共258頁(yè)第47頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1148單總線結(jié)構(gòu)的CPU(圖6-8)第48頁(yè)/共258頁(yè)第48頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1149
雙
總
線
結(jié)
構(gòu)
的CPU
(圖6-9)第49頁(yè)/共258頁(yè)第49頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11502.指令流程分析指令流程:指令的操作過(guò)程。對(duì)指令流程的影響因素:指令功能、尋址方式、數(shù)據(jù)通路、ALU的功能、指令執(zhí)行的基本步驟等。①指令功能功能不同,操作數(shù)的數(shù)量不同,指令流程不同。②尋址方式不同,尋找操作數(shù)的過(guò)程不同。③數(shù)據(jù)通路不同,傳送數(shù)據(jù)時(shí)的控制過(guò)程不同。④ALU的功能不同,指令的執(zhí)行步驟不同。⑤不同的指令,執(zhí)行時(shí)的基本步驟不同。如訪存指令,需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器;R—R型指令不需要訪存。第50頁(yè)/共258頁(yè)第50頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1151例6-1:分析單總線結(jié)構(gòu)的CPU中,ADD(R1),R0指令的指令流程。設(shè)前一操作數(shù)地址為源,后一操作數(shù)地址為目的。解:指令功能:((R1))+(R0)→R0+1第51頁(yè)/共258頁(yè)第51頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1152指令流程如下:(1)(PC)→MAR,Read,(PC)+1→Z
;送指令地址,讀主存(2)(Z)→PC;PC+1→PC(3)
M→MDR→IR;取指令到IR(4)(R1)→MAR,Read;送源操作數(shù)地址(5)M→MDR→Y;取出源操作數(shù)到Y(jié)中(6)(Y)+(R0)→Z;執(zhí)行加法運(yùn)算,結(jié)果暫存Z(7)(Z)→R0;加法結(jié)果送回目標(biāo)寄存器注:教材上(2)(3)二步順序有些不同。或:表6-1,6-2中(前三步是取指令,公共操作,意思相同)(1)(PC)→MAR,Read
(2)(PC)+1→PC(3)
M→MDR→IR第52頁(yè)/共258頁(yè)第52頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1153例:分析單總線結(jié)構(gòu)的CPU中,轉(zhuǎn)移指令JCD
的指令流程。解:指令功能:IFC=1THEN(PC)+D→PC指令流程如下:(1)(PC)→MAR,Read,(PC)+1→Z
;送指令地址,讀主存(2)(Z)→PC;PC+1→PC(3)
M→MDR→IR;取指令到IR(4)IFC=1(PC)→Y;送當(dāng)前指令地址(5)Y+I(xiàn)R(D部分)→Z;計(jì)算轉(zhuǎn)移地址(6)(Z)→PC
;下條指令實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移操作碼D第53頁(yè)/共258頁(yè)第53頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1154根據(jù)指令流程還需要作進(jìn)一步的控制信息分析例:分析單總線結(jié)構(gòu)的CPU中指令A(yù)DDX(R1),(R2)+
的指令流程和控制信號(hào)序列。解:指令格式為兩字節(jié)指令,第二字節(jié)為變址值X。源操作數(shù)采用變址尋址,目的操作數(shù)采用自增型變址尋址。指令功能:(X+(R1))+((R2))→(R2),(R2)+1→R2操作碼X第54頁(yè)/共258頁(yè)第54頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1155IDIRPCR0R1MARMDRTEMPYZIRoutIRinPCoutPCinR0outR0inR1outR1inMARinMARoutMDRinTEMPoutTEMPinYin0→YZoutADDSUB1→CinZin主存ReadWrite…第55頁(yè)/共258頁(yè)第55頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1156指令流程控制信號(hào)流程操作功能(1)(PC)→MAR,Read,(PC)+1→ZPCout,MARin,Read,0→Y,1→Cin,ADD,Zin讀指令操作碼(2)(Z)→PCZout,PCinPC+1→PC(3)(M→MDR)(MDR)→IRMDRout,IRin(4)(PC)→MAR,Read,(PC)+1→ZPCout,MARin,Read,0→Y,1→Cin,ADD,Zin(5)(Z)→PCZout,PCin讀X,寫(xiě)入暫存器Y(6)(MDR)→YMDRout,YinPC+1→PC(7)(Y)+(R1)→ZR1out,ADD,Zin計(jì)算源操作數(shù)變址值(8)(Z)→MAR,ReadZout,MARin,Read讀源操作數(shù)第56頁(yè)/共258頁(yè)第56頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1157(9)空白等待讀存儲(chǔ)器(10)(MDR)→TEMPMDRout,TEMPin源操作數(shù)送臨時(shí)寄存器(11)(R2)→MAR,Raad,(R2)+1→ZR2out,MARin,Raed,0→Y,1→Cin,ADD,Zin讀目的操作數(shù),R2自增送Z(12)(Z)→R2Zout,R2in(R2)+1→R2(13)MDR→YMDRout,Yin目的操作數(shù)送Y(14)(Y)+(TEMP)→ZTEMPout,ADD,Zin兩操作數(shù)相加(15)(Z)→MDR,WriteZout,MDRin,Write按現(xiàn)行地址寫(xiě)回結(jié)果(16)空白空一個(gè)節(jié)拍,等待穩(wěn)定寫(xiě)入第57頁(yè)/共258頁(yè)第57頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1158例:分析雙總線結(jié)構(gòu)的CPU中,指令
ADDX(R1),(R2)+
的指令流程和控制信號(hào)。設(shè)ALU的功能有:F=A+B(ADD),F(xiàn)=A-B(SUB),
F=A+1(INC),F(xiàn)=A-1(DEC),F(xiàn)=A可通過(guò)總線連接器G將總線B的信息直接傳到F總線。其控制信號(hào)為Gon。第58頁(yè)/共258頁(yè)第58頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1159IDIRPCR0R1MARMDRTEMPYGIR→BPC→BR0→BR1→BF→MARMAR→BTEMP→BF→YADDSUBA主存ReadWrite…R7R7→BABUSDBUSINCDECBGonF→TEMPF→MDRF→R7F→R!F→R0F→PCF→IRFB第59頁(yè)/共258頁(yè)第59頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1160指令流程控制信號(hào)流程操作功能(1)(PC)→MAR,Read,(PC)→YPC→B,Gon,F(xiàn)→MAR,Read,F(xiàn)→Y讀指令操作碼(2)(Y)+1→PCINC,F(xiàn)→PCPC+1→PC(3)(MDR)→IRMDR→B,Gon,F(xiàn)→IR(4)(PC)→MAR,Read,(PC)→YPC→B,Gon,F(xiàn)→MAR,Read,F(xiàn)→Y(5)(Y)+1→PCINC,F(xiàn)→PC讀X,寫(xiě)入暫存器Y(6)(MDR)→YMDR→B,Gon,F(xiàn)→Y(7)(Y)+(R1)→MARR1→B,ADD,F(xiàn)→MAR,Read計(jì)算源操作數(shù)變址值,讀源操作數(shù)(8)空白等待讀存儲(chǔ)器(9)(MDR)→TEMPMDR→B,Gon,F(xiàn)→TEMP源操作數(shù)送臨時(shí)寄存器第60頁(yè)/共258頁(yè)第60頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1161(10)(R2)→MAR,Raad,(R2)→YR2→B,Gon,F(xiàn)→MAR,Read,F(xiàn)→Y讀目的操作數(shù),R2自增送Z(11)(Y)+1→R2INC,F(xiàn)→R2(R2)+1→R2(12)MDR→YMDR→B,Gon,F(xiàn)→Y目的操作數(shù)送Y(13)(Y)+(TEMP)→MDR(MDR)→MEM,WriteTEMP→B,ADD,F(xiàn)→MDRWrite兩操作數(shù)相加,按現(xiàn)行地址寫(xiě)回結(jié)果(14)空白空一個(gè)節(jié)拍,等待穩(wěn)定寫(xiě)入如果沒(méi)有總線連接器G,則ALU需要增加功能:F=B可以將Gon信號(hào)改為F=B。第61頁(yè)/共258頁(yè)第61頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1162例:在雙總線結(jié)構(gòu)的機(jī)器中,分析轉(zhuǎn)子指令:JSRX的執(zhí)行過(guò)程。設(shè)機(jī)器中沒(méi)有總線連接器,ALU的功能為:
F=A+B,F(xiàn)=A-B,F(xiàn)=A+1,F(xiàn)=A-1,
F=A,F(xiàn)=B分析:JSR為雙字節(jié)指令,X為子程序入口地址,在第二字節(jié)。轉(zhuǎn)子指令的功能:將斷點(diǎn)地址保存到堆棧中,將X送入PC,實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。JSRX第62頁(yè)/共258頁(yè)第62頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1163IDIRPCR0R1MARMDRTEMPYIR→BPC→BR0→BR1→BF→MARMAR→BTEMP→BF→YADDSUBA主存ReadWrite…R7R7→BABUSDBUSINCDECBF→TEMPF→MDRF→R7F→R!F→R0F→PCF→IRFB第63頁(yè)/共258頁(yè)第63頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1164指令流程控制信號(hào)流程操作功能(1)(PC)→MAR,Read,(PC)→YPC→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→MAR,Read,F(xiàn)→Y讀指令操作碼(2)(Y)+1→PCF=A+1,F(xiàn)→PCPC+1→PC(3)(MDR)→IRMDR→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→IR(4)(PC)→MAR,Read,(PC)→YPC→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→MAR,Read,F(xiàn)→Y讀X,寫(xiě)入暫存器(5)(Y)+1→PCF=A+1,F(xiàn)→PCTEMP(6)(MDR)→TEMPMDR→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→TEMPPC+1→PC(7)(SP)→YSP→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→Y(8)(Y)-1→SPF=A-1,F(xiàn)→SP,F(xiàn)→MARSP-1→SP(9)(PC)→MEM,WritePC→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→MDR,Write斷點(diǎn)壓入堆棧(10)TEMP→PCTEMP→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→PCX→PC,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移第64頁(yè)/共258頁(yè)第64頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1165上題中,如果ALU的功能增加為
F=A+B,F(xiàn)=A-B,
F=A+1,F(xiàn)=A-1,
F=B+1,F(xiàn)=B-1,
F=A,F(xiàn)=B則控制序列可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。即指令執(zhí)行過(guò)程與指令功能、尋址方式、數(shù)據(jù)通路、ALU功能等緊密相關(guān)。第65頁(yè)/共258頁(yè)第65頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1166指令流程控制信號(hào)流程操作功能(1)(PC)→MAR,Read,PC→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→MAR,Read讀指令操作碼(2)(PC)+1→PCPC→B,F(xiàn)=B+1,F(xiàn)→PCPC+1→PC(3)(MDR)→IRMDR→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→IR(4)(PC)→MAR,Read,(PC)→YPC→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→MAR,Read,F(xiàn)→Y讀X,寫(xiě)入暫存器Y(5)(PC)+1→PCPC→B,F(xiàn)=B+1,F(xiàn)→PC(6)(MDR)→YMDR→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→YPC+1→PC(7)(SP)-1→SPSP→B,F(xiàn)=B-1,F(xiàn)→SP,F(xiàn)→MARSP-1→SP(8)(PC)→MEM,WritePC→B,F(xiàn)=B,F(xiàn)→MDR,Write斷點(diǎn)壓入堆棧(9)Y→PCF=A,F(xiàn)→PCX→PC,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移第66頁(yè)/共258頁(yè)第66頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11676.4模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)以模型機(jī)為例,進(jìn)一步了解控制器的控制原理和設(shè)計(jì)方法,建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)。第67頁(yè)/共258頁(yè)第67頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1168第68頁(yè)/共258頁(yè)第68頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11696.4.1模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路1.字長(zhǎng):16位2.總線結(jié)構(gòu):①內(nèi)部總線:雙總線結(jié)構(gòu)BUS1:輸入總線,BUS2:輸出總線○:輸出控制門(mén)信號(hào),如MDR→BUS1CP:輸入控制信號(hào),如CPY②系統(tǒng)總線:地址總線:ABUS,數(shù)據(jù)總線:DBUSI/O與主存共享總線,用MREQ控制訪存;用IOREQ控制訪問(wèn)I/O,R/W=1,讀,R/W=0,寫(xiě)第69頁(yè)/共258頁(yè)第69頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11703.寄存器(大多數(shù)采用D觸發(fā)器)程序可用寄存器內(nèi)部寄存器編號(hào)寄存器名寄存器名000R0MAR001R1MDR010R2IR011R3TEMP100SPY111PC第70頁(yè)/共258頁(yè)第70頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11714.ALU由SN74181構(gòu)成,在控制信號(hào)S3~S0及M、C0的控制下,可完成16種邏輯運(yùn)算和16種算術(shù)運(yùn)算。M=0:算術(shù)運(yùn)算M=1:邏輯運(yùn)算第71頁(yè)/共258頁(yè)第71頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1172說(shuō)明:在算術(shù)運(yùn)算中,當(dāng)M=0,C0=1時(shí),
0110A-B=A+B+11111A+1第72頁(yè)/共258頁(yè)第72頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11735.狀態(tài)標(biāo)志用于記錄運(yùn)算結(jié)果特征,可作為轉(zhuǎn)移判斷條件Cc:進(jìn)位標(biāo)志,打入脈沖:CPCcCz:為零標(biāo)志,打入脈沖:CPCz6.移位器采用斜送方式實(shí)現(xiàn)移位傳遞,直送方式實(shí)現(xiàn)直接傳遞。移位控制信號(hào)DM直送SL左移一位SR右移一位EX字節(jié)交換≥1FnAn+1SLAn-1AnDMSR第73頁(yè)/共258頁(yè)第73頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11747.模型機(jī)的編址主存按字編址,容量64K字,字長(zhǎng)16位,
16位地址可尋址64K。第74頁(yè)/共258頁(yè)第74頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11756.4.2模型機(jī)的指令系統(tǒng)1.指令格式與指令類(lèi)型⑴雙操作數(shù)指令(6條)包括:MOV、ADD、SUB、AND、OR、EOR150OP尋址方式RS尋址方式RD4位3位3位3位3位源地址ES目的地址ED第75頁(yè)/共258頁(yè)第75頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1176包括:INC、COM、ROL、ROR150OP000備用尋址方式RD4位指令特征3位3位3位目的地址ED⑵
單操作數(shù)指令(4條)第76頁(yè)/共258頁(yè)第76頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1177轉(zhuǎn)移指令采用相對(duì)尋址:轉(zhuǎn)移地址=(PC)+DD采用補(bǔ)碼,進(jìn)行運(yùn)算時(shí),需進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展包括:JP(無(wú)條件轉(zhuǎn)移)、JC(C=1轉(zhuǎn)移)、JZ(Z=1轉(zhuǎn)移)、JSR(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)子指令操作:(SP)-1→SP,PC→(SP),(PC)+D→PC150OP位移量D4位12位⑶
轉(zhuǎn)移指令(4條)第77頁(yè)/共258頁(yè)第77頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1178⑷返回與停機(jī)指令(2條)返回與停機(jī)指令均為零地址指令RTS返回指令的功能是:從子程序返回主程序返回地址→PC,即((SP))→PC,(SP)+1→SPHALT停機(jī)指令的功能是:0→RUN,將時(shí)鐘信號(hào)截?cái)唷P000未用000未用特征特征第78頁(yè)/共258頁(yè)第78頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1179第79頁(yè)/共258頁(yè)第79頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11802.尋址方式方式編碼表示方式有效地址寄存器尋址000Rn無(wú)需訪存寄存器間址001@Rn或(Rn)E=(Rn)自增型寄存器間址010(Rn)+E=(Rn),然后(Rn)+1→Rn自減型寄存器間址011-(Rn)E=(Rn)-1,并且(Rn)-1→Rn變址尋址100X(Rn)E=X+(Rn)除自減型寄存器間址不能使用PC外,其余尋址方式可以使用所有可編程寄存器。第80頁(yè)/共258頁(yè)第80頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1181自增型寄存器間址中若Rn=SP,則(SP)+為堆棧中的彈出數(shù)據(jù)操作。若Rn=PC,則為立即尋址,立即數(shù)保存在該指令的下一單元中。注意:如果目的操作數(shù)采用立即尋址,則有可能使指令數(shù)據(jù)不安全。自減型寄存器間址中若Rn=SP,則-(SP)
為堆棧中的壓入數(shù)據(jù)操作。K操作碼K+1n第81頁(yè)/共258頁(yè)第81頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1182變址尋址的指令為雙字,取指后需兩次訪存才能得到操作數(shù)。取指令操作碼后(PC)→MAR,Read;送X的地址,讀X(PC)+1→PC;PC增量
M→MDR→Y;取X值到Y(jié)(Y)+(Rn)→MAR,Read;形成有效地址,讀操作數(shù)變址尋址中,若Rn=PC,則為相對(duì)尋址。K操作碼K+1X第82頁(yè)/共258頁(yè)第82頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11836.4.3模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)采用同步控制方式、三級(jí)時(shí)序邏輯系統(tǒng),即利用周期、節(jié)拍、脈沖構(gòu)成控制時(shí)序。1.機(jī)器周期每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成一次主存的讀/寫(xiě)操作。模型機(jī)設(shè)置六種機(jī)器周期取指周期
FT:完成取指、分析、(PC)+1→PC取源周期
ST:執(zhí)行雙操作數(shù)指令時(shí),完成源操作數(shù)的尋址,取源操作數(shù)。(寄存器尋址時(shí)不用)取目的周期
DT:完成目的操作數(shù)的尋址,取目的操作數(shù)。執(zhí)行周期ET:完成指令操作,并保存結(jié)果。中斷周期IT:處理中斷請(qǐng)求DMA周期DMAT:實(shí)現(xiàn)DMA傳送。本章暫不討論第83頁(yè)/共258頁(yè)第83頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1184CPU中任何時(shí)候都只能有一個(gè)周期存在,可以用六個(gè)狀態(tài)標(biāo)志表示CPU當(dāng)前進(jìn)入了哪一個(gè)周期??捎昧鶄€(gè)觸發(fā)器表示六種不同的周期狀態(tài)。TEND?P為各觸發(fā)器的打入脈沖,表示在每個(gè)機(jī)器周期的最后一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí),發(fā)出打入脈沖。第84頁(yè)/共258頁(yè)第84頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11852.節(jié)拍節(jié)拍用于在一個(gè)周期中產(chǎn)生不同的微操作信號(hào)。每個(gè)周期中設(shè)置四個(gè)節(jié)拍T0、T1、T2、T3。為節(jié)省節(jié)拍,在取目的周期DT和執(zhí)行周期ET中安排兩種節(jié)拍,即根據(jù)微操作的需要,可選擇兩個(gè)節(jié)拍,也可選擇四個(gè)節(jié)拍。每個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖,用于寄存器接收代碼,如CPIR、CPPC等均為脈沖信號(hào)。寄存器接收數(shù)據(jù)使用脈沖的前沿。脈沖的后沿用于周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換。第85頁(yè)/共258頁(yè)第85頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1186節(jié)拍由節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生,用兩位T型觸發(fā)器C1、C2構(gòu)成模4計(jì)數(shù)器,經(jīng)譯碼產(chǎn)生四個(gè)節(jié)拍電位T0、T1、T2、T3。觸發(fā)器C1的T端固定接高電位,每來(lái)一個(gè)脈沖計(jì)一次數(shù)。觸發(fā)器C2的T端受或門(mén)的輸出控制。分析了指令流程以后可以知道,對(duì)于現(xiàn)行指令的目標(biāo)尋址為非變址尋址時(shí),在DT中不進(jìn)入T2拍,只需T0、T1兩個(gè)節(jié)拍。對(duì)于單操作數(shù)指令、MOV指令、雙數(shù)指令目標(biāo)尋址為寄存器尋址(DR=1)以及轉(zhuǎn)移類(lèi)指令、停機(jī)指令在ET中也只需兩拍,不進(jìn)入T2。上述情況應(yīng)封鎖C2計(jì)數(shù),圖中的或門(mén)就是起此作用的。第86頁(yè)/共258頁(yè)第86頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1187第87頁(yè)/共258頁(yè)第87頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11883.脈沖模型機(jī)在每個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖,其作用是:⑴用于寄存器接收代碼。如各寄存器的CP脈沖。⑵用于周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換。通常利用脈沖的前沿接收數(shù)據(jù),用脈沖的后沿進(jìn)行周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換。第88頁(yè)/共258頁(yè)第88頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1189第89頁(yè)/共258頁(yè)第89頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1190PC→BUS1CPPCBUSiBUS1BUS2PCiDCPCPMARBUSiMARiDCPALUA移位器DMiS3~S0M例:(PC)→MAR所需信號(hào)①PC→BUS1=1②S3S2S1S0M=11111③DM=1④CPMAR①②③是電位信號(hào),需在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)有效;④是脈沖信號(hào),其前沿將數(shù)據(jù)打入,后沿變換節(jié)拍。節(jié)拍脈沖第90頁(yè)/共258頁(yè)第90頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11916.5組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)用組合邏輯方法設(shè)計(jì)控制器的微操作控制信號(hào)形成部件,需要根據(jù)每條指令的要求,讓節(jié)拍電位和脈沖有步驟地去控制機(jī)器的有關(guān)部件,一步一步地依次執(zhí)行指令所規(guī)定的微操作序列,從而在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一條指令所規(guī)定的全部操作功能。第91頁(yè)/共258頁(yè)第91頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11926.5.1組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟在設(shè)計(jì)控制器之前,需由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)好機(jī)器的指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、時(shí)序系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上,才能進(jìn)行控制器的硬件線路設(shè)計(jì)。組合邏輯控制器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟:1.分析指令的執(zhí)行步驟,繪制指令操作流程圖分析指令操作流程的目的是確定指令執(zhí)行的具體步驟,決定各步所需的控制命令。第92頁(yè)/共258頁(yè)第92頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1193指令操作流程圖:根據(jù)機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)格式、數(shù)據(jù)表示方式及各種運(yùn)算的算法,把每條指令的執(zhí)行過(guò)程分解成若干功能部件能實(shí)現(xiàn)的基本微操作,并以圖的形式排列成有先后次序、相互銜接配合的流程。指令流程圖可以比較形象、直觀地表明一條指令的執(zhí)行步驟和基本過(guò)程。第93頁(yè)/共258頁(yè)第93頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1194繪制指令流程圖的兩種思路。①以指令為線索,按指令類(lèi)型分別繪制各條指令的流程。這種方法對(duì)一條指令的全過(guò)程有清晰的線索,易于理解。②以周期為線索,按機(jī)器周期擬定各類(lèi)指令在本周期內(nèi)的操作流程,再以操作時(shí)間表形式列出各個(gè)節(jié)拍內(nèi)所需的控制信號(hào)及它們的條件。這種方法便于微操作控制信號(hào)的綜合、化簡(jiǎn),容易取得優(yōu)化結(jié)果。為理解控制器設(shè)計(jì)方法,模型機(jī)設(shè)計(jì)基本采用了后一種方法。第94頁(yè)/共258頁(yè)第94頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1195指令操作時(shí)間表:把指令流程圖中的各個(gè)微操作具體落實(shí)到各個(gè)機(jī)器周期的相應(yīng)節(jié)拍和脈沖中去,并以微操作控制信號(hào)的形式編排成一張表。指令操作時(shí)間表用于形象地表明控制器應(yīng)該在什么時(shí)間,根據(jù)什么條件發(fā)出哪些微操作控制信號(hào)。指令操作時(shí)間表是指令流程圖的進(jìn)一步具體化。2.編排指令操作時(shí)間表3.進(jìn)行微操作綜合對(duì)操作時(shí)間表中各個(gè)微操作控制信號(hào)分別按其條件進(jìn)行歸納、綜合,列出其綜合的邏輯表達(dá)式,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、化簡(jiǎn),得到比較合理的邏輯表達(dá)式。第95頁(yè)/共258頁(yè)第95頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11964.設(shè)計(jì)微操作控制信號(hào)形成部件根據(jù)各個(gè)微操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式,用硬件邏輯電路加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方法:①根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出邏輯電路圖,用組合邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)②直接根據(jù)邏輯表達(dá)式用PLD器件如PLA、PAL、GAL等實(shí)現(xiàn)。第96頁(yè)/共258頁(yè)第96頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11976.5.2模型機(jī)的指令流程圖及操作時(shí)間表1.取指周期(FT)操作流程圖因?yàn)槿魏沃噶疃急仨氝M(jìn)入取指周期,所以取指操作也稱(chēng)為取指公操作。對(duì)于涉及訪存的周期通常需要有4個(gè)節(jié)拍,其中3個(gè)節(jié)拍用于訪存取數(shù),1個(gè)節(jié)拍用于操作和判斷。各節(jié)拍的操作為:T0:將訪存地址送入MART1:發(fā)訪存請(qǐng)求信號(hào)和讀信號(hào),從主存讀出信息送入MDRT2:將讀出信息從MDR傳送到有關(guān)寄存器。T3:進(jìn)行相關(guān)操作和判斷第97頁(yè)/共258頁(yè)第97頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1198在取指周期內(nèi),各節(jié)拍的操作為:FT0:指令地址→MARFT1:讀指令→MDR,PC+1→PCFT2:將MDR中的現(xiàn)行指令傳送到IR,并由ID進(jìn)行譯碼。FT3:根據(jù)指令譯碼結(jié)果進(jìn)行判斷,以確定下面應(yīng)進(jìn)入哪個(gè)機(jī)器周期。第98頁(yè)/共258頁(yè)第98頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/1199第99頁(yè)/共258頁(yè)第99頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11100在FT3節(jié)拍中,首先判斷所取指令是否為轉(zhuǎn)移類(lèi)指令。模型機(jī)中共定義了4條轉(zhuǎn)移指令:指令操作碼IR15IR14IR13IR11JP1010JC1011JZ1100JSR1101直接進(jìn)入執(zhí)行周期ETJUMP=IR15(IR14⊕IR13)第100頁(yè)/共258頁(yè)第100頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11101如果源(SR)和目的(DR)操作數(shù)均采用寄存器尋址,也可以直接進(jìn)入執(zhí)行周期ET;否則,如果為雙操作數(shù)指令需進(jìn)入取源周期ST;如果為單操作數(shù)指令需進(jìn)入取目的周期DT。指令有源操作數(shù)SR時(shí):IR11IR10IR9表示尋址方式指令有目的操作數(shù)DR時(shí):IR5IR4IR3表示尋址方式令SR=IR11IR10IR9DR=IR5IR4IR3SR·DR操作數(shù)尋址情況00源和目的均不是寄存器尋址01源不是寄存器尋址,目的是寄存器尋址10源是寄存器尋址,目的不是寄存器尋址11源和目的均是寄存器尋址進(jìn)入ST進(jìn)入DT進(jìn)入ET第101頁(yè)/共258頁(yè)第101頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11102各節(jié)拍中的控制信號(hào)節(jié)拍控制電位信號(hào)控制脈沖信號(hào)FT0PC→BUS1,S3S2S1S0M,DMCPMAR[P]FT1MREQ,R/W=1,PC→BUS1,S3S2S1S0M,C0=1,DMCPPC[P]FT2MDR→BUS1,S3S2S1S0M,DMCPIR[P]FT31→ST[JUMP·SR]1→DT[JUMP·SR·DR]1→ET[JUMP+SR·DR]CPFT[P]CPST[P]CPDT[P]CPET[P]TEND·PP表示時(shí)鐘脈沖的前沿(上升沿)起作用。P表示時(shí)鐘脈沖的后沿(下降沿)起作用。第102頁(yè)/共258頁(yè)第102頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/111032.取源周期(ST)的操作流程圖雙操作數(shù)指令的源尋址方式為非寄存器尋址時(shí),需進(jìn)入取源周期,完成源操作數(shù)尋址并取源操作數(shù)。取出的源操作數(shù)暫存在暫存器TEMP中。不同尋址方式有效地址形成方法不同,因此操作流程也不同。第103頁(yè)/共258頁(yè)第103頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11104第104頁(yè)/共258頁(yè)第104頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11105⑴源操作數(shù)采用寄存器間接尋址:FT0:寄存器中的地址信息→MARFT1:讀主存數(shù)據(jù)→MDRFT2:(MDR)→TEMPFT3:根據(jù)是否需要讀目的操作數(shù),判斷應(yīng)進(jìn)入執(zhí)行周期還是取目的周期。⑵源操作數(shù)采用變址尋址:由于變址尋址需到主存取出變址值,再形成有效地址,所以需兩次訪問(wèn)主存,即需重復(fù)執(zhí)行一次取源周期。①第一取源周期:讀變址值→Y,并在T3時(shí),建立Repeat信號(hào)和1→ST信號(hào),使之重復(fù)進(jìn)入ST。②重復(fù)取源周期:計(jì)算有效地址,讀入數(shù)據(jù)→TEMP,并在重復(fù)ST的T3時(shí),將Repeat信號(hào)清除,以便進(jìn)入下一個(gè)周期。第105頁(yè)/共258頁(yè)第105頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11106源操作數(shù)尋址方式的判斷條件:寄存器間接尋址:(RS)=IR11IR10IR9自增型寄存器間接尋址:(RS)+=IR11IR10IR9自減型寄存器間接尋址:-(RS)=IR11IR10IR9變址尋址:XS=IR11IR10IR9第106頁(yè)/共258頁(yè)第106頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11107取源時(shí)間表(表6-6)第107頁(yè)/共258頁(yè)第107頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11108第108頁(yè)/共258頁(yè)第108頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11109第109頁(yè)/共258頁(yè)第109頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/111103.取目的周期(DT)的操作流程圖當(dāng)雙操作數(shù)指令和單操作數(shù)指令的目的尋址方式為非寄存器尋址時(shí),進(jìn)入取目的周期完成目的操作數(shù)地址的尋址并讀取目的操作數(shù)。由于目的操作數(shù)在執(zhí)行周期才送入ALU的A輸入端運(yùn)算,所以取出的目的操作數(shù)暫不傳送,而保留在MDR中,因此對(duì)于非變址尋址的尋址方式只安排兩個(gè)節(jié)拍即可完成操作。MOV指令的目的尋址為非寄存器尋址時(shí),也需進(jìn)入目的周期,但因MOV指令只需傳送目的地址而不需取目標(biāo)操作數(shù),因而操作比較簡(jiǎn)單。第110頁(yè)/共258頁(yè)第110頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11111非MOV指令第111頁(yè)/共258頁(yè)第111頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11112MOV指令第112頁(yè)/共258頁(yè)第112頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11113取目的時(shí)間表(表6-7)第113頁(yè)/共258頁(yè)第113頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11114第114頁(yè)/共258頁(yè)第114頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11115第115頁(yè)/共258頁(yè)第115頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/111164.執(zhí)行周期(ET)的操作流程圖由于不同指令具有不同的操作功能,不同的尋址方式,操作數(shù)有不同的來(lái)源,因此不同指令在執(zhí)行周期的操作流程也各不相同,需要按不同的指令繪制執(zhí)行周期的操作流程圖。對(duì)于多數(shù)指令,執(zhí)行周期的操作均可在兩拍內(nèi)完成,所以多數(shù)指令的執(zhí)行周期內(nèi)只設(shè)兩個(gè)節(jié)拍。但對(duì)于JSR、RTS以及雙操作數(shù)指令的目的尋址為非寄存器尋址(即DR=0)時(shí),因?yàn)樾枰L存,所以在執(zhí)行周期內(nèi)設(shè)四個(gè)節(jié)拍來(lái)完成。在模型機(jī)的節(jié)拍發(fā)生器中,通過(guò)控制觸發(fā)器C2的T輸入端,可以選擇執(zhí)行周期的節(jié)拍數(shù)。第116頁(yè)/共258頁(yè)第116頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11117⑴傳送指令的執(zhí)行周期流程圖傳送指令在執(zhí)行周期中的功能是:將源操作數(shù)送入目的寄存器或存儲(chǔ)單元。傳送操作均可在兩個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。①SR、DR=11或01,目的操作數(shù)為寄存器,不用訪存。(RS)→RD,或(TEMP)→RD。②SR、DR=10或00,目的操作數(shù)為存儲(chǔ)器單元,需要訪存。(RS)→MDR,或(TEMP)→MDR,寫(xiě)主存。第117頁(yè)/共258頁(yè)第117頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11118第118頁(yè)/共258頁(yè)第118頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11119執(zhí)行周期的結(jié)束,意味著一條指令的執(zhí)行完畢。在一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí),機(jī)器需自動(dòng)檢測(cè)有沒(méi)有意外情況(如電源失效)和特殊請(qǐng)求(如中斷請(qǐng)求)發(fā)生。若有,需進(jìn)入相應(yīng)周期進(jìn)行處理;若沒(méi)有,則機(jī)器又進(jìn)入取指周期讀取下條指令。流程圖中的END框即表示一條指令執(zhí)行結(jié)束,進(jìn)行結(jié)束后的檢測(cè)。檢測(cè)操作均在執(zhí)行周期的最后一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。第119頁(yè)/共258頁(yè)第119頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11120第120頁(yè)/共258頁(yè)第120頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11121⑵雙操作數(shù)指令的執(zhí)行周期流程圖雙操作數(shù)指令的執(zhí)行周期的功能是:將源操作數(shù)與目的操作數(shù)進(jìn)行指定的操作后送入目的寄存器或存儲(chǔ)單元。①SR、DR=11或01,目的操作數(shù)為寄存器,不用訪存。(RS)或(TEMP)→Y,(RD)OP(Y)→RD??稍趦蓚€(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。②SR、DR=10或00,目的操作數(shù)為存儲(chǔ)器單元,需要訪存。(RS)或(TEMP)→Y,(MDR)OP(Y)→MDR,寫(xiě)主存。需要在四個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。第121頁(yè)/共258頁(yè)第121頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11122第122頁(yè)/共258頁(yè)第122頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11123⑶單操作數(shù)指令的執(zhí)行周期流程圖單操作數(shù)指令的執(zhí)行周期的功能是:將目的操作數(shù)進(jìn)行指定的操作后送入目的寄存器或存儲(chǔ)單元。操作均可在兩個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。①DR=1,目的操作數(shù)為寄存器,不用訪存。(RD)OP→RD。②DR=0,目的操作數(shù)為存儲(chǔ)器單元,需要訪存。(MDR)OP→MDR,寫(xiě)主存。第123頁(yè)/共258頁(yè)第123頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11124第124頁(yè)/共258頁(yè)第124頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11125⑷轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行周期流程圖模型機(jī)的轉(zhuǎn)移指令均采用相對(duì)尋址。非轉(zhuǎn)子指令的執(zhí)行周期的功能是:將PC中的內(nèi)容與指令中給出的位移量相加得到轉(zhuǎn)移目的地址送入PC,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。操作均可在兩個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。JP:PC→Y,(Y)+I(xiàn)R(D)→PCJC、JZ:先判斷CC或CZ,若為1,滿(mǎn)足轉(zhuǎn)移條件,則執(zhí)行(Y)+I(xiàn)R(D)→PC,否則指令執(zhí)行結(jié)束。第125頁(yè)/共258頁(yè)第125頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11126第126頁(yè)/共258頁(yè)第126頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11127⑸轉(zhuǎn)子和返回指令的執(zhí)行周期流程圖轉(zhuǎn)子(JSR)和返回(RTS)指令在執(zhí)行周期中不僅要改變PC的內(nèi)容,而且需要進(jìn)行斷點(diǎn)保護(hù)或恢復(fù)斷點(diǎn)的工作。需要在四個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成。JSR:(SP)-1→SP,PC→MDR和Y,寫(xiě)主存,(Y)+I(xiàn)R(D)→PCRTS:(SP)→MAR,(SP)+1→SP,讀主存,(MDR)→PC第127頁(yè)/共258頁(yè)第127頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11128第128頁(yè)/共258頁(yè)第128頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11129⑹停機(jī)指令的執(zhí)行周期流程圖停機(jī)指令(HALT)的執(zhí)行周期的功能是使機(jī)器暫停執(zhí)行。0→RUN第129頁(yè)/共258頁(yè)第129頁(yè)/共259頁(yè)2023/4/11130模型機(jī)嚴(yán)格按照周期、節(jié)拍工作,根據(jù)各指令所需的周期數(shù)和各周期所需的節(jié)拍數(shù),可以計(jì)算每條指令所需的節(jié)拍數(shù)。例:計(jì)算指令A(yù)DDR0,R1所需的周期和節(jié)拍數(shù)。解:∵R0,R1采用寄存器尋址,∴需要取指和執(zhí)行兩個(gè)周期?!逨T周期需4個(gè)節(jié)拍,ET周期需2個(gè)節(jié)拍∴共需6個(gè)節(jié)拍第130頁(yè)/共2
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