北方交大期末計(jì)算機(jī)復(fù)習(xí)資料計(jì)算機(jī)組成原理期末復(fù)習(xí)

打算機(jī)⑷成感理

期未裒習(xí)

題型：

i的艙擇題：30分■

?基本概念和重要概念

?容易混淆的概念

?簡單計(jì)算

?分布于各章

■計(jì)算題：20分

?看清題意（何種計(jì)算，何種算法）

?計(jì)算準(zhǔn)確

?寫出計(jì)算步驟K、

?第二章

■分析設(shè)計(jì)題：50分

?仔細(xì)分析題意及已知條件

?作圖規(guī)范

?綜合運(yùn)用知識(shí)

?第二、三、五、六、七章

第一章知識(shí)要點(diǎn)：

1,了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史及應(yīng)用;

2,掌握計(jì)算機(jī)的基本組成及特點(diǎn);

3,掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。

圖1.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)基本組成框圖

五級高級語言級-I

四級匯編卷"g級一I

口itSg序

三級操作靠統(tǒng)級1

R操作系統(tǒng)

二級一般&器級H

「尊序

微程鼻冠計(jì)康")

程序直接由硬件執(zhí)行

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次

結(jié)構(gòu)示意tSLJ

第二章知識(shí)要點(diǎn)：

1,掌握數(shù)據(jù)信息的表示方法，包括原碼、

補(bǔ)碼、反碼、移碼及定、浮點(diǎn)數(shù)的表示

方法；

2,了解非數(shù)值數(shù)據(jù)（字符和漢字）的表

示方法；

3,掌握定點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、除算法；

4,掌握定點(diǎn)運(yùn)算器的組成與結(jié)構(gòu)；

5,掌握浮點(diǎn)運(yùn)算方法，了解浮點(diǎn)運(yùn)算器

的基本結(jié)而。

用集成電路構(gòu)成ALU的原理

■SN74181是一種具有并行進(jìn)位的多功能ALU芯片,

每片4位，構(gòu)成一組，組內(nèi)是并行進(jìn)位。

■SN74182芯片：是一個(gè)產(chǎn)生并行進(jìn)位信號(hào)的部

■利用SN74181提供的小組進(jìn)位傳遞函數(shù)和進(jìn)位

生成函數(shù)為輸入?yún)?shù)，以并行的方式給出每個(gè)

小組（芯片）的最高位進(jìn)位信號(hào)。

■SN74182是作為第二級并行進(jìn)位系統(tǒng).

例：用SN74181和SN74182設(shè)計(jì)如下的32位ALU.

■兩重進(jìn)位方式

■三重進(jìn)位方式

■行波進(jìn)位方式

32位兩重并行進(jìn)位ALU框圖:

4C12

G2AP2ICnC24C20G?P?

r

SN74182

I

GJn

Tn

P4*G?P3*—pl*

同右邊FRrRFR

F|6F|5F14FlJFuF11F10F9IB3

II—III

s0

SN74181SN74181N77410

-IITIII

TfIIIIIIII

RTD$&cSA

Bj2BnB14BISB|4B|JB12BnBioB9*BJ

Aj2AnA16AlsAuA|3AnAnA10AsA5A4A2

第二大組第一大組

（16位）（16位）

32位三重并行進(jìn)位ALU框圖:

32位行波進(jìn)位方式ALU框圖:

mi

SN74181(7))cSN7418K2)SN74l8l(l)>-C0

風(fēng)?27?26

AyiAj]A30A29AJJAj7A26A2J

2.5.2定點(diǎn)運(yùn)算器

運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)包含：、

■加法器

■通用寄存器

■輸入數(shù)據(jù)選擇電路

■輸出數(shù)據(jù)控制電路

■內(nèi)部總線

1.定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)及工作過程:

系統(tǒng)總線

內(nèi)存儲(chǔ)器

內(nèi)部BUS

寄存器n

實(shí)“循環(huán)左

校"判別16位運(yùn)算結(jié)果是否為全0

“循環(huán)右

寄存校"

“字節(jié)交

最終簿"

“直接傳11

進(jìn)位三選一多

值路選擇器

1T

AR

0O|01

ITT存放原

RoR]操作數(shù)、

目的操

LDRo作數(shù)，

可作累

加器

雙向移位寄存

器，做乘法時(shí)

存放乘數(shù)，做

LDR3

除法時(shí)存放商。

圖2.27小型機(jī)運(yùn)算器框圖

浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器

例2.21：

■設(shè)浮點(diǎn)數(shù)的階碼為4位（含階符），尾數(shù)

為6位（含尾符），x、y中的指數(shù)項(xiàng)，小

數(shù)項(xiàng)均為二進(jìn)制真值.

(l)x=2olx0.1101,產(chǎn)2Hx(-0.1010),求x+廣？

⑵x=-2-°i°x(Mill,y=2H0°x0.1110,求x一尸?

解⑴岡眉）001,0,11010；［y］補(bǔ)=0011,L01100

①對階［AE廣網(wǎng)補(bǔ)-回補(bǔ)=0001+1101=1110,其真值為?010,即x的

階嗎比y的階碼小2,x的尾教應(yīng)右移施,階媽加2,得

岡補(bǔ)=0011,0.00111（0索人）

②尾數(shù)相加（用雙符號(hào)）,［xV/」6,IP

00.00111

+1L01100

11.10011

?球規(guī)格化，由于運(yùn)算結(jié)果的尾數(shù)為山XX…X的形式,所以

應(yīng)左規(guī)，尾數(shù)左移一位,階碑機(jī),結(jié)果為［x+ybW010,L00110,x+y=2010

x（-0.11010）.

2.6.2浮點(diǎn)運(yùn)算器

1.浮點(diǎn)運(yùn)算器的一般結(jié)構(gòu)

第三章知識(shí)要點(diǎn)：

1,理解存儲(chǔ)器的分類和分級結(jié)構(gòu)；

2,掌握主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)、基本結(jié)構(gòu)和

基本操作；

3,理解半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本組成和工作原

理；▼

4,掌握主存儲(chǔ)器組織；

5,掌握CACHE的功能、基本原理、地址映

像（直接映像方式）和替換策略；

6,掌握多體交叉存儲(chǔ)器的基本原理及地址

交叉方法;^

7,掌握虛擬存儲(chǔ)器的基本概念及頁式虛擬

存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)器和段頁式虛擬

存儲(chǔ)器的工作原理和替換算法；

8,掌握存儲(chǔ)保護(hù)的兩種方法：存儲(chǔ)區(qū)域保

護(hù)和訪問方式保護(hù)；

9,掌握存儲(chǔ)校驗(yàn)技術(shù)及幾種常見校驗(yàn)碼：

奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼、CRC碼。

基本概念

■存儲(chǔ)器：存放程序和數(shù)據(jù)的器件；

■存儲(chǔ)位：存放一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位的存儲(chǔ)單元，是

存儲(chǔ)器最小的存儲(chǔ)單位，或稱記憶單元；

■存儲(chǔ)字：一個(gè)數(shù)（n位二進(jìn)制位）作為一個(gè)整

體存入或取出時(shí)，稱存儲(chǔ)字；

■存儲(chǔ)單元：存放一個(gè)存儲(chǔ)字的若干個(gè)記憶單元

組成一個(gè)存儲(chǔ)單元；存儲(chǔ)體：大量存儲(chǔ)單元的

集合組成存儲(chǔ)體；

■存儲(chǔ)單元地址：存儲(chǔ)單元的編號(hào)；

■字編址：對存儲(chǔ)單元按字編址；

■字節(jié)編址：對存儲(chǔ)單元按字節(jié)編址；

■尋址：由地址尋找數(shù)據(jù)，從對應(yīng)地址的存儲(chǔ)單

一"、-口

第四章知識(shí)要點(diǎn)：

■了解指令系統(tǒng)的發(fā)展；

■掌握指令系統(tǒng)的性能指標(biāo)；

■理解計(jì)算機(jī)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系；

■掌握指令的格式和指令字長度及其擴(kuò)展

方法；

■掌握各種尋址方式的特點(diǎn);，

■掌握指令系統(tǒng)的要求和指令分類。

第五章

CPU的組成與功能

■(1)控制器組成

■控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼

器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等組成.

■主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，

控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件執(zhí)行程序的指令序列。

■控制器內(nèi)的主要寄存器有：程序計(jì)數(shù)器(PC)

緩沖寄存器(DR)、指令寄存器(IR)、指令譯

碼器(ID)、地址寄存器(AR)o

控制器的主要作用是：

■指令譯碼。

■控制指令執(zhí)行。、

此外，控制器還應(yīng)該具有以下作用：

■控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出

■處理異常情況和請求。

(2)運(yùn)算器組成

運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元(ALU)、累

加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)標(biāo)志

寄存器組成，負(fù)責(zé)完成對操作數(shù)據(jù)的加

工處理任務(wù).相對控制器而言，運(yùn)算器

接受控制器的命令并且進(jìn)行操作，即運(yùn)

算器所進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)

出的控制信號(hào)來指揮的，所以它是執(zhí)行

部件。

運(yùn)算器的主要組成

運(yùn)算器的主要組成有：算術(shù)邏輯單

元（ALU）、累加寄存器（AC）、數(shù)據(jù)緩

沖寄存器（DR）、狀態(tài)標(biāo)志寄存器等。

CPU

圖5.1CPI.的結(jié)構(gòu)

指令的執(zhí)行與時(shí)序產(chǎn)生器

■掌握指令的執(zhí)行過程

■掌握指令周期、機(jī)器周期、節(jié)拍、工作脈沖的概念

-指令周期就是CPU從取出一條指令、分析指令并執(zhí)

行這條指令所花費(fèi)的時(shí)間。

指令周期常常用若干個(gè)CPU周期數(shù)來表示。

-CPU周期也稱為機(jī)器周期。通常是用主存儲(chǔ)器中讀

取一個(gè)指令字的最短時(shí)間來規(guī)定CPU周期。

基本的機(jī)器周期：

?取指周期

?尋址運(yùn)算和取操作數(shù)周期

?執(zhí)行周期

掌握各種指令的指令周期的構(gòu)

'成'

■CU指令是我問內(nèi)存指令；1^^^

■ADD指令是一條直接訪問內(nèi)存指令；

■STA指令是一條間接訪問內(nèi)存指令；

■JMP指令是轉(zhuǎn)移控制指令。

掌握時(shí)序產(chǎn)生器的工作原理

■時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器就是用邏輯電路實(shí)現(xiàn)上

述控制時(shí)序，產(chǎn)生指令周期控制時(shí)序信

號(hào)的部件。Ik

■時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器最基本的結(jié)構(gòu)都是由時(shí)

鐘源、環(huán)形脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀

/寫時(shí)序譯碼邏輯、啟?？刂七壿嫷炔?/p>

分構(gòu)成的，

IORQMERQRDWET1T2T3T4

圖5.16時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)圖

CPU的控制方式

指令周期是指從取指到執(zhí)行完一條指令

所需要的時(shí)間，是由若干個(gè)CPU周期組成的。

每條指令所需的時(shí)間各不相同，每個(gè)操作控

制信號(hào)所需的時(shí)間及出現(xiàn)的次序也是各不相

同的。形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的

方法，稱作控制器的控制方式?？刂品绞椒?/p>

映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。CPU常用的控制

方式有三種：同步控制方式、異步控制方式

和聯(lián)合控制方式。

微程序設(shè)計(jì)技術(shù)和微程序控制

器

\在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，微程序設(shè)計(jì)

技術(shù)是利用軟件方法進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的一

門技術(shù)。采用微程序設(shè)計(jì)思想的微程序

控制器，同組合邏輯控制器相比較，具

有規(guī)整、靈活、易維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，

因而，在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中取代了早期采用

的組合邏輯控制器，應(yīng)用廣泛。

微程序控制的基本思想就是按照設(shè)

計(jì)解題程序的思路，把操作控制信號(hào)編

成微指令，并將微指令代碼存放到只讀

存儲(chǔ)器里，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條一條地

讀出這些微指令，產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需要的

各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)

定的操作。

微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

1.微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的基本概念

在計(jì)算機(jī)中，一條指令功能是，由控

制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控

制命令，執(zhí)行部件接受命令后，按一定次

序執(zhí)行一系列最基本操作完成的。這些控

制命令通常稱為微命令，而這些最基本的

操作稱為微操作。微命令就是用以控制各

功能部件完成某個(gè)微操作的命令。

相容性和相斥性微操作

微操作在執(zhí)行部件中是最基本的操作。

由于數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，微操作可分為相

容性和相斥性兩種。

所謂相容性的微操作，是指在同時(shí)或同

一個(gè)CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作。

所謂相斥性的微操作，是指不能在同時(shí)

或不能在同一個(gè)CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操

作。

例子：

下圖示出了一個(gè)簡單運(yùn)算器模型，其

中ALU為算術(shù)邏輯單元，R1,R2,R3為三

個(gè)寄存器。三個(gè)寄存器的內(nèi)容都可以通過

多路開關(guān)從ALU的X輸入端或Y輸入端

送至ALU,而ALU的輸出可以送往任何一

個(gè)寄存器或同時(shí)送往RI,R2,R3三個(gè)寄

存器。

簡單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖

圖中每個(gè)開關(guān)門由控制器中相應(yīng)的微命令

來控制，例如，開關(guān)門4由控制器中編號(hào)為

4的微命令控制，開關(guān)門6由編號(hào)為6的微命

令控制，如此等等。三個(gè)寄存器Ri，R2,

R3的時(shí)鐘輸入端1，2,3也需要加以控制，

以便在ALU運(yùn)算完畢而輸出公共總線上電

平穩(wěn)定時(shí)，將結(jié)果打入到某一寄存器。另

外，我們假定ALU只有十，一，M（傳送）

三種操作。Cy為最高進(jìn)位觸發(fā)器，有進(jìn)位

時(shí)該觸發(fā)器狀態(tài)為“1”。

■ALU的操作（加、減、傳送）在同一個(gè)

CPU周期中只能選擇一種，不能并行，所

以十，一，M（傳送）三個(gè)微操作是相斥

性的微操作。類似地，4,6,8三個(gè)微操作

是相斥性的，5,7,9三個(gè)微操作也是相斥

性的。

■微操作1,2,3是可以同時(shí)進(jìn)行的，所

以是相容性的微操作。另外，ALU的X輸

入微操作4,6,8分別與Y輸入的5,7,9

任意兩個(gè)微操作，也都是相容性的。

圖5.22微指令與機(jī)器指令的關(guān)系(1)

2.微指令基本結(jié)構(gòu)

（1）微指令的基本格式

微指令的基本格式如圖5.20所示。

微指令是由操作控制（微命令字段）和

順序控制（微地址字段）兩個(gè)基本部分

構(gòu)成的。Rk▼

操作控制部分I順序控制部分

----測試標(biāo)志順序地址

,___iIxzU

控制信號(hào)W/RSi-So下一條指令地址

圖5.20微指令基本格式

1）操作控制部分

用它來發(fā)出指揮計(jì)算機(jī)工作的控制

信號(hào)?？梢杂貌僮髯侄蔚拿恳晃槐硎疽?/p>

個(gè)微命令。微命令信號(hào)還要加入時(shí)間控

制，即與時(shí)序信號(hào)組合。

2）順序控制部分

用它來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。決

定下一條微指令地址的方法有多種，但基本上還

是由微指令順序控制字段來決定。即用微指令順

序控制字段的若干位直接給出下一條微指令的地

址，其余各位則作為判別測試狀態(tài)的標(biāo)志，如標(biāo)

志為“0”則表示不進(jìn)行判別測試，直接按順序控

制字段給出的地址取下一條微指令；若標(biāo)志為

“1”則表示要進(jìn)行判別測試，根據(jù)測試結(jié)果，按

要求修改相應(yīng)的地址位信息，并按修改后的地址

取下一條微指令。

例：一個(gè)具體的微指令結(jié)構(gòu)

■微指令字長為23位，它由操作控制和順

序控制兩大部分組成。

■操作控制部分用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)

工作的控制信號(hào)。為了形象直觀，在我

們的例子中，該字段為17位，每一位表

示一個(gè)微命令。每個(gè)微命令的編號(hào)同前

圖所示的數(shù)據(jù)通路相對應(yīng)，具體功能示

于微指令格式的左上部。

LDR；LDRJRi-YR「YR3-YMRD'LDIR'PC+I

||I||H直接堆址

LDRJRLXRLXDR-XLDDR,LDAR'PiPi

具體微指令格式

例：一個(gè)具體的微指令結(jié)構(gòu)

當(dāng)操作控制字段某一位信息為“1”時(shí)，

表示發(fā)出微命令；而某一位信息為“0”時(shí),

表示不發(fā)出微命令。例如，當(dāng)微指令字第

1位信息為“1”時(shí)，表示發(fā)出LDR\；的

微命令，那么運(yùn)算器將執(zhí)行ALU-Ri的微

操作，把公共總線上的信息打入到寄存器

R1O同樣，當(dāng)微指令第10位信息為“1”時(shí)，

則表示向ALU發(fā)出進(jìn)行“十”的微命令，

因而ALU就執(zhí)行“十”的微操作。

例：一個(gè)具體的微指令結(jié)構(gòu)

微指令格式中的順序控制部分用來決

定產(chǎn)生下一條指令的地址。本例中順序控

制字段有6位，其中4位(20-23)用來直接給

出下一條微指令的地址，第18,19兩位作

為判別測試標(biāo)志。根據(jù)測試結(jié)果，需要對

20—23位的某一位或某幾位進(jìn)行修改，然

后按修改地址取下一條微指令。

3.微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是微指令結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)

計(jì)微指令結(jié)構(gòu)需要考慮以下問題（也是微程

序設(shè)計(jì)技術(shù)所要討論的問題）：

①如何縮短微指令字的長度。

②如何減小控制存儲(chǔ)器的容量。

③如何減少微程序長度。

④如何提高微程序的執(zhí)行速度

⑤如何易于修改微指令。、

⑥如何增加微程序設(shè)計(jì)的靈活性。

(1)微指令的編碼譯碼控制方法

微指令由控制字段和順序控制字段

組成。微指令編碼譯碼控制方法，就是

對微指令中的操作控制字段進(jìn)行編碼表

示，并且給出操作控制信號(hào)的方法。通

常有以下幾種方法：

1）位直接控制法

采用位直接控制法的微指令結(jié)構(gòu)如圖

5.20所示。在微指令的控制字段中，每

一位表示一個(gè)微命令，在設(shè)計(jì)微指令時(shí),

只要將微指令控制字段中相應(yīng)位置成‘1

或’0’，便可發(fā)出或禁止某個(gè)微命令，

這就是位直接控制法。

操作控制部分I順序控制部分

----測試標(biāo)志順序地址

,____iIxzU

控制信號(hào)W/RSi-So下一條指令地址

圖5.20微指令基本格式

優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀，其輸出可直接用于控制,

操作并行性最好，從而提高速度。

缺點(diǎn)：字長過長，CM容量過大，利用效率

極低o

2）字段直接譯碼控制法

采用字段直接譯碼控制法的微指令結(jié)

構(gòu)如圖5.23所示。字段直接譯碼控制法

就是把一組相斥性的微命令信號(hào)組成一

個(gè)字段（一個(gè)小組），然后通過字段譯

碼器對每一個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯

碼輸出作為操作控制信號(hào)。即組內(nèi)采用

最小編譯法，組間采用直接控制法。

微命令微命令(Sb.*

圖5.23字段直接譯碼控制法

優(yōu)點(diǎn)：

■字長較直接控制編碼短2?4倍

■各段微操作是并行執(zhí)行的，每段的位數(shù)

不多，其譯碼線路及組合邏輯線路較簡

單，門電路的級延遲時(shí)間不大，提高速

度。

■硬件設(shè)備較最小編譯法簡單。

■以功能部件來分段，便于微程序的編制

和機(jī)器的調(diào)試檢查工作。

3）混合編碼譯碼控制法

這是將位直接控制法與字段譯碼控

制法混合使用的方法，能綜合考慮微指

令字長、靈活性和執(zhí)行微程序速度等方

面的要求.

（2）微地址的產(chǎn)生及微程序流的控制

當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令，稱為現(xiàn)行微指令，現(xiàn)

行微指令所在的控制存儲(chǔ)器單元的地址稱為現(xiàn)行微

地址?，F(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，下一條要執(zhí)行的微

指令稱為后繼微指令。后繼微指令所在的控制存儲(chǔ)

器單元地址稱為后繼微地址。

微程序流的控制是當(dāng)現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，

控制產(chǎn)生后繼微指令的后繼微地址的過程。通常，

產(chǎn)生后繼微地址有3種方法。

■1）計(jì)數(shù)器方式

■2）增量方式與斷定方式相結(jié)合的方法

■3）多路轉(zhuǎn)移方式

(3)微指令的格式

微指令的編碼譯碼控制方法是決定

微指令格式的主要因素。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)

時(shí)考慮到速度、價(jià)格等原因，可采用不

同的編碼譯碼控制方法，即使在一臺(tái)計(jì)

算機(jī)中，也有幾種編碼譯碼控制方法同

時(shí)存在的情況。微指令的格式大體分成

兩類：水平型微指令和垂直型微指令。

1）水平型微指令

一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微

命令的微指令，稱作水平型微指令。采

用直接控制法進(jìn)行編碼的，屬于水平型

微指令的典型例子。水平型微指令的一

般格式如下：▼

控制字段判別測試字段下一地址字段

按照控制字段的編碼方法的不同，

水平型微指令又分為三種：全水平型

（不譯法）微指令、字段譯碼法水平型

微指令、直接和譯碼相混合的水平型微

指令。▼

2）垂直型微指令

設(shè)置微操作碼字段時(shí)，采用微操作

碼編譯法來規(guī)定微指令的功能的微指令,

稱為垂直型微指令。實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令

的微程序要比水平型微指令編寫的微程

序長得多。它采用較長的微程序結(jié)構(gòu)來

換取較短的微指令結(jié)構(gòu)。

5.3.2微程序控制器

\L威用矗器組成原理

微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器、微

指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組

成，其中，微指令寄存器又分為微地址

寄存器和微命令寄存器兩部分。

圖5.27(1)微程序控制器組成原理框圖

掌握硬布線控制器的設(shè)計(jì)方法

\J.硬布線控制基本方法鼠

硬布線控制是早期推出的設(shè)計(jì)計(jì)算

機(jī)的一種方法。硬布線控制器所產(chǎn)生的

控制計(jì)算機(jī)各部分操作所需的控制信號(hào)

是由直接連線的邏輯電路生成的，所以

又稱為組合邏輯控制器。

主要掌握硬布線控制邏輯設(shè)計(jì)的基本步驟

掌握門陣列控制器的設(shè)計(jì)方法

由大量的與門、或門陣列等電路構(gòu)成

的器件，簡稱為門陣列器件.用門陣列器

件設(shè)計(jì)的操作控制器，稱為門陣列控制器

門陣列器件中有小規(guī)模、中規(guī)模集成電路

制作的邏輯器件，也有大規(guī)模集成電路制

作的通用可編程邏輯器件。

基本設(shè)計(jì)思想

采用門陣列器件設(shè)計(jì)控制器的基本

設(shè)計(jì)思想與早期的硬布線控制器一樣：

首先寫出每個(gè)操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)

式，然后選用某種門陣列芯片，并通過

編程來實(shí)現(xiàn)這些表達(dá)式。

第六章知識(shí)要點(diǎn)：

■了解總線的概念及分類。

■掌握總線的連接、控制和通信方式

以及信息的傳送方式等等。

■掌握常用微機(jī)總線及接口的類型及

應(yīng)用。

1.總線的結(jié)構(gòu)

■地址線，用于選擇信息傳送的設(shè)備。地址線通

常是單向線，地址信息由源部件發(fā)送到目的部

擇。

■數(shù)據(jù)線，用于在總線上的設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)信

息。數(shù)據(jù)線通常是雙向線。

■控制線，用于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制和監(jiān)視功能。

控制線通常都是單向線，有從CPU發(fā)送出去的，

也有從設(shè)備發(fā)送出去的。

■還有時(shí)鐘線、電源線和地線等，分別用作時(shí)鐘

控制、提供電源，及減少信號(hào)失真及噪聲干擾O

2.總線的連接方式

■根據(jù)連接方式的不同，單機(jī)系統(tǒng)中采用

的總線結(jié)構(gòu)有3種基本類型：

—雙總線結(jié)構(gòu)；

-三總線結(jié)構(gòu)。▼

信息的傳送方式

■計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，信息傳輸基本上有4種方式：

-串行傳送

-并行傳送

-并串行傳送

-分時(shí)傳送

■出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送信

息時(shí)，通常采用并行傳送方式。

■在一些微型計(jì)算機(jī)或單片機(jī)中，由于受CPU引

腳數(shù)的限制，系統(tǒng)總線傳送信息時(shí)，采用的是

并串行方式或分時(shí)方式。

6.2總線的控制與通信

■總線為多個(gè)部件所共享，要有一個(gè)控制機(jī)構(gòu)來

仲裁總線使用權(quán)。因?yàn)榭偩€是公共的，所以當(dāng)

總線上的一個(gè)部件要與另一個(gè)部件進(jìn)行通信時(shí),

就應(yīng)該發(fā)出請求信號(hào)。

■在同一時(shí)刻，可能有多個(gè)部件要求使用總線，

這時(shí)總線控制部件將根據(jù)一定的判決原則，即

按一定的優(yōu)先次序，來決定首先同意哪個(gè)部件

使用總線。只有獲得了總線使用權(quán)的部件，才

能開始傳送數(shù)據(jù)。

總線的控制

■根據(jù)總線控制部件的位置，控制方式可

以分成兩類：

-集中式：總線控制邏輯基本集中在一處的，

稱為集中式總線控制。集中式控制是三總線、

雙總線和單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器中主要采用的方式

它主要有3種控制方式：

■鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑?/p>

■計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式；

■獨(dú)立請求方式。

-分散式：總線控制邏輯分散在總線各部件中

的，稱為分散式總線控制。

1.鏈?zhǔn)讲樵兎绞?/p>

圖示的總

線控制部

D數(shù)據(jù)線件在單總

A地址線線和雙總

BG：總線授權(quán)信號(hào)線系統(tǒng)中

BSBR：總線請求信號(hào)

總線

BS：總線忙信號(hào)常常是

控制假設(shè)設(shè)備n請求使

用總線。CPU的一

部件BR部分。在

設(shè)備接口設(shè)備接口

0三總線系

統(tǒng)的I/O

總線中，

BG它是通道

的一部分

鏈?zhǔn)讲樵兎绞降闹饕卣?/p>

■BG串行地從一個(gè)I/O接口傳送到下一個(gè)I/O接口

假如BG到達(dá)的接口無總線請求，則繼續(xù)往下

傳；假如BG到達(dá)的總線接口有總線請求，則

BG信號(hào)便不再往下傳。這意味著，該I/O接口

就獲得了總線使用權(quán)，同時(shí)將BS信號(hào)置1。

■在查詢鏈中離總線控制器最近的設(shè)備具有最高

優(yōu)先權(quán)，離總線越遠(yuǎn)，優(yōu)先權(quán)越低，因此，鏈

式查詢是通過接口的優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路來實(shí)現(xiàn)的

鏈?zhǔn)讲樵兎绞降膬?yōu)缺點(diǎn)

■優(yōu)點(diǎn)：

-只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總

線控制，并且這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)很容易擴(kuò)充設(shè)備。

■缺點(diǎn)：K

-對查詢鏈的電路故障很敏感，如果第i個(gè)設(shè)

備接口中有關(guān)鏈的電路有故障,那么第i個(gè)

以后的設(shè)備都不能進(jìn)行工作。

-查詢鍵的優(yōu)先級固定。如果優(yōu)先級高的設(shè)備

出現(xiàn)頻繁的請求，那么優(yōu)先級較低的設(shè)備可

能長期不能使用總線。

2.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式

■原理如圖所示。

計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式原理

■總線上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，都

通過BR線發(fā)出總線請求?？偩€控制器接

到請求信號(hào)以后，在BS線為“0”的情況

下讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過一組

地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)設(shè)備接口都有

一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的

計(jì)數(shù)值與請求使用總線的設(shè)備的接口地

址相一致時(shí)，該設(shè)備置BS線為“1”，獲

得總線使用權(quán)，此時(shí)中止計(jì)數(shù)查詢。

計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式優(yōu)先級

■計(jì)數(shù)可以從“0”開始，各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈

式查詢法相同，優(yōu)先級的順序是固定的。

■計(jì)數(shù)也可以從中止點(diǎn)開始。每個(gè)設(shè)備使用總線

的優(yōu)先級相等。這種方式對于用終端控制器來

控制各個(gè)顯示終端設(shè)備是非常合適的。因?yàn)榻K

端顯示屬于同一類設(shè)備，應(yīng)該具有相等的總線

使用權(quán)。

■計(jì)數(shù)器的初值也可用程序來設(shè)置，這樣可以方

便地改變優(yōu)先次序，顯然這種靈活性是以增加

線數(shù)為代價(jià)的。

3.獨(dú)立請求方式

設(shè)設(shè)備】和設(shè)備n同時(shí)

請求使用總線.

獨(dú)立詁求方式中,每

個(gè)設(shè)備均仃-對總線

請求線BRi和總線授

權(quán)線BGi；中央仲裁

器白個(gè)排隊(duì)電路,

它根據(jù)定的優(yōu)先次

序決定首先響應(yīng)哪個(gè)

設(shè)備的請求.給設(shè)備

i以授權(quán)信號(hào)BGL

獨(dú)立請求方式優(yōu)缺點(diǎn)

■優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間快，即確定優(yōu)先響應(yīng)的設(shè)備所

花費(fèi)的時(shí)間少，用不著一個(gè)設(shè)備接一個(gè)設(shè)備地

查詢。該方式對優(yōu)先次序的控制也很靈活。它

可以預(yù)先固定，例如，BRo優(yōu)先級最高，BRi次

之……B燈最低；也可以通過程序來改變優(yōu)先

次序；還可以用屏蔽（禁止）某個(gè)請求的辦法,

不響應(yīng)來自無效設(shè)備的請求。

■缺點(diǎn)：增加控制線數(shù)。在鏈?zhǔn)讲樵冎袃H用兩個(gè)

線就可確定總線使用權(quán)屬于哪個(gè)設(shè)備；在計(jì)數(shù)

查詢中大致要用log2n根線，其中n是允許接納

的最大設(shè)備數(shù)。而獨(dú)立請求方式需采用2n根線。

總線的通信

■共享總線的部件獲得總線使用權(quán)后，就開始傳

送信息，即進(jìn)行通信。

■通信方式是實(shí)現(xiàn)總線控制和數(shù)據(jù)傳送的手段，

通常分為兩種：

-同步通信：即無應(yīng)答通信?？偩€上的部件通過總線

進(jìn)行信息傳送時(shí)，用一個(gè)公共的時(shí)鐘信號(hào)來實(shí)現(xiàn)同

步定時(shí)。

-異步通信：允許總線上的各部件有各自的時(shí)鐘，在

部件之間進(jìn)行通信時(shí)沒有公共的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而是靠

發(fā)送信息時(shí)同時(shí)發(fā)出本設(shè)備的時(shí)間標(biāo)志信號(hào)，用

“應(yīng)答方式”來進(jìn)行通信。

標(biāo)準(zhǔn)接口類型

■在微機(jī)系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)，其目的是為

了便于模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到更多廠商的廣泛支

持，便于“生產(chǎn)”與之兼容的外部設(shè)備和軟件

不同類型的外設(shè)需要不同的接口，不同的接口

不通用。Mk

■下面介紹CPU與外設(shè)，尤其是磁盤、光盤等的

接口標(biāo)準(zhǔn)。以前在8086/286機(jī)器上存在過的

磁盤機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)如ST506和ESDI等接口標(biāo)準(zhǔn)都

已經(jīng)被淘汰，目前在微機(jī)中使用最廣泛的接口

是：IDE、EIDE、SCSLUSB和IEEE1394等5

種。

第七章知識(shí)要點(diǎn)：

■了解外設(shè)的作用及編址方法。

■掌握CPU與外設(shè)之間的信息交換方式：

程序查詢方式、程序中斷控制方式、直

接內(nèi)存訪問方式（DMA）、通道方式和

外圍處理機(jī)方式等。

信息交換的控制方式

■信息交換的控制方式一般分為5種類型

-程序查詢方式H

-程序中斷控制方式^

-直接內(nèi)存訪問方式(DMA)

-通道方二▼

-外圍處理機(jī)方式(PPU)

各種方式的特點(diǎn)、工作原理、接口

程序查詢方式

■程序查詢方式又叫程序控制I/O方式。在這種方

式中，數(shù)據(jù)在CPU和外圍設(shè)備之間的傳送完全

靠計(jì)算機(jī)程序控制，是在CPU主動(dòng)控制下進(jìn)行

的。當(dāng)執(zhí)行I/O時(shí)，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去

執(zhí)行I/O服務(wù)程序，根據(jù)服務(wù)程序中的I/O指令

進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

■程序查詢I/O方式程序執(zhí)行的動(dòng)作

■程序查詢方式流程圖和相應(yīng)的程序

■程序查詢方式優(yōu)缺點(diǎn)

■程序查詢方式的接口電路

程序中斷方式

■中斷的基本概念，所謂中斷是指計(jì)算機(jī)由任何

非尋常的或非預(yù)期的急需處理的事件引起CPU

暫時(shí)中斷現(xiàn)行程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一服

務(wù)程序來處理這些事件，等處理完后又返回原

程序，這一整個(gè)執(zhí)行過程。

■中斷的作用

■CPU響應(yīng)中斷的條件

■中斷源的種類

■中斷源的建立

■中斷的分級與中斷優(yōu)先權(quán)

■禁止中斷和中斷屏蔽

■中斷處理方式

■中斷處理步驟

■判別中斷條件。

-中斷向量：中斷服務(wù)程序的入口地址。

-中斷向量地址：存放中斷處理程序入口地址單元的

地址稱為“中斷向量地址”。

-向量中斷方式：由發(fā)出中斷請求信號(hào)的外部設(shè)備接

口中的硬件編碼線路自動(dòng)形成中斷向量地址或中斷

向量。

-非向量中斷方式：由程序形成中斷入口地址的方式

這是一種用軟件調(diào)整響應(yīng)中斷的優(yōu)先順序的方式。

三種不同的方法:

-(1)查詢法：這種軟件查詢方法適用于低

速和中速設(shè)備。屬于非向量中斷，它的優(yōu)點(diǎn)

是電路簡單，中斷條件標(biāo)志的優(yōu)先級可用程

序任意改變，靈活性好。缺點(diǎn)是設(shè)備多時(shí)速

魚太慢。K,

-(2)串行排隊(duì)鏈法、由硬件實(shí)現(xiàn)的具有公

共請求線的判優(yōu)選擇方式。

-(3)獨(dú)立請求法：這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度

快，但是連線多，邏輯線路復(fù)雜。

掌握工作原理、特點(diǎn)，能分析線路圖。

單級中斷與多級中斷

，二維多級中斷結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的配置不同，

多級中斷又可分為一維

荷就無權(quán)依多級中斷和二維多級中

3SLJHa斷，如圖所示。一維多

1r

滋圻A改缶8世eC

_L級中斷是指每一1級中斷

里只有一個(gè)中斷源，而

】投】K{

一］二I廠［憂二維多級中斷是指每一

十先D|I|也各E|諛防F5t

fe級中斷里又有多個(gè)中斷

口源.圖中虛莪左邊為一

維多級中斷結(jié)構(gòu)，如果

去掉虛線則成為二維多

級中斷結(jié)構(gòu)。

程序中斷方式的基本接口、工作過程

7DMA方式的基本概念與傳送方式

■DMA方式的基本概念

-全由硬件執(zhí)行I/O傳送的工作方式。在這種

方式中，DMA控制器從CPU中接管了對總

線的控制，數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU,而直接在

內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。

-DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)的場

合。

DMA控制器基本操作

■各種DMA控制器至少能執(zhí)行以下一些基本操作

-①從外圍設(shè)備接收DMA請求并傳送到CPU；

-②CPU響應(yīng)DMA請求，DMA控制器從CPU接管總

線的控制權(quán)；

-③DMA控制器對內(nèi)存尋址、計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)傳送個(gè)數(shù)，并

執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作；▼

-④DMA向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束，CPU以中斷

方式響應(yīng)DMA結(jié)束請求，由CPU在中斷程序中進(jìn)行

結(jié)束后的處理工作。如數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的處理、數(shù)據(jù)的

校驗(yàn)等簡單操作.

DMA傳送方式

■根據(jù)DMA控制器與CPU分時(shí)訪問主存的

方式不同，DMA傳送方式有以下3種：

-(1)停止CPU訪問內(nèi)存

-(2)周期挪用方式

-(3)CPU與DMA交替訪問內(nèi)存

DMA控制器的基本組成

■DMA控制器是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系

統(tǒng)總線之間的接口電路，它是在中斷接口的基

礎(chǔ)上再加上DMA機(jī)構(gòu)組成的。它由以下幾個(gè)邏

輯部分組成：

-①內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。K

-②字計(jì)數(shù)器▼

-③中斷機(jī)構(gòu)。

-④控制/狀態(tài)邏輯。

-⑤數(shù)據(jù)緩沖寄存器。

-⑥D(zhuǎn)MA請求標(biāo)志。

DMA數(shù)據(jù)傳送過程

■可分為3個(gè)階段：'EI

-初始化DMA控制器、正式傳送、傳送后的

處理。

選擇型和多路型DMA控制器

■1.選擇型DMA控制器

-選擇型DMA控制器在物理上可以連接多臺(tái)外設(shè)，但

在邏輯上只允許接一臺(tái)外設(shè)，即在某一時(shí)間內(nèi)只能

選擇某一臺(tái)設(shè)備工作的DMA控制器。

■2.多路型DMA控制器

-多路型DMA控制器適合于同時(shí)為多臺(tái)慢速的外設(shè)服

務(wù)的情況，它不僅在物理上可連接多臺(tái)外設(shè)，而且

在邏輯上也允許這些外設(shè)同時(shí)工作。各設(shè)備以字節(jié)

交叉方式通過DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

通道的基本概念

■通道控制方式是大、中型計(jì)算機(jī)中常用的一種

I/O形式。

■這種方式中，通道執(zhí)行由操作系統(tǒng)“編制”的

通道程序來實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送，

因此，通道是一種特殊的處理機(jī)，它有自己的

指令和程序，但通道程序不是由用戶編寫的，

而是由操作系統(tǒng)按照用戶的請求及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

的狀態(tài)“編制”而成的，它放入內(nèi)存中。

■當(dāng)通道需要工作時(shí)，將通道程序從內(nèi)存取回到

通道并執(zhí)行，從而完成用戶的I/O操作。

通道與主機(jī)的連接

圖示的是通道與主機(jī)的連接，

其中通道與CPU在內(nèi)存管理部

件的控制下分時(shí)地使用內(nèi)存，

系統(tǒng)中的總線分為兩級：一級

是存儲(chǔ)總線（系統(tǒng)總線）承擔(dān)

通道與內(nèi)存、CPU與內(nèi)存之間

的數(shù)據(jù)傳送任務(wù)；另一級是通

道總線，即I/O總線，它承擔(dān)

外圍設(shè)備與通道之間的數(shù)據(jù)傳I[I/O益線

送任務(wù)。這兩級總線可以分別冠擇通道匚:-一"T-2