《計(jì)算機(jī)組成原理》

1、CPU 辦公室：辦公室：211 辦公電話：辦公電話：9 電子郵件：電子郵件： 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器 接口與通信接口與通信 輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 Cache 第八章第八章 CPU的結(jié)構(gòu)與功能（的結(jié)構(gòu)與功能（最難最難） （含（含 第八章第八章+第四篇）第四篇） 8.1 CPU的基本功能與組成（的基本功能與組成（8.1） 8.2 時(shí)序系統(tǒng)和控制方式（時(shí)序系統(tǒng)和控制方式（8.2 8.3 9） 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)（組合邏輯設(shè)計(jì)（10） 8.4 微程序設(shè)計(jì)（微程序設(shè)計(jì)（10） 第八章第八章 CPU的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 時(shí)

2、序系統(tǒng)是控制器的心臟，時(shí)序系統(tǒng)是控制器的心臟， 其功能是為指令的執(zhí)行提供各種定時(shí)信號(hào)。其功能是為指令的執(zhí)行提供各種定時(shí)信號(hào)。 （一條指令分不同執(zhí)行階段即周期（一條指令分不同執(zhí)行階段即周期-節(jié)拍）節(jié)拍） 控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟）控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟） 步驟一步驟一 擬定指令系統(tǒng)（邏輯依據(jù)，講過了）擬定指令系統(tǒng)（邏輯依據(jù)，講過了） 步驟二步驟二 確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排，剛講過）確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排，剛講過） 步驟三步驟三 擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排，該講了擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排，該講了） 8.2、時(shí)序系統(tǒng)和控制方式、時(shí)序系統(tǒng)和控制方式 8.2.1 多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)（周期、節(jié)拍）多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)（周

3、期、節(jié)拍） 8.2.2 指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流 8.2.3 指令流水指令流水 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 組合控制器的設(shè)計(jì)步驟組合控制器的設(shè)計(jì)步驟 步驟一步驟一 擬定指令系統(tǒng)（邏輯依據(jù)，講過了）擬定指令系統(tǒng)（邏輯依據(jù)，講過了） 步驟二步驟二 確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排，剛講過）確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排，剛講過） 步驟三步驟三 擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排，講過了）擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排，講過了） 步驟四步驟四 擬定指令流程圖擬定指令流程圖 （合并了步驟一、步驟三）（合并了步驟一、步驟三） 方框方框 代表一個(gè)代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的某種控制操作。周期，方框中的內(nèi)容表

4、示數(shù)據(jù)通路的某種控制操作。 菱形菱形 通常用來表示某種判別或測試，不單獨(dú)占用一個(gè)通常用來表示某種判別或測試，不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。周期。 Review: 指令流程圖指令流程圖 采用方框圖語言來表示采用方框圖語言來表示 一條指令的指令周期。一條指令的指令周期。 8.2、時(shí)序系統(tǒng)和控制方式、時(shí)序系統(tǒng)和控制方式 8.2.1 多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)（周期、節(jié)拍）多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)（周期、節(jié)拍） 8.2.2 指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流 8.2.3 指令流水（并行執(zhí)行）指令流水（并行執(zhí)行） 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 提高訪存速度：提高訪存速度： 1、采用高速存儲(chǔ)芯片、采用高速存儲(chǔ)芯片 2、多體并行存

5、儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、多體并行存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 3、采用高速緩沖存儲(chǔ)器、采用高速緩沖存儲(chǔ)器 提高提高CPU速度：速度：P345 1、采用高速邏輯部件、采用高速邏輯部件 2、改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：、改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 采用流水技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)的并行性。采用流水技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)的并行性。 1、指令流水線結(jié)構(gòu)、指令流水線結(jié)構(gòu) 假設(shè)完成一條指令分假設(shè)完成一條指令分 7 段，段， 每段需一個(gè)時(shí)鐘周期。每段需一個(gè)時(shí)鐘周期。 若流水線不出現(xiàn)斷流若流水線不出現(xiàn)斷流1 個(gè)時(shí)鐘周期出個(gè)時(shí)鐘周期出 1 結(jié)果結(jié)果 不采用流水技術(shù)不采用流水技術(shù)7 個(gè)時(shí)鐘周期出個(gè)時(shí)鐘周期出 1 結(jié)果結(jié)果 理想情況下，理想情況下，7 級(jí)流水級(jí)流水 的速度是不采用流水技術(shù)的的速度是

6、不采用流水技術(shù)的 7 倍。倍。 地址形成部件地址形成部件 指令譯碼部件指令譯碼部件 取操作數(shù)部件取操作數(shù)部件 取指令部件取指令部件 操作執(zhí)行部件操作執(zhí)行部件 回寫結(jié)果部件回寫結(jié)果部件 修改指令指針部件修改指令指針部件 鎖存鎖存 鎖存鎖存 鎖存鎖存 鎖存鎖存 鎖存鎖存 鎖存鎖存 8.2.3 指令流水指令流水 流水線流水線CPU 2、運(yùn)算流水線、運(yùn)算流水線 完成完成 浮點(diǎn)加減浮點(diǎn)加減 運(yùn)算，可分運(yùn)算，可分 對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化 三段。三段。 分段原則，每段分段原則，每段 操作時(shí)間操作時(shí)間 盡量盡量 一致。一致。 鎖存器鎖存器 對(duì)階功能部件對(duì)階功能部件 第一段第一段 尾數(shù)加部

7、件尾數(shù)加部件 鎖存器鎖存器 第二段第二段 規(guī)格化部件規(guī)格化部件 鎖存器鎖存器 第三段第三段 8.2.3 指令流水指令流水 流水線流水線CPU 流水過程中通常會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，使流水線斷流。流水過程中通常會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，使流水線斷流。 1 1）結(jié)構(gòu)相關(guān)）結(jié)構(gòu)相關(guān) 是指多條指令進(jìn)入流水線后在同一時(shí)鐘周期內(nèi)爭用同一個(gè)部件是指多條指令進(jìn)入流水線后在同一時(shí)鐘周期內(nèi)爭用同一個(gè)部件 所發(fā)生的沖突。所發(fā)生的沖突。 例如：假定一條指令流水線由五段組成。在第例如：假定一條指令流水線由五段組成。在第4時(shí)鐘周期時(shí)，時(shí)鐘周期時(shí)， I1與與I4兩條指令同時(shí)訪存發(fā)生沖突。兩條指令同時(shí)訪存發(fā)生沖突。 解決辦法：

8、解決辦法：1）第）第I4條指令停頓一拍后再啟動(dòng)；條指令停頓一拍后再啟動(dòng)； 2）設(shè)兩個(gè)存儲(chǔ)體，一個(gè)存指令，一個(gè)存數(shù)據(jù)。）設(shè)兩個(gè)存儲(chǔ)體，一個(gè)存指令，一個(gè)存數(shù)據(jù)。 IF 取指取指 ID 譯碼譯碼 EX 執(zhí)行執(zhí)行 MEM 存取數(shù)存取數(shù) WB 寫回寫回 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 2 2）數(shù)據(jù)相關(guān)）數(shù)據(jù)相關(guān) 在流水計(jì)算機(jī)中，指令的處理是重疊進(jìn)行的，當(dāng)后繼指令所需的操在流水計(jì)算機(jī)中，指令的處理是重疊進(jìn)行的，當(dāng)后繼指令所需的操 作數(shù)，剛好是前一指令的運(yùn)算結(jié)果時(shí)，便發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。作數(shù)，剛好是前一指令的運(yùn)算結(jié)果時(shí)，便發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。 例如：例如：ADD指令與指令與S

9、UB指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。 解決辦法：后推法；或在流水解決辦法：后推法；或在流水CPU的運(yùn)算器中設(shè)置若干運(yùn)算結(jié)果的運(yùn)算器中設(shè)置若干運(yùn)算結(jié)果 暫存器（暫時(shí)保留運(yùn)算結(jié)果）以便后繼指令直接使用。暫存器（暫時(shí)保留運(yùn)算結(jié)果）以便后繼指令直接使用。 ADD R1，R2，R3（R2）+（R3） R1 SUB R4，R1，R5（R1）-（R5） R4 AND R6，R1，R7 （R1）（R7） R6 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 IF 取指取指 ID 譯碼，譯碼， 讀寄存器讀寄存器 EX 執(zhí)行執(zhí)行 訪存地址訪存地址 MEM 訪存訪存 WB 寫寄存

10、器寫寄存器 3 3） 控制相關(guān)控制相關(guān) 由轉(zhuǎn)移指令引起，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件，可能順序取下條指令；由轉(zhuǎn)移指令引起，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件，可能順序取下條指令； 也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，從而使流水線發(fā)生斷流。也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，從而使流水線發(fā)生斷流。 為了減小轉(zhuǎn)移指令對(duì)流水線性能的影響，常用兩種轉(zhuǎn)移處理技術(shù)：為了減小轉(zhuǎn)移指令對(duì)流水線性能的影響，常用兩種轉(zhuǎn)移處理技術(shù)： 延遲轉(zhuǎn)移法延遲轉(zhuǎn)移法 由編譯程序重排指令序列來實(shí)現(xiàn)。由編譯程序重排指令序列來實(shí)現(xiàn)。 基本思想是基本思想是“先執(zhí)行再轉(zhuǎn)移先執(zhí)行再轉(zhuǎn)移”，即發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)并不排空指令，即發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)并不排空指令 流水線，而是讓緊跟在轉(zhuǎn)移指令之后已進(jìn)入流水線

11、流水線，而是讓緊跟在轉(zhuǎn)移指令之后已進(jìn)入流水線 的少數(shù)的少數(shù) 幾條指令繼續(xù)完成。幾條指令繼續(xù)完成。 轉(zhuǎn)移預(yù)測法轉(zhuǎn)移預(yù)測法 用硬件方法實(shí)現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為預(yù)測將來的行為。用硬件方法實(shí)現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為預(yù)測將來的行為。 通過使用轉(zhuǎn)移取和順序取兩路指令預(yù)取隊(duì)列器以及目標(biāo)指通過使用轉(zhuǎn)移取和順序取兩路指令預(yù)取隊(duì)列器以及目標(biāo)指 令令Cache，可將轉(zhuǎn)移預(yù)測提前到取指階段進(jìn)行。，可將轉(zhuǎn)移預(yù)測提前到取指階段進(jìn)行。 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 例：流水線中有三類數(shù)據(jù)相關(guān)沖突：例：流水線中有三類數(shù)據(jù)相關(guān)沖突： 寫后讀相關(guān)；讀后寫相關(guān)；寫后寫相關(guān)。寫后讀相關(guān)；讀后寫相關(guān)

12、；寫后寫相關(guān)。 判斷以下三組指令各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。判斷以下三組指令各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。 （1） I1: ADD R1，R2，R3 ； (R2) + (R3) 送（送（R1） I2: SUB R4，R1，R5 ； (R1) - (R5) 送（送（R4） 解：第解：第(1)組指令中，組指令中，I1指令運(yùn)算結(jié)果應(yīng)先寫入指令運(yùn)算結(jié)果應(yīng)先寫入R1，然后在，然后在I2指令中讀指令中讀 出出R1內(nèi)容。由于內(nèi)容。由于I2指令進(jìn)入流水線，變成指令進(jìn)入流水線，變成I2指令在指令在I1指令寫入指令寫入R1 前就讀出前就讀出R1內(nèi)容，發(fā)生寫后讀相關(guān)。內(nèi)容，發(fā)生寫后讀相關(guān)。 8.2.3 指令流水指令流水

13、流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 IF 取指取指 ID 譯碼，譯碼， 讀寄存器讀寄存器 EX 執(zhí)行執(zhí)行 訪存地址訪存地址 MEM 訪存訪存 WB 寫寄存器寫寄存器 例：流水線中有三類數(shù)據(jù)相關(guān)沖突：例：流水線中有三類數(shù)據(jù)相關(guān)沖突： 寫后讀相關(guān)；讀后寫相關(guān)；寫后寫相關(guān)。寫后讀相關(guān)；讀后寫相關(guān)；寫后寫相關(guān)。 判斷以下三組指令各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。判斷以下三組指令各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。 （2） I5: MUL R3，R1，R2 ； (R1)(R2)-（R3） I6: ADD R3，R4，R5 ； (R4) + (R5)-（R3） 解：如果解：如果I6指令的加法運(yùn)算完成時(shí)間早于指令的加法運(yùn)算

14、完成時(shí)間早于I5指令的乘法運(yùn)算時(shí)間，指令的乘法運(yùn)算時(shí)間， 變成指令變成指令I(lǐng)6在指令在指令I(lǐng)5寫入寫入R3前就寫入前就寫入R3，導(dǎo)致，導(dǎo)致R3的內(nèi)容錯(cuò)誤，的內(nèi)容錯(cuò)誤， 發(fā)生寫后寫相關(guān)發(fā)生寫后寫相關(guān) 。 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 例：某一流水線處理機(jī)，包括取指、譯碼、執(zhí)行例：某一流水線處理機(jī)，包括取指、譯碼、執(zhí)行 3個(gè)功能階段。個(gè)功能階段。 取指、譯碼各需要取指、譯碼各需要1T，執(zhí)行階段，執(zhí)行階段 MOV操作需要操作需要2T，ADD操作需操作需 要要3T。取操作數(shù)包含在譯碼階段，最后。取

15、操作數(shù)包含在譯碼階段，最后1T寫結(jié)果。寫結(jié)果。 執(zhí)行下面的程序后按要求分析指令流水線的功能。執(zhí)行下面的程序后按要求分析指令流水線的功能。 K: MOV R1,R0;R1 = (R0) K+1:ADD R0,R2,R1;R0 = (R1)+(R2) （1）設(shè)計(jì)并畫出流水線功能段的結(jié)構(gòu)圖。）設(shè)計(jì)并畫出流水線功能段的結(jié)構(gòu)圖。 解：解： IFIDEX 流入流入 流出流出 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 例：某一流水線處理機(jī)，包括取指、譯碼、執(zhí)行例：某一流水線處理機(jī)，包括取指、譯碼、執(zhí)行 3個(gè)功能階段。個(gè)功能階段。 取指、譯碼各需要取指、譯碼各需要1T，執(zhí)行階段，執(zhí)行

16、階段 MOV操作需要操作需要2T，ADD操作需操作需 要要3T。取操作數(shù)包含在譯碼階段，最后。取操作數(shù)包含在譯碼階段，最后1T寫回結(jié)果。寫回結(jié)果。 執(zhí)行下面的程序后按要求分析指令流水線的功能。執(zhí)行下面的程序后按要求分析指令流水線的功能。 K: MOV R1,R0;（R1）=（R0） K+1:ADD R0,R2,R1;R0 = （R1）+（R2） （2）考慮指令數(shù)據(jù)相關(guān)，畫出指令執(zhí)行過程流水線時(shí)空?qǐng)D。）考慮指令數(shù)據(jù)相關(guān)，畫出指令執(zhí)行過程流水線時(shí)空?qǐng)D。 KKK+1K+1K+1 KK+1 KK+1取指取指 譯碼譯碼 取操作數(shù)取操作數(shù) 執(zhí)行執(zhí)行 空間空間 時(shí)間時(shí)間 KK+1 問：當(dāng)遇到什么情況時(shí)，流水

17、線講受阻。問：當(dāng)遇到什么情況時(shí)，流水線講受阻。 答：流水線受阻一般有三種情況：答：流水線受阻一般有三種情況： 1、在指令重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要、在指令重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要 求，發(fā)生資源沖突。求，發(fā)生資源沖突。 如在同一時(shí)間，幾條重疊執(zhí)行的指令分別要取指令、取操作數(shù)如在同一時(shí)間，幾條重疊執(zhí)行的指令分別要取指令、取操作數(shù) 和存結(jié)果，都需要訪存，就會(huì)發(fā)生訪存沖突。和存結(jié)果，都需要訪存，就會(huì)發(fā)生訪存沖突。 2、在程序的相鄰指令之間出現(xiàn)了某種關(guān)聯(lián)，如當(dāng)一條指令需要用、在程序的相鄰指令之間出現(xiàn)了某種關(guān)聯(lián)，如當(dāng)一條指令需要用 到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些

18、指令均在流水線中重疊執(zhí)行，到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行， 就可能引起數(shù)據(jù)相關(guān)。就可能引起數(shù)據(jù)相關(guān)。 3、當(dāng)流水線遇到分支指令時(shí)，如一條指令要等前一條（或幾條）、當(dāng)流水線遇到分支指令時(shí)，如一條指令要等前一條（或幾條） 指令作出轉(zhuǎn)移方向的決定后，才能進(jìn)入流水線時(shí)，便發(fā)生控制指令作出轉(zhuǎn)移方向的決定后，才能進(jìn)入流水線時(shí)，便發(fā)生控制 相關(guān)。相關(guān)。 8.2.3 指令流水指令流水 流水線中的沖突問題流水線中的沖突問題 8.2、時(shí)序系統(tǒng)和控制方式、時(shí)序系統(tǒng)和控制方式 8.2.1 多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)（周期、節(jié)拍）多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)（周期、節(jié)拍） 8.2.2 指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流 8.2.

19、3 指令流水（并行執(zhí)行）指令流水（并行執(zhí)行） 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 控制方式控制方式 （即控制不同微操作序列，時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生的方法。）（即控制不同微操作序列，時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生的方法。） 常用的三種方式有：常用的三種方式有： 同步控制（與主頻同步）、同步控制（與主頻同步）、 異步控制、異步控制、 聯(lián)合控制。聯(lián)合控制。 其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 控制器如何在時(shí)序上對(duì)指令的執(zhí)行過程實(shí)施控制？控制器如何在時(shí)序上對(duì)指令的執(zhí)行過程實(shí)施控制？ 一條指令的執(zhí)行，是由許多個(gè)微操作組成的，不同的指令對(duì)應(yīng)著不同一條指令的執(zhí)行，是

20、由許多個(gè)微操作組成的，不同的指令對(duì)應(yīng)著不同 的微操作序列。的微操作序列。 控制器對(duì)指令流、數(shù)據(jù)流的控制，實(shí)質(zhì)是對(duì)這些微操作序列的控制?？刂破鲗?duì)指令流、數(shù)據(jù)流的控制，實(shí)質(zhì)是對(duì)這些微操作序列的控制。 在時(shí)間上如何安排這些微操作？在時(shí)間上如何安排這些微操作？ 或說用怎樣的時(shí)序方式來形成這些微操作序列？或說用怎樣的時(shí)序方式來形成這些微操作序列？ 就是控制器的時(shí)序控制問題。就是控制器的時(shí)序控制問題。 1）、同步控制方式）、同步控制方式 固定時(shí)序控制方式：各微操作都由固定時(shí)序控制方式：各微操作都由CPU統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制。統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制。 在任何情況下，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)在

21、任何情況下，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) 都固定不變。都固定不變。 由于不同的指令操作時(shí)間不一致，同步控制方式以最長的指令執(zhí)行時(shí)由于不同的指令操作時(shí)間不一致，同步控制方式以最長的指令執(zhí)行時(shí) 間作為統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。其他指令和微操作也按這個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。間作為統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。其他指令和微操作也按這個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 這樣，全機(jī)各個(gè)部件都按統(tǒng)一時(shí)序工作，由一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生一系列微操這樣，全機(jī)各個(gè)部件都按統(tǒng)一時(shí)序工作，由一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生一系列微操 作控制信號(hào)進(jìn)行控制。這些微操作控制信號(hào)都與時(shí)鐘信號(hào)（作控制信號(hào)進(jìn)行控制。這些微操作控制信號(hào)都與時(shí)鐘信號(hào)（CPU的主的主 頻）同步。頻）同步。 特點(diǎn)：

22、社會(huì)主義大鍋飯。設(shè)計(jì)簡單，控制方便，時(shí)間容易，但是對(duì)許特點(diǎn)：社會(huì)主義大鍋飯。設(shè)計(jì)簡單，控制方便，時(shí)間容易，但是對(duì)許 多簡單指令來說會(huì)有比較多的空閑時(shí)間，造成較大數(shù)量的時(shí)間多簡單指令來說會(huì)有比較多的空閑時(shí)間，造成較大數(shù)量的時(shí)間 浪費(fèi)，從而影響了指令的執(zhí)行速度，效率低。浪費(fèi)，從而影響了指令的執(zhí)行速度，效率低。 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 1）、同步控制方式）、同步控制方式 （1）采用）采用 定長的機(jī)器周期（機(jī)器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)相同）定長的機(jī)器周期（機(jī)器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)相同） 以以 最長最長 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作為的微操作作為 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)

23、序控制方式 CLK 機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期 （取指令）（取指令）（送操作數(shù)地址）（送操作數(shù)地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） 指令周期指令周期 T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3 機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期 （取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） 指令周期指令周期 T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍 (狀態(tài)狀態(tài)) 機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期 （取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） T0T1T2T3T0T1T2T3TT 延長延長 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 1）、同步控制方式）、同步控制方式 （2）采用）采用 不定長的機(jī)器

24、周期（機(jī)器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)不相同）不定長的機(jī)器周期（機(jī)器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)不相同） 一些復(fù)雜的指令可以通過增加節(jié)拍，延長機(jī)器周期來解決。一些復(fù)雜的指令可以通過增加節(jié)拍，延長機(jī)器周期來解決。 T0T1T2T3T0T1T2 中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍 T3T0T1 中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍 機(jī)器周期機(jī)器周期 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 指令周期指令周期 取指周期取指周期 T0T1T2T3 局部控制節(jié)拍寬度與中央控制節(jié)拍寬度一致局部控制節(jié)拍寬度與中央控制節(jié)拍寬度一致 T*T*T* 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 1）、同步控制方式）、同步控制方式 （3）采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法）采用中央控制和局部控制相結(jié)

25、合的方法 中央控制：部分指令安排在統(tǒng)一的、較短的機(jī)器周期內(nèi)完成，中央控制：部分指令安排在統(tǒng)一的、較短的機(jī)器周期內(nèi)完成， 局部控制：部分復(fù)雜指令，在中央控制的執(zhí)行周期中插入局部局部控制：部分復(fù)雜指令，在中央控制的執(zhí)行周期中插入局部 控制節(jié)拍。控制節(jié)拍。 局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍 2）、異步控制方式）、異步控制方式 即可變時(shí)序控制方式：各微操作不采用統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制。即可變時(shí)序控制方式：各微操作不采用統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制。 每條指令、每個(gè)操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。每條指令、每個(gè)操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。 每條指令的指令周期可由多個(gè)不等的機(jī)器周期數(shù)組成。每條指令的指令周期可由多個(gè)不等的機(jī)

26、器周期數(shù)組成。 這是一種這是一種“應(yīng)答應(yīng)答”方式，各操作之間的銜接是由方式，各操作之間的銜接是由“結(jié)束結(jié)束 起始起始”信信 號(hào)號(hào) 來實(shí)現(xiàn)的，由前一操作已經(jīng)完成的來實(shí)現(xiàn)的，由前一操作已經(jīng)完成的 “結(jié)束結(jié)束” 信號(hào)，或由下一操作的信號(hào)，或由下一操作的 “準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好” 信號(hào)來作為下一操作的起始信號(hào)，在沒有收到信號(hào)來作為下一操作的起始信號(hào)，在沒有收到“結(jié)束結(jié)束” 或或 “準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好”信號(hào)之前不開始新的操作。信號(hào)之前不開始新的操作。 例如：存儲(chǔ)器讀操作，例如：存儲(chǔ)器讀操作，CPU向存儲(chǔ)器發(fā)一個(gè)讀命令（起始信號(hào)），啟動(dòng)向存儲(chǔ)器發(fā)一個(gè)讀命令（起始信號(hào)），啟動(dòng) 存儲(chǔ)器內(nèi)部的時(shí)序信號(hào)，此時(shí)存儲(chǔ)器內(nèi)部的時(shí)序信

27、號(hào)，此時(shí)CPU處于等待狀態(tài)，當(dāng)存儲(chǔ)器讀操作結(jié)束處于等待狀態(tài)，當(dāng)存儲(chǔ)器讀操作結(jié)束 后，向后，向CPU發(fā)出結(jié)束信號(hào)，以此作為下一操作的起始信號(hào)。發(fā)出結(jié)束信號(hào)，以此作為下一操作的起始信號(hào)。 特點(diǎn)：共產(chǎn)主義按需分配。省時(shí)，效率高，但控制復(fù)雜。特點(diǎn)：共產(chǎn)主義按需分配。省時(shí)，效率高，但控制復(fù)雜。 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 現(xiàn)在的微機(jī)中的聯(lián)合控制方式：現(xiàn)在的微機(jī)中的聯(lián)合控制方式： 中央控制：對(duì)大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間接近或相等的指令，由中央控制：對(duì)大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間接近或相等的指令，由CPU的主的主 頻時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步控制。頻時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步控制。 局部控制：少數(shù)執(zhí)行時(shí)間差別大的指令，由局部控制器發(fā)出的節(jié)拍局

28、部控制：少數(shù)執(zhí)行時(shí)間差別大的指令，由局部控制器發(fā)出的節(jié)拍 控制，但局部控制器的時(shí)鐘也要與控制，但局部控制器的時(shí)鐘也要與CPU的時(shí)鐘同步。的時(shí)鐘同步。 3）、聯(lián)合控制方式）、聯(lián)合控制方式 此為同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。此為同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。 實(shí)際上，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒有完全采用同步或完全采用異步的控實(shí)際上，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒有完全采用同步或完全采用異步的控 制方式，大多數(shù)是采用聯(lián)合控制方式。制方式，大多數(shù)是采用聯(lián)合控制方式。 通常的設(shè)計(jì)思想是：在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式通常的設(shè)計(jì)思想是：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

29、方式。為主的控制方式，在功能部件之間采用異步方式。 一般來說：一般來說：CPU內(nèi)部是同步的，內(nèi)部是同步的，CPU與其他部件之間是異步的。與其他部件之間是異步的。 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 1、指令系統(tǒng)、指令系統(tǒng) 指令種類直接影響著時(shí)序控制方式，各類指令所需要的時(shí)間差指令種類直接影響著時(shí)序控制方式，各類指令所需要的時(shí)間差 不多時(shí)可采用同步控制，如果時(shí)間差異大則采用異步控制；不多時(shí)可采用同步控制，如果時(shí)間差異大則采用異步控制； 同步控制與同步控制與CPU時(shí)鐘同步，故時(shí)序系統(tǒng)簡單，異步控制要有自時(shí)鐘同步，故時(shí)序系統(tǒng)簡單，異步控制要有自 己的時(shí)鐘，故時(shí)序系統(tǒng)復(fù)雜。己的時(shí)鐘，故時(shí)序系統(tǒng)復(fù)雜。

30、 2、指令格式和尋址方式、指令格式和尋址方式 指令格式：指令格式： 單地址（訪存兩次）單地址（訪存兩次） 雙地址（訪存三次）雙地址（訪存三次） 尋址方式：直接、間接、變址等訪存次數(shù)不同，執(zhí)行時(shí)間不等。尋址方式：直接、間接、變址等訪存次數(shù)不同，執(zhí)行時(shí)間不等。 所以，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)時(shí)，需要考慮指令系統(tǒng)中的這些問題。所以，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)時(shí)，需要考慮指令系統(tǒng)中的這些問題。 8.2.4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 -影響時(shí)序系統(tǒng)的因素影響時(shí)序系統(tǒng)的因素 8.1 CPU的基本功能與組成（的基本功能與組成（8.1） 8.2 時(shí)序系統(tǒng)和控制方式（時(shí)序系統(tǒng)和控制方式（8.2 8.3 9） 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)（組合邏

31、輯設(shè)計(jì)（10） 8.4 微程序設(shè)計(jì)（微程序設(shè)計(jì)（10） 第八章第八章 CPU的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要）組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要） 步驟一步驟一 擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)）擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)） 步驟二步驟二 確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路）確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路） 步驟三步驟三 擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排）擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排） 選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期節(jié)拍）節(jié)拍） 即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干

32、個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期 一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期，一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期， 源周期，目的周期，執(zhí)行周期等）源周期，目的周期，執(zhí)行周期等） 步驟四步驟四 擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三）擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三） 將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來 （它是采用時(shí)序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵一步）（它是采用時(shí)序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵一步） 步驟五步驟五 編制微操作時(shí)間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)）編制微操作時(shí)間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)） 將指令流程中規(guī)定

33、的操作落實(shí)到由哪個(gè)部件完成，在什么時(shí)間完成將指令流程中規(guī)定的操作落實(shí)到由哪個(gè)部件完成，在什么時(shí)間完成 步驟六步驟六 微操作的組合與化簡微操作的組合與化簡 根據(jù)操作時(shí)間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用根據(jù)操作時(shí)間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用“或或”連接組合成原始連接組合成原始 表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。 步驟七步驟七 設(shè)計(jì)邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式。）設(shè)計(jì)邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式。） 重在理解重在理解 Review: 控制器控制器 確定一臺(tái)機(jī)器指令全部微操作命令的節(jié)拍安排之前，首先要明確確定一

34、臺(tái)機(jī)器指令全部微操作命令的節(jié)拍安排之前，首先要明確 CPUCPU的控制方式（同步或異步）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（總線或非總線）。的控制方式（同步或異步）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（總線或非總線）。 例如：采用同步控制方式，非總線結(jié)構(gòu)的例如：采用同步控制方式，非總線結(jié)構(gòu)的CPUCPU，一個(gè)一個(gè)CPU周期有周期有3拍。拍。 非總線非總線CPU PCIR AC CU 時(shí)鐘時(shí)鐘 ALU C1 C2 C5 C9 C0 C10 C3 C7 C4 C6 C12 C11 C8 控制信號(hào)控制信號(hào) 標(biāo)志標(biāo)志 控制控制 信號(hào)信號(hào) M D R M A R 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排 安排微操作時(shí)間表的原則

35、安排微操作時(shí)間表的原則 原則一原則一 微操作的微操作的 先后順序不得先后順序不得 隨意隨意 更改。更改。 原則二原則二 被控對(duì)象不同被控對(duì)象不同 的微操作，盡量安排在的微操作，盡量安排在 一個(gè)節(jié)拍一個(gè)節(jié)拍 內(nèi)完成。內(nèi)完成。 原則三原則三 占用占用 時(shí)間較短時(shí)間較短 的微操作，盡量的微操作，盡量 安排在安排在 一個(gè)節(jié)拍一個(gè)節(jié)拍 內(nèi)完成，內(nèi)完成， 并允許有先后順序。并允許有先后順序。 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排 1、取指周期、取指周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 PC MAR M ( MAR ) MDR MDR IR ( PC ) + 1 PC 原則

36、二、三原則二、三 原則二原則二 原則三原則三 2、間址周期、間址周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 M ( MAR ) MDR MDR Ad ( IR ) T0 T1 T2 T0 T1 T2 1 R（發(fā)讀命令）（發(fā)讀命令） OP ( IR ) ID（指令操作碼移碼）（指令操作碼移碼） Ad ( IR ) MAR 1 R（發(fā)讀命令）（發(fā)讀命令） 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排 4、執(zhí)行周期、執(zhí)行周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 CLA 累加器清零累加器清零T0 T1 T2 0 AC 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安

37、排 ADD X 加法指令加法指令T0 T1 T2 Ad ( IR ) MAR M ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) AC 1 R STA X 存數(shù)指令存數(shù)指令T0 T1 T2 Ad ( IR ) MAR AC MDR MDR M ( MAR ) 1 W JMP X 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令T0 T1 T2 Ad ( IR ) PC 5、中斷周期、中斷周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 T0 T1 T2 0 MAR （送堆棧指針地址）（送堆棧指針地址） PC MDR （PC的內(nèi)容壓入堆棧）的內(nèi)容壓入堆棧） MDR M ( MAR )新地址新地址 PC（PC更新）更新） 1

38、W （發(fā)寫命令）（發(fā)寫命令） 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排 T2 T1 T0 FE 取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào) 狀態(tài)狀態(tài) 條件條件 節(jié)拍節(jié)拍 工作工作 周期周期 標(biāo)記標(biāo)記 PC MAR 1 R M(MAR) MDR ( PC ) +1 PC MDR IR OP( IR ) ID 1 IND 1 EX I I 111111 111111 111111 111111 111111 1111 111111 11 間址特征間址特征 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作時(shí)間表微操作時(shí)間表（P402） T2 T1 T

39、0 IND 間址間址 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào) 狀態(tài)狀態(tài) 條件條件 節(jié)拍節(jié)拍 工作工作 周期周期 標(biāo)記標(biāo)記 Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) MDR MDR Ad (IR) 1 EX IND 1111 1111 1111 1111 1111 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作時(shí)間表微操作時(shí)間表（P402） 一次間址特征一次間址特征 T2 T1 T0 EX 執(zhí)行執(zhí)行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào) 狀態(tài)狀態(tài) 條件條件 節(jié)拍節(jié)拍 工作工作 周期周期 標(biāo)記標(biāo)記 Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) M

40、DR AC MDR (AC)+(MDR) AC MDR M(MAR) MDR AC 0 AC 1 W 111 11 1 11 1 1 1 1 1 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作時(shí)間表微操作時(shí)間表（P402） 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要）組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要） 步驟一步驟一 擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)）擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)） 步驟二步驟二 確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路）確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路） 步驟三步驟三 擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排）擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排） 選定時(shí)序系統(tǒng)

41、作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期節(jié)拍）節(jié)拍） 即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期 一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期，一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期， 源周期，目的周期，執(zhí)行周期等）源周期，目的周期，執(zhí)行周期等） 步驟四步驟四 擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三）擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三） 將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來 （它是采用時(shí)序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵一步）（它是采用時(shí)序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵一步）

42、步驟五步驟五 編制微操作時(shí)間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)）編制微操作時(shí)間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)） 將指令流程中規(guī)定的操作落實(shí)到由哪個(gè)部件完成，在什么時(shí)間完成將指令流程中規(guī)定的操作落實(shí)到由哪個(gè)部件完成，在什么時(shí)間完成 步驟六步驟六 微操作的組合與化簡微操作的組合與化簡 根據(jù)操作時(shí)間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用根據(jù)操作時(shí)間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用“或或”連接組合成原始連接組合成原始 表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。 步驟七步驟七 設(shè)計(jì)邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式。）設(shè)計(jì)邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式

43、。） 重在理解重在理解 Review: 控制器控制器 = FE T1 （ CLA + COM + ADD + STA + LDA + JMP ） + IND T1 （ ADD + STA + LDA + JMP ） + EX T1 （ ADD + LDA ） 例如某一微操作例如某一微操作 C2：M ( MAR ) MDR 的邏輯表達(dá)式如下：的邏輯表達(dá)式如下： 輸出信號(hào)：某一微操作的控制信號(hào)。輸出信號(hào)：某一微操作的控制信號(hào)。C2 : M (MAR) 送送 MDR 輸入信號(hào)：指令信號(hào)。輸入信號(hào)：指令信號(hào)。CLA 、COM、ADD、STA、LDA、JMP 等等 均來自均來自 操作碼譯碼器操作碼譯碼器

44、 的輸出端。的輸出端。 輸入信號(hào)：時(shí)序信號(hào)。輸入信號(hào)：時(shí)序信號(hào)。FE T1 、 IND T1 、 EX T1 等，等， 均來自均來自 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器 的輸出端。的輸出端。 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 微操作最簡表達(dá)式微操作最簡表達(dá)式（P401） = T1 FE（ CLA + COM + ADD + STA + LDA + JMP ） + IND（ ADD + STA + LDA + JMP ） + EX （ ADD + LDA ） 該邏輯表達(dá)式該邏輯表達(dá)式 給出給出 控制器控制器 輸入與輸出信號(hào)之間的關(guān)系。輸入與輸出信號(hào)之間的關(guān)系。 A B C D 0 0 0 0 0 0

45、0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 C B A Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 輸出信號(hào)輸出信號(hào) = 某條指令某條指令 輸入：輸入： 指令中指令中 操作碼操作碼 操作碼譯碼器操作碼譯碼器 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) D 例如：例如： ADD 0 0 0 0 STA 1 0 1 0 LDA 1 0 1 1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 ADD STA

46、LDA 例如：指令格式中前例如：指令格式中前4位為操作碼。位為操作碼。 C0C1Cn C2C3 輸入：指令信號(hào)輸入：指令信號(hào) 0 1 2n-1 T0 T1 Tn 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 組合邏輯控制器組合邏輯控制器 IR CU CLK （機(jī)器主頻）（機(jī)器主頻） 狀態(tài)狀態(tài) 標(biāo)志標(biāo)志 操作碼譯碼操作碼譯碼 n 位操作碼位操作碼 輸入：時(shí)序信號(hào)輸入：時(shí)序信號(hào) 節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器 輸入：反饋信號(hào)輸入：反饋信號(hào) 輸出：各微操作的輸出：各微操作的控制信號(hào)控制信號(hào) 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要）組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要） 步驟一步驟一 擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)

47、的邏輯依據(jù)）擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)） 步驟二步驟二 確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路）確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路） 步驟三步驟三 擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排）擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排） 選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期節(jié)拍）節(jié)拍） 即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期 一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期，一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期， 源周期，目的周期，執(zhí)行周期等）源周期，目的周期，執(zhí)行周期等） 步驟四步驟四 擬定指令流程圖（

48、合并了步驟一、步驟三）擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三） 將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來 （它是采用時(shí)序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵一步）（它是采用時(shí)序計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵一步） 步驟五步驟五 編制微操作時(shí)間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)）編制微操作時(shí)間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)） 將指令流程中規(guī)定的操作落實(shí)到由哪個(gè)部件完成，在什么時(shí)間完成將指令流程中規(guī)定的操作落實(shí)到由哪個(gè)部件完成，在什么時(shí)間完成 步驟六步驟六 微操作的組合與化簡微操作的組合與化簡 根據(jù)操作時(shí)間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用根據(jù)操作時(shí)間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用

49、“或或”連接組合成原始連接組合成原始 表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。 步驟七步驟七 設(shè)計(jì)邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式。）設(shè)計(jì)邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式。） 重在理解重在理解 Review: 控制器控制器 組合邏輯控制器的特點(diǎn)組合邏輯控制器的特點(diǎn) 思路清晰，簡單明了思路清晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難 速度快速度快 & & &1 1 & & & 1 FE IND EX LDAADD JMPBAN STA T1 C2： M ( MAR) 送送 MDR （RISC） &

50、 8.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì) 畫出邏輯電路圖畫出邏輯電路圖（P401） 考研習(xí)題精選考研習(xí)題精選 1、若存儲(chǔ)器容量為、若存儲(chǔ)器容量為64K *32位，指出主機(jī)中六個(gè)基本寄存器的位數(shù)。位，指出主機(jī)中六個(gè)基本寄存器的位數(shù)。 并寫出組合邏輯控制器完成并寫出組合邏輯控制器完成STA X （AC內(nèi)容寫回到內(nèi)容寫回到X主存單元內(nèi)）主存單元內(nèi)） 指令發(fā)出的微操作及節(jié)拍安排。指令發(fā)出的微操作及節(jié)拍安排。 解：主機(jī)中基本寄存器及位數(shù)解：主機(jī)中基本寄存器及位數(shù) 累加器累加器 32 指令寄存器指令寄存器 32 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 32 通用寄存器通用寄存器 32 地址寄存器地址寄存器 16 PC程序

51、計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 16 STA X （X為主存單元地址）指令發(fā)出的微操作及節(jié)拍安排：為主存單元地址）指令發(fā)出的微操作及節(jié)拍安排： PC MAR M ( MAR ) MDR MDR IR ( PC ) + 1 PC T0 T1 T2 1 R（發(fā)讀命令）（發(fā)讀命令） OP ( IR ) ID（操作碼譯碼）（操作碼譯碼） T0 T1 T2 Ad ( IR ) MAR AC MDR MDR M ( MAR ) 1 W 解：主機(jī)中基本寄存器及位數(shù)解：主機(jī)中基本寄存器及位數(shù) 累加器累加器 指令寄存器指令寄存器 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 通用寄存器通用寄存器 地址寄存器地址寄存器 PC程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)

52、器 STA X （X為主存單元地址）指令發(fā)出的微操作及節(jié)拍安排：為主存單元地址）指令發(fā)出的微操作及節(jié)拍安排： 取指周期取指周期 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要）組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟（前三步驟非常重要） 步驟一步驟一 擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)）擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計(jì)的邏輯依據(jù)） 步驟二步驟二 確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路）確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路） 步驟三步驟三 擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排）擬定時(shí)序系統(tǒng)（時(shí)間安排） 選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期選定時(shí)序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期節(jié)拍）節(jié)拍） 即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個(gè)階段，一個(gè)階段為一個(gè)周期 一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期，一個(gè)階段一個(gè)名字（取指周期， 源周期，目的周期，執(zhí)行周期等）源周期，目的周期，執(zhí)行周期等） 步驟四步驟四 擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三）擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三） 將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)間順序用流程圖形式表示出來將一條指令的執(zhí)行步驟按時(shí)