第14講組合邏輯設(shè)計

1、計算機組成原理Principles of Computer Organization廣義雙語教學課程09/skyclass25/青島理工大學 校級精品課程http:/ there are only a few addressing modes, the particular addressing mode required is usually encoded within the instruction code (e.g. IBM System/390, most RISC). But when there are lots of addressing

2、modes, a specific field is often set aside in the instruction to specify the addressing mode.第第6章章 中央處理器中央處理器Chapter 6 Central Processing Unit(4)6.3.3 微指令格式微指令格式 微指令的格式大體上可分成兩類：Horizontal Microinstruction水平型微指令水平型微指令和Vertical Microinstruction垂直型微指令垂直型微指令。水平型微指令水平型微指令是在一條微指令中定義并執(zhí)行多個可并行操作在一條微指令中定義并執(zhí)行多

3、個可并行操作的微命令的微命令，控制盡可能多并行信息傳送控制盡可能多并行信息傳送。垂直型微指令垂直型微指令是一次只能執(zhí)行一個微命令的微指令一次只能執(zhí)行一個微命令的微指令。在微指令中有微操作碼字段，采用最短字長編碼。水平型微指令與垂直型微指令的比較：1水平型微指令并行操作能力強、效率高、靈活性強。水平型微指令并行操作能力強、效率高、靈活性強。 在一條水平型微指令中設(shè)置有控制機器中信息傳送通路以及進行所有微操作的微命令。在進行微程序設(shè)計時，可以同時定義比較多的并行操作的微命令，控制盡可能多并行信息傳送，使微指令效率高、靈活性強。 在一條垂直型微指令中，一般只能完成1個操作，控制一、兩個信息傳送通路，

4、微指令的并行操作能力低，效率低。盛建倫42水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間比垂直型微指令短。水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間比垂直型微指令短。 水平型微指令并行操作能力強，可用比較少的微指令數(shù)來實現(xiàn)一條指令的功能，縮短了指令的執(zhí)行時間。一條水平型微指令完成的功能相當于若干條垂直型微指令。此外，垂直型微指令必須經(jīng)過完全譯碼，影響速度。用水平型微指令編制的微程序比較短，但微指令字比較長。3垂直型微指令字比較短而微程序長。垂直型微指令字比較短而微程序長。 4水平型微指令編程難以掌握。垂直型微指令與機器指令水平型微指令編程難以掌握。垂直型微指令與機器指令相似，編程比較容易。相似，編程比較容易。 水平型微指

5、令與機器指令差別很大，一般需要對機器的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時序系統(tǒng)以及微命令很精通才能進行設(shè)計。盛建倫5微程序控制器設(shè)計方法小結(jié)微程序控制器設(shè)計方法小結(jié) 1把每條機器指令所需的微操作命令組合成若干條微指令，把每條機器指令所需的微操作命令組合成若干條微指令，再將這些微指令構(gòu)成一個微程序。再將這些微指令構(gòu)成一個微程序。2將全部微程序存入一個高速的控制存儲器中。將全部微程序存入一個高速的控制存儲器中。3執(zhí)行機器指令就變成了執(zhí)行該指令對應的一個微程序。執(zhí)行機器指令就變成了執(zhí)行該指令對應的一個微程序。每條機器指令對應一個微程序。每條機器指令對應一個微程序。Microcode was originally d

6、eveloped as a simpler method of developing the control logic for a computer.Instruction Cycle - State Diagram計算指計算指令地址令地址取指令取指令I(lǐng)nstructionfetch取操作數(shù)取操作數(shù) Operand fetch保存操保存操作數(shù)作數(shù) Operand Store Instruction address calculating指令操指令操作譯碼作譯碼Instruction operation decoding Data Operation Operand address calcu

7、lating計算操作計算操作數(shù)地址數(shù)地址 Operand address calculatingReturn for String or Vector DataInstruction Complete Fetch Next InstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期狀態(tài)圖指令周期狀態(tài)圖盛建倫76.4 硬布線控制的計算機硬布線控制的計算機 “組合邏輯控制組合邏輯控制” 又稱硬布線控制又稱硬布線控制（Hardwired Control）或或“硬連邏輯控制硬連邏輯控制”。 組合邏輯控制器的設(shè)計方法是：1列出全部微操作列出全部微操作2建立操作時間表建立

8、操作時間表4作組合邏輯框圖作組合邏輯框圖3求微操作命令的邏輯函數(shù)表達式求微操作命令的邏輯函數(shù)表達式盛建倫8組合邏輯控制器的設(shè)計方法組合邏輯控制器的設(shè)計方法1列出全部微操作列出全部微操作 分析并列出各條指令在取指、分析、執(zhí)行中所需的全部微分析并列出各條指令在取指、分析、執(zhí)行中所需的全部微操作。（根據(jù)給定的操作。（根據(jù)給定的CPU數(shù)據(jù)通路和指令功能）數(shù)據(jù)通路和指令功能） 根據(jù)各條指令所需的全部微操作，按執(zhí)行的先后順序，再根據(jù)各條指令所需的全部微操作，按執(zhí)行的先后順序，再加上必要的控制條件，列出全部指令所需的微操作的操作時間加上必要的控制條件，列出全部指令所需的微操作的操作時間表。表。確定機器的狀態(tài)

9、周期、節(jié)拍與工作脈沖。確定機器的狀態(tài)周期、節(jié)拍與工作脈沖。2建立操作時間表建立操作時間表6.4 硬布線控制的計算機硬布線控制的計算機盛建倫9 安排微操作節(jié)拍時需注意：微操作的先后順序，能在安排微操作節(jié)拍時需注意：微操作的先后順序，能在1個節(jié)個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行的微操作應盡可能安排在同一個節(jié)拍內(nèi)。拍內(nèi)執(zhí)行的微操作應盡可能安排在同一個節(jié)拍內(nèi)。假設(shè)機器采用同步控制，每個機器周期包含假設(shè)機器采用同步控制，每個機器周期包含3個節(jié)拍個節(jié)拍。微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排機器周期節(jié)拍T0T1T2M0M1M2盛建倫101取指周期微操作的節(jié)拍安排取指周期微操作的節(jié)拍安排T0節(jié)拍可安排兩個微操作。節(jié)拍可安排兩個微操作。

10、 PCMAR ， 1R微操作的節(jié)拍安排T1節(jié)拍可安排兩個微操作。節(jié)拍可安排兩個微操作。 M(MAR) MDR，(PC)+1 PCT2節(jié)拍節(jié)拍 MDR IR ， 指令一取到指令一取到IR就開始進行譯碼就開始進行譯碼2間址周期微操作的節(jié)拍安排間址周期微操作的節(jié)拍安排T0節(jié)拍節(jié)拍 Ad(IR) MAR ， 1RT1節(jié)拍節(jié)拍 M(MAR) MDR T2節(jié)拍節(jié)拍 MDR MAR盛建倫11（1）非訪存指令非訪存指令 清除累加器指令清除累加器指令CLAT03 執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2 0ACC 累加器取反指令累加器取反指令COMT0T1T2 ACCACC 盛建倫12（1）非訪

11、存指令）非訪存指令 算術(shù)右移算術(shù)右移1位指令位指令SHRT0執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2 R(ACC)ACC，ACC0ACC0 循環(huán)左移循環(huán)左移1位指令位指令CSLT0T1T2 L(ACC)ACC，ACC0ACCn 停機指令停機指令STPT0T1T2 0G盛建倫13（2）訪存指令訪存指令 加法指令加法指令ADD XT0 Ad(IR) MAR ， 1R執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1 M(MAR) MDR T2 (ACC)+ (MDR)ACC 存數(shù)指令存數(shù)指令STA XT0 Ad(IR) MAR ， 1WT1 ACC MDRT2 MDR M(MAR

12、) 盛建倫14（2）訪存指令訪存指令 取數(shù)指令取數(shù)指令LDA XT0 Ad(IR) MAR ， 1R執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1 M(MAR) MDR T2 MDRACC盛建倫15（3）轉(zhuǎn)移類轉(zhuǎn)移類指令指令 無條件無條件轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移指令指令JMP XT03 執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2 Ad (IR)PC 零零轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移指令指令JZ XT0T1T2 PCPCZIRAdZ)()(盛建倫16CPU響應中斷，執(zhí)行中斷隱指令響應中斷，執(zhí)行中斷隱指令把把PC內(nèi)容壓棧，關(guān)中斷內(nèi)容壓棧，關(guān)中斷T0 SPMAR，0 中斷允許觸發(fā)器中斷允許觸發(fā)器4 中斷周期微操作的

13、節(jié)拍安排中斷周期微操作的節(jié)拍安排T1 PC MDR ， 1WT2 MDR M(MAR) ， 向量地址向量地址 PC操操作作時時間間表表AccAcc 清除累加器累 加 器取反算術(shù)右移 1 位循環(huán)左移 1 位停機加法存數(shù)取數(shù)無條件轉(zhuǎn)移工 作周期節(jié)拍微操作命令CLACOMSHRCSLSTPADDSTALDAJMPPCMAR111111111T01R111111111T1M(MAR) MDR111111111PC+1111111111取指T2MDRIR111111111Ad(IR) MAR1T01R1T1分析取數(shù)T2M(MAR) MDRAd(IR) MAR111R1Acc MDR1T01W1T1M(M

14、AR) MDR1(Acc)+( MDR) Acc1MDRM(MAR)1MDRAcc10Acc11R(AC)AC,AC0AC01L(AC)AC， AC0ACn10G1執(zhí)行T2Ad(IR) PC1盛建倫184作組合邏輯框圖作組合邏輯框圖 根據(jù)求出的組合邏輯函數(shù)表達式，畫出產(chǎn)生微操作命令序根據(jù)求出的組合邏輯函數(shù)表達式，畫出產(chǎn)生微操作命令序列的組合邏輯框圖。列的組合邏輯框圖。組合邏輯控制器的設(shè)計方法組合邏輯控制器的設(shè)計方法3求微操作命令的邏輯函數(shù)表達式求微操作命令的邏輯函數(shù)表達式 根據(jù)微操作時間表，對各條指令中的同一種操作（公操作）根據(jù)微操作時間表，對各條指令中的同一種操作（公操作）進行集中、合并、化

15、簡，求出每一個操作的組合邏輯函數(shù)表達進行集中、合并、化簡，求出每一個操作的組合邏輯函數(shù)表達式。式?！拔⒊绦蚩刂莆⒊绦蚩刂啤迸c與“硬布線控制硬布線控制”的比較的比較 硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信號的形成硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信號的形成方法和原理有差別外，其余的組成部分沒有本質(zhì)上的差別。方法和原理有差別外，其余的組成部分沒有本質(zhì)上的差別。 微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲器和存微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲器和存放當前正在執(zhí)行的微指令的微指令寄存器直接控制下實現(xiàn)的。電放當前正在執(zhí)行的微指令的微指令寄存器直接控制下實現(xiàn)的。電路比較規(guī)整，各

16、條指令的控制信號的差別反映在控制存儲器的內(nèi)路比較規(guī)整，各條指令的控制信號的差別反映在控制存儲器的內(nèi)容上。增加或修改指令只要增加或修改控存內(nèi)容即可。有利于降容上。增加或修改指令只要增加或修改控存內(nèi)容即可。有利于降低設(shè)計成本和實現(xiàn)指令兼容。低設(shè)計成本和實現(xiàn)指令兼容。 硬布線控制由邏輯門組合實現(xiàn)，電路比較零亂、復雜。修硬布線控制由邏輯門組合實現(xiàn)，電路比較零亂、復雜。修改和增加指令極其困難。改和增加指令極其困難。 在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控制的速度低。因為執(zhí)行每條微指令都要從控存中讀取，影響了速制的速度低。因為執(zhí)行每條微指令

17、都要從控存中讀取，影響了速度。而硬布線控制邏輯的速度主要取決于電路延遲，比訪問存儲度。而硬布線控制邏輯的速度主要取決于電路延遲，比訪問存儲器的時間短。所以，器的時間短。所以，RISC機和一些追求高速的機和一些追求高速的CISC機都采用或機都采用或部分采用硬布線控制。部分采用硬布線控制。20Homework6- 11, 18, Common logic styles used in CPU design include:Unstructured random logic Finite-state machines Microprogramming (common from 1965 to 198

18、5, no longer common except for x86 RISC-like CPUs) Programmable logic array (common in the 1980s, no longer common).CPUs designed for high-performance markets might require custom designs for each of these items to achieve frequency, power-dissipation, and chip-area goals.盛建倫21測驗 2請寫好自己的姓名、學號、班級22測驗

19、2一、（一、（20分）某計算機的指令字長為分）某計算機的指令字長為16位，用指令操作碼擴展技位，用指令操作碼擴展技術(shù)設(shè)計指令系統(tǒng)，要求有零地址指令術(shù)設(shè)計指令系統(tǒng)，要求有零地址指令16條，一地址指令條，一地址指令31條，兩條，兩地址指令地址指令14條及三地址指令條及三地址指令15條。每個地址碼字段為條。每個地址碼字段為4位。位。二（共二（共20分）某計算機能完成分）某計算機能完成78種操作，指令字長為種操作，指令字長為16位。位。（1）一）一地址格式的指令地址碼可取幾位？地址格式的指令地址碼可取幾位？（2）要想使指令的要想使指令的尋址范圍擴大到尋址范圍擴大到216，可采用哪些方法？，可采用哪些方

20、法？三（共三（共20分）某指令系統(tǒng)字長為分）某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取位，地址碼取4位，試提位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條條三地址指令、三地址指令、16條二地址指條二地址指令、令、100條一地址指令。條一地址指令。請不要抄題，只寫題號請不要抄題，只寫題號 23測驗2四四 （共（共20分）某機指令字長分）某機指令字長16位，每個操作數(shù)的地址碼長位，每個操作數(shù)的地址碼長6位，位，設(shè)操作碼長度固定，指令分為零地址、一地址和二地址三種格設(shè)操作碼長度固定，指令分為零地址、一地址和二地址三種格式。式。（1）若零地址指令有若零地址指令有M條，一地址指令有條，一地址指令

21、有N條，問二地址條，問二地址指令最多可能有多少條？指令最多可能有多少條？（2）若操作碼位數(shù)可變，則二地址指若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有多少條？令最多允許有多少條？三（共三（共20分）某指令系統(tǒng)字長為分）某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取位，地址碼取4位，試提位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條條三地址指令、三地址指令、16條二地址指條二地址指令、令、100條一地址指令。條一地址指令。請不要抄題，只寫題號請不要抄題，只寫題號 24五、 （共（共10分）分） 判斷題判斷題（請在正確的句子前寫（請在正確的句子前寫T，錯誤的句子前寫，錯誤的句子前寫F）請不要抄題，只寫題號請不要抄題，只寫題號 （ ）1哈佛結(jié)構(gòu)的計算機都有輸入輸出指令。哈佛結(jié)構(gòu)的計算機都有輸入輸出指令。（ ）2CPU通過輸入通過輸入/輸出指令在磁盤上讀寫數(shù)據(jù)。輸出指令在磁盤上讀寫數(shù)據(jù)。（ ）4程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC的位數(shù)與指令寄存器的位數(shù)相同。的位數(shù)與指令寄存器的位數(shù)相同。（ ）5型計算機的總線由地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線組型計算機的總線由地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線組成，所以是三總線結(jié)構(gòu)。成，所以是三總線結(jié)構(gòu)。（ ）3累加器的位數(shù)與機器字長相同。累加器