CPU基本組成模型(寄存器組成

1、第三章第三章 CPUCPU原理原理v 掌握：掌握： CPUCPU基本組成模型（寄存器組成、數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)），同基本組成模型（寄存器組成、數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)），同步控制方式與常見時(shí)序信號(hào)，微命令（脈沖、電位），步控制方式與常見時(shí)序信號(hào)，微命令（脈沖、電位），熟練掌握指令流程（能擬出給定指令的流程）。熟練掌握指令流程（能擬出給定指令的流程）。v理解：理解： 進(jìn)位鏈，進(jìn)位鏈，ALUALU組成，補(bǔ)碼加減，移位，浮點(diǎn)加減，無符組成，補(bǔ)碼加減，移位，浮點(diǎn)加減，無符號(hào)數(shù)一位乘、除，組合邏輯控制器（產(chǎn)生微命令方法、號(hào)數(shù)一位乘、除，組合邏輯控制器（產(chǎn)生微命令方法、優(yōu)缺點(diǎn)），微程序控制器（基本思想、優(yōu)缺點(diǎn)）。優(yōu)缺點(diǎn)），微

2、程序控制器（基本思想、優(yōu)缺點(diǎn)）。v了解：了解： 十進(jìn)制運(yùn)算，浮點(diǎn)乘、除法，微指令格式、編碼方法、十進(jìn)制運(yùn)算，浮點(diǎn)乘、除法，微指令格式、編碼方法、順序控制方法。順序控制方法。 3-1 3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器v運(yùn)算器包含：運(yùn)算器包含： ALU、用于運(yùn)算的寄存器；、用于運(yùn)算的寄存器；v控制器包含：微操作信號(hào)發(fā)生器、時(shí)序系統(tǒng)、用于運(yùn)控控制器包含：微操作信號(hào)發(fā)生器、時(shí)序系統(tǒng)、用于運(yùn)控 制的寄存器。制的寄存器。 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 寄存器寄存器 控制器控制器 運(yùn)算器運(yùn)算器 （ALU） CPU3-1 3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器vCPU的功能的功能數(shù)據(jù)加工（運(yùn)算器）數(shù)據(jù)加工（運(yùn)算器）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算處理；對(duì)數(shù)據(jù)

3、進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算處理；指令控制（控制器）指令控制（控制器）指令的執(zhí)行次序，嚴(yán)格按順序；指令的執(zhí)行次序，嚴(yán)格按順序；操作控制（控制器）操作控制（控制器）由指令產(chǎn)生操作控制信號(hào)由指令產(chǎn)生操作控制信號(hào)/微命令；微命令；時(shí)間控制（控制器）時(shí)間控制（控制器）對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制/時(shí)序；時(shí)序；v算術(shù)邏輯運(yùn)算部件算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALUALU的主要作用完成二進(jìn)制代碼的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。的主要作用完成二進(jìn)制代碼的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。ALU 的的核心是加法器。核心是加法器。加法器加法器 全加器全加器 Ai Bi Ci i, C i +1 可以用兩個(gè)半加器構(gòu)成的全加器可以

4、用兩個(gè)半加器構(gòu)成的全加器; I= Ai Bi Ci Ci+1= AiBi+(Ai Bi) Ci+3-1 3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器并行加法器的進(jìn)位并行加法器的進(jìn)位 并行加法器：并行加法器：N位同時(shí)進(jìn)行，由進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)進(jìn)位信號(hào)位同時(shí)進(jìn)行，由進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)進(jìn)位信號(hào)Ci的傳遞。的傳遞。 設(shè)：設(shè)：A=An-1An-2Ai.A1A0 B=Bn-1Bn-2Bi.B1B0 則：則：Ci+1= AiBi+(Ai Bi) Ci 令：令： Gi= AiBi Pi= Ai Bi 于是：于是： Ci+1= Gi+ Pi Ci串行進(jìn)位：使用進(jìn)位線將串行進(jìn)位：使用進(jìn)位線將n個(gè)全加器串接起來，進(jìn)位延遲時(shí)間較長。節(jié)個(gè)全加器串接起來，進(jìn)位

5、延遲時(shí)間較長。節(jié)省器件，成本低。省器件，成本低。+3-1 3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器并行進(jìn)位：各級(jí)進(jìn)位信號(hào)同時(shí)形成，增加硬件邏輯線路，有效地減少并行進(jìn)位：各級(jí)進(jìn)位信號(hào)同時(shí)形成，增加硬件邏輯線路，有效地減少進(jìn)位延遲時(shí)間。（同時(shí)進(jìn)位）進(jìn)位延遲時(shí)間。（同時(shí)進(jìn)位） （見（見P61 圖圖3-3）以）以4位加法為例位加法為例C1=G0+P0C0C2=G1+P1C1 = G1 +P1G0 +P1P0C0C3=G2+P2C2 =。C4=G3+P3C3 =。 通過上式可以發(fā)現(xiàn)通過上式可以發(fā)現(xiàn)Ci可同時(shí)形成。可同時(shí)形成。 對(duì)于長字長的加法器通常采用分組進(jìn)位結(jié)構(gòu)：對(duì)于長字長的加法器通常采用分組進(jìn)位結(jié)構(gòu)：組內(nèi)并行、組間串行

6、進(jìn)位鏈組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位鏈vALU 舉例舉例SN74181介紹介紹 （見（見P62 圖圖3-4）內(nèi)部結(jié)構(gòu)；）內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 功能：功能：4位位ALU 完成完成16種算術(shù)邏輯運(yùn)算；種算術(shù)邏輯運(yùn)算；4片片SN74181和和1片片SN74182組成一個(gè)組成一個(gè)16位的組間并行進(jìn)位位的組間并行進(jìn)位ALU。 （見（見P63 圖圖3-6 ）3-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法v定點(diǎn)加減運(yùn)算定點(diǎn)加減運(yùn)算原碼加減原碼加減 由操作碼、操作數(shù)的符號(hào)決定最終的操作，結(jié)果的符號(hào)判斷復(fù)雜；由操作碼、操作數(shù)的符號(hào)決定最終的操作，結(jié)果的符號(hào)判斷復(fù)雜； 繁瑣，硬件復(fù)雜；繁瑣，硬件復(fù)雜；補(bǔ)碼加減補(bǔ)碼加減 X + Y補(bǔ)補(bǔ)= X補(bǔ)補(bǔ)+

7、Y補(bǔ)補(bǔ) X - Y補(bǔ)補(bǔ)= X補(bǔ)補(bǔ)+-Y補(bǔ)補(bǔ) 補(bǔ)碼表示，符號(hào)參加運(yùn)算，結(jié)果為補(bǔ)碼表示；補(bǔ)碼表示，符號(hào)參加運(yùn)算，結(jié)果為補(bǔ)碼表示； 例例X補(bǔ)補(bǔ)= 00110110 Y補(bǔ)補(bǔ)= 11001101 X + Y補(bǔ)補(bǔ) X - Y補(bǔ)補(bǔ) 00110110 00110110 + 11001101 + 00110011 1 00000011 011010013-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法溢出的判斷溢出的判斷 運(yùn)算結(jié)果為正，且大于所能表達(dá)的最大正數(shù)，稱為正溢出；運(yùn)算結(jié)果為正，且大于所能表達(dá)的最大正數(shù)，稱為正溢出； 運(yùn)算結(jié)果為負(fù)，且小于所能表達(dá)的最小負(fù)數(shù)，稱為負(fù)溢出；運(yùn)算結(jié)果為負(fù)，且小于所能表達(dá)的最小負(fù)數(shù)，稱為負(fù)溢出；

8、 溢出判斷方法：溢出判斷方法： P66單符號(hào)位判斷單符號(hào)位判斷 溢出溢出=An Bn Sn+ AnBnSn最高有效位的進(jìn)位判斷最高有效位的進(jìn)位判斷 P67變形補(bǔ)碼（雙符號(hào)位）變形補(bǔ)碼（雙符號(hào)位）00為正，為正，11為負(fù)（運(yùn)算時(shí)擴(kuò)充）為負(fù)（運(yùn)算時(shí)擴(kuò)充）結(jié)果結(jié)果01正溢出，正溢出，10負(fù)溢出（判斷）負(fù)溢出（判斷）v例例 P67 變形補(bǔ)碼變形補(bǔ)碼 v請(qǐng)同學(xué)們練習(xí)請(qǐng)同學(xué)們練習(xí)vP111 第第3題題 （2）v 第第4題題 （2）3-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法v移位移位邏輯移位、循環(huán)移位和算術(shù)移位；邏輯移位、循環(huán)移位和算術(shù)移位； 邏輯移位邏輯移位 無數(shù)值意義的二進(jìn)制碼，左移時(shí)低位補(bǔ)無數(shù)值意義的二進(jìn)制碼，

9、左移時(shí)低位補(bǔ)0，右移時(shí)高位，右移時(shí)高位補(bǔ)補(bǔ)0； 循環(huán)移位循環(huán)移位 閉合移位環(huán)路閉合移位環(huán)路 算術(shù)移位算術(shù)移位 帶符號(hào)數(shù)的移位，左移一位相當(dāng)于乘帶符號(hào)數(shù)的移位，左移一位相當(dāng)于乘2，右移一位相當(dāng)，右移一位相當(dāng)于除于除2；原碼P68補(bǔ)碼右移補(bǔ)碼左移v浮點(diǎn)加減運(yùn)算浮點(diǎn)加減運(yùn)算規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)具有唯一的表示形式和最長的有效位；規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)具有唯一的表示形式和最長的有效位；運(yùn)算與實(shí)現(xiàn)運(yùn)算與實(shí)現(xiàn) （例（例 P70） X=Mx*2Ex ，Y=My * 2Ey 對(duì)階操作：小階向大階看齊，尾數(shù)右移；求對(duì)階操作：小階向大階看齊，尾數(shù)右移；求E=Ex-Ey 尾數(shù)相加減：定點(diǎn)數(shù)的加減；尾數(shù)相加減：定點(diǎn)數(shù)的加減； 規(guī)格化和判

10、溢規(guī)格化和判溢 舍入：常用恒置舍入：常用恒置1法法3-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法v課本課本P111 第第5題題解：解：E X補(bǔ)補(bǔ)=11，01 M X補(bǔ)補(bǔ)=00.110111 E Y補(bǔ)補(bǔ)=11，10 M Y補(bǔ)補(bǔ)=11. 010111 E 補(bǔ)補(bǔ)=E x補(bǔ)補(bǔ)+-Ey 補(bǔ)補(bǔ)=1101+0010=1111 E=-1，故，故X的階碼較小，要對(duì)階的階碼較小，要對(duì)階 尾數(shù)尾數(shù)M X補(bǔ)補(bǔ)右移一位，階碼右移一位，階碼E X補(bǔ)補(bǔ)加加1，得，得 E X補(bǔ)補(bǔ)=11,10 M X補(bǔ)補(bǔ)=00.011100（1入）入） 尾數(shù)求和：尾數(shù)求和： M X補(bǔ)補(bǔ)+ M Y補(bǔ)補(bǔ)= 11.110011 尾數(shù)為非規(guī)格化數(shù)，需要左規(guī)，即尾數(shù)

11、左移兩位，階碼減尾數(shù)為非規(guī)格化數(shù)，需要左規(guī)，即尾數(shù)左移兩位，階碼減2，即，即 X浮浮+ Y浮浮=1100；11.001100 v十進(jìn)制加減運(yùn)算十進(jìn)制加減運(yùn)算轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后進(jìn)行運(yùn)算；轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后進(jìn)行運(yùn)算；BCD碼運(yùn)算碼運(yùn)算 BCD碼指令碼指令 二進(jìn)制碼指令，然后進(jìn)行校正（加二進(jìn)制碼指令，然后進(jìn)行校正（加6校正）校正）3-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法v定點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算定點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算無符號(hào)數(shù)手算算法無符號(hào)數(shù)手算算法無符號(hào)數(shù)一位乘法思想：將無符號(hào)數(shù)一位乘法思想：將N位乘轉(zhuǎn)換為位乘轉(zhuǎn)換為N次累加與移位，即每次只求次累加與移位，即每次只求一位乘數(shù)所對(duì)應(yīng)的新部分積，并與原來部分積作一次累加，然后右移一位乘數(shù)

12、所對(duì)應(yīng)的新部分積，并與原來部分積作一次累加，然后右移一位。一位。P73 硬件實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn) 圖圖3-93-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法v 運(yùn)算過程舉例：運(yùn)算過程舉例： P111第第6題題 （1） B：1001被乘數(shù)被乘數(shù) A：0000 C：1101乘數(shù)乘數(shù)00001101 C0=1累加累加1+B10011001移位移位1 01001110C0=0累加累加2 +000000100移位移位2 00100111C0=1累加累加3 +B10011011 移位移位3 01011011C0=1累加累加4 +B10011110移位移位4 01110101 （結(jié)果）（結(jié)果）3-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法無符號(hào)

13、整數(shù)一位除法無符號(hào)整數(shù)一位除法 無符號(hào)整數(shù)手算算法無符號(hào)整數(shù)手算算法 從被除數(shù)或余數(shù)中減去除數(shù)，然后判斷，夠減商1，否則商0；硬件邏輯線路判斷恢復(fù)余數(shù)法：試探v 除法手工算法除法手工算法01101v 0.1011 0.10010v -0.01011 除數(shù)右移除數(shù)右移1位，減位，減v 0.001110v - 0.001011 除數(shù)右移除數(shù)右移1位，減位，減v 0.0000110v 0.0001011 除數(shù)右移除數(shù)右移1位，不減位，不減v 0.00001100v -0.00001011 除數(shù)右移除數(shù)右移1位，減位，減v 0.000000013-2 3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法v不恢復(fù)余數(shù)除法不恢復(fù)余數(shù)

14、除法當(dāng)余數(shù)當(dāng)余數(shù)A0時(shí)，商時(shí)，商1，下一步，下一步A左移一位，然后減去除數(shù)左移一位，然后減去除數(shù)B；若余數(shù)若余數(shù)A0時(shí)，商時(shí)，商0，下一步左移一位，然后加除數(shù)，下一步左移一位，然后加除數(shù)B；除數(shù)除數(shù)N位，以上操作做位，以上操作做N步；步； P76 圖圖3-12v浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算乘法乘法階碼相加，判溢出；尾數(shù)相乘；規(guī)格化。除法除法預(yù)置：檢測(cè)除數(shù)、被除數(shù)是否為0；尾數(shù)調(diào)整：預(yù)防溢出；求階差；尾數(shù)相除。3-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPUv一、一、CPU模型模型v基本組成：基本組成：控制器：控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的操作控制器：控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的操作 指令譯碼器（指令譯碼器（IR

15、），時(shí)序系統(tǒng)，微操作信號(hào)發(fā)生器；），時(shí)序系統(tǒng)，微操作信號(hào)發(fā)生器； 運(yùn)算部件運(yùn)算部件ALU：實(shí)現(xiàn)指令指令指定的算術(shù)、邏輯操作：實(shí)現(xiàn)指令指令指定的算術(shù)、邏輯操作 ALU 寄存器：存放指令地址、指令、操作數(shù)、結(jié)構(gòu)等寄存器：存放指令地址、指令、操作數(shù)、結(jié)構(gòu)等 R0R3， C，D，Z，IR， PC， PSW，SP，MAR，MDR CPU內(nèi)部總線、數(shù)據(jù)通路：連接內(nèi)部總線、數(shù)據(jù)通路：連接CPU內(nèi)各部件，為數(shù)據(jù)傳送提供數(shù)據(jù)內(nèi)各部件，為數(shù)據(jù)傳送提供數(shù)據(jù)通路通路 ALU總線，系統(tǒng)總線，傳輸控制門等；總線，系統(tǒng)總線，傳輸控制門等；v結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 如下如下: 說明：實(shí)際的機(jī)器要繁雜的多，例子是精簡過了的，只有骨髓3-

16、3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPUv基本工作原理基本工作原理 控制器是全機(jī)的指揮控制中心，其基本功能是執(zhí)行指令，由微操作控制器是全機(jī)的指揮控制中心，其基本功能是執(zhí)行指令，由微操作信號(hào)發(fā)生器根據(jù)指令產(chǎn)生控制信號(hào)序列以命令相應(yīng)部件分布完成指信號(hào)發(fā)生器根據(jù)指令產(chǎn)生控制信號(hào)序列以命令相應(yīng)部件分布完成指定的工作；定的工作； 控制器既可以控制控制器既可以控制CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送，使內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送，使ALU完成指定功能和完成指定功能和其他內(nèi)部操作，也可以向其他內(nèi)部操作，也可以向CPU外部發(fā)出控制信號(hào)，控制外部發(fā)出控制信號(hào)，控制CPU與存與存儲(chǔ)器或儲(chǔ)器或I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。 微操作

17、命令是最基本的控制信號(hào)，通常直接作用于部件或控制門電微操作命令是最基本的控制信號(hào)，通常直接作用于部件或控制門電路的控制信號(hào)，簡稱微命令。有電位型和脈沖型。路的控制信號(hào)，簡稱微命令。有電位型和脈沖型。3-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPUv這些寄存器中：這些寄存器中：存放控制信息的寄存器：存放控制信息的寄存器： 指令寄存器指令寄存器IR 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSW 存放數(shù)據(jù)的寄存器：存放數(shù)據(jù)的寄存器： 通用寄存器通用寄存器R0R3 暫存器暫存器C、D、Z 堆棧指針堆棧指針SP 與主存接口連接的寄存器：與主存接口連接的寄存器： 存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器MAR 存

18、儲(chǔ)數(shù)據(jù)緩沖寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR其中：每個(gè)寄存器均為其中：每個(gè)寄存器均為16位，位，D觸發(fā)器，觸發(fā)器，D端輸入數(shù)據(jù)，端輸入數(shù)據(jù)，CPU脈沖有脈沖有效時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器效時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器3-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPUv（一）寄存器（一）寄存器1、通用寄存器：、通用寄存器： R0 R1 R2 R3 特點(diǎn)：可編程訪問，有多種用途（具體由編程指定，如：可存放操特點(diǎn)：可編程訪問，有多種用途（具體由編程指定，如：可存放操 作數(shù)，結(jié)果，也可用作變址寄存器、地址指針和計(jì)數(shù)器等）作數(shù)，結(jié)果，也可用作變址寄存器、地址指針和計(jì)數(shù)器等） 2、暫存器、暫存器 C：暫存來自主存單元的內(nèi)容：暫存來自主存

19、單元的內(nèi)容 不能放到通用寄存器，會(huì)破壞其原有的內(nèi)容不能放到通用寄存器，會(huì)破壞其原有的內(nèi)容 D：暫存一個(gè)送入：暫存一個(gè)送入ALU的操作數(shù)，具有左右移功能的操作數(shù)，具有左右移功能 Z：存放：存放ALU運(yùn)算結(jié)果運(yùn)算結(jié)果 暫存器暫存器C、D、Z的特點(diǎn)：對(duì)程序員透明，不能編程訪問。（因?yàn)榈奶攸c(diǎn)：對(duì)程序員透明，不能編程訪問。（因?yàn)樗鼈兯鼈?沒有地址編號(hào)，執(zhí)行時(shí)會(huì)隱含使用它們）沒有地址編號(hào)，執(zhí)行時(shí)會(huì)隱含使用它們） 3、IR指令寄存器：指令寄存器： 存放正在執(zhí)行的一條指令存放正在執(zhí)行的一條指令 特點(diǎn)：不能編程訪問特點(diǎn)：不能編程訪問 （從主存中取出一條指令放在（從主存中取出一條指令放在IR中，指令譯碼器對(duì)其進(jìn)行

20、分析）中，指令譯碼器對(duì)其進(jìn)行分析）4、PC程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器3-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPU 提供指令的地址，具有加提供指令的地址，具有加1計(jì)數(shù)的功能計(jì)數(shù)的功能 有轉(zhuǎn)移指令時(shí)，由指令將下條指令地址放到有轉(zhuǎn)移指令時(shí)，由指令將下條指令地址放到PC中中 5、PSW 程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器PS 存放現(xiàn)行程序的運(yùn)行狀態(tài)和工作方式，內(nèi)容稱為程序狀態(tài)字存放現(xiàn)行程序的運(yùn)行狀態(tài)和工作方式，內(nèi)容稱為程序狀態(tài)字PSW PSW包括：包括： 結(jié)果標(biāo)志：近位標(biāo)志結(jié)果標(biāo)志：近位標(biāo)志C，溢出標(biāo)志，溢出標(biāo)志V，結(jié)果為，結(jié)果為0標(biāo)志標(biāo)志Z，結(jié)果為負(fù)標(biāo)，結(jié)果為負(fù)標(biāo) 志志S，奇偶標(biāo)志，奇偶標(biāo)志P 編程設(shè)定標(biāo)志：單

21、步標(biāo)志編程設(shè)定標(biāo)志：單步標(biāo)志T，中斷標(biāo)志，中斷標(biāo)志I（允許（允許CPU響應(yīng)外部中斷請(qǐng)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求）求）6、SP堆棧指針堆棧指針 SP用來存放棧頂單元的地址用來存放棧頂單元的地址 特點(diǎn)：可編程訪問（有寄存器地址）特點(diǎn)：可編程訪問（有寄存器地址） 7、與主存接口的寄存器、與主存接口的寄存器 MAR：存放：存放CPU訪問主存訪問主存 或或I/O接口的地址接口的地址 MDR：存放：存放CPU與主存或與主存或I/O接口之間傳送的數(shù)據(jù)接口之間傳送的數(shù)據(jù)3-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPUv（二）（二）ALU運(yùn)算部件運(yùn)算部件ALU內(nèi)部采用內(nèi)部采用SN74181芯片，也是芯片，也是16位?？赏瓿晌弧？?/p>

22、完成ADD、SUB、AND 、OR、XOR、COM、NEG、A1、A1、B1、B1的運(yùn)算功能的運(yùn)算功能v （三）控制部件（三）控制部件 微操作信號(hào)發(fā)生器、指令譯碼器、時(shí)序系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號(hào)、控制微操作信號(hào)發(fā)生器、指令譯碼器、時(shí)序系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號(hào)、控制CPU 內(nèi)部和外部各部件的操作內(nèi)部和外部各部件的操作 控制部件產(chǎn)生的控制信號(hào)控制部件產(chǎn)生的控制信號(hào)向向CPU內(nèi)部發(fā)送：控制寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送、內(nèi)部發(fā)送：控制寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送、ALU的運(yùn)算的運(yùn)算向向CPU外部發(fā)送：外部發(fā)送：CPU與存儲(chǔ)器之間與存儲(chǔ)器之間 CPU與與I/O接口之間的信息傳送接口之間的信息傳送 微操作信號(hào)發(fā)生器微操作信號(hào)發(fā)生器 控制

23、信號(hào)控制信號(hào) 時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng) 及外部的控制信號(hào)及外部的控制信號(hào) 譯碼器譯碼器 PSW3-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPUv（四）總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)（四）總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)（1）ALU總線又稱為總線又稱為CPU內(nèi)總線內(nèi)總線 CPU內(nèi)部設(shè)置一組內(nèi)部設(shè)置一組16位雙向總線，連接位雙向總線，連接ALU與各寄存器與各寄存器 （各寄存器連在（各寄存器連在ALU總線上，總線上，ALU分時(shí)共享）分時(shí)共享）（2）系統(tǒng)總線）系統(tǒng)總線CPU、主存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、I/O接口都是連接在系統(tǒng)總線上接口都是連接在系統(tǒng)總線上包括：包括：16根地址總線、根地址總線、 16根數(shù)據(jù)總線、控制總線根數(shù)據(jù)總線、控制總線 通過通過

24、MAR向地址總線提供訪問主存單元或向地址總線提供訪問主存單元或I/O接口地址接口地址 通過通過MDR向數(shù)據(jù)總線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)總線發(fā)送或接收數(shù)據(jù) 主要用來提供主要用來提供CPU與主存儲(chǔ)器、與主存儲(chǔ)器、CPU與接口之間數(shù)據(jù)傳送的通路與接口之間數(shù)據(jù)傳送的通路v二、模型機(jī)中的數(shù)據(jù)傳送二、模型機(jī)中的數(shù)據(jù)傳送1、寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送、寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送 直接通過直接通過ALU總線傳送數(shù)據(jù)，具體傳送由輸出門和打入脈沖控制總線傳送數(shù)據(jù)，具體傳送由輸出門和打入脈沖控制操作：操作： Ri Rj路徑：路徑： Ri ，ALU總線總線, Rj 控制信號(hào)序列：控制信號(hào)序列：Riout ， CPRj3-3 3-3

25、模型機(jī)模型機(jī)CPUCPU2、主存到主存到CPU的數(shù)據(jù)傳送（通過系統(tǒng)總線傳送）的數(shù)據(jù)傳送（通過系統(tǒng)總線傳送） 例：存儲(chǔ)器中取指令到指令寄存器例：存儲(chǔ)器中取指令到指令寄存器IR 操作：操作： M IR（地址在（地址在PC中）中） 路徑：路徑：PC, ALU總線，總線，MAR，AB，M， DB， MDR， ALU總線，總線， IR 控制信號(hào)序列：控制信號(hào)序列： PC out , CPMAR , EMAR , RD, SMAR, MDR out , CPIR3、CPU數(shù)據(jù)寫入主存數(shù)據(jù)寫入主存通過系統(tǒng)總線傳送數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)總線傳送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)在R2中，存儲(chǔ)單元地址在中，存儲(chǔ)單元地址在R1中，將數(shù)據(jù)寫入存

26、儲(chǔ)器的步驟中，將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器的步驟（1）R1MAR（2）R2MDR（3）MDRM MAR MDR ALU總線總線 R1 R23-3 3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPUCPU4、執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作、執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作 要求一個(gè)操作數(shù)在要求一個(gè)操作數(shù)在D中，另一個(gè)操作數(shù)來自內(nèi)總線中，另一個(gè)操作數(shù)來自內(nèi)總線 R1R2R3 ALU總線總線 D 1 R1 A B 2 ALU R2 3 Z 4 R33-4 3-4 指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程v一、指令的執(zhí)行過程一、指令的執(zhí)行過程執(zhí)行過程分執(zhí)行過程分3個(gè)階段個(gè)階段 取指令：取指令：PC提供地址的內(nèi)存單元到提供地址的內(nèi)存單元到IR；PC提供地址；從提供地址；從M中

27、取出指令到中取出指令到IR；修改；修改PC內(nèi)容指向下條指令地址內(nèi)容指向下條指令地址 分析指令：由分析指令：由IR中的指令產(chǎn)生微操作命令序列；中的指令產(chǎn)生微操作命令序列； 執(zhí)行指令執(zhí)行指令取操作數(shù)執(zhí)行操作形成后繼地址指令間的銜接方式指令間的銜接方式 串行的順序方式串行的順序方式完成一條指令的執(zhí)行后才開始取下一條指令；控制簡單，效率低。 并行的重疊方式并行的重疊方式在分析執(zhí)行一條指令運(yùn)算的同時(shí)，預(yù)讀取下一條指令；（前提執(zhí)行分段）提高了效率和運(yùn)算速度，流水線支持。3-4 3-4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式v二、時(shí)序控制方式二、時(shí)序控制方式 是指微操作與時(shí)序信號(hào)之間采取何種關(guān)系是指微操作與時(shí)序信號(hào)之間采

28、取何種關(guān)系 每一條機(jī)器指令都可以分解為一個(gè)控制信號(hào)序列，指令的執(zhí)行過程每一條機(jī)器指令都可以分解為一個(gè)控制信號(hào)序列，指令的執(zhí)行過程就就 是依次執(zhí)行一個(gè)控制信號(hào)序列的過程，各步操作是有先后次序的，是依次執(zhí)行一個(gè)控制信號(hào)序列的過程，各步操作是有先后次序的，因因 此引入時(shí)序信號(hào)控制。此引入時(shí)序信號(hào)控制。1、同步控制方式：、同步控制方式： 每條指令的執(zhí)行和指令中各個(gè)微操作都由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)同每條指令的執(zhí)行和指令中各個(gè)微操作都由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)同步控制；步控制； 基本特征：操作時(shí)間被分成若干長度相同的時(shí)鐘周期基本特征：操作時(shí)間被分成若干長度相同的時(shí)鐘周期/節(jié)拍節(jié)拍，所有微操作被按時(shí)間順序先后分配到各個(gè)節(jié)拍上

29、完成，所有微操作被按時(shí)間順序先后分配到各個(gè)節(jié)拍上完成； 節(jié)拍長度：定為完成節(jié)拍長度：定為完成CPU內(nèi)部花費(fèi)時(shí)間最長的微操作內(nèi)部花費(fèi)時(shí)間最長的微操作 優(yōu)點(diǎn)：控制集中，簡單，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)容易。優(yōu)點(diǎn)：控制集中，簡單，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)容易。 2、同步控制方式的多極時(shí)序系統(tǒng)、同步控制方式的多極時(shí)序系統(tǒng)在在CPU中為實(shí)現(xiàn)同步控制，必須設(shè)置時(shí)序系統(tǒng)，產(chǎn)生統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)中為實(shí)現(xiàn)同步控制，必須設(shè)置時(shí)序系統(tǒng)，產(chǎn)生統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)（1）多級(jí)時(shí)序的概念：將時(shí)序信號(hào)劃分為幾級(jí)）多級(jí)時(shí)序的概念：將時(shí)序信號(hào)劃分為幾級(jí) 指令周期：指令周期：3-4 3-4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式指令周期：從取指到指令執(zhí)行完成所需的時(shí)間，指令不同長度指令周

30、期：從取指到指令執(zhí)行完成所需的時(shí)間，指令不同長度不同。不同。CISC機(jī)器周期：一個(gè)指令周期通常劃分為若干個(gè)機(jī)器周期機(jī)器周期：一個(gè)指令周期通常劃分為若干個(gè)機(jī)器周期/CPU周期周期；如：取指周期，存儲(chǔ)器寫周期和存儲(chǔ)器讀周期等。；如：取指周期，存儲(chǔ)器寫周期和存儲(chǔ)器讀周期等。時(shí)鐘周期：一個(gè)機(jī)器周期又含若干個(gè)相等的時(shí)間段，稱時(shí)鐘周時(shí)鐘周期：一個(gè)機(jī)器周期又含若干個(gè)相等的時(shí)間段，稱時(shí)鐘周期期/節(jié)拍，它是處理操作的最小單位；節(jié)拍，它是處理操作的最小單位；時(shí)鐘脈沖：時(shí)序系統(tǒng)的基本定時(shí)信號(hào)，時(shí)鐘周期的寬度與時(shí)鐘時(shí)鐘脈沖：時(shí)序系統(tǒng)的基本定時(shí)信號(hào)，時(shí)鐘周期的寬度與時(shí)鐘脈沖的周期一致，由時(shí)鐘脈沖的后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。脈沖

31、的周期一致，由時(shí)鐘脈沖的后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。3-4 3-4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式異步控制方式異步控制方式 指令的指令周期可以由不等的機(jī)器周期數(shù)組成，無固定的周指令的指令周期可以由不等的機(jī)器周期數(shù)組成，無固定的周期節(jié)拍；期節(jié)拍； 無統(tǒng)一的時(shí)序，各操作之間的銜接通過無統(tǒng)一的時(shí)序，各操作之間的銜接通過“結(jié)束結(jié)束-起始起始”聯(lián)絡(luò)聯(lián)絡(luò)信號(hào)實(shí)現(xiàn)；信號(hào)實(shí)現(xiàn)；聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 以上兩種方式的結(jié)合以上兩種方式的結(jié)合組合邏輯控制器組合邏輯控制器 按產(chǎn)生控制信號(hào)的方式不同，控制器可以分為組合邏輯按產(chǎn)生控制信號(hào)的方式不同，控制器可以分為組合邏輯控制器和微程序控制器兩種類型?？刂破骱臀⒊绦蚩刂破鲀煞N類型。 第

32、五節(jié)以組合邏輯控制器為例，討論模型機(jī)的指令系統(tǒng)第五節(jié)以組合邏輯控制器為例，討論模型機(jī)的指令系統(tǒng)、時(shí)序系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程以及微命令的產(chǎn)生等情況。、時(shí)序系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程以及微命令的產(chǎn)生等情況。 第六節(jié)介紹微程序控制器。第六節(jié)介紹微程序控制器。3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v一、指令格式一、指令格式 見見P87雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令 如：如：ADD，SUB，MOV等等單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令 如：如：INC，DEC等等轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令 如：如：JMP，JSR等等可編程寄存器有七個(gè)，編號(hào)如下：可編程寄存器有七個(gè)，編號(hào)如下： 通用寄存器通用寄存器 R0

33、R3 000011 堆棧指針堆棧指針 SP 100 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字 PSW 101 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 PC 1113 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v 二、尋址方式二、尋址方式 模型機(jī)采用按字編址，字長模型機(jī)采用按字編址，字長16位，主存每個(gè)單元位，主存每個(gè)單元16位。采用定字長指位。采用定字長指 令格式，指令字長令格式，指令字長16位，操作數(shù)字長位，操作數(shù)字長16位位 （1）立即數(shù)尋址方式；（）立即數(shù)尋址方式；（2）寄存器尋址方式；）寄存器尋址方式； （3）存儲(chǔ)器尋址方式：）存儲(chǔ)器尋址方式： 直接尋址方式直接尋址方式 寄存器間接尋址方式寄存器間接尋址方式 自減型寄存器間址

34、方式自減型寄存器間址方式 自增型寄存器間址方式自增型寄存器間址方式 變址方式變址方式v 模型機(jī)尋址方式簡表模型機(jī)尋址方式簡表 類型類型 尋址方式尋址方式 匯編符號(hào)匯編符號(hào) 可指定寄存器可指定寄存器 0型型 寄存器尋址寄存器尋址 R R0R3，SP，PSW 1型型 寄存器間址寄存器間址 (R) R0R3，SP 2型型 自減型寄存器間址自減型寄存器間址 - (R) R0R3，SP 3型型 自增型寄存器間址自增型寄存器間址 (R)+ R0R3，SP，PC 3型型 立即數(shù)尋址立即數(shù)尋址 (R)+/PC R0R3，SP，PC 4型型 直接尋址直接尋址 DI PC 5型型 變址尋址變址尋址 X (R) R

35、0R3，SP，PC3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v例子例子指令指令“ADD R0， R1”：（將：（將R1和和R2的內(nèi)容相加，結(jié)果放到的內(nèi)容相加，結(jié)果放到R0中）中）例如例如：MOV R1，（，（R3） 寄存器尋址方式寄存器尋址方式 寄存器間址尋址方式寄存器間址尋址方式 000 001 000 011 001 操作碼操作碼 目的目的 源源 例如：立即尋址例如：立即尋址 MOV R1MOV R1，（，（PCPC） PC PC 操作碼、尋址操作碼、尋址 PC+1 PC+1 立即數(shù)立即數(shù) MOV R1MOV R1，（，（PCPC） PC+1 PC+1 下條指令下條指令 3 35 5模型

36、機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)例如：例如：MOV R1，DI 從存儲(chǔ)器取得指令，從存儲(chǔ)器取得指令，PCPC1 1PCPC，取操作數(shù)地址，取操作數(shù)地址CPUCPU存儲(chǔ)器，獲得存儲(chǔ)器，獲得操作數(shù)，放入操作數(shù)，放入R1.R1. 例如：例如：MOV R1，X（R2） PC 操作碼、尋址 位移量 下一條指令 （R2） 位移量位移量 操作數(shù) 獲得指令獲得指令CPUCPU；PCPC1 1 PCPC；按；按PCPC地址取出位移量地址取出位移量R2R2；按此地址；按此地址 獲得操作數(shù)。獲得操作數(shù)。3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v三、操作類型三、操作類型P901、傳送指令傳送指令 MOV傳送，操作碼傳

37、送，操作碼00000000 功能：實(shí)現(xiàn)立即數(shù)功能：實(shí)現(xiàn)立即數(shù)R R，立即數(shù)，立即數(shù)M，R R，R M，M R， M M，堆棧操作，堆棧操作，I/O操作。操作。 2、雙操作數(shù)算術(shù)運(yùn)算邏輯指令、雙操作數(shù)算術(shù)運(yùn)算邏輯指令 ADD加，操作碼加，操作碼0001 SUB減，操作碼減，操作碼0010 AND邏輯與，操作碼邏輯與，操作碼0011 OR 邏輯或，操作碼邏輯或，操作碼0100 EOR異或，操作碼異或，操作碼0101 3、單操作數(shù)算術(shù)邏輯指令、單操作數(shù)算術(shù)邏輯指令 COM求反，操作碼求反，操作碼0110 NEG求補(bǔ)，操作碼求補(bǔ)，操作碼0111 ING加加1，操作碼，操作碼1000 DEC減減1，操作

38、碼，操作碼1001 SL左移，操作碼左移，操作碼1010 SR右移，操作碼右移，操作碼10113 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)4、程序控制類指令、程序控制類指令 （1）轉(zhuǎn)移指令）轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼，操作碼1100 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0 操作碼操作碼 寄存器號(hào)寄存器號(hào) 尋址方式尋址方式 N Z V C 轉(zhuǎn)移地址 轉(zhuǎn)移條件 05全全0，表示無條件轉(zhuǎn)移，表示無條件轉(zhuǎn)移 000001，C0轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 100001，C1轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 000010，V0轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 100010，V1轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 000100，Z0轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 100100，Z1轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 001000，N0

39、轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 101000，N1轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) （2）轉(zhuǎn)子指令）轉(zhuǎn)子指令JSR，操作碼，操作碼1101 執(zhí)行執(zhí)行JSR指令時(shí)，將返回地址壓入棧保存，然后按尋址方式獲得子指令時(shí)，將返回地址壓入棧保存，然后按尋址方式獲得子 程序入口地址送入程序入口地址送入PC中。中。 （3）返回指令）返回指令RST，操作碼，操作碼1100 RST的功能是從棧頂取出返回地址送入的功能是從棧頂取出返回地址送入PC，因此只能使用自增型，因此只能使用自增型 寄存器間址，且指定寄存器為寄存器間址，且指定寄存器為SP “JMP （SP）”指令完全等效指令完全等效RST的功能。的功能。v四、指

40、令流程四、指令流程一、模型機(jī)時(shí)序一、模型機(jī)時(shí)序 三級(jí)時(shí)序：工作周期、節(jié)拍（時(shí)鐘周期）、工作脈沖三級(jí)時(shí)序：工作周期、節(jié)拍（時(shí)鐘周期）、工作脈沖1、工作周期、工作周期 取指周期取指周期FT 源周期源周期ST 目的周期目的周期DT 用于控制指令的正常執(zhí)行用于控制指令的正常執(zhí)行 執(zhí)行周期執(zhí)行周期ET 中斷周期中斷周期IT DMA周期周期DMA 用于控制用于控制I/O傳送傳送3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)設(shè)置設(shè)置6個(gè)觸發(fā)器，分別作為個(gè)觸發(fā)器，分別作為6個(gè)周期狀態(tài)標(biāo)志個(gè)周期狀態(tài)標(biāo)志1，表示工作周期開始，表示工作周期開始0，表示工作周期結(jié)束，表示工作周期結(jié)束在指令執(zhí)行過程中，任何時(shí)候只能有一個(gè)

41、觸發(fā)器為“1”。 FTSTDTETDMA請(qǐng)求DMATY中斷請(qǐng)求NDMAT轉(zhuǎn)移指令單操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令FT：訪存、取指令、修改：訪存、取指令、修改PC公操作公操作ST：按源尋址方式形成源地址，：按源尋址方式形成源地址，取出源操作數(shù)，存放于暫存器取出源操作數(shù)，存放于暫存器C中。中。YNDT：按目的尋址方式形成目的：按目的尋址方式形成目的地址，或取目的操作數(shù)，存放地址，或取目的操作數(shù)，存放于暫存器于暫存器D中。中。ET：將操作碼完成相應(yīng)操作：將操作碼完成相應(yīng)操作（傳送、運(yùn)算）（傳送、運(yùn)算）按操作碼完成相應(yīng)操作（傳送、運(yùn)算）按操作碼完成相應(yīng)操作（傳送、運(yùn)算）轉(zhuǎn)移地址送轉(zhuǎn)移地址送PC，返回地址壓棧保

42、存。，返回地址壓棧保存。3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)2、時(shí)鐘周期（節(jié)拍、時(shí)鐘周期（節(jié)拍T） 節(jié)拍時(shí)間：訪問一次主存的時(shí)間。節(jié)拍時(shí)間：訪問一次主存的時(shí)間。 （可以向存儲(chǔ)器寫入，從存儲(chǔ)器讀出，（可以向存儲(chǔ)器寫入，從存儲(chǔ)器讀出，CPUCPU內(nèi)存儲(chǔ)器之間的傳送，內(nèi)存儲(chǔ)器之間的傳送， CPUCPU寄存器內(nèi)部之間的時(shí)間比向存儲(chǔ)器寫入的時(shí)間要短，但經(jīng)常采寄存器內(nèi)部之間的時(shí)間比向存儲(chǔ)器寫入的時(shí)間要短，但經(jīng)常采 用寄存器之間傳送的時(shí)間）用寄存器之間傳送的時(shí)間） 每個(gè)工作周期又劃分為若干節(jié)拍；每個(gè)工作周期又劃分為若干節(jié)拍； 同樣的時(shí)鐘周期，不同的指令所需的節(jié)拍數(shù)各異；同樣的時(shí)鐘周期，不同的指令所需

43、的節(jié)拍數(shù)各異； 節(jié)拍發(fā)生器由計(jì)數(shù)器節(jié)拍發(fā)生器由計(jì)數(shù)器T和節(jié)拍譯碼器組成；和節(jié)拍譯碼器組成；T=0開始計(jì)數(shù)，若工作開始計(jì)數(shù)，若工作 周期要延長則發(fā)周期要延長則發(fā)T+1命令繼續(xù)計(jì)數(shù)，工作周期完成發(fā)命令繼續(xù)計(jì)數(shù)，工作周期完成發(fā)T=0復(fù)位命令。復(fù)位命令。 譯碼產(chǎn)生節(jié)拍狀態(tài)譯碼產(chǎn)生節(jié)拍狀態(tài)T0，T1，T2，等作為操作的時(shí)間標(biāo)志。等作為操作的時(shí)間標(biāo)志。工作周期結(jié)束時(shí)工作周期結(jié)束時(shí)T T清零清零 3 3、工作脈沖、工作脈沖P P每個(gè)節(jié)拍結(jié)束時(shí)設(shè)置一個(gè)脈沖每個(gè)節(jié)拍結(jié)束時(shí)設(shè)置一個(gè)脈沖 節(jié)拍節(jié)拍T T 脈沖脈沖P P 打入寄存器打入寄存器 進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)工作脈

44、沖工作脈沖 模型機(jī)在每一個(gè)節(jié)拍的末尾發(fā)一個(gè)工作脈沖，作為各種同步脈沖的模型機(jī)在每一個(gè)節(jié)拍的末尾發(fā)一個(gè)工作脈沖，作為各種同步脈沖的來源。來源。 脈沖的后沿作為工作周期的切換的定時(shí)信號(hào)。脈沖的后沿作為工作周期的切換的定時(shí)信號(hào)。v指令流程指令流程以指令執(zhí)行為線索，確定各周期每一節(jié)拍完成的具體操作（寄存器之以指令執(zhí)行為線索，確定各周期每一節(jié)拍完成的具體操作（寄存器之間的傳送操作）間的傳送操作）用寄存器傳送語言描述（如用寄存器傳送語言描述（如R0R0MARMAR）v 例子例子3-5 3-5 組合邏輯控制器組合邏輯控制器v指令流程指令流程P95圖圖3-20 取指流程圖（公共）取指流程圖（公共）P97圖圖3

45、-21 MOV指令流程圖指令流程圖P99圖圖3-22 雙操作數(shù)指令流程圖雙操作數(shù)指令流程圖P99圖圖3-23 單操作數(shù)指令流程圖單操作數(shù)指令流程圖P100圖圖3-24轉(zhuǎn)移指令流程圖轉(zhuǎn)移指令流程圖P101圖圖3-25轉(zhuǎn)子指令流程圖轉(zhuǎn)子指令流程圖3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v傳送類指令流程傳送類指令流程MOV （R0），），X（R1）是一條傳送指令，源地址采用變址尋址，目的地是一條傳送指令，源地址采用變址尋址，目的地址采用寄存器間接尋址方式。請(qǐng)擬出其指令流程。址采用寄存器間接尋址方式。請(qǐng)擬出其指令流程。v解答：解答： FT0 PC MAR FT1M MDR IR PC+1 PC S

46、T0PC MAR ST1M MDR D PC+1 PC ST2D+R1 Z ST3Z MAR ST4M MAR C DT0 R0 MAR ET0C MDR ET1MDR M3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)v運(yùn)算類指令流程運(yùn)算類指令流程 v擬出擬出ADD R0，R1的讀取與執(zhí)行流程。的讀取與執(zhí)行流程。指令功能：指令功能：R1和和R0的內(nèi)容相加，結(jié)果送入的內(nèi)容相加，結(jié)果送入R0，運(yùn)算通過，運(yùn)算通過ALU進(jìn)行進(jìn)行FT0：PCMARFT1:MMDRIR PC+1PCST0:R1CDT0:R0DET0:C+DZET1:ZR0v擬出擬出SUB （R1），），DI的讀取與執(zhí)行流程。的讀取與執(zhí)行流

47、程。指令功能：將由直接尋址獲取的源操作數(shù)與由寄存器間址獲得的目的指令功能：將由直接尋址獲取的源操作數(shù)與由寄存器間址獲得的目的 操作數(shù)相減，結(jié)果存入目的地址中。操作數(shù)相減，結(jié)果存入目的地址中。FT0:PCMARFT1:MMDRIR PC+1PC ST0:PCMAR3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)ST1:MMDRMAR PC+1PCST2:MMDRCDT0:R1MARDT1:MMDRDET0:C-DZET1:ZMDRET2:MDRMv 堆棧類指令流程堆棧類指令流程v擬出擬出MOV (SP),(R2)的讀取與執(zhí)行流程。的讀取與執(zhí)行流程。指令功能：將指令功能：將R2所指示的單元的內(nèi)容壓入堆

48、棧中所指示的單元的內(nèi)容壓入堆棧中FT0:PCMARFT1:MMDRIR PC+1PCST0:R2MARST1:MMDRC3 35 5模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)DT0:SP-1ZDT1:ZMAR、SPET0:CMDRET1:MDRMv轉(zhuǎn)移類指令流程轉(zhuǎn)移類指令流程v擬出指令擬出指令JSR R1的讀取于執(zhí)行流程。的讀取于執(zhí)行流程。 指令功能：將返回地址壓棧保存，并將指令功能：將返回地址壓棧保存，并將R1所存放的子程序入口送入所存放的子程序入口送入PC。FT0:PCMARFT1:MMDRIR PC+1PCST0:R1CET0:SP-1ZET1:ZMAR、SPET2:PCMARET3:MDRMET

49、4:CPC組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器v組合邏輯控制方式的基本概念與組合邏輯控制器組合邏輯控制方式的基本概念與組合邏輯控制器一、微命令一、微命令例如例如 模型機(jī)如何取指令模型機(jī)如何取指令 取指周期取指周期 FT0：PCMAR FT1：M MDR IR1、微命令是計(jì)算機(jī)中最基本的控制命令、微命令是計(jì)算機(jī)中最基本的控制命令 （控制最基本的微操作，入打開控制門，打入數(shù)據(jù)等）（控制最基本的微操作，入打開控制門，打入數(shù)據(jù)等）2、電位型微命令與脈沖型微命令（根據(jù)物理電信號(hào)的類型）、電位型微命令與脈沖型微命令（根據(jù)物理電信號(hào)的類型）在模型機(jī)中電位型微命令維持一個(gè)節(jié)拍的時(shí)間，用于控

50、制邏輯門電在模型機(jī)中電位型微命令維持一個(gè)節(jié)拍的時(shí)間，用于控制邏輯門電 路的開門路的開門/關(guān)門。關(guān)門。 例如：例如：PCout為高電平時(shí)有效，為高電平時(shí)有效，16位輸出門打開，指令地址送出到位輸出門打開，指令地址送出到 ALU總線總線 脈沖型微命令用作定時(shí)控制（如寄存器的定時(shí)打入）脈沖型微命令用作定時(shí)控制（如寄存器的定時(shí)打入） 地址從地址從ALU總線總線MAR 16位，位，CPMAR前沿出現(xiàn)時(shí)，將前沿出現(xiàn)時(shí)，將ALU總線上地址打入總線上地址打入MAR組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器二、組合邏輯控制方式及控制器原理二、組合邏輯控制方式及控制器原理1、如何產(chǎn)生微命令？、如何產(chǎn)

51、生微命令？PC out CPMARPCOUTFT0MOVST0（變址尋址直接尋址立即尋址）（變址尋址直接尋址立即尋址） MOVDT0（變址尋址直接尋址）（變址尋址直接尋址） 意義：在取指周期的第一拍意義：在取指周期的第一拍FT0發(fā)微命令發(fā)微命令PCOUT；或者傳送指令的源；或者傳送指令的源采用變址、或直接尋址、或立即尋址，則在源周期的第一拍采用變址、或直接尋址、或立即尋址，則在源周期的第一拍ST0發(fā)微發(fā)微命令命令PCOUT ；或者傳送指令的目的采用變址、或直接尋址，則在目的；或者傳送指令的目的采用變址、或直接尋址，則在目的周期的第一拍周期的第一拍DT0發(fā)微命令發(fā)微命令PCOUT；脈沖信號(hào)脈沖信

52、號(hào)CPMAR是與工作脈沖同步產(chǎn)生的，脈沖是與工作脈沖同步產(chǎn)生的，脈沖P產(chǎn)生，才有產(chǎn)生，才有CPMAR CPMARFT0PMOVST0（變址尋址直接尋址立即尋址（變址尋址直接尋址立即尋址 ）P MOVDT0（變址尋址直接尋址（變址尋址直接尋址）P 意義：在取指周期的第一拍意義：在取指周期的第一拍FT0，當(dāng)工作脈沖，當(dāng)工作脈沖P到來時(shí)，發(fā)微命令到來時(shí)，發(fā)微命令CPMAR或者傳送指令的源采用變址、或直接尋址、或立即尋址等等，則在源或者傳送指令的源采用變址、或直接尋址、或立即尋址等等，則在源周期的第一拍周期的第一拍ST0當(dāng)脈沖當(dāng)脈沖P到來時(shí)，發(fā)微命令到來時(shí)，發(fā)微命令CPMAR ；或者傳送指令的；或者傳

53、送指令的目的采用變址、或直接尋址，則在目的周期的第一拍目的采用變址、或直接尋址，則在目的周期的第一拍DT0當(dāng)工作脈沖當(dāng)工作脈沖P到來時(shí)，發(fā)微命令到來時(shí)，發(fā)微命令CPMAR ；組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器1、組合立即控制方式：、組合立即控制方式： 用組合立即電路產(chǎn)生命令的方式用組合立即電路產(chǎn)生命令的方式2、采用組合邏輯控制方式產(chǎn)生微命令的控制器稱為組合邏輯控制器。、采用組合邏輯控制方式產(chǎn)生微命令的控制器稱為組合邏輯控制器。那么控制器需要什么部件？部件的功能是什么？那么控制器需要什么部件？部件的功能是什么？ 3、組成邏輯控制器的工作過程、組成邏輯控制器的工作過程 4、組

54、合邏輯控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用、組合邏輯控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 1）基本思想）基本思想 綜合化簡產(chǎn)生微命令的條件，形成邏輯式，用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。綜合化簡產(chǎn)生微命令的條件，形成邏輯式，用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。 執(zhí)行指令時(shí)，由組合邏輯電路（微命令發(fā)生器）在相應(yīng)的時(shí)間發(fā)出執(zhí)行指令時(shí)，由組合邏輯電路（微命令發(fā)生器）在相應(yīng)的時(shí)間發(fā)出 所需的微命令，控制有關(guān)操作。所需的微命令，控制有關(guān)操作。 2）優(yōu)缺點(diǎn)）優(yōu)缺點(diǎn) 產(chǎn)生微命令的速度快產(chǎn)生微命令的速度快 （1） 設(shè)計(jì)不規(guī)整，設(shè)計(jì)效率低（不同的命令不同）設(shè)計(jì)不規(guī)整，設(shè)計(jì)效率低（不同的命令不同） 控制器核心結(jié)果凌亂，不便于檢查和調(diào)試控制器核心結(jié)果凌亂，不便于檢查和調(diào)試

55、 （2）不易修改，擴(kuò)展指令系統(tǒng)功能。）不易修改，擴(kuò)展指令系統(tǒng)功能。 3）應(yīng)用場(chǎng)合）應(yīng)用場(chǎng)合 主要用于高速計(jì)算機(jī)，或規(guī)模較小的計(jì)算機(jī)。主要用于高速計(jì)算機(jī)，或規(guī)模較小的計(jì)算機(jī)。3-63-6組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器微命令的綜合與產(chǎn)生微命令的綜合與產(chǎn)生在組合邏輯控制器中，微命令是由組合邏輯電路產(chǎn)生的。在組合邏輯控制器中，微命令是由組合邏輯電路產(chǎn)生的。 由產(chǎn)生微命令的各種條件綜合分析出微命令的邏輯表達(dá)式，整理和由產(chǎn)生微命令的各種條件綜合分析出微命令的邏輯表達(dá)式，整理和簡化；簡化； 然后用組合邏輯門電路或然后用組合邏輯門電路或PLA門陣列實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)成微操作信號(hào)發(fā)生門陣列實(shí)現(xiàn)

56、，即構(gòu)成微操作信號(hào)發(fā)生器。器。 小結(jié)小結(jié) P102v微程序控制方式的基本思想：微程序控制方式的基本思想：將機(jī)器中的指令分解為基本的微命令序列，用二進(jìn)制代碼表示這些命將機(jī)器中的指令分解為基本的微命令序列，用二進(jìn)制代碼表示這些命令，并編寫成微指令，多條微指令再形成微程序。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)令，并編寫成微指令，多條微指令再形成微程序。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，并在制造一段微程序，并在制造CPU時(shí)固化在時(shí)固化在CPU中的控制存儲(chǔ)器（中的控制存儲(chǔ)器（CM）中）中. 執(zhí)行機(jī)器指令的時(shí)候，執(zhí)行機(jī)器指令的時(shí)候，CPU依次從依次從CM中取出相應(yīng)的微指令，從而產(chǎn)中取出相應(yīng)的微指令，從而產(chǎn) 生微命令。生微命令。一條

57、微指令包含的微命令能控制實(shí)現(xiàn)一步（節(jié)拍）的操作；若干條微一條微指令包含的微命令能控制實(shí)現(xiàn)一步（節(jié)拍）的操作；若干條微指令組成的一小段微程序解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令。指令組成的一小段微程序解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令。CM中的微程序能解中的微程序能解釋執(zhí)行整個(gè)指令系統(tǒng)中的所有機(jī)器指令。（釋執(zhí)行整個(gè)指令系統(tǒng)中的所有機(jī)器指令。（CM）中的微程序決定了該）中的微程序決定了該CPU的指令系統(tǒng)。的指令系統(tǒng)。3-63-6組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器v微程序控制方式的基本思想：微程序控制方式的基本思想：1、微程序控制方式的基本思想、微程序控制方式的基本思想 PCOUT1010 CPMAR100

58、01 101010001 所有操作所需微操作指令所有操作所需微操作指令（1）若干微命令編制成一條微命令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作）若干微命令編制成一條微命令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作（2）若干微命令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令）若干微命令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令（3）微程序事先存放在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出）微程序事先存放在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出2、微程序控制器組成原理、微程序控制器組成原理（1）主要部件）主要部件 1、控制存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器CM 功能：存放微程序功能：存放微程序 有效微程序有效微程序CM屬于屬于CPU，不屬于主存儲(chǔ)器，不屬于主存儲(chǔ)器 2、微指令寄存器

59、、微指令寄存器uIR 功能：存放現(xiàn)行微指令功能：存放現(xiàn)行微指令 微命令字段：提供一步操作所需的微命令微命令字段：提供一步操作所需的微命令 微地址字段：指明后續(xù)地址的形成方式微地址字段：指明后續(xù)地址的形成方式 3、微地址形成電路、微地址形成電路 功能：提供微地址功能：提供微地址 微程序入口地址：由機(jī)器指令操作碼形成微程序入口地址：由機(jī)器指令操作碼形成 后續(xù)微地址：由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運(yùn)行地址后續(xù)微地址：由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運(yùn)行地址3-63-6組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器v 控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CMCM譯碼譯碼PS后繼微后繼微地址形地址形成電路成電路PC ROM 譯碼譯碼微操作控制字段微操作控制字段IR 順序控制字段順序控制字段微地址微地址寄存器寄存器uIR微微 命命 令令 序序 列列. .微程序控制器原理圖微程序控制器原理圖3-63-6組合邏輯控制器與微程序控制器組合邏輯控制器與微程序控制器（2）工作過程）工作過程 1、取機(jī)器指令、取機(jī)器指令 CM 取