計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)-第二章第四講ppt課件

1、1 第二章 指令系統(tǒng)2 第二章 第二章 指令系統(tǒng)2.1 指令格式2.2 尋址方式2.3 指令種類2.4 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)RISC2.5 指令系統(tǒng)的優(yōu)化與開展2.6 指令的執(zhí)行過程與控制2.7 微程序控制器2.8 中斷系統(tǒng) 3主要內(nèi)容 根本概念微程序控制器微指令的格式與編碼微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器42.7 微程序控制器計(jì)算機(jī)控制部件執(zhí)行部件運(yùn)算器存儲(chǔ)器外設(shè)執(zhí)行控制命令并經(jīng)過反響線反響形狀信息控制部件執(zhí)行部件控制線反響線控制部件與執(zhí)行部件經(jīng)過控制線和反響信息進(jìn)展聯(lián)絡(luò)?？刂破鹘?jīng)過控制線發(fā)出控制命令5微程序控制器的根本思想：仿照通常的解題程序方法，把操作控制信號(hào)編成 微指令存放在只讀存儲(chǔ)器里，當(dāng)

2、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，逐條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機(jī)所需求的各種微操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)定的操作。微程序控制器的優(yōu)點(diǎn)具有規(guī)整性靈敏性可維護(hù)性 2.7 微程序控制器62.7 微程序控制器1微命令和微操作Micro-order1微命令控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令。2微操作執(zhí)行部件接受微命令后進(jìn)展的操作最根本、最簡(jiǎn)單的操作。3)微操作類型相容性 :在同時(shí)或同一CPU周期內(nèi)可并行執(zhí)行的操作相斥性 :不能在在同時(shí)或同一CPU周期內(nèi)可并行執(zhí)行的操作一、根本概念7簡(jiǎn)單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖(P176) 2.7 微程序控制器相斥相斥1、2、3相容4 、 6 、 8與5、7、9也是相容的相斥82微指令Mic

3、roinstruction和微程序1微指令在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。2微程序?qū)崿F(xiàn)一條機(jī)器指令功能的許多條微指令組成的序列。3微指令的構(gòu)成操作控制字段 + 順序控制字段2.7 微程序控制器93、微指令根本構(gòu)造 1) 操作控制部分 發(fā)出管理和指揮全機(jī)任務(wù)的控制信號(hào)。2) 順序控制部分 決議產(chǎn)生下一條微指令的地址。2.7 微程序控制器10微程序微指令微命令微操作的關(guān)系 2.7 微程序控制器11二、微程序控制器組成原理圖2.7 微程序控制器2.7.1 微程序控制器121.控制存儲(chǔ)器CM 作用：用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序 操作：只讀 要求：是速度快，讀出周期要短

4、。 2.微指令存放器IR作用：用來存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息。 組成：微命令存放器+微地址存放器AR3.地址轉(zhuǎn)移邏輯 作用：當(dāng)需求轉(zhuǎn)移時(shí)，根據(jù)機(jī)器指令的操作碼字段OP和形狀條件及P字段實(shí)現(xiàn)對(duì)AR的修正。微指令由控制存儲(chǔ)器讀出后直接給出下一條微指令的地址，即微地址，這個(gè)微地址信息就存放在微地址存放器中。假設(shè)微程序不出現(xiàn)分支，那么下一條微指令的地址就直接由微地址存放器給出。2.7 微程序控制器131.一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由假設(shè)干條微指令序列組成的。2.從指令，程序與地址與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān);微程序，微指令與微地址與控制存儲(chǔ)器有關(guān)。3. 每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令機(jī)器指令

5、與微指令的關(guān)系14三、微程序舉例“十進(jìn)制加法指令的微程序控制過程1、執(zhí)行“取指微指令，取出“十進(jìn)制加法 指令2.7 微程序控制器LDAR (uIR16): (PC)ARRD (uIR13) : 讀內(nèi)存LDDR (uIR14) : 指令DRLDIR (uIR15) : (DR)IRPC1uIR17: (PC)+1PCP1(uIR18): 允許用OP作為下一微地址，即微程序入口設(shè)十進(jìn)制加法指令OP10102.7.1 微程序控制器595910152、執(zhí)行“十進(jìn)制加法指令的微程序11010微指令 R1x ，R2y，LDR2 完成R1R2R22.7 微程序控制器595910162、執(zhí)行“十進(jìn)制加法指令的

6、微程序21001微指令 R2x，R3y，LDR2 完成R2R3R2 P2測(cè)試Cy Cy0，1 uAR0，0001為下一微地址 Cy1，0000為下一微指令59592.7 微程序控制器173Cy0，0001微指令 R2x，R3y，LDR2 完成R2R3R259952.7 微程序控制器182.7 微程序控制器000010101001000119四、微程序控制的計(jì)算機(jī)的任務(wù)過程1、執(zhí)行取指微指令，依PC從內(nèi)存讀出指令，由操作碼經(jīng)地址轉(zhuǎn)移邏輯構(gòu)成執(zhí)行該指令的微程序入口地址uAR；2、根據(jù)uAR從CM中讀出微指令uIR；3、微命令控制字段經(jīng)譯碼產(chǎn)生微命令，送各功能部件執(zhí)行；4、由轉(zhuǎn)移邏輯構(gòu)成下一微地址u

7、AR可見：234234的循環(huán)過程就是微程序的執(zhí)行過程。2.7 微程序控制器2.6.1 微程序控制器20例. 設(shè)某計(jì)算機(jī)運(yùn)算器框圖如圖(a)所示，其中ALU為16位的加法器(高電平任務(wù))，SA,SB為16位暫存器。R0R3為四個(gè)通用存放器，其讀、寫控制功能見下表。2.7 微程序控制器21SB-ALU：傳送SB的控制信號(hào),并使加法器最低位加1. Reset：清暫存器SB為零的信號(hào) ：一段微程序終了，轉(zhuǎn)入取機(jī)器指令的控制信號(hào)要求：用二進(jìn)制代碼寫出如下指令的微程序： (1)“ ADD R0，R1 指令，即(R0)+(R1)R1(2)“ SUB R2，R3 指令，即(R3)-(R2)R3(3)“ MOV

8、 R2，R3 指令，即(R2)(R3)RA0 RA1：讀R0-R3的選擇控制WA0 WA1：寫R0-R3的選擇控制R： 存放器讀命令W：存放器寫命令 LDSA：打入SA的控制信號(hào) LDSB：打入SB的控制信號(hào) SB-ALU：傳送SB的控制信號(hào) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 112.7 微程序控制器22【解】先畫出三條指令的微指令的微程序流程圖，如以下圖所示。每一框表示一條微指令。 根據(jù)微指令周期時(shí)間關(guān)系，完成ADD，SUB指令的執(zhí)行動(dòng)作需求3條微指令，MOV指令只需2條微指令。用二進(jìn)制代碼寫出的三條指令的微程序列。2.7 微程序控制器0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

9、 11232.7 微程序控制器0 0 * * 1 0 1 0 0 0 0 00 1 * * 1 0 0 1 0 0 0 0* * 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1242.7 微程序控制器1 1 * * 1 0 1 0 0 0 0 01 0 * * 1 0 0 1 0 0 0 0* * 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1252.7 微程序控制器1 0 * * 1 0 1 0 0 0 0 0* * 1 1 0 1 0 0 1 0 1 126R0，R1R2，R3R2，R3R0-SAR1-SB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1

10、1SA+ SB -R1R3-SAR2-SBSA- SB -R3R2-SA0-SB ,SA+ SB -R32.7 微程序控制器272.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器 微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：確定微指令的構(gòu)造。一、設(shè)計(jì)微指令構(gòu)造的目的：1、有利于縮短微指令字長(zhǎng)度；2、有利于減少CM的容量；3、有利于提高微程序的執(zhí)行速度；4、有利于微指令的修正；5、有利于微程序設(shè)計(jì)的靈敏性。282.6.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)二、微命令編碼對(duì)微指令中的操作控制字段采用的表示方法。1、直接表示法直接控制法，不譯法操作控制字段中的每一位表示一個(gè)微命令。每一個(gè)二進(jìn)制位表示一個(gè)微命令優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，直觀，快速。缺陷：微指令字太

11、長(zhǎng)，位信息利用率低。2.7 微程序控制器292.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)二、微命令編碼對(duì)微指令中的操作控制字段采用的表示方法。2、編碼表示法字段編碼法將微命令分段編碼，經(jīng)簡(jiǎn)單譯碼產(chǎn)生微命令。優(yōu)點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)適中，譯碼器不龐大，能實(shí)現(xiàn)并行操作，速度較快2.7 微程序控制器分段原那么：A、相容相斥原那么B、每個(gè)字段的位數(shù)不能太多24位。30簡(jiǎn)單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖(P176) 2.7 微程序控制器相斥相斥1、2、3相容4 、 6 、 8與5、7、9也是相容的相斥31二、微命令編碼2、編碼表示法字段編碼法 (續(xù) A、字段直接譯碼法字段顯式編碼法 微命令由字段本身的編碼確定。 n個(gè)字段的微命令總數(shù)： 式中：

12、Xj第j個(gè)字段包含的二進(jìn)制位數(shù) n 字段數(shù) 2.6.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器322.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)B、字段間接法字段隱式編碼法字段的含義需由字段本身的編碼和另一字段或某特征觸發(fā)器的形狀共同確定。字段A譯碼后輸出一個(gè)信號(hào)到字段B字段是把一個(gè)特征觸發(fā)器的形狀送譯碼，如給運(yùn)用，給通道運(yùn)用益處：可進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)2.7 微程序控制器332.6.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)二、微命令編碼3、混合表示法把直接表示法和編碼表示法相混合運(yùn)用2.7 微程序控制器34構(gòu)成下條微指令地址簡(jiǎn)稱下地址能夠有以下五種情況：下地址為本條微指令地址加1；微程序必轉(zhuǎn)某一微地址，可在微指令中給出該微地址值；根據(jù)形

13、狀標(biāo)志位，選擇順序執(zhí)行或轉(zhuǎn)向某一地址；微子程序的調(diào)用及前往控制，要用到微堆棧；根據(jù)條件判別轉(zhuǎn)向多條微指令地址中的某一地址，比更復(fù)雜的情況。 三、微地址確實(shí)定方法 2.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器35三、微地址確實(shí)定方法1、無分支時(shí)微地址確實(shí)定A、計(jì)數(shù)器方式 設(shè)置一個(gè)微指令計(jì)數(shù)器，也可以由控制存儲(chǔ)器的地址存放器添加計(jì)數(shù)功能來完成，每執(zhí)行一條微指令后，加上一個(gè)增量構(gòu)成下條微指令地址。B、斷定方式 直接由微指令的順序控制下址字段給出。 特點(diǎn)：微指令存放位置靈敏，不需uPC。2.6.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器362、有分支時(shí)微地址的確定方式A、計(jì)數(shù)器方式與斷定方式結(jié)合不轉(zhuǎn)移時(shí)

14、微地址由uPC確定；轉(zhuǎn)移（條件選擇滿足）時(shí)，按轉(zhuǎn)移地址取下一微指令B、多路轉(zhuǎn)移方式一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支功能的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。2.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器37四、微指令格式1、程度型微指令 一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行微命令操作的微指令?？刂谱侄闻袆e測(cè)試字段下地址字段1) 全程度型不譯法微指令2) 字段譯碼法程度型微指令3) 直接和譯碼相混合程度型微指令2.6.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器38微操作碼源部件編址目標(biāo)部件編址其它15 13 12 87 3 2 015 13 12 87 3 2 02、垂直型微指令設(shè)置微操作碼經(jīng)編譯規(guī)定微指令功能的微指令。 例：1) R

15、R傳送型微指令 2) 運(yùn)算控制型微指令0 0 0 源寄存器編址目標(biāo)寄存器編址其 它0 0 1 左輸入源編址右輸入源編址A L U2.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器394)條件轉(zhuǎn)移微指令 3)訪問主存微指令2.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器403、程度型與垂直型微指令的比較1) 程度型微指令并行操作才干強(qiáng)。效率高，靈敏性強(qiáng)，垂直型的較差；2) 程度型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型的長(zhǎng)；3) 程度型微指令字比較長(zhǎng)，但微程序短，垂直型的那么相反；4) 程度型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令較類似，較易掌握 2.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器412、并行

16、執(zhí)行方式 訪問CM的操作與執(zhí)行微指令的操作是重疊進(jìn)展的。優(yōu)點(diǎn)：縮短了微周期速度快缺陷：控制構(gòu)造較復(fù)雜，必需處理好微指令的轉(zhuǎn)移問題，2.7.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)2.7 微程序控制器422.8 中斷系統(tǒng)1、中斷：程序運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于出現(xiàn)某種特殊情況，中止現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行處置這一事件的程序，處置終了后再恢復(fù)原運(yùn)轉(zhuǎn)程序，這個(gè)過程叫作中斷。2.8.1 根本概念 2、為什么要有中斷？可以使CPU與輸入輸出并行任務(wù)； 缺點(diǎn)處置的功能；多機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)；人與機(jī)器間的聯(lián)絡(luò)。433、中斷源：引起中斷的各種事件稱為中斷源。2.8 中斷系統(tǒng)442.8 中斷系統(tǒng)2.8.2 中斷的種類：1. 按中斷產(chǎn)生的方式分類： 自愿中

17、斷 強(qiáng)迫中斷隨機(jī)中斷2.按照中斷懇求的來源與緣由分類： 內(nèi)部中斷 外部中斷3. 按照CPU對(duì)中斷的呼應(yīng)形狀分類： 屏蔽中斷 非屏蔽中斷452.8.3 中斷的處置過程中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)中斷屏蔽中斷呼應(yīng)中斷處置2.8 中斷系統(tǒng)461、中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)中斷優(yōu)先級(jí)：當(dāng)CPU正在處置中斷時(shí)，能呼應(yīng)更高級(jí)別的中斷懇求，而屏蔽掉同級(jí)或較低級(jí)別的中斷懇求。 單級(jí)中斷處置和多級(jí)中斷處置：?jiǎn)渭?jí)中斷處置不允許其他設(shè)備再中斷CPU的程序；多級(jí)中斷處置允許優(yōu)先級(jí)高的中斷打斷優(yōu)先級(jí)低的中斷效力程序。2.8 中斷系統(tǒng)2.8.3 中斷的處置過程47同時(shí)中斷懇求的處置方法a單級(jí)中斷處置b多級(jí)中斷處置2.8 中斷系統(tǒng)482.8 中斷系

18、統(tǒng)2.中斷屏蔽 封鎖中斷源的中斷懇求功能。 -為什么要屏蔽? 1)決議設(shè)備能否采用中斷方式任務(wù)。2)為能動(dòng)態(tài)改動(dòng)中斷的處置次序,需求屏蔽技術(shù)。2.8.3 中斷的處置過程492.8 中斷系統(tǒng)2.8.3 中斷的處置過程3、中斷的處置次序 經(jīng)過中斷屏蔽位的設(shè)置，可改動(dòng)或保證中斷的處置次序。按1-2-3-4處置順序的中斷屏蔽位設(shè)置中斷處置次序?yàn)?234的處置過程 512.8 中斷系統(tǒng)2.8.3 中斷懇求的排優(yōu)與處置次序3、中斷的處置次序按1-4-3-2處置順序的中斷屏蔽位設(shè)置中斷處置次序?yàn)?432的處置過程 534、中斷呼應(yīng)：CPU中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行,轉(zhuǎn)向中斷效力程序的過程。 -CPU呼應(yīng)中斷的條件：CPU處于允許(開放)中斷的形狀； 至少有一個(gè)中斷源懇求中斷； 通常一條指令執(zhí)行完。2.8.3 中斷的處置過程2.8 中斷系統(tǒng)545、中斷呼應(yīng)與處置 接納中斷懇求(硬件完成 進(jìn)入中斷處置程序(硬件完成 中斷現(xiàn)場(chǎng)保管(軟件完成 對(duì)中斷懇求進(jìn)展分析和處置(軟件完成 前往中斷點(diǎn)(軟、硬件完成2.