組合邏輯設計

組合邏輯設計1第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日2Whenthereareonlyafewaddressingmodes,theparticularaddressingmoderequiredisusuallyencodedwithintheinstructioncode(e.g.IBMSystem/390,mostRISC).Butwhentherearelotsofaddressingmodes,aspecificfieldisoftensetasideintheinstructiontospecifytheaddressingmode.第6章中央處理器Chapter6CentralProcessingUnit(4)第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日§6.3.3微指令格式微指令的格式大體上可分成兩類：HorizontalMicroinstruction水平型微指令和VerticalMicroinstruction垂直型微指令。水平型微指令是在一條微指令中定義并執(zhí)行多個可并行操作的微命令，控制盡可能多并行信息傳送。垂直型微指令是一次只能執(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。在一條水平型微指令中設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，微指令的并行操作能力低，效率低。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日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。4．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。水平型微指令與機器指令差別很大，一般需要對機器的結構、數(shù)據(jù)通路、時序系統(tǒng)以及微命令很精通才能進行設計。第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日5微程序控制器設計方法小結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，再將這些微指令構成一個微程序。2．將全部微程序存入一個高速的控制存儲器中。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。每條機器指令對應一個微程序。Microcodewasoriginallydevelopedasasimplermethodofdevelopingthecontrollogicforacomputer.第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日InstructionCycle-StateDiagram計算指令地址取指令Instructionfetch取操作數(shù)Operandfetch保存操作數(shù)OperandStoreInstructionaddresscalculating指令操作譯碼InstructionoperationdecodingDataOperationOperandaddresscalculating計算操作數(shù)地址OperandaddresscalculatingReturnforStringorVectorDataInstructionCompleteFetchNextInstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期狀態(tài)圖第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日7§6.4硬布線控制的計算機“組合邏輯控制”又稱硬布線控制（HardwiredControl）或“硬連邏輯控制”。

組合邏輯控制器的設計方法是：1．列出全部微操作2．建立操作時間表4．作組合邏輯框圖3．求微操作命令的邏輯函數(shù)表達式第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日8組合邏輯控制器的設計方法1．列出全部微操作分析并列出各條指令在取指、分析、執(zhí)行中所需的全部微操作。（根據(jù)給定的CPU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。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§6.4硬布線控制的計算機第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日9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)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)。假設機器采用同步控制，每個機器周期包含3個節(jié)拍。微操作的節(jié)拍安排機器周期節(jié)拍T0T1T2M0M1M2第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日101．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。PC→MAR，1→R微操作的節(jié)拍安排T1節(jié)拍可安排兩個微操作。M(MAR)→MDR，(PC)+1→PCT2節(jié)拍MDR→IR，指令一取到IR就開始進行譯碼2．間址周期微操作的節(jié)拍安排T0節(jié)拍Ad(IR)→MAR，1→RT1節(jié)拍M(MAR)→MDRT2節(jié)拍MDR→MAR第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日11（1）非訪存指令①清除累加器指令CLAT03．執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T20→ACC②累加器取反指令COMT0T1T2第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日12（1）非訪存指令③算術右移1位指令SHRT0執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2R(ACC)→ACC，ACC0→ACC0④循環(huán)左移1位指令CSLT0T1T2L(ACC)→ACC，ACC0→ACCn⑤停機指令STPT0T1T20→G第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日13（2）訪存指令①加法指令ADDXT0Ad(IR)→MAR，1→R執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1M(MAR)→MDRT2(ACC)+(MDR)→ACC②存數(shù)指令STAXT0Ad(IR)→MAR，1→WT1ACC→MDRT2MDR→M(MAR)第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日14（2）訪存指令③取數(shù)指令LDAXT0Ad(IR)→MAR，1→R執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1M(MAR)→MDRT2MDR→ACC第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日15（3）轉(zhuǎn)移類指令①無條件轉(zhuǎn)移指令JMPXT03．執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排T1T2Ad(IR)→PC②零轉(zhuǎn)移指令JZXT0T1T2第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日16CPU響應中斷，執(zhí)行中斷隱指令把PC內(nèi)容壓棧，關中斷T0SP→MAR，0→中斷允許觸發(fā)器4．中斷周期微操作的節(jié)拍安排T1PC→MDR，1→WT2MDR→M(MAR)，向量地址→PC第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日操作時間表第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日184．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)生微操作命令序列的組合邏輯框圖。組合邏輯控制器的設計方法3．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）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。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日“微程序控制”與“硬布線控制”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。有利于降低設計成本和實現(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，RISC機和一些追求高速的CISC機都采用或部分采用硬布線控制。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日Homework6-11,18,CommonlogicstylesusedinCPUdesigninclude:UnstructuredrandomlogicFinite-statemachinesMicroprogramming(commonfrom1965to1985,nolongercommonexceptforx86RISC-likeCPUs)Programmablelogicarray(commoninthe1980s,nolongercommon).CPUsdesignedforhigh-performancemarketsmightrequirecustomdesignsforeachoftheseitemstoachievefrequency,power-dissipation,andchip-areagoals.第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日2021測驗2請寫好自己的姓名、學號、班級第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日測驗2一、（20分）某計算機的指令字長為16位，用指令操作碼擴展技術設計指令系統(tǒng)，要求有零地址指令16條，一地址指令31條，兩地址指令14條及三地址指令15條。每個地址碼字段為4位。二．（共20分）某計算機能完成78種操作，指令字長為16位。（1）一地址格式的指令地址碼可取幾位？（2）要想使指令的尋址范圍擴大到216，可采用哪些方法？三．（共20分）某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條三地址指令、16條二地址指令、100條一地址指令。請不要抄題，只寫題號

第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日22測驗2四．（共20分）某機指令字長16位，每個操作數(shù)的地址碼長6位，設操作碼長度固定，指令分為零地址、一地址和二地址三種格式。（1）若零地址指令有M條，一地址指令有N條，問二地址指令最多可能有多少條？（2）若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有多少條？三．（共20分）某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條三地址指令、16條二地址指令、100條一地址指令。請不要抄題，只寫題號

第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日23五、（共10分）判斷題（請在正確的句子前寫T，錯誤的句子前寫F）請不要抄題，只寫題號

（）1．哈佛結構的計算機都有輸入輸出指令。（）2．CPU通過輸入/輸出指令在磁盤上讀寫數(shù)據(jù)。（）4．程序計數(shù)器PC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)總線和控制總線組成，所以是三總線結構。（）3．累加器的位數(shù)與機器字長相同。（）7．堆棧尋址方式，操作數(shù)的位置在堆棧指示器SP中。（）6．計算機的字長與指令字長不一定相同。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日24五、（共10分）