計算機原理信息

計算機原理信息第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.0計算機的硬件系統(tǒng)典型微機系統(tǒng)2第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)字邏輯基礎(chǔ)補充3-時序邏輯觸發(fā)器，時序邏輯電路3第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念一、控制器的功能：“指揮中心”正確且自動地連續(xù)執(zhí)行指令即：向計算機各功能部件發(fā)出控制信號1.取指令2.分析指令3.執(zhí)行指令4.控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果的輸出5.對異常情況和某些請求的處理4第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念二、控制器的組成指令部件時序部件微操作序列形成部件中斷控制邏輯5第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念操作碼地址碼IR指令譯碼器地址形成部件微操作

信號發(fā)生器微操作命令序列時鐘節(jié)拍發(fā)生器中斷控制邏輯狀態(tài)寄存器中斷請求指令結(jié)束I/O狀態(tài)信息控制臺信息運行狀態(tài)程序計數(shù)器PC6第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念控制器基本組成框圖（圖6.3）前頁7第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念1、指令部件（1）PC程序計數(shù)器：存放指令地址，有+1或接收新值功能

PC位數(shù)與MAR位數(shù)一致

程序開始時，PC內(nèi)容為程序在內(nèi)存的首地址

順序執(zhí)行，PC內(nèi)容不斷加“1”

非順序時，PC指向目標地址（2）IR指令寄存器：

存放當前正在執(zhí)行的指令內(nèi)容（OP與OA）8第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念（3）ID指令譯碼器：

將指令中的OP部分譯碼，分析是什么操作（4）地址形成部件：

指令OA中給出的是形式地址，由尋址方式經(jīng)過運算得出有效地址2、時序部件（1）脈沖源（2）啟?？刂七壿嫞?）節(jié)拍信號發(fā)生器按需要給出脈沖信號9第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念3、中斷控制邏輯用來處理中斷的硬件電路4、微操作序列形成部件微操作：最基本的、不可再分解的操作。

例如：打開一個邏輯門微操作信號發(fā)生器：

輸入：ID譯碼得出的控制操作信號、

時序信號、

功能部件返回的狀態(tài)信號和條件信號

輸出：完成該指令所需的微操作控制信號10第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念三、控制器的分類（實現(xiàn)）：根據(jù)微操作信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法不同來分：組合邏輯控制器

快，可修改性差微程序控制器

設(shè)計規(guī)整，可修改；速度慢PLA控制器

前兩者的綜合11第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.2時序系統(tǒng)與控制方式一、三級時序系統(tǒng)——M、T、P1、指令周期：

取出一條指令到該指令執(zhí)行完所需要的時間。不同指令的指令周期不相同2、機器周期（CPU周期）：

把指令周期分成取指周期、執(zhí)行周期等若干機器周期。

12第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四多級時序信號之間的關(guān)系三級時序信號之間的關(guān)系

13第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.2時序系統(tǒng)與控制方式1)不同指令所包含的機器周期數(shù)可能不同2)為了控制簡單，規(guī)定每個M一樣長∵CPU訪問主存的時間最長∴以主存的工作周期（存取周期）規(guī)定機器周期的大小14第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.2時序系統(tǒng)與控制方式3、節(jié)拍T：（時鐘周期）

把機器周期分成若干個時間相等的節(jié)拍，每個節(jié)拍完成一個基本操作。

如：ALU一次運算、寄存器間一次傳送等。15第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四4、工作脈沖P：二、時序信號的產(chǎn)生例計數(shù)器變化規(guī)律：00→01→10→11→00。。。6.2時序系統(tǒng)與控制方式T0T1T2T3P16第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.2時序系統(tǒng)與控制方式三、控制方式1、同步控制方式（固定時序控制方式）：

統(tǒng)一的時序控制，以最復(fù)雜指令的操作時間作為統(tǒng)一的時間間隔標準優(yōu)點：設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)

缺點：大多數(shù)簡單指令空閑時間多，速度降低2、異步控制方式（“應(yīng)－答”方式）：

例如：CPU發(fā)出存儲器Read信號,——“啟動”

MEM讀結(jié)束后，發(fā)出MFC信號——“結(jié)束”17第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.2時序系統(tǒng)與控制方式3、聯(lián)合控制方式（同步＋異步的混合方式）：

功能部件內(nèi)部——同步控制

功能部件之間——異步控制例如：CPU內(nèi)部——同步

CPU與外設(shè)或主存——異步優(yōu)點：沒有時間浪費，速度提高

缺點：控制復(fù)雜18第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程系統(tǒng)總線

ABCBDBMI/O內(nèi)總線控制部件時序寄存器MARMDRALUPSWPCIRYZ19第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程一、寄存器的設(shè)置：1、通用寄存器：2、專用寄存器：存放特定的內(nèi)容MAR、MDR、PC、IRPSW：例如8086的PSW為16位，用到9位OFDFIFTFSFZFAFPFCF024678910111520第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程總線特點：同一個時刻只能有一個發(fā)送端，但可以有多個接收端實現(xiàn)方法：三態(tài)門控制端輸入輸出控制信號＝“1”時，門打開，輸出＝輸入

控制信號＝“0”時，門關(guān)閉例如：（R0）→R1，

因為通過總線傳送，控制信號R0out＝1可將R0內(nèi)容送到總線上，此時令控制R1in＝1，可使R1的接收門打開，完成（R0）→R121第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四習(xí)題3.27A,B是兩個D型邊沿寄存器1）外部數(shù)據(jù)如何才能傳送到B2)如何實現(xiàn)A+BA,A+BB3)若A,B均為鎖存器，有什么影響22第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程一個簡單的3+2執(zhí)行過程23第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程二、指令的執(zhí)行過程：取指令→分析指令→執(zhí)行指令1、取指令：即((PC))→IR

(PC)

→AB 發(fā)READ命令

指令內(nèi)容→DB→IR

(PC)＋1→PC2、分析指令：IR中的OP部分送至ID中3、執(zhí)行指令：由控制邏輯發(fā)出微操作控制序列，完成指令功能24第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程以下一條加法指令為例：

功能:(rs)+((rs1)+disp)→rd操作碼rs，rdrs1Imm(disp)需要完成以下操作（每組操作需要一個機器周期）1.取指令（并分析指令）2.計算數(shù)據(jù)地址3.到存儲器取數(shù)4.運算并送結(jié)果25第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程26第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.3指令的執(zhí)行過程圖1.取指令：即((PC))→IR

PC→AB;發(fā)READ命令;

指令內(nèi)容→DB→IR;(PC)＋1→PC2.計算地址：rs1→GR,(rs1)→ALU,disp→ALU;“+”;ALU→AR3.取數(shù)：AR→AB;發(fā)READ命令;DB→DR;4.運算：rs→GR,(rs)→ALU,DR→ALU;“+”;ALU→rd，置狀態(tài)位27第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器一、時序與節(jié)拍一條指令的實現(xiàn)可分為取址、取數(shù)等若干步，執(zhí)行一步所需時間為一個機器周期?？捎糜嫈?shù)器譯碼器電路或循環(huán)移位寄存器實現(xiàn)機器周期的區(qū)分。CY1-4在對應(yīng)的機器周期內(nèi)為有效28第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器二、操作控制信號的產(chǎn)生1.操作控制信號的形成邏輯操作碼譯碼器：將操作碼輸入，每根輸出線表示一條指令，任何時刻只有一根有效。2.操作控制信號的組合產(chǎn)生組合邏輯電路（與、或、非等門電路組合）29第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器3、操作控制信號的產(chǎn)生（以加法指令為例）1）在取指令CPU周期（CY1）所需的控制信號可由指令譯碼與CY1組合即：PC→AB=ADD·CY1

…DB→IR=ADD·CY1PC+1=ADD·CY1注：a：此時指令尚未取出b：對任一條指令取指命令相同因此：CY1即可決定此控制信號，例：PC→AB=ADD·CY1可改為PC→AB=CY1

30第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器3、操作控制信號的產(chǎn)生（以加法指令為例）2）對加法指令的CY2、CY3、CY4等階段出現(xiàn)的控制命令依次進行分析。例：RS1→GR=ADD·CY2

“+”=ADD·CY2ALU→AR=ADD·CY2AR→AB=ADD·CY3;

“+”=ADD·CY4ALU→rd=ADD·CY4對其他指令用同樣的方法對各個階段的命令進行分析。例“+”=SUB·CY231第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器3、操作控制信號的產(chǎn)生（以加法指令為例）2）（接前頁）將同一控制信號在若干條指令的某些周期中所需要的組合起來?！?”=ADD·（CY2+CY4）＋SUB·CY2＋JMP·CY2＋…為操作碼譯碼的輸出與時序信號經(jīng)“與、或、非”等門電路的組合。3）同類型的指令控制信號大部分相同，少量不同。不同類型指令，控制信號的差異較大。例：整個算術(shù)邏輯運算僅ALU的操作命令等少量有差異32第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器3、操作控制信號的產(chǎn)生（以加法指令為例）4）在確定操作碼時，一般令同類指令的一部分操作碼相同，以便化簡。例：8位操作碼，0001111表示加法指令，0010111表示減法指令。。。，且算術(shù)邏輯指令的低三位均為111。設(shè)某條命令A(yù)在所有的算術(shù)邏輯指令中都需要，則：A=ADD·CY2＋SUB·CY2＋邏輯加·CY2＋···=（ADD+SUB+邏輯加+···）CY2=OP2·0P1·OP0·CY233第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器4?？刂破鞯慕M成34第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.5組合邏輯控制器4?？刂破鞯慕M成1）程序計數(shù)器和中斷控制邏輯PC的四個輸入來源：開機時順序執(zhí)行時程序轉(zhuǎn)移時響應(yīng)中斷時2）譯碼器3）硬布線邏輯的實現(xiàn)可由PLA、PAL和GAL等具有兩極門電路的電路實現(xiàn)。其中第一級為與門、第二級為或門。back35第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器一、微程序控制的基本概念

1951英劍橋大學(xué)威爾克斯Wilkes提出組合邏輯控制器的優(yōu)點：速度快缺點：設(shè)計的規(guī)整性差、可修改性差（不靈活）6.4.1基本工作原理基本思想：

用軟件的方法來實現(xiàn)控制器36第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器

將機器指令的操作（從取指到完成）分解成微命令序列，用二進制代碼表示這些微命令，并編成微指令（控制字），再形成微程序，存放在控制存儲器（CM）中。一條機器指令與一段微程序?qū)?yīng)

從控存中取出微指令就產(chǎn)生微命令，每段微程序的執(zhí)行結(jié)果就是實現(xiàn)了一條機器指令的功能微程序控制解決了組合邏輯控制器帶來的規(guī)整性和修改性的問題37第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器二、基本術(shù)語

微操作——最小的、不可再分解的操作。

e.g.打開一個邏輯門

微命令——微操作的控制信號

e.g.打開一個邏輯門的電位信號38第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器(2)微指令——若干微命令的組合，把數(shù)據(jù)通路中的所有控制信號用一個二進制狀態(tài)字（控制字、微指令）表示。

編碼的每一位代表了一個控制信號，控制實現(xiàn)一步操作，全部指令的控制字放在控存中控存中一個單元的內(nèi)容——一條微指令控存中一個單元的地址——微地址

(3)微周期——從CM中取出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需要的時間

39第39頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器微指令格式控制字段下址字段微操作碼字段

產(chǎn)生某一步操作需要的各微操作控制信號微地址碼字段

用以控制產(chǎn)生下一條微指令所在的地址(4)微程序——一系列微指令的有序集合

一段微程序?qū)?yīng)一條機器指令微程序與控制存儲器——微程序控制級，機器設(shè)計者

工作程序與主存儲器——傳統(tǒng)機器級，用戶40第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器三、微程序控制器的組成和工作原理命令主存地址指令寄存器IROPOA微地址形成部件微地址寄存器控存CM微指令寄存器控制字段下址字段微命令41第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器四、舉例：仍以加法指令為例（含四條微指令,每條的控制信號同時發(fā)出）42第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器假設(shè)例中共23條控制信號（見表6.1），微指令格式如下加法指令的四條微指令編碼如下：當前正在執(zhí)行的微指令從控制存儲器取出后放在微指令寄存器中，寄存器的各個控制位的輸出直接連到各個控制門上，進行控制。43第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器微程序流程如下：44第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器工作原理：1）根據(jù)操作碼進行譯碼，得到相應(yīng)指令的第一條微指令地址。2）由微指令的下址字段指出下一條微指令的地址。3）控制字段的輸出直接控制相關(guān)門45第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器1、執(zhí)行“取機器指令”公共操作從CM的0號單元取出一段“取機器指令”用的微程序逐條送到IR中。

該微程序的微操作控制字段產(chǎn)生有關(guān)控制信號，完成從主存中取出一條機器指令并送到IR中。((PC))→IR2、IR中的OP通過微地址形成部件，產(chǎn)生該機器指令對應(yīng)的微程序入口地址，送往MAR中。五、微程序控制計算機的工作過程小結(jié)46第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器3、根據(jù)入口地址，訪問CM，從CM中取出對應(yīng)微程序的一條微指令，

其控制字段產(chǎn)生一組微命令有關(guān)操作，由順序控制字段形成下一條微指令地址，讀取下一條微指令。4、一條機器指令對應(yīng)的微程序執(zhí)行完后，返回到“取機器指令”用的微程序入口地址，以便讀取下一條機器指令并執(zhí)行。控制字段下址字段指令系統(tǒng)固定→微程序固定47第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制控制器一、微指令編碼法1、直接控制法：(不譯碼法)

微操作控制字段的每一位代表一個微命令優(yōu)點：簡單直觀，輸出直接用于控制

缺點：微指令字長太長，控制存儲器容量大2、最短編碼法：微指令字長最短

將所有的微命令統(tǒng)一編碼，每一條微指令只定義一個微命令?？刂谱侄蜗轮纷侄?.4.2微程序設(shè)計技術(shù)48第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四優(yōu)點：微指令字長短

缺點：需要一個復(fù)雜的微命令譯碼器

指令的并行性降低，微程序很長3、字段編碼法：折衷方案

將操作控制字段分成小段，

段內(nèi)——最短編碼，段間——直接控制法6.4微程序控制控制器微命令總數(shù)為N，操作控制字段長度為L，

L≥㏒2N49第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制控制器（1）字段直接編碼法

顯式編碼、單重定義編碼法譯碼器譯碼器譯碼器微命令操作控制字段AB…下址字段各字段可以獨立地定義本字段的微命令，和其他字段無關(guān)。優(yōu)點：采用較少的二進制位表示較多信息，使字長↓

缺點：譯碼使得執(zhí)行速度↓50第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制控制器（2）字段間接編碼法

隱式編碼、多重定義編碼法——進一步縮短字長譯碼器譯碼器譯碼器微命令操作控制字段AB…下址字段一個字段某些編碼需要和其他字段配合才能定義某些微命令。51第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器52第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四分段原則：互斥性的微命令在一段，相容性的不能一段與數(shù)據(jù)通路對應(yīng)每小段包含位數(shù)不能太多一般每小段要留一位狀態(tài)位，表示不發(fā)出任何微命令6.4微程序控制器53第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器二、微程序入口地址的形成控制字段下址字段初始微地址的形成

取出機器指令后，由OP指出微程序的首地址

（初始微地址、入口地址）微程序也有順序、分支、轉(zhuǎn)移、循環(huán)等各個指令的入口地址形成一張入口地址表

操作碼OP可以直接與入口地址的一部分對應(yīng)54第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器例如：

機器指令共8條，用3位表示

000——MOV指令，入口地址A

001——ADD指令，入口地址B

111——XXX指令，入口地址H

MOV微程序

ADD微程序

XXX微程序A→B→H→GOTOAGOTOB假設(shè)GOTO指令需要四個字節(jié)00000

0010011100OP55第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器三、后繼微地址的形成

每條微指令執(zhí)行完畢后根據(jù)要求形成后繼地址（1）增量方式：（順序—轉(zhuǎn)移型）PC

這種方式同PC產(chǎn)生機器指令地址很相似順序執(zhí)行微指令時，后繼地址由PC＋“1”形成遇到轉(zhuǎn)移時，后繼地址由PC與形成轉(zhuǎn)移微地址的邏輯電路組合給出則下址字段僅起選擇作用56第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器三、后繼微地址的形成

（1）增量方式：uPC的四個輸入對應(yīng)四種狀態(tài)，下址選B、C、DA：復(fù)位時B：不同指令的入口地址C：順序執(zhí)行時D：

轉(zhuǎn)移時優(yōu)點：微地址產(chǎn)生機構(gòu)簡單

缺點：速度慢，靈活性差57第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器（2）增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址

58第58頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四

控制字段下址字段

BCFBAF6.4微程序控制器BCF（轉(zhuǎn)移控制字段）:

條件選擇：見表6.2如001時判斷是否結(jié)果為0BAF轉(zhuǎn)移地址字段：

給出條件結(jié)果滿足時的后繼地址PC的內(nèi)容：復(fù)位時，第一條指令的第一條微指令地址由機器提供（微程序入口）BCF=7時，由操作碼形成微地址，譯碼→PCBCF為1、2、3、4，對應(yīng)三條條件、一條無條件轉(zhuǎn)移指令：滿足時BAF→PC；不滿足則PC加1BCF為5：轉(zhuǎn)微子程序（PC）→RR；BCF為6時：返回59第59頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器（3）多路轉(zhuǎn)移方式A：根據(jù)操作碼不同，產(chǎn)生不同的后繼微地址。用MAPROM，操作碼為地址，其內(nèi)容為入口地址B：根據(jù)硬件狀態(tài)不同決定后繼微地址（4）微中斷四、微指令格式設(shè)計原則：應(yīng)該縮短微指令字長，減少微程序長度，使得速度提高60第60頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器（1）水平型微指令：

一條微指令定義并執(zhí)行多個并行操作的微命令。優(yōu)點：能充分利用數(shù)據(jù)通路的并行結(jié)構(gòu)，使得微程序縮短，執(zhí)行速度加快缺點：指令字長↗，CM容量↗，機器指令與微