組合邏輯設(shè)計(jì)

組合邏輯設(shè)計(jì)盛建倫jlsheng@1第一頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@2Whenthereareonlyafewaddressingmodes,theparticularaddressingmoderequiredisusuallyencodedwithintheinstructioncode(e.g.IBMSystem/390,mostRISC).Butwhentherearelotsofaddressingmodes,aspecificfieldisoftensetasideintheinstructiontospecifytheaddressingmode.第6章中央處理器Chapter6CentralProcessingUnit(4)第二頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三§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(gè)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(gè)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(zhǎng)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(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)。在一條水平型微指令中設(shè)置有控制機(jī)器中信息傳送通路以及進(jìn)行所有微操作的微命令。在進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以同時(shí)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(qiáng)。在一條垂直型微指令中，一般只能完成1個(gè)操作，控制一、兩個(gè)信息傳送通路，微指令的并行操作能力低，效率低。第三頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@42．水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間比垂直型微指令短。水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，可用比較少的微指令數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一條指令的功能，縮短了指令的執(zhí)行時(shí)間。一條水平型微指令完成的功能相當(dāng)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(zhǎng)。3．垂直型微指令字比較短而微程序長(zhǎng)。4．水平型微指令編程難以掌握。垂直型微指令與機(jī)器指令相似，編程比較容易。水平型微指令與機(jī)器指令差別很大，一般需要對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時(shí)序系統(tǒng)以及微命令很精通才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。第四頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@5微程序控制器設(shè)計(jì)方法小結(jié)1．把每條機(jī)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(gè)微程序。2．將全部微程序存入一個(gè)高速的控制存儲(chǔ)器中。3．執(zhí)行機(jī)器指令就變成了執(zhí)行該指令對(duì)應(yīng)的一個(gè)微程序。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。Microcodewasoriginallydevelopedasasimplermethodofdevelopingthecontrollogicforacomputer.第五頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三InstructionCycle-StateDiagram計(jì)算指令地址取指令I(lǐng)nstructionfetch取操作數(shù)Operandfetch保存操作數(shù)OperandStoreInstructionaddresscalculating指令操作譯碼InstructionoperationdecodingDataOperationOperandaddresscalculating計(jì)算操作數(shù)地址OperandaddresscalculatingReturnforStringorVectorDataInstructionCompleteFetchNextInstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期狀態(tài)圖第六頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@7§6.4硬布線控制的計(jì)算機(jī)“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(shè)計(jì)方法是：1．列出全部微操作2．建立操作時(shí)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(dá)式第七頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@8組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)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(shí)間表。確定機(jī)器的狀態(tài)周期、節(jié)拍與工作脈沖。2．建立操作時(shí)間表§6.4硬布線控制的計(jì)算機(jī)第八頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@9安排微操作節(jié)拍時(shí)需注意：微操作的先后順序，能在1個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行的微操作應(yīng)盡可能安排在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)。假設(shè)機(jī)器采用同步控制，每個(gè)機(jī)器周期包含3個(gè)節(jié)拍。微操作的節(jié)拍安排機(jī)器周期節(jié)拍T0T1T2M0M1M2第九頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@101．取指周期微操作的節(jié)拍安排T0節(jié)拍可安排兩個(gè)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(gè)微操作。M(MAR)→MDR，(PC)+1→PCT2節(jié)拍MDR→IR，指令一取到IR就開始進(jìn)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(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@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(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@12（1）非訪存指令③算術(shù)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(jī)指令STPT0T1T20→G第十二頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@13（2）訪存指令①加法指令A(yù)DDXT0Ad(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(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@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(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@15（3）轉(zhuǎn)移類指令①無(wú)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(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@16CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷隱指令把PC內(nèi)容壓棧，關(guān)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(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三操作時(shí)間表第十七頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@184．作組合邏輯框圖根據(jù)求出的組合邏輯函數(shù)表達(dá)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(shè)計(jì)方法3．求微操作命令的邏輯函數(shù)表達(dá)式根據(jù)微操作時(shí)間表，對(duì)各條指令中的同一種操作（公操作）進(jìn)行集中、合并、化簡(jiǎn)，求出每一個(gè)操作的組合邏輯函數(shù)表達(dá)式。第十八頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三“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(hào)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(chǔ)器和存放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的微指令寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的。電路比較規(guī)整，各條指令的控制信號(hào)的差別反映在控制存儲(chǔ)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(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)指令兼容。硬布線控制由邏輯門組合實(shí)現(xiàn)，電路比較零亂、復(fù)雜。修改和增加指令極其困難。在同樣的半導(dǎo)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?yàn)閳?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(chǔ)器的時(shí)間短。所以，RISC機(jī)和一些追求高速的CISC機(jī)都采用或部分采用硬布線控制。第十九頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三Homework6-11,18,CommonlogicstylesusedinCPUdesigninclude:UnstructuredrandomlogicFinite-statemachinesMicroprogramming(commonfrom1965to1985,nolongercommonexceptforx86RISC-likeCPUs)Programmablelogicarray(commoninthe1980s,nolongercommon).CPUsdesignedforhigh-performancemarketsmightrequirecustomdesignsforeachoftheseitemstoachievefrequency,power-dissipation,andchip-areagoals.20第二十頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三盛建倫jlsheng@21測(cè)驗(yàn)2請(qǐng)寫好自己的姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)第二十一頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三測(cè)驗(yàn)2一、（20分）某計(jì)算機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位，用指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)設(shè)計(jì)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(gè)地址碼字段為4位。二．（共20分）某計(jì)算機(jī)能完成78種操作，指令字長(zhǎng)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(kuò)大到216，可采用哪些方法？三．（共20分）某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)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(qǐng)不要抄題，只寫題號(hào)

22第二十二頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三測(cè)驗(yàn)2四．（共20分）某機(jī)指令字長(zhǎng)16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼長(zhǎng)6位，設(shè)操作碼長(zhǎng)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(zhǎng)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(qǐng)不要抄題，只寫題號(hào)

23第二十三頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期三五、（共10分）判斷題（請(qǐng)?jiān)谡_的句子前寫T，錯(cuò)誤的句子前寫F）請(qǐng)不要抄題，只寫題號(hào)

（）1．哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)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(jì)數(shù)器PC的位數(shù)與指令寄存器的位數(shù)相同。（）5．型計(jì)算機(jī)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)。（）3．累加器的位數(shù)與機(jī)器字長(zhǎng)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(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)與指令字長(zhǎng)不一定相同。24第二十四頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2