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1、计算机组成原理 Principles of Computer Organization 广义双语教学课程 http:/211.64.192.109/skyclass25/ 青岛理工大学 校级精品课程 1盛建伦jlsheng When there are only a few addressing modes, the particular addressing mode required is usually encoded within the instruction code (e.g. IBM System/390, most RISC). But when there are lots
2、 of addressing modes, a specific field is often set aside in the instruction to specify the addressing mode. 第6章 中央处理器 Chapter 6 Central Processing Unit (4) 2盛建伦jlsheng 6.3.3 微指令格式 微指令的格式大体上可分成两类：Horizontal Microinstruction 水平型微指令和Vertical Microinstruction垂直型微指令。 水平型微指令是在一条微指令中定义并执行多个可并行操作 的微命令，控制尽可
3、能多并行信息传送。 垂直型微指令是一次只能执行一个微命令的微指令。在微指 令中有微操作码字段，采用最短字长编码。 水平型微指令与垂直型微指令的比较： 1水平型微指令并行操作能力强、效率高、灵活性强。 在一条水平型微指令中设置有控制机器中信息传送通路以及 进行所有微操作的微命令。在进行微程序设计时，可以同时定义 比较多的并行操作的微命令，控制尽可能多并行信息传送，使微 指令效率高、灵活性强。 在一条垂直型微指令中，一般只能完成1个操作，控制一、 两个信息传送通路，微指令的并行操作能力低，效率低。 2水平型微指令执行一条指令的时间比垂直型微指令短。 水平型微指令并行操作能力强，可用比较少的微指令数
4、来实 现一条指令的功能，缩短了指令的执行时间。一条水平型微指令 完成的功能相当于若干条垂直型微指令。此外，垂直型微指令必 须经过完全译码，影响速度。 用水平型微指令编制的微程序比较短，但微指令字比较长。 3垂直型微指令字比较短而微程序长。 4水平型微指令编程难以掌握。垂直型微指令与机器指令 相似，编程比较容易。 水平型微指令与机器指令差别很大，一般需要对机器的结 构、数据通路、时序系统以及微命令很精通才能进行设计。 4盛建伦jlsheng 微程序控制器设计方法小结 1把每条机器指令所需的微操作命令组合成若干条微指令 ，再将这些微指令构成一个微程序。 2将全部微程序存入一个高速的控制存储器中。
5、3执行机器指令就变成了执行该指令对应的一个微程序。 每条机器指令对应一个微程序。 Microcode was originally developed as a simpler method of developing the control logic for a computer. 5盛建伦jlsheng Instruction Cycle - State Diagram 计算指 令地址 取指令 Instruction fetch 取操作数 Operand fetch 保存操 作数 Operand Store Instruction address calculating 指令操 作译码
6、Instruction operation decoding Data Operation Operand address calculating 计算操作 数地址 Operand address calculating Return for String or Vector Data Instruction Complete Fetch Next Instruction Multiple Operands Multiple Results 指令周期状态图 6.4 硬布线控制的计算机 “组合逻辑控制” 又称硬布线控制（Hardwired Control）或 “硬连逻辑控制”。 组合逻辑控制器的
7、设计方法是： 1列出全部微操作 2建立操作时间表 4作组合逻辑框图 3求微操作命令的逻辑函数表达式 7盛建伦jlsheng 组合逻辑控制器的设计方法 1列出全部微操作 分析并列出各条指令在取指、分析、执行中所需的全部微 操作。（根据给定的CPU数据通路和指令功能） 根据各条指令所需的全部微操作，按执行的先后顺序，再 加上必要的控制条件，列出全部指令所需的微操作的操作时间 表。 确定机器的状态周期、节拍与工作脉冲。 2建立操作时间表 6.4 硬布线控制的计算机 8盛建伦jlsheng 安排微操作节拍时需注意：微操作的先后顺序，能在1个节 拍内执行的微操作应尽可能安排在同一个节拍内。 假设机器采用
8、同步控制，每个机器周期包含3个节拍。 微操作的节拍安排 机器周期 节拍 T0 T1 T2 M0M1M2 9盛建伦jlsheng 1取指周期微操作的节拍安排 T0节拍可安排两个微操作。 PCMAR ， 1R 微操作的节拍安排 T1节拍可安排两个微操作。 M(MAR) MDR，(PC)+1 PC T2节拍 MDR IR ， 指令一取到IR就开始进行译码 2间址周期微操作的节拍安排 T0节拍 Ad(IR) MAR ， 1R T1节拍 M(MAR) MDR T2节拍 MDR MAR 10盛建伦jlsheng （1）非访存指令 清除累加器指令CLA T0 3 执行周期微操作的节拍安排 T1 T2 0AC
9、C 累加器取反指令COM T0 T1 T2 11盛建伦jlsheng （1）非访存指令 算术右移1位指令SHR T0 执行周期微操作的节拍安排 T1 T2 R(ACC)ACC，ACC0ACC0 循环左移1位指令CSL T0 T1 T2 L(ACC)ACC，ACC0ACCn 停机指令STP T0 T1 T2 0G 12盛建伦jlsheng （2）访存指令 加法指令ADD X T0 Ad(IR) MAR ， 1R 执行周期微操作的节拍安排 T1 M(MAR) MDR T2 (ACC)+ (MDR)ACC 存数指令STA X T0 Ad(IR) MAR ， 1W T1 ACC MDR T2 MDR
10、M(MAR) 13盛建伦jlsheng （2）访存指令 取数指令LDA X T0 Ad(IR) MAR ， 1R 执行周期微操作的节拍安排 T1 M(MAR) MDR T2 MDRACC 14盛建伦jlsheng （3）转移类指令 无条件转移指令JMP X T0 3 执行周期微操作的节拍安排 T1 T2 Ad (IR)PC 零转移指令JZ X T0 T1 T2 15盛建伦jlsheng CPU响应中断，执行中断隐指令 把PC内容压栈，关中断 T0 SPMAR，0 中断允许触发器 4 中断周期微操作的节拍安排 T1 PC MDR ， 1W T2 MDR M(MAR) ， 向量地址 PC 16盛建
11、伦jlsheng 操 作 时 间 表 4作组合逻辑框图 根据求出的组合逻辑函数表达式，画出产生微操作命令序 列的组合逻辑框图。 组合逻辑控制器的设计方法 3求微操作命令的逻辑函数表达式 根据微操作时间表，对各条指令中的同一种操作（公操作 ）进行集中、合并、化简，求出每一个操作的组合逻辑函数表 达式。 18盛建伦jlsheng “微程序控制”与“硬布线控制”的比较 硬布线控制器与微程序控制器，除了操作控制信号的形成 方法和原理有差别外，其余的组成部分没有本质上的差别。 微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存储器和存 放当前正在执行的微指令的微指令寄存器直接控制下实现的。电 路比较规整，各条
12、指令的控制信号的差别反映在控制存储器的内 容上。增加或修改指令只要增加或修改控存内容即可。有利于降 低设计成本和实现指令兼容。 硬布线控制由逻辑门组合实现，电路比较零乱、复杂。修 改和增加指令极其困难。 在同样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比硬布线控 制的速度低。因为执行每条微指令都要从控存中读取，影响了速 度。而硬布线控制逻辑的速度主要取决于电路延迟，比访问存储 器的时间短。所以，RISC机和一些追求高速的CISC机都采用或 部分采用硬布线控制。 Homework 6- 11, 18, Common logic styles used in CPU design include: Un
13、structured random logic Finite-state machines Microprogramming (common from 1965 to 1985, no longer common except for x86 RISC-like CPUs) Programmable logic array (common in the 1980s, no longer common). CPUs designed for high-performance markets might require custom designs for each of these items
14、to achieve frequency, power- dissipation, and chip-area goals. 20 测验 2 请写好自己的姓名、学号、班级 21盛建伦jlsheng 测验2 一、（20分）某计算机的指令字长为16位，用指令操作码扩展技 术设计指令系统，要求有零地址指令16条，一地址指令31条，两 地址指令14条及三地址指令15条。每个地址码字段为4位。 二（共20分）某计算机能完成78种操作，指令字长为16位。 （1）一地址格式的指令地址码可取几位？（2）要想使指令的 寻址范围扩大到216，可采用哪些方法？ 三（共20分）某指令系统字长为16位，地址码取4位，试
15、提 出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指 令、100条一地址指令。 请不要抄题，只写题号 22 测验2 四 （共20分）某机指令字长16位，每个操作数的地址码长6位 ，设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三种 格式。（1）若零地址指令有M条，一地址指令有N条，问二地 址指令最多可能有多少条？（2）若操作码位数可变，则二地址 指令最多允许有多少条？ 三（共20分）某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提 出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指 令、100条一地址指令。 请不要抄题，只写题号 23 五、 （共10分） 判断题 （请在正确的句子前写T，错误的句子前写F） 请不要抄题，只写题号 （ ）1哈佛结构的计算机都有输入输出指令。 （ ）2CPU通过输入/输出指令在磁盘上读写数据。 （ ）4程序计数器PC的位数与指令寄存器的位数相同。 （ ）5型计算机的总线由地址总线、数据总线和控制总线组 成，所以是三总线结构。 （ ）3累加器的位数与机器字长相同。 （ ）7堆栈寻址方式，操作数的位置在堆栈指示器SP中。 （ ）6计算机的字长与指令字长不一定相同。 24 五、 （共10分） 判断题 （请在正确的句子前写T，错误的句子前写F） 请不要抄题，只写题号
