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1、 第五章第五章 中央控制器中央控制器Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com第五章第五章 中央控制器中央控制器CPUCPU的功能和组成的功能和组成指令周期指令周期时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式微程序控制器微程序控制器微程序设计技术微程序设计技术硬布线控制器硬布线控制器各种各种CPUCPUDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPU的功能和组成的功能和组成什么是CPU？所所谓谓中中央央处处理理器器是是控控制制计计算算机机来
2、来自自动动完完成成取取出出指指令令和和执执行行指指令令任任务务的的部部件件。它它是计算机的核心部件，通常简称为是计算机的核心部件，通常简称为CPU。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPUCPU的功能的功能（4）数据加工：）数据加工： 对数据进行算术运算和逻辑运算处对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，这是理。完成数据的加工处理，这是CPU的根本的任务。的根本的任务。（1）指令控制）指令控制 ：程序是指令的有序集合，保证机器：程序是指令的有序集合，保证机器按规定的顺序执行程序。按规定的顺序执
3、行程序。（2）操作控制：）操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指管理并产生由内存取出的每条指 令的操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，令的操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。从而控制这些部件按指令的要求进行动作。（3）时间控制：）时间控制： 对各种操作实施时间上的控制，因为对各种操作实施时间上的控制，因为计算机中各种指令的操作信号均受到时间的严格控制。计算机中各种指令的操作信号均受到时间的严格控制。 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPU的功能和组成
4、的功能和组成CPU的基本组成中央处理器由两个主要部分中央处理器由两个主要部分控制器控制器和和运算器组成运算器组成。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com控制器 由由程程序序计计数数器器、指指令令寄寄存存器器、指指令令译译码码 器器、时时序序产产生生器器和和操操作作控控制制器器组组成成，它它是是发发布布命命令令的的“决决策策机机构构”，即即完完成成协协调调和和指指挥挥整整个个计计算算机机系系统的操作。统的操作。 控制器的主要功能有：控制器的主要功能有：1.1.从从内内存存中中取取出出一一条条指指令令，并并指指出出
5、下下一一条条指指令令在内存中的位置。在内存中的位置。2.2.对对指指令令进进行行译译码码或或测测试试，并并产产生生相相应应的的控控制制信信号。号。3.3.输输出出相相应应的的控控制制信信号号，指指挥挥并并控控制制CPUCPU，内内存存和和I/OI/O之间的数据流动的方向。之间的数据流动的方向。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com运算器 由由算术逻辑单位（算术逻辑单位（ALUALU）、）、累加寄存器、数累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据组成，它是数据加工处理部件
6、。加工处理部件。 相对控制器而言，运算器接受控制器的命令相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行，所以它是执行部件。部件。 运算器的主要功能：运算器的主要功能：1.1.执行所有的执行所有的算术运算算术运算。2.2.执行所有的执行所有的逻辑运算逻辑运算。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序记数器程序记数器P
7、C地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC存储器存储器 I/OCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态状态反馈反馈取取指指控制控制执行执行控制控制ccccc缓冲寄存器缓冲寄存器DRDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPU的功能和组成的功能和组成CPUCPU的主要寄存器的主要寄存器1.1.累加寄存器累加寄存器ACAC2.2. 累加寄存器累加寄存器ACAC通常简称为累加器，它的功能是：当通常简称为
8、累加器，它的功能是：当运算器的算术逻辑单元（运算器的算术逻辑单元（ALUALU）执行全部算术和逻辑运算时，执行全部算术和逻辑运算时，为为ALUALU提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放ALUALU运算的运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。 2.2.指令寄存器指令寄存器IRIR 指指令令寄寄存存器器用用来来保保存存当当前前正正在在执执行行的的一一条条指指令令。存存放放从从内内存存中中取取出出的的指指令令；其其中中指指令令的的操操作作码码送送到到指指令令译译码码器器，译码后输出控制信号译码后输出控
9、制信号Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com3. 程序计数器程序计数器PC4.4. 程序计数器中存放的是下一条指令在内存中的地程序计数器中存放的是下一条指令在内存中的地址。址。 若程序顺序执行：若程序顺序执行：PC PC PC+1 PC+1；若程序有跳转：若程序有跳转：PCPCPC+PC+偏移地址。偏移地址。4.状态条件寄存器状态条件寄存器PSW 5.5. 状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的试的结果建立的各种条件码内容结果建立的各种条件码内容，同时状
10、态条件寄存器还保存，同时状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息，以便使中断和系统工作状态等信息，以便使CPUCPU和系统能及时了解机器和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各由各种状态条件标志拼凑而成种状态条件标志拼凑而成的寄存器的寄存器。 O溢出溢出D方向方向I中断允许中断允许T追踪追踪S符号符号Z零零A辅助进位辅助进位P奇偶奇偶C进位进位 O D I T S Z A P CDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPU的
11、功能和组成的功能和组成5. 地址寄存器地址寄存器AR6.6. 地址寄存器用来保存当前地址寄存器用来保存当前CPUCPU所访问的内存单元的所访问的内存单元的地址。由于在内存和地址。由于在内存和CPUCPU之间存在着操作速度上的差别，之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读读/ /写操作完成为止。写操作完成为止。 6. 缓冲寄存器缓冲寄存器DR1.1. 缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数令或一个数据字；反之，当
12、向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在缓冲寄存器中。据字时，也暂时将它们存放在缓冲寄存器中。 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPUCPU的功能和组成的功能和组成操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器1.1.数据通路：数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路称通常把许多寄存器之间传送信息的通路称为为“数据通路数据通路”。2. 2. 操作控制器：操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种根据指令操作码和时序信号，产生各种操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执操作信号，
13、以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的操作。行指令的操作。3. 3. 时序产生器：时序产生器：因为计算机高速地进行工作，每一个动因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。作用，就是对各种操作实施时间上的控制。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com根据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与时序逻辑型、存储逻辑型、时序
14、逻辑与存储逻辑结合型存储逻辑结合型三种。三种。1.1.硬布线控制器硬布线控制器 是采用时序逻辑技术来实现的；是采用时序逻辑技术来实现的；2.2.微程序控制器微程序控制器是采用存储逻辑来实现的；是采用存储逻辑来实现的；3.3.前两种方式的组合前两种方式的组合 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期程序的执行过程：程序的执行过程： 冯冯. .诺依曼诺依曼结构的计算机执行程序的顺序：结构的计算机执行程序的顺序： 1.1. 从程序首地址开始。从程序首地址开始。2. 2. 分步执行每一条指令，并形成下条待
15、执行指令分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令的地址。的地址。3. 3. 自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令。令。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期读取指令读取指令指令地址送入主存地址寄存器指令地址送入主存地址寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器分析指令分析指令按指令规定内容执行指令按指令规定内容执行指令不同指令的操作步骤数不同指令的操作步骤数和具体操作内容差异很大和具体操作内容差异很大检查有无中断请求检查有
16、无中断请求若无，则转入下一条指令的执行过程若无，则转入下一条指令的执行过程形成下一条指令地址指令的执行过程指令的执行过程Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期的基本概念指令周期的基本概念1.1.指令周期：指令周期：CPUCPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列每取出并执行一条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需用的时间通常叫做一个的操作，这一系列操作所需用的时间通常叫做一个指令指令周期周期。 2.2.机器周期：指令周期常常用若干个机器周期：指令周期常常用若干个CPUCPU周期数来表示，周期数来
17、表示，CPUCPU周期也称为周期也称为机器周期机器周期。3.3.时钟周期：由于时钟周期：由于CPUCPU内部的操作速度较快，而内部的操作速度较快，而CPUCPU访问一访问一次内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指次内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定令字的最短时间来规定CPUCPU周期。而一个周期。而一个CPUCPU周期时间又周期时间又包含有若干个包含有若干个时钟周期时钟周期（通常称为（通常称为节拍脉冲或节拍脉冲或T T周期周期，它，它是处理操作的最基本单位）。这些时钟周期的总和则规是处理操作的最基本单位）。这些时钟周期的总和则规定了一个定了一个CPUCP
18、U周期的时间宽度。周期的时间宽度。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期指令周期指令周期T周期周期CPU周期周期CPU周期周期T1T2T3T4（取取指令指令）（执行指令执行指令 ）取指令执行指令Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期取指周期Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期间址周期Degang
19、Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期中断周期Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期执行周期执行周期类型较多类型较多主要是涉及到处理器内部的寄存器主要是涉及到处理器内部的寄存器可能的操作有可能的操作有数据传输数据传输ALUALU控制指令的处理控制指令的处理Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期下面以一个简单的程序
20、来具体认识每一条指令下面以一个简单的程序来具体认识每一条指令的指令周期和执行过程。的指令周期和执行过程。内存地址内存地址内存内容内存内容助记符助记符所完成的操作所完成的操作020250000CLA将将累累加加器器的的内内容容请请零零021030030ADD30（A）+（30）A022021040STA40（A）（40）023000000NOP024140021JMP2121PC030000006031040存和数单元存和数单元Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCLA指令的指令周期非访内指令需要两个CPU周期
21、。 在第一个CPU周期，即取指令阶段，CPU完成三件事：（1）从内存取出指令；（2）对程序计数器PC加1，以便为取下一条指令做好准备；（3）对指令操作码进行译码或测试，以便确定进行什么操作。在第二个CPU周期，即执行指令阶段，将累加器A的内容清零。 一个CPU周期 一个CPU周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令PC+1对指令译码执行指令取下条指令PC+1Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器
22、DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+1000 0202021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020CLACLA000 021Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器指令
23、寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态状态反馈反馈取取指指控制控制执行执行控制控制cccc+12021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020CLACLA000 021Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期ADDADD指令的指令周期指令的指令周期 ADDADD指令的指令周期由三个指令的指令周期由三个CPUCPU周期组成。周期组成。第一个第一个CPUCPU周期为取指令阶段。周期为取指令阶段。和和
24、CLACLA指令相同。指令相同。第二个第二个CPUCPU周期中将操作数的地周期中将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译址送往地址寄存器并完成地址译码。码。在第三个在第三个CPUCPU周期中从内存取出周期中从内存取出操作数并执行相加的操作。操作数并执行相加的操作。 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期一个CPU周期 一个CPU周期取取指令阶段指令阶段执行指令阶段执行指令阶段开始开始取取指令指令PC+1对指令对指令译码译码送送操作操作数地址数地址取下条指取下条指令令PC+1取出操取出操作数作数执
25、行加执行加操作操作一个CPU周期Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+12021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 021ADDADD 30000 021000 022000 030
26、000 0060+6=6000 006Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期STA指令的指令周期 STASTA指指令令的的指指令令周周期期由由三三个个CPUCPU周周期期组组成成。其其中中第第一一个个CPUCPU周周期期仍仍然然是是取取指指令令阶阶段段，其其过过程程和和CLACLA指指令令、ADDADD指指令令完完全全一一样样，不不同同的的是是此此阶阶段段中中程程序序计计数数器器加加1 1后后变变为为023023，因因而而为为取取第第四四条条指指令令做做好好了了准准备备。我我们们假假定定，第第一
27、一个个CPUCPU周周期期后后结结束束，“STA STA 40”40”指指令令已已放放入入指指令令寄寄存器并完成译码测试。存器并完成译码测试。 第二个第二个CPUCPU周期是送操作数地址。周期是送操作数地址。 第第三三个个CPUCPU周周期期是是累累加加寄寄存存器器的的内内容容传传送送到到缓缓冲冲寄寄存器，然后再存入到所选定的存储单元中存器，然后再存入到所选定的存储单元中。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器
28、地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态状态反馈反馈取取指指控制控制执行执行控制控制cccc+120212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 022STASTA 40000 022000 023000 040000 006000 006000 006Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周
29、期指令周期NOP指令和JMP指令的指令周期 NOPNOP指令是一条空指令，包含两个指令是一条空指令，包含两个CPUCPU周期，第一个周周期，第一个周期取指令，第二个周期执行指令，因是空指令，所以操作期取指令，第二个周期执行指令，因是空指令，所以操作控制器不发出任何控制信号。控制器不发出任何控制信号。 JMPJMP指令由指令由两个两个CPUCPU周期组成周期组成，第一个周期是取指令周，第一个周期是取指令周期，同其他指令。第二个周期为执行阶段，期，同其他指令。第二个周期为执行阶段，CPUCPU把指令寄存把指令寄存器中的地址码部分器中的地址码部分2121送到程序计数器，从而用新内容送到程序计数器，从
30、而用新内容2121代代替替PCPC原先的内容原先的内容2525，这样，下一条指令将不从，这样，下一条指令将不从2525单元中读单元中读出，而从出，而从2121单元开始读出并执行，从而改变了程序原先的单元开始读出并执行，从而改变了程序原先的执行顺序执行顺序 。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期算术逻辑单元算术逻辑单元状态条件寄存器状态条件寄存器程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR地址总线地址总线ABUS数据总线数据总线DBUS累加器累加器AC缓冲寄存器缓冲寄存器DRALU指令寄存器
31、指令寄存器IR指令译码器指令译码器操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器时钟时钟状态状态反馈反馈取取指指控制控制执行执行控制控制cccc+120212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 024JMP 21JMP 21000 024000 021000 006000 006000 025000 021Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com注意注意 执行执行“JMP 21”JMP 21”指令时，我们此处指令时，我们此处所给的四条指令组成的程序进入了死循所给的四条
32、指令组成的程序进入了死循环，除非人为停机，否则这个程序将无环，除非人为停机，否则这个程序将无休止地运行下去，因而内存单元休止地运行下去，因而内存单元4040中的中的和数将一直不断地发生变化。和数将一直不断地发生变化。当然，我们此处所举的转移地址当然，我们此处所举的转移地址2121是随是随意的，仅仅用来说明转移指令能够改变意的，仅仅用来说明转移指令能够改变程序的执行顺序而已。程序的执行顺序而已。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期用用方框图语言表示指令周期方框图语言表示指令周期 在进行计算机设计
33、时，可以采用方框图语言在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指令周期。来表示一条指令的指令周期。 一个方框代表一个一个方框代表一个CPUCPU周期，方框中的内容周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制。表示数据通路的操作或某种控制。 一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时间它依附于它前面一个方框的间它依附于它前面一个方框的CPUCPU周期，而不单周期，而不单独占用一个独占用一个CPUCPU周期。周期。 符号符号“”代表一个公操作代表一个公操作。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xu
34、laoshi tom. comPCAR ABUSDBUS DR IRPC +1译码或测试译码或测试0 ACIR ARIR ARIR PCPCARAR ABUSDBUS DRRDALUALUACAR ABUSACDRDRDBUSCLAADD STAJMPNOPDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com指令周期指令周期小结：小结：各类信息的传送路径各类信息的传送路径指令：指令：M-DR-DBUS-IRM-DR-DBUS-IR地址：地址：PC-ABUS-AR-PC-ABUS-AR-（取决于寻址方式）取决于寻址方式）数据：
35、数据：寄存器寄存器-寄存器寄存器 总线直接传送总线直接传送寄存器寄存器-存储器存储器 RiRi-DBUS-DR-M-DBUS-DR-M存储器存储器-寄存器寄存器 M-DR-BUS-M-DR-BUS-RiRiDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com例：例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，如图所示为双总线结构机器的数据通路，IRIR为指为指令寄存器，令寄存器，PCPC为程序计数器为程序计数器( (具有自增功能具有自增功能) )，M M为主存为主存( (受受R/WR/W信号控制信号控制) )，ARAR为地址寄存器，
36、为地址寄存器，DRDR为数据缓冲寄为数据缓冲寄存器，存器， ALUALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号制信号G G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中表示有控制信号，例中y yi i表示表示y y寄存器的输入控制信号，寄存器的输入控制信号，R R1o1o为寄存器为寄存器R1R1的输出控制信号，未标字符的线为直通的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。线，不受控制。 1.“ADD R1.“ADD R2 2，R R0 0”指令完成（指令完成（R R0 0）+ +（R R2 2）R
37、 R0 0功能操作。假功能操作。假设该指令的地址已放入设该指令的地址已放入PCPC中。中。2.“SUB R2.“SUB R1 1，R R3 3”指令完成（指令完成（R R3 3）- -（R R1 1）R R3 3的功能操作。的功能操作。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comIRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiA总线总线B总线总线G+ -R/WDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.X
38、ulaoshi tom. comPCARMDRDRIRR2YR0XR0+R2R0PCARMDRDRIRR3YR1XR3+R1R3PC0，G，ARiDR0，G，IRiR20，G，YiR00，G，Xi+，G，R0i R/W=RR3o，G，YiR1o，G，Xi-，G，R3iDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com作业作业P209-2、3Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式时序信号的作用和体制时序
39、信号的作用和体制计算机的协调动作需要时间标志，而时间计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。标志则是用时序信号来体现的。操作控制器发出的各种控制信号都是时间操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。的函数。组成计算机硬件的器件特性决定了时序信组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是号最基本的体制是电位电位-脉冲制脉冲制。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式常
40、用的操作控制器有两种：常用的操作控制器有两种：硬布线控制器硬布线控制器微程序控制器微程序控制器 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式硬布线控制器中硬布线控制器中时序信号采用时序信号采用主状态周期主状态周期节拍电位节拍电位节拍脉冲节拍脉冲三级体制。三级体制。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式主主状态周期（指令周期）：状态周期（指令周期）：包含若干
41、个包含若干个节拍周期，可以用一个触发器的状态持节拍周期，可以用一个触发器的状态持续时间来表示。续时间来表示。节拍电位（机器周期）：节拍电位（机器周期）：表示一个表示一个CPU周期的时间，包含若干个节拍脉冲，表周期的时间，包含若干个节拍脉冲，表示较大的时间单位。示较大的时间单位。节拍脉冲（时钟周期）：节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时表示较小的时间单位。间单位。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com节拍脉冲节拍电位1主状态周期主状态周期节拍电位2Degang Xu, Zhengzhou Institue Of T
42、echnology.Xulaoshi tom. com微程序控制中微程序控制中时序信号采用时序信号采用节拍电位节拍电位节拍脉冲节拍脉冲二级体制。二级体制。触发器触发器数据，电位数据，电位控制信号，脉冲控制信号，脉冲 数据准备好后，以电位的方式送触发器（可执行保存），数据准备好后，以电位的方式送触发器（可执行保存），当控制信号来到后进用一个脉冲信号即可把数据装入触发器。当控制信号来到后进用一个脉冲信号即可把数据装入触发器。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式微程序控制器时
43、序信号产生器的组成微程序控制器时序信号产生器的组成时钟源时钟源环形脉冲发生器环形脉冲发生器节拍脉冲和读节拍脉冲和读/ /写时序的译码写时序的译码启停控制逻辑启停控制逻辑Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式启停控制逻辑节拍脉冲和对时序译码逻辑环形脉冲发生器 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4MERQIORQRDWR时钟脉冲源时钟脉冲源时钟脉冲源环形脉冲发生器环形脉冲发生器 节拍脉冲和对时序译码逻辑
44、节拍脉冲和对时序译码逻辑启停控制逻辑启停控制逻辑用来为环形脉冲发生器提供频率稳用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。有石英晶体振荡器组成。有石英晶体振荡器组成。产生一组有序产生一组有序的间隔相等或的间隔相等或不等的脉冲序不等的脉冲序列。通常采用列。通常采用循环移位寄存循环移位寄存器。器。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式控制方式控制方式同步控制方式：同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执在任何情况下，已定的指
45、令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。变的。采用完全统一的机器周期采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。这意执行各种不同的指令。这意味这所有指令周期具有相同的节拍电位和相同的节拍味这所有指令周期具有相同的节拍电位和相同的节拍脉冲数。脉冲数。采用不定长的机器周期采用不定长的机器周期。中央控制和局部控制相结合中央控制和局部控制相结合。中央控制：就是将大部分中央控制：就是将大部分指令指令安排在固定的机器周期完成。安排在固定的机器周期完成。局部控制：对少数复杂的局部控制：对少数复杂的指令指令采用另外的时序进行定时。采用另外的时序进行定时。D
46、egang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式同步控制方式：同步控制方式：时钟时钟微微操作信号操作信号1微微操作信号操作信号2Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式异步控制方式：异步控制方式： 每条指令、每个操作控制信号需要多每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。这意味着每条指少时间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周
47、期数令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成。组成。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式异步控制方式异步控制方式命令1命令2操作信号1回答1操作信号2回答2命令3Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式联合控制方式：联合控制方式： 将同步控制方式和异步控制方式相结合的方将同步控制方式和异步控制方式相结合的方式。式。情况（情况（1 1） 大部分操作序列
48、安排在固定的机器周大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的的“回答回答”信号作为本次操作的结束；信号作为本次操作的结束；情况（情况（2 2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。条指令周期的机器周期数不固定。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com小小 结结控制器的组成：控制器的组成：指令部件指令部件程序计数器程序计数器PCPC指令寄存器指令寄存器指令译码器指令译码器时序部件时
49、序部件脉冲源及启停逻辑脉冲源及启停逻辑时序信号形成部件时序信号形成部件控制方式控制方式Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com小结小结程序计数器程序计数器PC地址形成部件地址形成部件操作码操作码 地址码地址码译码译码微微操作操作信号形成信号形成节拍发生器节拍发生器时钟源时钟源中断控制逻辑中断控制逻辑状态寄存器状态寄存器微微操作信号操作信号I/O信息信息控制台信息控制台信息+1送送ARDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微微程序控
50、制器程序控制器基本概念基本概念 组成组成 工作过程工作过程 微程序举例微程序举例 微程序设计技术微程序设计技术 微程序控制器的设计方法微程序控制器的设计方法Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微命令微命令微操作微操作微指令微指令微程序微程序控制存储器控制存储器微地址微地址Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微微程序控制器程序控制器基本概念基本概念微微程序控制器的基本思想：程序控制器的基
51、本思想： 将微操作控制信号按一定规则进行信将微操作控制信号按一定规则进行信息编码（代码化）形成控制字（微指令），息编码（代码化）形成控制字（微指令），一条机器指令对应一段一条机器指令对应一段“程序程序”，该程序，该程序存放在控制存储器中，因为存放在控制存储器中，因为“程序程序”的指的指令结果是实现一条机器指令的功能，所以令结果是实现一条机器指令的功能，所以称为称为“指令的微程序指令的微程序”。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微微命令：命令：控制部件通过控制线向执行部
52、控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制件发出各种控制命令，通常把这种控制命令称为微命令。命令称为微命令。微操作：微操作：执行部件接受微命令后所进行执行部件接受微命令后所进行的操作，称为微操作。的操作，称为微操作。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微微指令：指令：在机器的一个在机器的一个CPUCPU周期中，一组周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。成一条微指令。微程序：微程序：微指令序列为微程
53、序。微指令序列为微程序。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念程序机器指令机器指令1机器指令机器指令2机器指令机器指令i机器指令机器指令n.微指令微指令2微指令微指令1微指令微指令i微指令微指令n.微程序Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念控制存储器：控制存储器： 用来存放实现全部指令系统的微程序。是一用来存放实现全部指令系统的微程序。是一种高速存
54、储器。种高速存储器。微地址：微地址： 人们常把全部指令的控制字存放在一个高速人们常把全部指令的控制字存放在一个高速存储器中，即控制存储器中（简称控存），控存存储器中，即控制存储器中（简称控存），控存的一个单元的内容即控制字代表了某一个节拍的的一个单元的内容即控制字代表了某一个节拍的一组微操作控制信号的信息，而把控存单元的地一组微操作控制信号的信息，而把控存单元的地址称为址称为“微地址微地址”。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微微程序控制器程序控制器组成组成微指令寄存器：微指令寄存器： 用来存放由控制存储器
55、读出的一条微用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。指令信息。微地址转移逻辑：微地址转移逻辑： 自动完成修改微地址的任务。自动完成修改微地址的任务。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微微程序控制器原理框图程序控制器原理框图控制存储器控制存储器地址译码地址译码微地址寄存器微地址寄存器OPP字段字段控制字段控制字段地址转移地址转移逻辑逻辑状态条件状态条件指令寄存器指令寄存器微微命令命令信号信号 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom.
56、com微程序控制器微程序控制器工作过程工作过程 微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制下，微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制下，计算机执行机器指令的过程。计算机执行机器指令的过程。 从控存中取出一段从控存中取出一段“取机器指令取机器指令”用的微程序，称为用的微程序，称为取指微程取指微程序序，这是一段公用的微操作，其首址通常放在，这是一段公用的微操作，其首址通常放在“0”0”号微地址单元。号微地址单元。该微程序完成从主存中读取机器指令并送往指令寄存器。该微程序完成从主存中读取机器指令并送往指令寄存器。 机器指令操作码通过微地址形成部件，产生对应的微程序入口机器指令
57、操作码通过微地址形成部件，产生对应的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。地址，并送入微地址寄存器。 逐条取出对应的微指令，逐条取出对应的微指令，每一条微指令提供一个微命令序列每一条微指令提供一个微命令序列，控制有关的微操作。控制有关的微操作。 执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到取指微程执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到取指微程序的入口，以便取出下一条机器指令。不断重复，直至程序执行完序的入口，以便取出下一条机器指令。不断重复，直至程序执行完毕。毕。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微
58、程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例ALUR1R2R3Cy+ -MDR468579123Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com例：例：R1=3 R2=5 R1+R2-R3R1=3 R2=5 R1+R2-R31 1、控控4=14=1，R1-R1-多路开关多路开关-X-X 控控7=17=1，R2-R2-多路开关多路开关-Y-Y2 2、控控+=1+=1，ALUALU完成完成3+53+53 3、控、控3=1 3+5-R33=1 3+5-R3Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Tech
59、nology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例微指令的格式：微指令的格式：4567891011121314151617181920212223LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y + M - RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例举例：举例：“十进制加法十进制加法”指令的微程序指令的微程序控制的过程。控制
60、的过程。十进制加法十进制加法”指令的功能是用指令的功能是用BCDBCD码来码来完成十进制数的加法运算。在十进制运算完成十进制数的加法运算。在十进制运算时，当相加二数之和大于时，当相加二数之和大于9 9时，便产生进位，时，便产生进位，要进行加要进行加6 6修正；当相加二数之和小于等于修正；当相加二数之和小于等于9 9时，结果是正确的。时，结果是正确的。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例 假定数假定数a a和和b b已存放在已存放在R1R1和和R2R2两寄存器中，两寄
61、存器中，数数6 6存放在存放在R3R3寄存器中。寄存器中。 算法要求先进行算法要求先进行a+b+6a+b+6运算，然后判断运算，然后判断结果有无进位；当进位标志结果有无进位；当进位标志Cy=1Cy=1不减不减6 6，当，当Cy=0Cy=0，减减6 6，从而可以获得正确的结果。，从而可以获得正确的结果。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com用BCD码完成A+B运算1 1、A=1000 B=1001A=1000 B=1001 10001000+1001+10011000110001有进位，有进位，修正为：修正为：
62、1000110001+ 0110+ 0110 10111 101112 2、A=0110 B=1000A=0110 B=1000A+B+6=1 0100 A+B+6=1 0100 有进位有进位，正确，正确3 3、A+B+6=1101 A+B+6=1101 无进位无进位，错误，修正，错误，修正: : 11011101-0110-0110 0111 0111Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARABUSDBUSDRIR，PC+1P1R1+R2R2R2+R3R2R2-R3R2P2RD0000000010101
63、001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例第一条微指令第一条微指令00000000000011111100000 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y + M - RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制操操作作控控制制字
64、字段段有有五五个个微微命命令令：第第1616位位发发出出LDARLDAR, ,将将PCPC内内容容送送到到地地址址寄寄存存器器ARAR；第第1313位位发发出出RDRD，第第1414位位发发出出LDDRLDDR，于于是是内内存存执执行行读读操操作作，从从内内存存取取出出“十十进进制制加加法法”指指令令放放到到DRDR中中，第第1515位位发发出出LDIRLDIR，将将DRDR中中的的指指令令再再送送到到指指令令寄寄存存器器IRIR中中，第第1717位位发发出出PC+1PC+1微命令，是程序计数器加微命令，是程序计数器加1 1，做好取下一条机器指令的准备。，做好取下一条机器指令的准备。Degan
65、g Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARABUSDBUSDRIR，PC+1P1R1+R2R2R2+R3R2R2-R3R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例第二条微指令第二条微指令01010010010000000001001 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
66、16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y + M - RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARABUSDBUSDRIR，PC+1P1R1+R2R2R2+R3R2R2-R3R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Tec
67、hnology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例第三条微指令第三条微指令01000100110000000010000 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y + M - RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARABUSDBUSDRIR，P
68、C+1P1R1+R2R2R2+R3R2R2-R3R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微程序举例微程序举例第四条微指令第四条微指令01000100100100000000000 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y + M - RDLDDRLDIRLDAR
69、PC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARABUSDBUSDRIR，PC+1P1R1+R2R2R2+R3R2R2-R3R2P2RD0000000010101001000000010000Cy0Cy=0微微程程序序流流程程图图Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微指令周期微指令周期微微指令周期：指令周期：读出微指令的时间加上读出微指令
70、的时间加上指令该条微指令的时间。指令该条微指令的时间。T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4T4T4执行微指令执行微指令 微指令周期微指令周期CPU周期周期CPU周期周期 读读微指令微指令 在在T4T4节拍脉冲期间（节拍脉冲期间（200ns200ns）: :取微指令；在取微指令；在T1T1的上升的上升沿：微指令已经取好，在沿：微指令已经取好，在T1T3T1T3期间（期间（600ns600ns）：）：执行微执行微操作。所以：在一个操作。所以：在一个cpucpu周期内（周期内（800ns800ns）：）：取址指令：占取址指令：占1/4cpu1/4cpu周期；执行微指令：占周期；执行微指令：
71、占3/4cpu3/4cpu周期。周期。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器微指令周期微指令周期机器指令和微指令的关系：机器指令和微指令的关系：程序计数器程序计数器pc地址寄存器地址寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器指令寄存器指令寄存器微微地址寄存器地址寄存器微微指令寄存器指令寄存器主存储器主存储器控制存储器控制存储器微微命令命令地址译码器地址译码器地址译码地址译码+1Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com取机器
72、指令，取微指令，它们之间是什么关系取机器指令，取微指令，它们之间是什么关系? ?1.1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。 2.2.从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一
73、一对应关系来看，址的一一对应关系来看，前者与内存储器有关，前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。后者与控制存储器有关。3. 3. 每一个每一个CPUCPU周期对应一条微指令。周期对应一条微指令。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com例：设某计算机运算器框图如下图例：设某计算机运算器框图如下图A A所示，其中所示，其中ALUALU为为1616位位的加法器的加法器( (高电平工作高电平工作) )，SASA，SBSB为为1616位暂存器。位暂存器。4 4个通用个通用寄存器由寄存器由D D触发器组成，触发器组成，Q
74、 Q端输出，其读、写控制功能见端输出，其读、写控制功能见下表。下表。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见图机器采用串行微程序控制方式，其微指令周期见图（b)b)。其中读其中读ROMROM是从控存中读出一条微指令时间，为是从控存中读出一条微指令时间，为1s1s；ALUALU工作是加法器做加法运算，为工作是加法器做加法运算，为500ns500ns；m m1 1是是读寄存器时间，为读寄存器时间，为500ns500ns；m m2 2是写寄存器的工作脉冲宽是写寄存器的工作脉冲宽
75、度，为度，为100ns100ns。 微指令字长微指令字长1212位，微指令格式如下：位，微指令格式如下：F1F2RW F3F4F5F6F7F8F F1 1：读：读R R0 0-R3-R3的选择控制的选择控制 F F2 2：写：写R0-R3R0-R3的选择控制的选择控制F F3 3：打入打入SASA的控制信号的控制信号F F4 4：打入打入SBSB的控制信号的控制信号 F F5 5：打开非反相三态门的控制信号打开非反相三态门的控制信号L LDALUDALU F F6 6：打开反相三态门的控制信号打开反相三态门的控制信号L LDALUDALU并使加法器低位加并使加法器低位加1 1 F F7 7：清
76、暂存器清暂存器SBSB为零的为零的R Reseeset t信号信号 F F8 8：一段微程序结束，转入取机器指令的控制信号一段微程序结束，转入取机器指令的控制信号R R：寄存器读命令寄存器读命令 W W：寄存器写命令寄存器写命令 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com要求：用二进制代码写出如下指令的微要求：用二进制代码写出如下指令的微程序：程序： (1)“ADD R(1)“ADD R0 0，R R1 1”指令，即指令，即(R(R0 0)+(R)+(R1 1)R)R1 1(2)“SUB R(2)“SUB R2 2
77、，R R3 3”指令，即指令，即(R(R3 3)-)-(R(R2 2)R)R3 3(3)“MOV R(3)“MOV R2 2，R R3 3”指令，即指令，即(R(R2 2)(R)(R3 3) )Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com【解解】先画出三条指令的微指令的微程序流程先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如下图所示。图，如下图所示。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com其中未考虑其中未考虑“取指周期取指周期”和顺和顺序控制
78、问题，也即微程序仅考序控制问题，也即微程序仅考虑虑“执行周期执行周期”，微指令序列，微指令序列的顺序用数字标号标在每条微的顺序用数字标号标在每条微指令的右上角。每一框表示一指令的右上角。每一框表示一条微指令。条微指令。根据给定的微指令周期时间关根据给定的微指令周期时间关系，完成系，完成ADDADD，SUBSUB指令的执行指令的执行动作需要动作需要3 3条微指令，条微指令，MOVMOV指令指令只需只需2 2条微指令。用二进制代码条微指令。用二进制代码写出的三条指令的微程序列于写出的三条指令的微程序列于下表中，其中下表中，其中* *表示代码随意设表示代码随意设置置(0(0或或1 1均可均可) )。
79、Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序设计技术微程序设计技术设计微指令结构应当追求的目标是：1 1、有利于缩短微指令长度；、有利于缩短微指令长度；2 2、有利于减小控制存储器的容量；、有利于减小控制存储器的容量；3 3、有利于提高微程序的执行速度；、有利于提高微程序的执行速度；4 4、有利于对微指令的修改；、有利于对微指令的修改；5 5、有利于提高微程序设计的灵活性；、有利于提高微程序设计的灵活性；Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi t
80、om. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术1.1.微命令编码微命令编码2.2.微地址的形成方法微地址的形成方法3.3.微指令格式微指令格式4.4.微程序控制的设计方法微程序控制的设计方法 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术微微命令编码命令编码直接编码法直接编码法 字段直接编译法字段直接编译法字段间接编译法字段间接编译法Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com直接编码法直接编码
81、法 在微指令的操作控制字段中每一个微命令都用一位信在微指令的操作控制字段中每一个微命令都用一位信息表示，对应于一种微操作。设计微指令时，选用或不选用息表示，对应于一种微操作。设计微指令时，选用或不选用某个微命令，只要将表示该微命令的相应位设置成某个微命令，只要将表示该微命令的相应位设置成“1”1”或或“0”0”就可以了。因此，微命令的产生不必经过译码，所需就可以了。因此，微命令的产生不必经过译码，所需的控制信号直接送到相应的控制点的控制信号直接送到相应的控制点。特点：特点：直观、不必译码、速度快直观、不必译码、速度快 微指令的长度太长，不好记忆，占用空间大微指令的长度太长，不好记忆，占用空间大
82、.4567891011121314151617181920212223LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3Y + M - RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址直接地址操作控制操作控制顺序控制顺序控制Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术LTALULA1 1 0 0 0 1 0 0LTBUSALULTLAALUBUSLA0位：位：LTBUS1位：位：BUSLA2位：位：LAALU3位：位：DIV4位：位：MUL5位：位：SUB6位：
83、位：ADD7位：位：ALULT这种方法的优这种方法的优点是简单、直点是简单、直观、执行速度观、执行速度快，微命令的快，微命令的并行控制能力并行控制能力强，编制的微强，编制的微程序短；缺点程序短；缺点是微指令字长是微指令字长。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术编译表示法编译表示法 将微指令的控制字段分为若干个小字段，每将微指令的控制字段分为若干个小字段，每个字段分别编码，每种编码代表一种微命令。个字段分别编码，每种编码代表一种微命令。 把一组相斥性的微命令信号组成一个小
84、组把一组相斥性的微命令信号组成一个小组( (即即一个字段一个字段) )，然后通过小组，然后通过小组( (字段）译码器对每一字段）译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号，其微指令结构如下图所示。信号，其微指令结构如下图所示。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com.译码译码译码译码译码译码控制字段控制字段地址字段地址字段微微命令命令微微命令命令微微命令命令uIR 采用字段译码的编码方法，采用字段译码的编码方法，可以用较小的二进制信息位可以用较小的二进制信
85、息位表示较多的微命令信号。表示较多的微命令信号。例如例如3 3位二进位译码后可表示位二进位译码后可表示7 7个微个微命令，命令，4 4位二进制位译码后可表示位二进制位译码后可表示1515个微命令。与直接控制个微命令。与直接控制法相比，字译码控制法可使微指令字大大缩短，但由于增加法相比，字译码控制法可使微指令字大大缩短，但由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术 例如，某机器指令系统总共需要例
86、如，某机器指令系统总共需要256256个微个微命令，采用直接编码法，微指令的操作控制命令，采用直接编码法，微指令的操作控制字段需字段需256256位，采用编译表示法，如将控制字位，采用编译表示法，如将控制字段分成段分成4 4位一段，共位一段，共1616段，每个字段经一个译段，每个字段经一个译码器输出，可获得码器输出，可获得1616个微命令，总共个微命令，总共1616段就段就可获得可获得256256个微命令。微指令的操作控制字段个微命令。微指令的操作控制字段仅仅6464位。位。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. co
87、m微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术编码表示法的分段原则：编码表示法的分段原则：1.1.相斥性位命令分在同一字段内，相容性命令相斥性位命令分在同一字段内，相容性命令分在不同的字段内。前者可提高信息位的利分在不同的字段内。前者可提高信息位的利用率，缩短微指令字长；后者有利于实现并用率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加快指令的执行速度。行操作，加快指令的执行速度。2.2.一般将同类操作中互斥的微命令划分在同一一般将同类操作中互斥的微命令划分在同一个字段中。个字段中。3.3.每个小字段包含的信息位不能太多，一般不每个小字段包含的信息位不能太多，一般不超过超过6 6位，否则将增加译码线
88、路的复杂性和译位，否则将增加译码线路的复杂性和译码时间。码时间。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术混合表示法混合表示法这种方法是把这种方法是把直接表示法直接表示法与与字段编码法字段编码法混合混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。微程序速度等方面的要求。 另外另外, ,在微指令中还可附设一个常数字段。在微指令中还可附设一个常数字段。该常数可作为操作数送入该常数可作为操作数送入ALUALU运算，也可
89、作为计运算，也可作为计数器初值用来控制微程序循环次数。数器初值用来控制微程序循环次数。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术微微地址的形成方法地址的形成方法根据机器指令操作码找到相应机器指令所对根据机器指令操作码找到相应机器指令所对应的微程序的入口地址。应的微程序的入口地址。后继微地址的产生后继微地址的产生计数器方式计数器方式断定方式（下址字段方式）断定方式（下址字段方式）Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaos
90、hi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术计数器方式：计数器方式：设置一个微程序计数器设置一个微程序计数器uPCuPC，在顺序执在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微地行微指令时，后继微指令地址由现行微地址加上一个增量来实现。遇到转移时，由址加上一个增量来实现。遇到转移时，由微指令给出转移微地址。微指令给出转移微地址。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术用用计数器方式实现的微程序控制单元结构计数器方式实现的微程序控制单元结构uPC 转移部分控制存
91、储器控制存储器uPC 指令寄存器入口地址及转移地址产生器条件码 状态标志 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术第一种方式：第一种方式： 将微指令的地址字段（顺序控制字将微指令的地址字段（顺序控制字段）分成两部分：转移控制字段段）分成两部分：转移控制字段BCFBCF和转和转移地址字段移地址字段BAFBAF。 UOP BAF BCF 其中转移地址字段给出转移用部分微地址，转移控其中转移地址字段给出转移用部分微地址，转移控制字段用于规定后继微地址是顺序执行还是非顺序执行。制字
92、段用于规定后继微地址是顺序执行还是非顺序执行。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术uOP BAF BCF控制存储器控制存储器uPC译码器译码器转移控转移控制网络制网络1&1返回地返回地址寄存址寄存器器置初值置初值返回返回地址地址BAF指令指令 OP+1+1条条件件满满足足外部外部条件条件BCF=101Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术BCF=0
93、00BCF=000，顺序执行微指令，后继微地址为顺序执行微指令，后继微地址为uPC+1uPC+1。BCF=001BCF=001，机器指令操作码产生后继微地址的微命令，机器指令操作码产生后继微地址的微命令，后继微地址由后继微地址由OPOP变换后产生。变换后产生。BCF=010BCF=010，无条件转移微指令，无条件转移微指令，将将BAFBAF送送UpcUpc。BCF=011BCF=011，条件转移微指令，后继微指令地址由转移条条件转移微指令，后继微指令地址由转移条件的测试结果确定。件的测试结果确定。BCF=100BCF=100，测试循环微指令，后继微地址由测试循环条测试循环微指令，后继微地址由测
94、试循环条件确定。件确定。BCF=101BCF=101，转微子程序微命令，后继微地址即微子程序转微子程序微命令，后继微地址即微子程序入口微地址由入口微地址由uPCuPC与与BAFBAF字段组合形成。字段组合形成。BCF=110BCF=110，返回微命令。返回微命令。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术第二种方式：第二种方式：在微指令格式中，将微操作控制字段和转移在微指令格式中，将微操作控制字段和转移地址字段重叠使用。如果顺序执行微指令，该微地址字段重叠使用。如果顺序执行微
95、指令，该微指令只有微操作控制字段和转移控制字段，没有指令只有微操作控制字段和转移控制字段，没有转移地址字段，下一条微指令地址由转移地址字段，下一条微指令地址由uPC+1uPC+1来确来确定；如果是转移微指令，因为该位置不执行任何定；如果是转移微指令，因为该位置不执行任何微操作，只是改变微程序的流程，所以可以用微微操作，只是改变微程序的流程，所以可以用微操作控制字段给出下一条要执行的微指令地址，操作控制字段给出下一条要执行的微指令地址，并把微地址放在并把微地址放在uPCuPC中。中。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom.
96、 com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术计数器方式的优点是微指令字较短计数器方式的优点是微指令字较短，便便于编写微程序，后继微地址产生机构比于编写微程序，后继微地址产生机构比较简单；较简单；缺点缺点是执行速度低，原因是计数器方式是执行速度低，原因是计数器方式不易直接实现对应于各个测试条件的多不易直接实现对应于各个测试条件的多路转移，而微程序的主要特点是存在大路转移，而微程序的主要特点是存在大量的分支。量的分支。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com多路转移方式多路转移方式一条微指令具有多个转移分支的能力
97、称为多多路转移路转移。在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出；当微程序出现分支时，有若干“后选”微地址可供选择：即按顺序控制字段的“判别测试”标志和“状态条件”信息来选择其中一个微地址。“状态条件”有n位标志，可实现微程序2的n次方路转移，涉及微地址寄存器的n位 。多路转移方式的特点是多路转移方式的特点是：能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快，但转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器
98、设计技术设计技术断定方式断定方式 （下址字段法）（下址字段法）所谓断定方式是指后继微指令地址可由设计所谓断定方式是指后继微指令地址可由设计者指定或由设计者指定的测试判断字段控制生产。者指定或由设计者指定的测试判断字段控制生产。在这种方式中，当微程序不产生分支时，后继微在这种方式中，当微程序不产生分支时，后继微指令地址直接由微指令的顺序控制字段给出；当指令地址直接由微指令的顺序控制字段给出；当微程序出现分支时，按顺序控制字段给出的测试微程序出现分支时，按顺序控制字段给出的测试判别字段和状态条件来形成后继微地址。判别字段和状态条件来形成后继微地址。这种方式因为要在微指令格式中设置一个字这种方式因为
99、要在微指令格式中设置一个字段用来指明下一条要执行的微指令地址，所以也段用来指明下一条要执行的微指令地址，所以也称为下址字段法。称为下址字段法。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术用用断定方式实现的微程序控制单元结构断定方式实现的微程序控制单元结构 指令寄存器IRPLA微地址修改逻辑微地址修改逻辑+控制存储器uAR下址 uIR 测试条件码状态标志Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序
100、控制器微程序控制器设计技术设计技术uOP uOP 测试判别测试判别 下址下址 2400 下址01 按地址转移10 按Z 转移11 空如如：采用断定方式的微指令格式如下：采用断定方式的微指令格式如下：Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微地址微地址微命令微命令测试测试下址下址0000A0000010001B0000100010C0101000011E1010100100D0000110101H0010000110L0010010111P0010011000I0010111001M0011101010F00110
101、01011J0011011100G0000001101K0000001110N0011111111O000000Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术微指令格式微指令格式水平型微指令水平型微指令垂直型微指令垂直型微指令Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术水平型微指令：水平型微指令：一次能定义并执行多个并行操作微一次能定义并执行多个并行操作微命令的微
102、指令，叫做水平型微指令。命令的微指令，叫做水平型微指令。基本特征：基本特征：微指令字较长微指令字较长一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作。一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作。微命令的编码简单，尽可能使微命令与控制门之间具有微命令的编码简单，尽可能使微命令与控制门之间具有直接对应关系。直接对应关系。格式如下：格式如下：控控制制字字段段判别测试字段判别测试字段下地址字段下地址字段Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术垂直型微指令：垂直型微指令：在微指令中
103、设置微操作码字段，在微指令中设置微操作码字段，采用为操作码编译法，由操作码规定微指令的功采用为操作码编译法，由操作码规定微指令的功能，在一条微指令中只有一、两个微操作命令称能，在一条微指令中只有一、两个微操作命令称为垂直型微指令。为垂直型微指令。基本特征：基本特征：微指令字短。微指令字短。微指令的并行操作能力有限，一条微指令只能控制数微指令的并行操作能力有限，一条微指令只能控制数据通路中的一、两个信息传送。据通路中的一、两个信息传送。微指令编码比较复杂，全部微命令组成一个微操作码微指令编码比较复杂，全部微命令组成一个微操作码字段，经过完全译码，微指令的各个二进制位与数据字段，经过完全译码，微指
104、令的各个二进制位与数据通路的各个控制点之间完全不存在直接对应关系。通路的各个控制点之间完全不存在直接对应关系。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com设微指令字长为16位，微操作码3位。 (1)寄存器-寄存器传送型微指令 其功能是把源寄存器数据送目标寄存器。1315位为微操作码(下同)，源寄存器和目标寄存器编址各5位，可指定31个寄存器。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com(2)运算控制型微指令 其功能是选择ALU的左、右两输入
105、源信息，按ALU字段所指定的运算功能(8种操作)进行处理，并将结果送入暂存器中。左、右输入源编址可指定31种信息源之一。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com(3)访问主存微指令 其功能是将主存中一个单元的信息送入寄存器或者将寄存器的数据送往主存。存储器编址是指按规定的寻址方式进行编址。第1，2位指定读操作或写操作(取其之一)。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com(4)条件转移微指令 其功能是根据测试对象的状态决定是转移到D所
106、指定的微地址单元，还是顺序执行下一条微指令。9位D字段不足以表示一个完整的微地址，但可以用来替代现行PC的低位地址。 测试条件字段有4位，可规定16种测试条件。101Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com水平型微指令与垂直型微指令的比较水平型微指令与垂直型微指令的比较(1)(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。灵活性强，垂直型微指令则较差。(2)(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长
107、。直型微指令执行时间长。(3)(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。则相反。(4)(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。握。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com作业作业P2106、8、9、11Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Te
108、chnology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器（组合逻辑控制器硬布线控制器（组合逻辑控制器）基本思想：把控制部件看成作为生产专门固定时序控制信把控制部件看成作为生产专门固定时序控制信号的逻辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件号的逻辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。和取得最高操作速度为设计目标。这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形网络，故称为硬布线控制器。由于门复杂树形网络，故称为硬布线控制器。由于门电路多是组合逻辑电路所以也称为组合逻辑控电路多是组合逻辑电路所以也称为组合逻辑控制器。制器。Dega
109、ng Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器硬硬布线控制器的结构图布线控制器的结构图组合逻辑线路组合逻辑线路指令指令译码器译码器指令寄存器指令寄存器节拍电位节拍电位/节拍节拍脉冲发生器脉冲发生器微微操作控制信号操作控制信号结果反馈信息结果反馈信息启动启动停止停止时钟时钟复位复位IR M1 MiT1 TiDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com逻辑网络的输入信号来源有三个逻辑网络的输入信号来源有三个：(1)(1)来自指令操
110、码译码器的输出来自指令操码译码器的输出I Im m；(2)(2)来自执行部件的反馈信息来自执行部件的反馈信息B Bj j；(3)(3)来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号信号M M和节拍脉冲信号和节拍脉冲信号T T。逻辑网络逻辑网络N N的输出信号的输出信号就是微操作控制信号，就是微操作控制信号，它用来对执行部件进行控制。它用来对执行部件进行控制。硬布线控制器的基本原理：硬布线控制器的基本原理：C=f( C=f( I Im m,M,Mi i,T,Tk k,B,Bj j ) )实现实现：每一个操作控制信号与指令，时序，条：每一个操作控制信号与指令，时序
111、，条件都有一个逻辑关系，用逻辑表达式描述。件都有一个逻辑关系，用逻辑表达式描述。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器评价：硬布线控制器评价：速度快电路设计太复杂增加功能不太可能Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器时序时序采用三级时序，设置三个机器周期，每采用三级时序，设置三个机器周期，每个机器周期可以完成一次主存的读个机器周期可以完成一次主存的读/ /写操写操作，每个机器周期可分为若干个节
112、拍，作，每个机器周期可分为若干个节拍，每个节拍可分为若干个脉冲。每个节拍可分为若干个脉冲。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器硬硬布线控制器的设计方法布线控制器的设计方法 1.1.绘制指令的流程图：绘制指令的流程图：以指令的执行过程为线索，按指以指令的执行过程为线索，按指令类型分类，将每条指令归纳为一个微操作序列，根令类型分类，将每条指令归纳为一个微操作序列，根据操作的先后顺序画出指令流程图。据操作的先后顺序画出指令流程图。2.2.列出微操作时间表：列出微操作时间表：把指令流程图中的微
113、操作序列合把指令流程图中的微操作序列合理地安排在各个机器周期的相应节拍和脉冲中去，使理地安排在各个机器周期的相应节拍和脉冲中去，使他们在执行的时间上不发生冲突。他们在执行的时间上不发生冲突。3.3.微操作的逻辑综合：微操作的逻辑综合：以每个微操作为单位进行以每个微操作为单位进行“同类同类项合并项合并”，就是把不同指令在不同周期状态，不同节，就是把不同指令在不同周期状态，不同节拍和不同条件下所需要的同一微操作用逻辑关系式综拍和不同条件下所需要的同一微操作用逻辑关系式综合起来，然后加以简化使逻辑表达式更为合理。合起来，然后加以简化使逻辑表达式更为合理。Degang Xu, Zhengzhou In
114、stitue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器PC MAR，READMDRIRPC+1 PCADDR MARREADADDR MARADDR MARREADADDR MARREADZ=1ADDR PCMDR RiMDR RiWRITEMDR YY+Ri ZZ RiMDR YYRi ZZ RiLDSTRADDANDJZDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器指令指令节拍节拍微操作控制信号微操作控制信号取指取指M0PCOUT，MARIN，R
115、EAD，Y0，C01，ADD ，ZINM1MDROUT，IRINM2ZOUT，PCINLDM3ADDROUT，MARIN，READM4MDROUT，RIINSTRM3ADDROUT，MARIN，READM4RIOUT，MDRIN，WRITEADDM3ADDROUT，MARIN，READM4MDROUT，YINM5RIOUT，ADD，ZINM6ZOUT，RIINANDM3ADDROUT，MARIN，READM4MDROUT，YinM5RIOUT，AND，ZINM6ZOUT，RIINJZM3Z=1，ADDROUT，PCINM4Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Tec
116、hnology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器1.PCOUT=T02.MARIN=T0+T3JZ3.READ=T0+T3（STR+JZ）4.Y0=T05.C01=T06.ADD=T0+T5ADD7.ZIN=T0+T5（ADD+AND）8.ZOUT=T2+T6（ADD+AND）9.PCIN=T2+T6ZJZ10.MDROUT=T1+T4（ADD+AND）11.MDRIN=T4 STR12.IRIN=T113.ADDROUT=T3 JZ+T4 Z JZ14.RIIN=T4 LD+T6（ADD+AND）15.RIOUT=T4 STR+T5（ADD+AND）16.YIN=T
117、4（ADD+AND）17.WRITE=T4 STR18.AND=T5 ANDDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制器硬布线控制器RIin T4 LD ADD AND T6 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com考研全真题解考研全真题解86CPU组成组成(控制器控制器) 中国科学院自动化研究所1999年试题 比较硬布线控制和微程序控制?【解答】硬布线控制与微程序控制器相同之处是根据指硬布线控制与微程序控制器相同之处是根据
118、指令操作码和时序信号，产生各种控制信号，以便令操作码和时序信号，产生各种控制信号，以便正确地建立各种数据通路，完成取指令和执行指正确地建立各种数据通路，完成取指令和执行指令的控制。令的控制。硬布线控制的优点是由于控制器的速度取决于硬布线控制的优点是由于控制器的速度取决于电路延迟，所以速度较快。电路延迟，所以速度较快。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com硬布线控制的主要缺点是由于将控制部件看硬布线控制的主要缺点是由于将控制部件看成专门产生固定时序控制信号的逻辑电路，所成专门产生固定时序控制信号的逻辑电路，所以把
119、用最少元件和取得最高速度作为设计目标。以把用最少元件和取得最高速度作为设计目标。一旦设计完成，不可能通过其他的修改添加新一旦设计完成，不可能通过其他的修改添加新功能。功能。微程序控制的主要优点是同硬布线控制器相微程序控制的主要优点是同硬布线控制器相比，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列比，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。优点。微程序控制的主要缺点是由于微程序控制器微程序控制的主要缺点是由于微程序控制器采用了存储程序原理，所以每条指令都要从控采用了存储程序原理，所以每条指令都要从控存中取一次，因此影响了速度。存中取一次，因此影响了速度。Degang Xu, Zhengzhou Ins
120、titue Of Technology.Xulaoshi tom. com典型典型CPUM6800CPUInter 8088CPUIBM 370 CPUDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com流水流水CPU并行处理技术并行处理技术并行性并行性的两种含义：的两种含义：同时性同时性 指两个以上事件在同一时刻发生；指两个以上事件在同一时刻发生；并发性并发性 指两个以上事件在同一时间间隔内发生。指两个以上事件在同一时间间隔内发生。时间并行时间并行空间并行空间并行时间并行时间并行+ +空间并行空间并行Degang Xu,
121、Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术微微指令的执行方式指令的执行方式串行执行方式串行执行方式取i条 执行i条 取i+1条 执行i+1条微周期微周期微周期微周期Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com微程序控制器微程序控制器设计技术设计技术并行执行方式并行执行方式取i条 执行i条取I+1条 执行I+1条 取I+2条 执行I+2条Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology
122、.Xulaoshi tom. com1.时间并行时间并行指时间重叠，在并行性概念中引入时间因时间并行指时间重叠，在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。速度。2.空间并行空间并行指资源重复，在并行性概念中引入空间因空间并行指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以素，以“数量取胜数量取胜” ” 为原则来大幅度提高计算机的处理为原则来大幅度提高计算机的处理速度。速度。3.时间并行+空间并行指时间重叠和资源重复的综合应
123、用指时间重叠和资源重复的综合应用 ，既采用时间并，既采用时间并行性又采用空间并行性。显然，第三种并行技术带来的行性又采用空间并行性。显然，第三种并行技术带来的高速效益是最好的高速效益是最好的。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com流水计算机的系统组成流水计算机的系统组成 现代流水计算机的系现代流水计算机的系统组成原理如下图所示。统组成原理如下图所示。其中其中CPUCPU按流水线方式组按流水线方式组织，通常由三部分组成：织，通常由三部分组成：指令部件、指令队列、执指令部件、指令队列、执行部件行部件。这三个功能部件
124、。这三个功能部件可以组成一个可以组成一个3 3级流水线。级流水线。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com流水CPU的时空图计算机的流水处理过程非常类似于工厂中的计算机的流水处理过程非常类似于工厂中的流水装配线。为了实现流水，首先把输入的任务流水装配线。为了实现流水，首先把输入的任务( (或过程或过程) )分割为一系列子任务，并使各子任务能分割为一系列子任务，并使各子任务能在流水线的各个阶段并发地执行。当任务连续不在流水线的各个阶段并发地执行。当任务连续不断地输入流水线时，在流水线的输出端便连续不断地输入流水线时
125、，在流水线的输出端便连续不断地吐出执行结果，从而实现了子任务级的并行断地吐出执行结果，从而实现了子任务级的并行性。性。下面通过下面通过时空图时空图来证明这明这个结论。来证明这明这个结论。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com表示流水表示流水CPUCPU中一个指令周期的任务分解。中一个指令周期的任务分解。表示非流水计算机的时空图表示非流水计算机的时空图Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com表示流水计算机的时表示流水计算机的时空图。
126、空图。表示超标量流水计表示超标量流水计算机的时空图。算机的时空图。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com超标量超标量(Superscalar)(Superscalar)超标量实际上是并行处理思想在微处理超标量实际上是并行处理思想在微处理器设计中的应用器设计中的应用。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com超标量和超流水超标量和超流水Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaos
127、hi tom. com流水线的分类流水线的分类指令流水线指令流水线算术流水线算术流水线处理机流水线处理机流水线流水线中的主要问题流水线中的主要问题资源相关资源相关数据相关数据相关控制相关控制相关Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com流水线的优化流水线的优化数据相关数据相关写后写写后写读后写读后写写后读写后读解决数据相关的途径解决数据相关的途径定向定向载入延迟调度载入延迟调度插入空周期插入空周期Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. co
128、m资源相关资源相关 资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。数据相关数据相关 在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。数据相关的。控制相关控制相关控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能
129、转移到新的目标地址取指令，取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。从而使流水线发生断流。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com流水线中有三类数据相关冲突：写后读相关；读后写相关；写后写相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。(1)I1:ADDR1，R2，R3；(R2)+(R3)-R1I2:SUBR4，R1，R5；(R1)-(R5)-R4(2)I3:STAM(x)，R3；(R3)-M(x)，M(x)是是存储器单元存储器单元I4:ADDR3，R4，R5；(R4)+(R5)-R3(3
130、)I5:MULR3，R1，R2；(R1)(R2)-R3I6:ADDR3，R4，R5；(R4)+(R5)-R3Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com第第(1)(1)组指令中，组指令中，I1I1指令运算结果应先写入指令运算结果应先写入R1R1，然后在然后在I2I2指令中读指令中读出出R1R1内容。由于内容。由于I2I2指令进入流指令进入流水线，变成水线，变成I2I2指令在指令在I1I1指令写入指令写入R1R1前就读出前就读出R1R1内内容，发生容，发生RAWRAW相关。相关。第第(2)(2)组指令中，组指令中，I3
131、I3指令应先读出指令应先读出R3R3内容并存入内容并存入存储单元存储单元M(x)M(x)，然后在然后在I4I4指令中将运算结果写入指令中将运算结果写入R3R3。但由于但由于I4I4指令进入流水线，变成指令进入流水线，变成I4I4指令在指令在I3I3指令读出指令读出R3R3内容前就写入内容前就写入R3R3，发生发生WARWAR相关。相关。第第(3)(3)组指令中，如果组指令中，如果I6I6指令的加法运算完成时指令的加法运算完成时间早于间早于I5I5指令的乘法运算时间，变成指令指令的乘法运算时间，变成指令I6I6在指在指令令I5I5写入写入R3R3前就写入前就写入R3R3，导致导致R3R3的内容错
132、误，发的内容错误，发生生WAWWAW相关相关 。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPentium CPUPentium CPU PentiumPentium是是IntelIntel公司生产的超标量流水处理器，公司生产的超标量流水处理器，早期使用早期使用5V5V工作电压，后期使用工作电压，后期使用3.3V3.3V工作电压。工作电压。CPUCPU的的主频是片外主总线时钟频率主频是片外主总线时钟频率(60MHz(60MHz或或66MHz)66MHz)的倍频，的倍频，有有120120，166166，200MHz20
133、0MHz等多种。等多种。CPUCPU内部的主要寄存器宽度为内部的主要寄存器宽度为3232位，故认为它是一位，故认为它是一个个3232位微处理器。位微处理器。但它通向存储器的外部数总线宽度但它通向存储器的外部数总线宽度为为6464位，每次总线操作可以同时传输位，每次总线操作可以同时传输8 8个字节。以主总个字节。以主总线线( (存储器总线存储器总线) )时钟频率时钟频率66MHz66MHz计算，计算，6464位数据总线可位数据总线可使使CPUCPU与主存的数据交换速率达到与主存的数据交换速率达到528MB/s528MB/s。 CPUCPU支持多种类型的总线周期，其中一种称猝发模支持多种类型的总线
134、周期，其中一种称猝发模式，在此模式下，可在一个总线周期内读出或与入式，在此模式下，可在一个总线周期内读出或与入256256位位(32(32字节字节) )的数据。的数据。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comCPUCPU外部地址总线宽度是外部地址总线宽度是3636位，但一般使用位，但一般使用3232位位宽，故物理地址空间为宽，故物理地址空间为4096MB(4GB)4096MB(4GB)。虚拟地址空间虚拟地址空间为为64TB64TB，分页模式除支持分页模式除支持4KB4KB页面外页面外( (与与486486相同相同
135、) )，还，还支持支持2MB2MB和和4MB4MB页面。其中页面。其中2MB2MB页面的分页模式必须使页面的分页模式必须使用用3636位地址总线。位地址总线。 CPUCPU内部分别设置内部分别设置指令指令cachecache和数据和数据cachecache，外部外部还可接还可接L2cacheL2cache。CPUCPU采用采用U U，V V两条指令流水线两条指令流水线，能在，能在一个时钟周期内发射两条简单的整数指令，也可发射一个时钟周期内发射两条简单的整数指令，也可发射一条浮点指令。操作控制器采用硬布线控制和微程序一条浮点指令。操作控制器采用硬布线控制和微程序控制相结合的方式。大多数简单指令用
136、硬布线控制实控制相结合的方式。大多数简单指令用硬布线控制实现，在一个时钟周期内执行完毕。对微程序实现的指现，在一个时钟周期内执行完毕。对微程序实现的指令，也在令，也在2323个时钟周期内执行完毕。个时钟周期内执行完毕。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com Pentium具有非固定长度的指令格式，9种寻址方式，191条指令，但是在每个时钟周期又能执行两条指令。因此它具有CISC和RlSC两者的特性，不过具有的CISC特性更多一些，因此被看成为一个CISC结构的处理器。以CISC结构实现超标量流水线，并有BTB方
137、式的转移预测能力。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com奔腾奔腾CPUCPU的结构框图的结构框图CPU的结构框图请参见教材。(1)(1)超标量流水线超标量流水线 (2)(2)指令指令cachecache和数据和数据cachecache (3)(3)浮点运算部件浮点运算部件(4)(4)动态转移预测技术动态转移预测技术Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comRISCCPURISCRISC的三个要素是：的三个要素是：(1)(1)一个有限
138、的简单的指令集；一个有限的简单的指令集；(2)CPU(2)CPU配备大量的通用寄存器；配备大量的通用寄存器；(3)(3)强调对指令流水线的优化。强调对指令流水线的优化。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com基于三要素的基于三要素的RISCRISC机器的特征是：机器的特征是：(1)(1)使用等长指令，目前的典型长度是使用等长指令，目前的典型长度是4 4个字节。个字节。(2)(2)寻址方式少且简单，一般为寻址方式少且简单，一般为2323种，最多不超过种，最多不超过4 4种，种，绝不出现存储器间接寻址方式。绝不出现存
139、储器间接寻址方式。 (3)(3)只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出现现RSRS型指令，绝不出现型指令，绝不出现SSSS型指令。型指令。 (4)(4)指令集中的指令数目一般少于指令集中的指令数目一般少于100100种，指令格式一般少种，指令格式一般少于于4 4种。种。(5)(5)指令功能简单，控制器多采用硬布线方式，以期更快指令功能简单，控制器多采用硬布线方式，以期更快的执行速度。的执行速度。 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com(6)(6)平均而言，所
140、有指令的执行时间为一个处理时钟平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期。周期。 (7)(7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于3232个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于1616个。个。 (8)(8)强调通用寄存器资源的优化使用。强调通用寄存器资源的优化使用。 (9)(9)支持指令流水并强调指令流水的优化使用。支持指令流水并强调指令流水的优化使用。 (10)RlSC(10)RlSC技术的复杂性于它的编译程序，因此软件技术的复杂性于它的编译程序，因此软件系统开发时间比系统开发时间比CISCCISC机器长。机器
141、长。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com典型实例典型实例Pentium IIPowerPCMIPS R10000UltraSPARC IIIA-64/MercedDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com多媒体多媒体CPU CPU 媒体媒体 多媒体技术多媒体技术多媒体技术解决的主要问题有：多媒体技术解决的主要问题有： 1.1.图像与声音的压缩技术图像与声音的压缩技术2.2.适应多媒体技术的软件技术适应多媒体技术的软件技术3.3.计
142、算机系统结构方面的技术计算机系统结构方面的技术Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comMMXMMX技术技术: : MMXMMX是一种多媒体扩展结构技术，它极大提是一种多媒体扩展结构技术，它极大提高了计算机在多媒体和通信应用方式的功能。带高了计算机在多媒体和通信应用方式的功能。带有有MMXMMX技术的技术的CPUCPU特别适合于数据量很大的图形、特别适合于数据量很大的图形、图像数据处理，从而使三维图形、图画、运动图图像数据处理，从而使三维图形、图画、运动图像为目标的像为目标的MPEGMPEG视频、音乐合成、语音识别
143、、虚视频、音乐合成、语音识别、虚拟现实等数据处理的速度有了很大提高拟现实等数据处理的速度有了很大提高 。 MMXMMX技术集成到新一代技术集成到新一代Pentium CPUPentium CPU时，主要时，主要体现在：体现在：采用采用4 4种新的数据类型，种新的数据类型，使用使用8 8个个64 64 位位宽的宽的MMXMMX寄存器，寄存器，增设增设5757条新指令。条新指令。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com动态执行技术动态执行技术 动态执行技术动态执行技术 是指通过预测程序流来调是指通过预测程序流来调整指
144、令的执行，并分析程序的数据流来选择整指令的执行，并分析程序的数据流来选择指令执行的最佳顺序。动态执行技术涉及数指令执行的最佳顺序。动态执行技术涉及数据相关性及指令调度法、转移预测法、指令据相关性及指令调度法、转移预测法、指令的发射顺序与完成顺序等流水技术基本要素。的发射顺序与完成顺序等流水技术基本要素。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com实实现现动动态态执执行行的的关关键键：取取消消传传统统的的“取取指指” ” 和和“执执行行”两两阶阶段段之之间间指指令令需需要要线线性性排排列列的的限限制制，而而使使用用一一
145、个个指指令令缓缓冲冲池池以以开开辟辟一一个个较较长长的的指指令令窗窗口口，以以便便允允许许执执行行单单元元能能在在一一个个较较大大的的范围内调遣和执行已译码过的程序指令流。范围内调遣和执行已译码过的程序指令流。 与指令缓冲池相连的三个硬件单元是：与指令缓冲池相连的三个硬件单元是： 取指取指/ /译码单元译码单元，调遣调遣/ /执行单元执行单元，回收单元回收单元Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com习题：习题：2 2、参见图参见图5.155.15的数据通路。画出存数指令的数据通路。画出存数指令“STA R1,(R
146、2)”STA R1,(R2)”的指令周期流程图，其含义的指令周期流程图，其含义是将寄存器是将寄存器R1R1的内容传送至（的内容传送至（R2R2）为地址的主为地址的主存单元中。标出个为操作信号序列。存单元中。标出个为操作信号序列。IRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiA总线总线B总线总线G+ -R/WDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARMDRDRIRR2ARR1DRDRMPC0，G，ARiDR0，G，IRiR20，G，ARi
147、R10，G，DRiR/W=W R/W=RDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com3 3、参见图、参见图5.155.15的数据通路，画出取数指令的数据通路，画出取数指令“LDA (R3),R0”LDA (R3),R0”的指令周期流程图，其含义的指令周期流程图，其含义是将（是将（R3R3）为地址主存单元的内容取至寄存器为地址主存单元的内容取至寄存器R0R0中。标出个为操作信号序列。中。标出个为操作信号序列。IRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oX
148、iYiA总线总线B总线总线G+ -R/WDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comPCARMDRDRIRR3ARMDRDRR0PC0，G，ARiDR0，G，IRiR30，G，ARiDR0，G，R0IR/W=W R/W=RDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com6 6、假设某机器有、假设某机器有8080条指令，平均每条指令由条指令，平均每条指令由4 4条为指令组成，其中有一条取指微指令是所有条为指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令共
149、用的。已知微指令长度为指令共用的。已知微指令长度为3232位，请估算位，请估算控制存储器容量。控制存储器容量。解：解：（4+79*34+79*3）* *3232=7712b=968B=7712b=968B或：或：80*80*（4-14-1）+1=241+1=241，241*32=7712b=968B241*32=7712b=968BDegang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com8 8、某机有、某机有8 8条微指令条微指令I1-I8I1-I8，每条微指令所包每条微指令所包含微命令控制信号如下标所示含微命令控制信号如下标所
150、示。微指令微指令ABCDEFGHIJI1I2I3I4I5I6I7I8Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. comA - jA - j分别对应分别对应1010种不同性质的为命令信号，种不同性质的为命令信号，假设一条微命令的控制字段仅限为假设一条微命令的控制字段仅限为8 8位，请安位，请安排微指令的控制字段格式。排微指令的控制字段格式。答：因为位要对应答：因为位要对应1010种不同的信号，所以要种不同的信号，所以要将原来将原来1010种信号中不冲突的信号合在一起，用种信号中不冲突的信号合在一起，用不同的二进制数来表示不同
151、的状态。不同的二进制数来表示不同的状态。我们发现我们发现E E，H H和和B B，I I，J J相互不冲突，所相互不冲突，所以分别用二位二进制数可以表示，如下：以分别用二位二进制数可以表示，如下：0000：E E，01:F01:F，10:H10:H；0000：B B，0101：I I，1010：J J。微指令的控制字段格式：微指令的控制字段格式：ACDG*#Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com9 9、微地址转移逻辑表达式如下：、微地址转移逻辑表达式如下：uAuA8 8=P=P1 1*IR*IR6 6*T*T4
152、 4uAuA7 7=P=P1 1*IR*IR5 5*T*T4 4uAuA6 6=P=P2 2*IR*IR6 6*T*T4 4其中其中uAuA6 6- - uAuA8 8为为微地址寄存器相应位，微地址寄存器相应位，P1P1和和P2P2位判别标志，位判别标志，C C为进位标志，为进位标志，IR5IR5和和IR6IR6位指令寄存器的相应位，位指令寄存器的相应位，T4T4位时钟周期位时钟周期信号。说明上述逻辑表达式的含义，画出信号。说明上述逻辑表达式的含义，画出微地址转移逻辑图。微地址转移逻辑图。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi
153、tom. com答：根据题义，可知，答：根据题义，可知，在在P P1 1条件下，当条件下，当IRIR6 6=1=1时，时，T T4 4脉冲到来时微地脉冲到来时微地址寄存器址寄存器uAuA8 8位将置位将置“1”1”。在。在P P1 1条件下，条件下，当当IRIR5 5=1=1时，时，T T4 4脉冲到脉冲到来时微地址寄存器来时微地址寄存器uAuA7 7位将置位将置“1”1”。在。在P P2 2条条件下，当件下，当C=1C=1时，时，T T4 4脉脉冲到来时微地址寄存器冲到来时微地址寄存器uAuA6 6位将置位将置“1”1”。T4IR6IR6P1P1IR5IR5P2P2C CDegang Xu,
154、 Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com1111、已知某机采用微程序控制方式，控存、已知某机采用微程序控制方式，控存容量为容量为512*48512*48位。微程序可在整个控存中位。微程序可在整个控存中实现转移的条件有实现转移的条件有4 4个，微指令采用水平型个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式。请格式，后继微指令地址采用断定方式。请问：问：1 1、为指令的三个字段分别应为多少位？为指令的三个字段分别应为多少位？2 2、画出对应这种微指令格式的微程序控制、画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。器逻辑框图。 De
155、gang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com答：因为某机采用微程序控制方式，控存容量答：因为某机采用微程序控制方式，控存容量为为512*48512*48位。可知微指令共位。可知微指令共4848位，可以对位，可以对512512个控存单元寻址，则个控存单元寻址，则2 29 9=512=512，而且微程序可在，而且微程序可在整个控存中实现转移的条件有整个控存中实现转移的条件有4 4个，则要实现个，则要实现4 4个转移条件，需要二位二进制数，个转移条件，需要二位二进制数，2 22 2=4=4。因为微指令采用水平型格式，后继微指令
156、地址因为微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式。采用断定方式。则：则：后继微指令地址为后继微指令地址为9 9位，判断字段为位，判断字段为2 2位，位，所以微命令字段为：所以微命令字段为：48-2-9=3748-2-9=37位。位。Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下：对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下：控制存储器控制存储器地址译码地址译码微地址寄存器微地址寄存器9位位OPP字段字段2位位控制字段控制字段37位位地址转移地址转移逻辑逻辑状态条件状态条件指令寄存器指令寄存器微微命令信号命令信号 Degang Xu, Zhengzhou Institue Of Technology.Xulaoshi tom. com
