模型机的基本组成和数据通路

1、第四讲第四讲 模型机的基本组成和数据通路模型机的基本组成和数据通路数据传送数据传送时序控制方式时序控制方式模型机的指令系统模型机的指令系统模型机的时序系统模型机的时序系统指令流程图指令流程图微程序控制概念微程序控制概念比较组合逻辑控制方式和微程序控制方式比较组合逻辑控制方式和微程序控制方式一、一、CPU模型的组成及其数据通路模型的组成及其数据通路基本组成基本组成控制器运算部件各种寄存器 用于存放指令、指令地址、操作数及其运算结果。CPU内部数据通路 用以连接各部件，为信息传送提供通路1.寄存器寄存器2.运算部件运算部件3.总线与数据通路结构总线与数据通路结构4.控制器及微命令的基本形式控制器及

2、微命令的基本形式1.寄存器 CPU中的寄存器有：中的寄存器有： 存放控制信息的寄存器，如指令寄存器、程序计数器和程序状态字寄存器 存放所处理的寄存器，如通用寄存器和暂存器 为简单起见，所有寄存器都是为简单起见，所有寄存器都是16位，位，内部结构是内部结构是16个个D触发器，数据代码触发器，数据代码输入至输入至D端，由端，由CP端脉冲同步打入，端脉冲同步打入，其输出由输出门控制。其输出由输出门控制。PSW的特征位的特征位则由则由R、S端置入，系统总线对端置入，系统总线对MDR的的输入也由输入也由R，S端置入。端置入。1.寄存器（1）通用寄存器 （R0，R1，R2，R3）（2）暂存器（C、D、Z）

3、（3）指令寄存器IR（4）程序计数器PC（5）程序状态字寄存器PSW（5）堆栈指针SP（6）与主存接口的寄存器MAR、MDR（1）通用寄存器 通用寄存器通用寄存器4个：个：R0，R1，R2，R3。 这是一组这是一组可编程访问，具有多种功能的寄可编程访问，具有多种功能的寄存器存器。在指令系统中为这些寄存器分配了。在指令系统中为这些寄存器分配了编号即寄存器地址，因此可编程指定使用编号即寄存器地址，因此可编程指定使用某个寄存器。通用寄存器本身在逻辑上只某个寄存器。通用寄存器本身在逻辑上只具有接受信息、存储信息和发送信息的功具有接受信息、存储信息和发送信息的功能。但通过编程与运算部件的配合就可以能。但

4、通过编程与运算部件的配合就可以实现多种功能，如它们可为实现多种功能，如它们可为ALU提供操作提供操作数并存放运算结果，也可以用作变址寄存数并存放运算结果，也可以用作变址寄存器、地址指针和计数器等器、地址指针和计数器等。（2）暂存器 暂存器有暂存器有3个：个：C，D，Z。 暂存器暂存器C可用来暂存从主存储器读出的数据可用来暂存从主存储器读出的数据，这个数据是不能存放在通用寄存器中，否则会这个数据是不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有的内容。破坏其原有的内容。 由于由于CPU是单总线结构，因此是单总线结构，因此ALU的输入端必的输入端必须设置一个暂存器须设置一个暂存器D，用来存放一个操作数，用

5、来存放一个操作数，在在ALU输出端设暂存器输出端设暂存器Z存放运算结果存放运算结果。暂存。暂存器器D还可暂存从主存储器读出的数据，并设有还可暂存从主存储器读出的数据，并设有左移和右移的功能左移和右移的功能。 指令系统中没有为暂存器分配编号，因此程序指令系统中没有为暂存器分配编号，因此程序员员不能编程访问它们不能编程访问它们，因而是透明的。，因而是透明的。（3）指令寄存器IR 指令寄存器指令寄存器IR用来存放当前正在执行的一用来存放当前正在执行的一条指令条指令。当执行一条指令时，应先将指。当执行一条指令时，应先将指令从主存中读出到令从主存中读出到IR中。中。IR的输出是的输出是控制器产生控制信号

6、的主要逻辑依据。控制器产生控制信号的主要逻辑依据。不可编程访问不可编程访问。（4）程序计数器PC 程序计数器又称为指令计数器或指令指针程序计数器又称为指令计数器或指令指针IP，它，它的作用是的作用是提供指令的地址提供指令的地址。因此。因此PC用来指示程用来指示程序的进程。当现行指令执行完毕时，由序的进程。当现行指令执行完毕时，由PC提供提供后继指令的地址，并送往主存的地址寄存器后继指令的地址，并送往主存的地址寄存器MAR 。 当程序按顺序执行时，每读取一条指令后，当程序按顺序执行时，每读取一条指令后，PC要加上一个增量（通常为刚读取指令所占的存储要加上一个增量（通常为刚读取指令所占的存储单元数

7、），以指向下条指令地址。当遇到转移指单元数），以指向下条指令地址。当遇到转移指令时，需改变程序的执行顺序，则由转移指令形令时，需改变程序的执行顺序，则由转移指令形成转移地址送往成转移地址送往PC作为后继指令地址。作为后继指令地址。 PC具有具有加加1计数计数功能，并可以功能，并可以编程访问编程访问。（5）程序状态字寄存器PS 程序状态字寄存器又称为标志寄存器，用程序状态字寄存器又称为标志寄存器，用来存放现行程序的来存放现行程序的运行状态和工作方式，运行状态和工作方式，其内容称为程序状态字其内容称为程序状态字PSW。PSW是参与是参与控制程序执行的重要依据。控制程序执行的重要依据。 PSW中的一

8、部分内容是记录上条指令执行中的一部分内容是记录上条指令执行后的结果标志：进位标志后的结果标志：进位标志C，溢出标志溢出标志V，结果为零标结果为零标志志Z，结果为负标志结果为负标志S，奇偶标奇偶标志志P。每当一条指令执行完，每当一条指令执行完，CPU将根据运将根据运算结果自动修改这些标志。算结果自动修改这些标志。 PSW中另一部分内容中另一部分内容由编程设定由编程设定：跟踪标：跟踪标志志T，用以变成设定断点；中断允许标志，用以变成设定断点；中断允许标志I，指示指示CPU是否允许响应外部中断请求。是否允许响应外部中断请求。（6）堆栈指针SP SP用来指示堆栈栈顶的位置，其用来指示堆栈栈顶的位置，其

9、内容内容是栈顶单元的地址是栈顶单元的地址。SP也是也是可以编程访问可以编程访问的寄存器。的寄存器。（7）与主存接口的寄存器MAR，MDR 地址寄存器地址寄存器MAR用于存放用于存放CPU访问主存或访问主存或I/O接口的地址。接口的地址。MAR连接地址总线的输出门是连接地址总线的输出门是三态门，当微命令三态门，当微命令EMAR为高电平时，为高电平时，MAR输出输出送往地址总线；当送往地址总线；当EMAR为低电平时，为低电平时，MAR输出输出呈高阻态，与地址总线断开。呈高阻态，与地址总线断开。 数据寄存器数据寄存器MDR用于存放用于存放CPU与主存或与主存或I/O接口之间的数据。接口之间的数据。C

10、PU的输出数据必须先打入的输出数据必须先打入MDR，再从，再从MDR输出到数据总线上。对于输入输出到数据总线上。对于输入CPU的数据，则从数据总线输入数据到的数据，则从数据总线输入数据到MDR然后然后由由MDR送往送往CPU 中的其他部件。中的其他部件。MDR与数据总线与数据总线间为双向连接，其输出级也采用三态门，可与数据间为双向连接，其输出级也采用三态门，可与数据总线断开。总线断开。 CPU对主存的控制信号有两个：读信号对主存的控制信号有两个：读信号RD控制对控制对主存的读操作；写信号主存的读操作；写信号WR控制对主存的写操作。控制对主存的写操作。2.运算部件运算部件ALU及配合完成的一些寄

11、存器及配合完成的一些寄存器 模型机的模型机的ALU输入输入A来自暂存器来自暂存器D,输输入入B来自来自ALU总线总线,运算结果输出到运算结果输出到Z。 可以完成加、减、与、或、异或、求可以完成加、减、与、或、异或、求负、求反等运算。负、求反等运算。3.总线与数据通路结构总线与数据通路结构（1）ALU总线总线（2）系统总线）系统总线（1）ALU总线总线 CPU内部采用单总线结构，即设置一组由内部采用单总线结构，即设置一组由16根双向数据传送线组成的根双向数据传送线组成的ALU总线（也称为总线（也称为CPU内总线）内总线），ALU和所有寄存器通过这组公共和所有寄存器通过这组公共总线连接起来。在单总

12、线结构中，总线连接起来。在单总线结构中，CPU的任何两的任何两个部件间的数据传送都必须通过这组总线，因此，个部件间的数据传送都必须通过这组总线，因此，控制比较简单，但传送速度受到限制。控制比较简单，但传送速度受到限制。只能分时只能分时共享。共享。 挂接在挂接在ALU总线上的寄存器几乎都设有三态输出门总线上的寄存器几乎都设有三态输出门和打入脉冲。输出门打开，便将寄存器中的信息代和打入脉冲。输出门打开，便将寄存器中的信息代码送到码送到ALU总线上去，但每次只允许一个部件向总线上去，但每次只允许一个部件向ALU总线发送信息代码；接收信息的寄存器可以有总线发送信息代码；接收信息的寄存器可以有多个，由打

13、入脉冲将多个，由打入脉冲将ALU总线上的信息代码打入其总线上的信息代码打入其中。中。（2）系统总线 系统总线包括：系统总线包括：16根地址总线，根地址总线，16根数据总线，根数据总线，以及控制总线。以及控制总线。模型机采用同步控制方式。模型机采用同步控制方式。 CPU通过通过MAR向地址总线提供访问主存单元或向地址总线提供访问主存单元或I/O接口接口的地址，由控制信号的地址，由控制信号EMAR决定是否发送地址。决定是否发送地址。I/O接接口（如口（如DMA控制器）也可以向地址总线发送访存地址。控制器）也可以向地址总线发送访存地址。 CPU通过通过MDR向数据总线发送或接收数据，以完成与向数据总

14、线发送或接收数据，以完成与主存单元或主存单元或I/O接口之间的数据传送，由控制信号接口之间的数据传送，由控制信号RD、WR决定传送方向。主存决定传送方向。主存M和和I/O设备之间也可以通过数设备之间也可以通过数据总线传送数据。据总线传送数据。 CPU通过控制总线向主存或通过控制总线向主存或I/O设备发出有关控制信号。设备发出有关控制信号。有时，有时，I/O设备也可以向控制总线发出控制信号。设备也可以向控制总线发出控制信号。4.控制器及微命令的基本形式 (1)微命令的基本形式微命令的基本形式 微操作命令是最基本的控制信号微操作命令是最基本的控制信号,通常是指通常是指直接作用于部件或控制门电路的控

15、制信号直接作用于部件或控制门电路的控制信号,简称微命令。简称微命令。 实际中，往往利用脉冲边缘来表示某实际中，往往利用脉冲边缘来表示某一时刻一时刻,起定时作用或识别脉冲的有无。起定时作用或识别脉冲的有无。 与脉冲信号相比，电平信号维持的时与脉冲信号相比，电平信号维持的时间一般要长一些。间一般要长一些。4.控制器及微命令的基本形式模型机中的微命令：模型机中的微命令： 电位型微命令电位型微命令各寄存器输出到各寄存器输出到ALU总线上的控制信号总线上的控制信号ALU运算控制信号运算控制信号暂存器暂存器D的左移的左移/右移控制信号右移控制信号程序计数器程序计数器PC的计数信号的计数信号MAR和和MDR

16、输出到系统总线的控制信号输出到系统总线的控制信号寄存器置入控制信号寄存器置入控制信号主存的读主存的读/写信号写信号 脉冲型微命令脉冲型微命令 模型机中，各寄存器均采用同模型机中，各寄存器均采用同步打入脉冲将步打入脉冲将ALU总线上的数据打入其中。总线上的数据打入其中。（2）控制器 控制器是全机的指挥中心，其基本功能就是执行指控制器是全机的指挥中心，其基本功能就是执行指令，即根据指令产生控制信号序列以命令相应部件令，即根据指令产生控制信号序列以命令相应部件分步完成指定的操作。分步完成指定的操作。 控制器控制器向向CPU内部发送控制信号，控制寄存器之间内部发送控制信号，控制寄存器之间的数据传送的数

17、据传送，使，使ALU完成指定的功能以及其他的内完成指定的功能以及其他的内部操作；部操作；向向CPU外部发出控制信号，以控制外部发出控制信号，以控制CPU与与存储器或存储器或I/O设备之间传送数据。设备之间传送数据。 主要部件包括：指令寄存器主要部件包括：指令寄存器IR，指令译码器、程序，指令译码器、程序计数器、状态字寄存器计数器、状态字寄存器PSW、时序系统和微操作信、时序系统和微操作信号发生器。号发生器。 微操作信号发生器的输入由微操作信号发生器的输入由IR中的指令经译码后的中的指令经译码后的输出、输出、PSW的状态、时序信号及外部的控制信号组的状态、时序信号及外部的控制信号组成。产生指令执

18、行时所需要的微操作信号。成。产生指令执行时所需要的微操作信号。二、数据传送二、数据传送1.寄存器之间的数据传送寄存器之间的数据传送2.主存数据传送到主存数据传送到CPU3.CPU数据传送到主存数据传送到主存4.执行算术或逻辑操作执行算术或逻辑操作1.寄存器之间的数据传送寄存器之间的数据传送 寄存器之间可直接通过寄存器之间可直接通过ALU总线传送总线传送数据数据,具体传送由输出门和打入脉冲控具体传送由输出门和打入脉冲控制。制。 例如：例如：R1R22.主存数据传送到主存数据传送到CPU 主存与主存与CPU之间通过之间通过系统总线系统总线传送数据。传送数据。 CPU首先首先要把所取数据的地址送到要

19、把所取数据的地址送到MAR，然后将然后将MAR中的地址输出到地址总线上，中的地址输出到地址总线上，同时发读命令到主存；主存完成读操作后同时发读命令到主存；主存完成读操作后将读出的将读出的16位数据送到数据总线上，位数据送到数据总线上，再再将将数据线上的信息置入数据线上的信息置入MDR。 PC MAR M MDR IR3.CPU数据传送到主存数据传送到主存 首先首先要将寄存器中的数据装入要将寄存器中的数据装入MDR，要写入主存单元的地址送要写入主存单元的地址送MAR，然后然后发写命令发写命令；主存将按主存将按MAR中的地址把中的地址把MDR的内容写入对应单元中。的内容写入对应单元中。 R1 MA

20、R R2 MDR MDR M4.执行算术或逻辑操作执行算术或逻辑操作 先将一个操作数经先将一个操作数经ALU总线送入暂存总线送入暂存器器D保存起来保存起来,D的内容在的内容在ALU的输入端的输入端A始终有效始终有效,再将另一个操作数经总线再将另一个操作数经总线直接送到直接送到ALU的输入端的输入端B. 运算结果暂存在暂存器运算结果暂存在暂存器Z中中. 例如例如: R1 D D+R2 Z Z R3三、时序控制方式三、时序控制方式 1. 指令的执行过程：指令的执行过程： 任何一条指令都要经过读取指令、分任何一条指令都要经过读取指令、分析指令和执行指令析指令和执行指令3个阶段。个阶段。1. 指令的执

21、行过程：指令的执行过程： （1）.指令执行过程一般可分为：指令执行过程一般可分为： 取指令取指令 根据指令寄存器的根据指令寄存器的PC提供的地址提供的地址从主存储器中读取现行指令，送到主存数从主存储器中读取现行指令，送到主存数据缓冲器据缓冲器MDR中，然后再送往中，然后再送往CPU内的指内的指令器令器IR中。同时改变指令计数器的内容，中。同时改变指令计数器的内容，使之指向下一条指令地址或紧跟现行指令使之指向下一条指令地址或紧跟现行指令的立即数或地址码。的立即数或地址码。 分析指令分析指令 执行指令执行指令 取操作数 执行操作 形成下条指令地址 （2）指令之间的衔接方式：）指令之间的衔接方式：

22、串行的顺序安排方式 并行的重叠处理方式三、时序控制方式三、时序控制方式 2. 时序控制方式时序控制方式 就是指微操作与时就是指微操作与时序信号之间采取何种关系。序信号之间采取何种关系。 （1）同步控制方式）同步控制方式 同步控制方式是指各项操作由统一的时序同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制，这就意味着各个微操信号进行同步控制，这就意味着各个微操作必须在规定时间内完成，到达规定时间作必须在规定时间内完成，到达规定时间就自动执行后继的微操作。就自动执行后继的微操作。 特征：将操作时间分为若干长度相同的特征：将操作时间分为若干长度相同的时钟周期（也称节拍），要求在一个或几时钟周期（

23、也称节拍），要求在一个或几个时钟周期内完成各个微操作。机器的时个时钟周期内完成各个微操作。机器的时钟频率的选择主要取决于钟频率的选择主要取决于CPU内部的操作。内部的操作。通常时钟周期应能完成通常时钟周期应能完成CPU内部花费时间内部花费时间最长的微操作。最长的微操作。 （2）.同步控制方式的多级时序系统同步控制方式的多级时序系统1)多级时序的概念多级时序的概念 在同步控制方式中，通常将时序信号划分为在同步控制方式中，通常将时序信号划分为几级（其中包括指令周期），称为多级时序。几级（其中包括指令周期），称为多级时序。指令周期是从取指令、分析指令到执行完该指令周期是从取指令、分析指令到执行完该指

24、令所需的时间。指令所需的时间。在组合逻辑控制器中，其时序信号常划分为在组合逻辑控制器中，其时序信号常划分为3级，机器周期、节拍和时钟脉冲级，机器周期、节拍和时钟脉冲在微程序控制器中，起时序信号划分为在微程序控制器中，起时序信号划分为2级，级，节拍和时钟脉冲。节拍和时钟脉冲。多级时序的概念多级时序的概念 1）机器周期：）机器周期： 通常将指令周期划分为几个通常将指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，成为不同的阶段，每个阶段所需的时间，成为机器周期，又称为机器周期，又称为CPU工作周期或基本周工作周期或基本周期。期。 2）节拍：（时钟周期）将一个机器周期划）节拍：（时钟周期）将一个机器

25、周期划分为若干相等的时间段，每个时间段内完分为若干相等的时间段，每个时间段内完成一步基本操作。这个时间段用一个电平成一步基本操作。这个时间段用一个电平信号宽度对应，成为节拍或时钟周期。信号宽度对应，成为节拍或时钟周期。 显然，一个机器周期由若干个节拍组成。显然，一个机器周期由若干个节拍组成。 3）时钟脉冲信号）时钟脉冲信号多级时序信号之间的关系多级时序信号之间的关系多级时序信号之间的关系多级时序信号之间的关系 如：一个如：一个指令周期含指令周期含3个机器周期，每个机器个机器周期，每个机器周期划分为周期划分为4个节拍，则关系见图个节拍，则关系见图3-14时序系统的组成时序系统的组成 四、模型机的

26、指令系统四、模型机的指令系统1.指令格式（见图示）2.寻址方式（见表格）3.操作类型1.指令格式指令格式2.寻址方式寻址方式四、模型机的指令系统四、模型机的指令系统3.操作类型（1）传送类指令（2）双操作数算逻指令（3）单操作数算逻指令（4）程序控制类指令l转移指令JMPl返回指令RSTl转子程序指令JSR3.程序控制类程序控制类寄存器编号寻址方式操作类型R0000寄存器寻址000MOV 0000R1001寄存器间接寻址 001ADD0001R2010自减型寄存器间接寻址010SUB0010R3011自增型寄存器间接寻址011AND0011SP100直接寻址100OR0100PSW101变址寻

27、址101EOR0101PC111 例：例： 指令指令 AND R1, X（R2） 0011 0010 0001 0101 指令指令 OR -（R3）,（R0） 0100 0110 1000 0001五、五、模型机的时序系统模型机的时序系统三级时序:工作流程 节拍(时钟周期),工作脉冲1.工作周期 取指周期FT 源周期ST 用于控制指令的正常执行 目的周期DT 执行周期ET 中断周期IT 用于控制I/O传送 DMA周期 DMAT五、五、模型机的时序系统模型机的时序系统模型机设置6个触发器分别作为6个周期状态标志=1 表示相应工作周期开始=0 表示相应工作周期结束在指令的执行过程中,任何时候只能有

28、一个触发器为1.访存、取指令,修改PC内容_公操作按源寻址方式形成源地址，取出源操作数，存放于暂存器C中按目的寻址方式形成目的地址，或取目的操作数，存放于暂存器D中按操作码完成相应的操作（传送、运算、转移地址送入PC返回地址压栈保存。）FTSTDTETDMA?DMAT中断?ITNNY单操作数指令转移指令Y五、五、模型机的时序系统模型机的时序系统2.节拍节拍T节拍时间节拍时间: 访问一次主存的时间。访问一次主存的时间。一般是：一条传送指令的时间。较短。一般是：一条传送指令的时间。较短。模型机：用计算器模型机：用计算器T同级周期内的节拍数。同级周期内的节拍数。约定：每个工作周期第一拍，约定：每个工

29、作周期第一拍，T0 每开始一个新的节拍，每开始一个新的节拍，T计数计数 工作周期结束时工作周期结束时T清清0五、五、模型机的时序系统模型机的时序系统3.工作脉冲工作脉冲每个节拍结束时设置一个脉冲每个节拍结束时设置一个脉冲 时钟周期与工作脉冲的关系时钟周期与工作脉冲的关系:脉冲前沿脉冲前沿 打入寄存器打入寄存器 脉冲后沿脉冲后沿 进行时序转换进行时序转换(工作周期工作周期,节拍节拍)五、五、模型机的时序系统模型机的时序系统以指令执行为线索，确定个周期每以指令执行为线索，确定个周期每个节拍完成的具体操作（寄存器之个节拍完成的具体操作（寄存器之间的传送操作）间的传送操作）用寄存器传送语言描述用寄存器

30、传送语言描述 如如R0- -MAR二、取指周期流程二、取指周期流程 CPU内部传送内部传送 PC- -MAR 访存访存 M M- -MDR- -IR FT0 FT1PCM 三、传送类指令流程图三、传送类指令流程图三、传送类指令流程图三、传送类指令流程图例例1：拟出指令：拟出指令MOV R0 R1；的读取与执；的读取与执行的流程。行的流程。指令功能：将指令功能：将R1的内容送入的内容送入R0。FT0：PC MARFT1： MMDR IR PC1 PCST0： R1 CET0：C R0源目的均为寄存器寻址源目的均为寄存器寻址.MOV RO R1.下条指令.PC三、传送类指令流程图三、传送类指令流程

31、图 例例2：拟出指令：拟出指令MOV R2 (R1)；的读取与执；的读取与执行的流程。行的流程。 指令功能：将指令功能：将R1的地址处的内容送入的地址处的内容送入R2。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： R1 MAR ST1: M MDR C ET0：C R2 源：寄存器间址源：寄存器间址 目的：寄存器寻址时，没有目的周期目的：寄存器寻址时，没有目的周期.MOV R2,(R1)下条指令.PCs.R1 例例3：拟出指令：拟出指令MOV X（R1），），R0；的读取与执行的流程。；的读取与执行的流程。 指令功能：将指令功能：将R0的内容送入主存某单元，该单元的

32、地址通过的内容送入主存某单元，该单元的地址通过变址计算获得。变址计算获得。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： R0 C DT0: PC MAR DT1：M MDR D PC1 PC DT2：R1D Z DT3：Z MAR ET0：C MDR ET1：MDR M 源：寄存器寻址源：寄存器寻址 目的：变址寻址目的：变址寻址.MOV X（R1）,R0形式地址D下条指令PCs.R1D 例例4：拟出指令：拟出指令MOV （R3），），X（R2）；）；的读取与执行的流程。的读取与执行的流程。 指令功能：将主存某单元（该单元的地址指令功能：将主存某单元（该单元的地址通过

33、变址寻址找到）的内容送入由通过变址寻址找到）的内容送入由R3所指所指示的主存单元中。示的主存单元中。 源：变址寻址源：变址寻址 目的：寄存器间址目的：寄存器间址 .MOV（R3）, X（R2）形式地质D下条指令PCs.R2D FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： PC MAR ST1： M MDR D PC1 PC ST2: R2DZ ST3 ：Z MAR ST4：M MDR C DT0：R3 MAR ET0：C MDR ET1：MDR M.MOV（R3）, X（R2）形式地质D下条指令PCs.R2D 例例5：拟出指令：拟出指令MOV -（R1），（），（PC

34、）；）；的读取与执行的流程。的读取与执行的流程。 指令功能：将立即数存入主存由指令功能：将立即数存入主存由R1的内容减的内容减1所指示的单元。所指示的单元。 源：直接寻址源：直接寻址 目的：自减型寄存器间址目的：自减型寄存器间址.MOV -（R1）,R0立即数下条指令PC. FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： PC MAR ST1: M MDR C PC1 PC DT0： R1-1 Z DT1： Z MAR，R1 ET0：C MDR ET1：MDR M.MOV -（R1）,R0立即数下条指令PC. 例例6：拟出指令：拟出指令MOV （R2），），R0；的读；

35、的读取与执行的流程。取与执行的流程。 指令功能：将指令功能：将R0的内容送入的内容送入R2所指示的单元所指示的单元中，然后中，然后R2的内容加的内容加1。 源：寄存器寻址源：寄存器寻址 目的：自增型寄存器间址目的：自增型寄存器间址.MOV （R2）,R0下条指令PC. FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： R0 C DT0: R2 MAR DT1： R21 Z DT2： Z R2 ET0：C MDR ET1：MDR M.MOV （R2）,R0下条指令PC.四、运算类指令流程四、运算类指令流程四、运算类指令流程四、运算类指令流程 例例1：拟出指令：拟出指令ADD

36、 R0，R1；的读取与执；的读取与执行的流程。行的流程。 指令功能：指令功能：R1和和R2的内容相加，结果送入的内容相加，结果送入R01。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： R1 C DT0: R0 D ET0：C DZ ET1：Z R0 源：寄存器寻址源：寄存器寻址 目的：寄存器寻址目的：寄存器寻址.下条指令PC. 例例2：拟出指令：拟出指令SUB （R0），），D1；的读取；的读取与执行的流程。与执行的流程。 指令功能：将由直接寻址获得的源操作数与指令功能：将由直接寻址获得的源操作数与寄存器间址获得的目的操作数相减，结果存寄存器间址获得的目的操作数相减

37、，结果存入目的地址中。入目的地址中。 源：直接寻址源：直接寻址 目的：寄存器间址目的：寄存器间址.SUB（R0）,D1有效地址A下条指令PCs.R1D.S0A FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0： PC MAR ST1: M MDR MAR PC 1PC ST2： M MDRC DT0： R1 MAR DT1：M MDR D ET0：CD Z ET1：Z MDR ET2: MDR M.SUB（R0）,D1有效地址A下条指令PCs.R1D.S0A 例例3：拟出指令：拟出指令NEG （R0）；的读）；的读取与执行的流程。取与执行的流程。 指令功能：指令功能： 将目

38、的操作数变反，末位加将目的操作数变反，末位加1。 目的：自增型寄存器间址目的：自增型寄存器间址.NEG（R0）下条指令PC.SR0 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC DT0： R0 MAR DT1：M MDR D DT2：R01 Z DT3：Z R0 ET0：D 1Z ET1：Z MDR ET2: MDR M.NEG（R0）下条指令PC.SR0五、堆栈操作流程五、堆栈操作流程主存中划分出一段作为堆栈区。主存中划分出一段作为堆栈区。.SP.栈底（大）栈顶（小）堆栈区. 例例1：拟出指令：拟出指令MOV -(SP）,(R2)；的；的读取与执行的流程。读取与执行的流程。

39、指令功能：指令功能： 将将R2指示的单元的内容压入堆栈。指示的单元的内容压入堆栈。 目的：自减型寄存器间址目的：自减型寄存器间址 源：寄存器间址源：寄存器间址.SP.栈底（大）栈顶（小）堆栈区. FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0：R2 MAR ST1：M MDR C DT0： SP-1 Z DT1：Z MAR,SP ET0：C MDR ET1: MDR M 例例2：拟出指令：拟出指令MOV -(R0）,(SP)；的读取；的读取与执行的流程。与执行的流程。 指令功能：指令功能： 将堆顶单元的内容送入由将堆顶单元的内容送入由R01所指示的单所指示的单元。元。 目

40、的：自减型寄存器间址目的：自减型寄存器间址 源：自增型寄存器间址源：自增型寄存器间址.SP.栈底（大）栈顶（小）堆栈区. FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0：SP MAR ST1：M MDR C ST2：SP+1 Z ST3: Z SP DT0： R0-1 Z DT1：Z MAR,R0 ET0：C MDR ET1: MDR M.SP.栈底（大）栈顶（小）堆栈区.六、转移类指令流程六、转移类指令流程.JMP（R0）；下条指令PC转移地址.R0.目标指令例例1：拟出指令：拟出指令JMP （R0）；的读取与执行）；的读取与执行的流程。的流程。指令功能：从指令功能：从

41、R0所指示的主存单元取出转移所指示的主存单元取出转移地址，送入地址，送入PC。寄存器间址寄存器间址对于转移类指令，取指周期直接对于转移类指令，取指周期直接进入执行周期。进入执行周期。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ET0：R0MAR ET1：M MDR PC.JMP（R0）；下条指令PC转移地址.R0.目标指令 例例2：拟出指令：拟出指令JMP X(PC）；的读取与执行的）；的读取与执行的流程。流程。 指令功能：将指令功能：将PC为基准转移。为基准转移。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ET0：PC MAR ET1: M MDR D

42、 PC1 PC ET2：PCDZ ET3: Z PC 相对寻址相对寻址.JMP X（PC）；位移量DPC目标地址下条指令+D. 例例3：拟出指令：拟出指令RST (SP)；的读取与执行的；的读取与执行的流程。流程。 指令功能：将返回地址从堆栈中取出送入指令功能：将返回地址从堆栈中取出送入PC。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ET0： SP MAR ET1：M MAR PC ET2：SP+1 Z ET3: Z SP 自增型寄存器间址自增型寄存器间址返回地址SP.栈底（大）栈顶（小）堆栈区. 例例4：拟出指令：拟出指令JSR R1；的读取与执行的流程。；的读取与执行

43、的流程。寄存器寻址寄存器寻址 指令功能：将返回地址压栈保存，并将指令功能：将返回地址压栈保存，并将R1所存所存放的子程序入口送入放的子程序入口送入PC。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0：R1 C ET0: SP-1 Z ET1： Z MAR,SP ET2: PC MDR ET3: MDR M ET4: C PC 将转子指令形成子程序入口的操作用源周期来做将转子指令形成子程序入口的操作用源周期来做的。的。.JSR R1；下条指令PC.SP堆 栈 例例5：拟出指令：拟出指令JSR （R2）；的读取与执行的流程。）；的读取与执行的流程。 自增型寄存器间址自增型寄

44、存器间址 指令功能：将返回地址压栈保存，并从主存取得子程指令功能：将返回地址压栈保存，并从主存取得子程序入口，送入序入口，送入PC。 FT0：PC MAR FT1： MMDR IR PC1 PC ST0：R2 MAR ST1: M MDRC ST2：R21 Z ST3: ZR2 ET0: SP1 Z ET1: Z MAR，SP ET2：PCMDR ET3: MDRM ET4: CPC.JSR （R2）+；下条指令PC.SP堆 栈七、微程序控制概念七、微程序控制概念1. 微程序控制方式的基本思想微程序控制方式的基本思想将机器指令分解为基本的微命令序列,用二进制代码表示这些微命令,并编成微指令,多

45、条微指令在形成微程序.每种机器指令对应一段微程序,在制造CPU时固化在CPU中的一个控制存储器CM中.一条微指令包含的微命令,控制实现一步(一个节拍)操作;若干条微指令组成的一小段微程序解释执行一条机器指令.CM中的微程序能解释执行整个指令系统的所有机器指令.2. 微程序执行过程的描述微程序执行过程的描述根据微地址寄存器的内容,从CM的0号或1号单元中读出一条”取机器指令”用的微指令,送到微指令寄存器.这是一条公用微指令.IR中的机器指令的操作码通过微地址形成电路形成这条指令对应的微程序入口地址，送入微地址寄存器中.2. 微程序执行过程的描述微程序执行过程的描述 根据微地址寄存器中的微地址从C

46、M中取出对应微程序的一条微指令,其微命令字段产生一组微命令控制有关操作;由顺序控制字段形成下一条微指令地址，送入微地址寄存器. 执行完一条机器指令的微程序后,返回到CM的0号或1号微地址单元,重复步骤1),读取”取机器指令”微指令,以便取下一条机器指令。3. 基本概念和术语基本概念和术语微命令与微操作微命令微命令: 构成控制信号序列的最小单构成控制信号序列的最小单位。微命令由控制器通过控制线向有位。微命令由控制器通过控制线向有关的部件发出。关的部件发出。微操作：由微命令控制实现的最基本微操作：由微命令控制实现的最基本操作。操作。微命令是微操作的控制信号，微操作微命令是微操作的控制信号，微操作是

47、微命令控制的操作过程。是微命令控制的操作过程。3. 基本概念和术语基本概念和术语微指令与微周期微指令：若干个微命令的组合，以编码形微指令：若干个微命令的组合，以编码形式存放在控制存储器的一个单元中，控制式存放在控制存储器的一个单元中，控制实现一步操作。它通常包括两大部分信息：实现一步操作。它通常包括两大部分信息：微命令字段（操作控制字段），用以产生微命令字段（操作控制字段），用以产生某一步操作所需的各微操作控制信号；顺某一步操作所需的各微操作控制信号；顺序控制字段（微地址字段），用于控制产序控制字段（微地址字段），用于控制产生下一条要执行的微指令地址。生下一条要执行的微指令地址。微周期：通常指

48、从控制存储器中读取一条微周期：通常指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间。微指令并执行相应的微操作所需的时间。3. 基本概念和术语基本概念和术语微程序与微程序设计微程序：一系列微指令的有序集合。微程序：一系列微指令的有序集合。微程序设计是将传统的程序设计方法微程序设计是将传统的程序设计方法运用到控制逻辑的设计中运用到控制逻辑的设计中3. 基本概念和术语基本概念和术语工作程序与微程序,主存储器与控制存储器程序员所编制的工作程序以机器指令程序员所编制的工作程序以机器指令为单位存放在主存储器中，主存储器为单位存放在主存储器中，主存储器是可读可写的随机访问存储器。而是可读可写的随机

49、访问存储器。而而由机器设计者编制的微程序是以微而由机器设计者编制的微程序是以微指令为基本单位，在制作机器时用特指令为基本单位，在制作机器时用特殊方式将其写入控制存储器中，只能殊方式将其写入控制存储器中，只能被读出，不能写入，控制存储器用只被读出，不能写入，控制存储器用只读存储器来实现。读存储器来实现。八、组合逻辑控制器八、组合逻辑控制器与与微程序控制器微程序控制器（一）、组合逻辑控制方式的基本概念与组合（一）、组合逻辑控制方式的基本概念与组合逻辑控制器逻辑控制器（二）、微程序控制方式的基本概念与微程序（二）、微程序控制方式的基本概念与微程序控制器控制器1、微命令、微命令 例：模型机中如何取指令

50、。例：模型机中如何取指令。 取指周期：取指周期： FT0：PCMAR FT1: MMDRIR PC+1PC 1. 微命令是计算机中基本的控制命令微命令是计算机中基本的控制命令. 2. 电位型微命令与脉冲型微命令电位型微命令与脉冲型微命令. 在模型机中电位型微命令维持一个在模型机中电位型微命令维持一个节拍的时间节拍的时间,用于控制逻辑门电路的开用于控制逻辑门电路的开门门/关门关门. 如如:PCOUT 脉冲型微命令用作定时控制脉冲型微命令用作定时控制(如寄如寄存器的定时打入存器的定时打入) 如如:CPMAR 前前沿打入沿打入(二二)、组合逻辑控制方式及控制器原、组合逻辑控制方式及控制器原理理 1.

51、如何产生微命令？如何产生微命令？ PCOUT=FT0+MOV*ST0（变址（变址+直接寻直接寻址址+立即寻址）立即寻址）+MOV*DT0（变址（变址+直直接寻址）接寻址）+ 意义：在取指周期的第一拍意义：在取指周期的第一拍FT0发微命发微命令令PCOUT；或者传送命令的源采用变址；或者传送命令的源采用变址或直接寻址或立即寻址，则在源周期或直接寻址或立即寻址，则在源周期的第一拍的第一拍ST0发微命令发微命令PCOUT；或者传；或者传送指令的目的采用变址或直接寻址，送指令的目的采用变址或直接寻址，则在目的周期的第一拍则在目的周期的第一拍DT0发微命令发微命令PCOUT。 CPMAR=FT0*P+M

52、OV*ST0（变址（变址+直接直接寻址寻址+立即寻址立即寻址+）*P+MOV*DT0（变（变址址+直接寻址直接寻址+）*P+ 意义：在取指周期的第一拍意义：在取指周期的第一拍FT0，当工作，当工作脉冲脉冲P到来时，发微命令到来时，发微命令CPMAR；或者传；或者传送命令的源采用变址或直接寻址或立即送命令的源采用变址或直接寻址或立即寻址等等，则在源周期的第一拍寻址等等，则在源周期的第一拍ST0，当工作脉冲当工作脉冲P到来时，发微命令到来时，发微命令CPMAR ；或者传送指令的目的采用变址或直接寻或者传送指令的目的采用变址或直接寻址，则在目的周期的第一拍址，则在目的周期的第一拍DT0，当工，当工作

53、脉冲作脉冲P到来时，发微命令到来时，发微命令CPMAR 。 组合逻辑控制方式：用组合逻辑电路组合逻辑控制方式：用组合逻辑电路产生命令的方式。产生命令的方式。2.组合逻辑控制器的组成组合逻辑控制器的组成 采用组合逻辑控制方式产生微命令的控制采用组合逻辑控制方式产生微命令的控制器称为组合逻辑控制器。器称为组合逻辑控制器。微命令发生器译码PSW时序IR地址形成PCI/O状态控制信息运行状态OP寻D+1送M或R来自M微命令序列送M功能介绍：功能介绍： 微命令发生器：产生机器所需的各种微命令发生器：产生机器所需的各种微命令电位型脉冲型构成微命令发生微命令电位型脉冲型构成微命令发生器：将产生微命令的条件综合化简，器：将产生微命令的条件综合化简，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。 PC:指示指令在指示指令在M中的容量。中的容量。 顺序执行顺序执行 PC本身加本身加1 PC通过通过ALU加加1 转移执行：转移执行：PC先加先加1，再由转移地址修改，再由转移地址修改PC。 IR: 存放现行指令。存放现