第14讲组合逻辑设计

1、计算机组成原理Principles of Computer Organization广义双语教学课程09/skyclass25/青岛理工大学 校级精品课程http:/ 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 of addressing

2、modes, a specific field is often set aside in the instruction to specify the addressing mode.第第6章章 中央处理器中央处理器Chapter 6 Central Processing Unit(4)6.3.3 微指令格式微指令格式 微指令的格式大体上可分成两类：Horizontal Microinstruction水平型微指令水平型微指令和Vertical Microinstruction垂直型微指令垂直型微指令。水平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在一条微指令中定义并执行多

3、个可并行操作的微命令的微命令，控制尽可能多并行信息传送控制尽可能多并行信息传送。垂直型微指令垂直型微指令是一次只能执行一个微命令的微指令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。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，

4、微指令的并行操作能力低，效率低。盛建伦42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。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。相似，编程比较容易。 水平型微指

5、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。盛建伦5微程序控制器设计方法小结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，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。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。将全部微程序存入一个高速的控制存储器中。3执行机器指令就变成了执行该指令对应的一个微程序。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。每条机器指令对应一个微程序。Microcode was originally d

6、eveloped as a simpler method of developing the control logic for a computer.Instruction Cycle - State Diagram计算指计算指令地址令地址取指令取指令Instructionfetch取操作数取操作数 Operand fetch保存操保存操作数作数 Operand Store Instruction address calculating指令操指令操作译码作译码Instruction operation decoding Data Operation Operand address calcu

7、lating计算操作计算操作数地址数地址 Operand address calculatingReturn for String or Vector DataInstruction Complete Fetch Next InstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期状态图指令周期状态图盛建伦76.4 硬布线控制的计算机硬布线控制的计算机 “组合逻辑控制组合逻辑控制” 又称硬布线控制又称硬布线控制（Hardwired Control）或或“硬连逻辑控制硬连逻辑控制”。 组合逻辑控制器的设计方法是：1列出全部微操作列出全部微操作2建立操作时间表建立

8、操作时间表4作组合逻辑框图作组合逻辑框图3求微操作命令的逻辑函数表达式求微操作命令的逻辑函数表达式盛建伦8组合逻辑控制器的设计方法组合逻辑控制器的设计方法1列出全部微操作列出全部微操作 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。（根据给定的操作。（根据给定的CPU数据通路和指令功能）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。表。确定机器的状态

9、周期、节拍与工作脉冲。确定机器的状态周期、节拍与工作脉冲。2建立操作时间表建立操作时间表6.4 硬布线控制的计算机硬布线控制的计算机盛建伦9 安排微操作节拍时需注意：微操作的先后顺序，能在安排微操作节拍时需注意：微操作的先后顺序，能在1个节个节拍内执行的微操作应尽可能安排在同一个节拍内。拍内执行的微操作应尽可能安排在同一个节拍内。假设机器采用同步控制，每个机器周期包含假设机器采用同步控制，每个机器周期包含3个节拍个节拍。微操作的节拍安排微操作的节拍安排机器周期节拍T0T1T2M0M1M2盛建伦101取指周期微操作的节拍安排取指周期微操作的节拍安排T0节拍可安排两个微操作。节拍可安排两个微操作。

10、 PCMAR ， 1R微操作的节拍安排T1节拍可安排两个微操作。节拍可安排两个微操作。 M(MAR) MDR，(PC)+1 PCT2节拍节拍 MDR IR ， 指令一取到指令一取到IR就开始进行译码就开始进行译码2间址周期微操作的节拍安排间址周期微操作的节拍安排T0节拍节拍 Ad(IR) MAR ， 1RT1节拍节拍 M(MAR) MDR T2节拍节拍 MDR MAR盛建伦11（1）非访存指令非访存指令 清除累加器指令清除累加器指令CLAT03 执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1T2 0ACC 累加器取反指令累加器取反指令COMT0T1T2 ACCACC 盛建伦12（1）非访

11、存指令）非访存指令 算术右移算术右移1位指令位指令SHRT0执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1T2 R(ACC)ACC，ACC0ACC0 循环左移循环左移1位指令位指令CSLT0T1T2 L(ACC)ACC，ACC0ACCn 停机指令停机指令STPT0T1T2 0G盛建伦13（2）访存指令访存指令 加法指令加法指令ADD XT0 Ad(IR) MAR ， 1R执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1 M(MAR) MDR T2 (ACC)+ (MDR)ACC 存数指令存数指令STA XT0 Ad(IR) MAR ， 1WT1 ACC MDRT2 MDR M(MAR

12、) 盛建伦14（2）访存指令访存指令 取数指令取数指令LDA XT0 Ad(IR) MAR ， 1R执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1 M(MAR) MDR T2 MDRACC盛建伦15（3）转移类转移类指令指令 无条件无条件转移转移指令指令JMP XT03 执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1T2 Ad (IR)PC 零零转移转移指令指令JZ XT0T1T2 PCPCZIRAdZ)()(盛建伦16CPU响应中断，执行中断隐指令响应中断，执行中断隐指令把把PC内容压栈，关中断内容压栈，关中断T0 SPMAR，0 中断允许触发器中断允许触发器4 中断周期微操作的

13、节拍安排中断周期微操作的节拍安排T1 PC MDR ， 1WT2 MDR M(MAR) ， 向量地址向量地址 PC操操作作时时间间表表AccAcc 清除累加器累 加 器取反算术右移 1 位循环左移 1 位停机加法存数取数无条件转移工 作周期节拍微操作命令CLACOMSHRCSLSTPADDSTALDAJMPPCMAR111111111T01R111111111T1M(MAR) MDR111111111PC+1111111111取指T2MDRIR111111111Ad(IR) MAR1T01R1T1分析取数T2M(MAR) MDRAd(IR) MAR111R1Acc MDR1T01W1T1M(M

14、AR) MDR1(Acc)+( MDR) Acc1MDRM(MAR)1MDRAcc10Acc11R(AC)AC,AC0AC01L(AC)AC， AC0ACn10G1执行T2Ad(IR) PC1盛建伦184作组合逻辑框图作组合逻辑框图 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。列的组合逻辑框图。组合逻辑控制器的设计方法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）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

15、简，求出每一个操作的组合逻辑函数表达进行集中、合并、化简，求出每一个操作的组合逻辑函数表达式。式。“微程序控制微程序控制”与与“硬布线控制硬布线控制”的比较的比较 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。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

16、条指令的控制信号的差别反映在控制存储器的内路比较规整，各条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。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。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，影响了速制的速度低。因为执行每条微指令

17、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，器的时间短。所以，RISC机和一些追求高速的机和一些追求高速的CISC机都采用或机都采用或部分采用硬布线控制。部分采用硬布线控制。20Homework6- 11, 18, Common logic styles used in CPU design include:Unstructured random logic Finite-state machines Microprogramming (common from 1965 to 198

18、5, 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 to achieve frequency, power-dissipation, and chip-area goals.盛建伦21测验 2请写好自己的姓名、学号、班级22测验

19、2一、（一、（20分）某计算机的指令字长为分）某计算机的指令字长为16位，用指令操作码扩展技位，用指令操作码扩展技术设计指令系统，要求有零地址指令术设计指令系统，要求有零地址指令16条，一地址指令条，一地址指令31条，两条，两地址指令地址指令14条及三地址指令条及三地址指令15条。每个地址码字段为条。每个地址码字段为4位。位。二（共二（共20分）某计算机能完成分）某计算机能完成78种操作，指令字长为种操作，指令字长为16位。位。（1）一）一地址格式的指令地址码可取几位？地址格式的指令地址码可取几位？（2）要想使指令的要想使指令的寻址范围扩大到寻址范围扩大到216，可采用哪些方法？，可采用哪些方

20、法？三（共三（共20分）某指令系统字长为分）某指令系统字长为16位，地址码取位，地址码取4位，试提位，试提出一种方案，使该指令系统有出一种方案，使该指令系统有8条条三地址指令、三地址指令、16条二地址指条二地址指令、令、100条一地址指令。条一地址指令。请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 23测验2四四 （共（共20分）某机指令字长分）某机指令字长16位，每个操作数的地址码长位，每个操作数的地址码长6位，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。式。（1）若零地址指令有若零地址指令有M条，一地址指令有条，一地址指令

21、有N条，问二地址条，问二地址指令最多可能有多少条？指令最多可能有多少条？（2）若操作码位数可变，则二地址指若操作码位数可变，则二地址指令最多允许有多少条？令最多允许有多少条？三（共三（共20分）某指令系统字长为分）某指令系统字长为16位，地址码取位，地址码取4位，试提位，试提出一种方案，使该指令系统有出一种方案，使该指令系统有8条条三地址指令、三地址指令、16条二地址指条二地址指令、令、100条一地址指令。条一地址指令。请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 24五、 （共（共10分）分） 判断题判断题（请在正确的句子前写（请在正确的句子前写T，错误的句子前写，错误的句子前写F）请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 （ ）1哈佛结构的计算机都有输入输出指令。哈佛结构的计算机都有输入输出指令。（ ）2CPU通过输入通过输入/输出指令在磁盘上读写数据。输出指令在磁盘上读写数据。（ ）4程序计数器程序计数器PC的位数与指令寄存器的位数相同。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。成，所以是三总线结构。（ ）3累加器的位数与机器字长相同。累加器