CPU基本组成模型(寄存器组成

1、第三章第三章 CPUCPU原理原理v 掌握：掌握： CPUCPU基本组成模型（寄存器组成、数据通路结构），同基本组成模型（寄存器组成、数据通路结构），同步控制方式与常见时序信号，微命令（脉冲、电位），步控制方式与常见时序信号，微命令（脉冲、电位），熟练掌握指令流程（能拟出给定指令的流程）。熟练掌握指令流程（能拟出给定指令的流程）。v理解：理解： 进位链，进位链，ALUALU组成，补码加减，移位，浮点加减，无符组成，补码加减，移位，浮点加减，无符号数一位乘、除，组合逻辑控制器（产生微命令方法、号数一位乘、除，组合逻辑控制器（产生微命令方法、优缺点），微程序控制器（基本思想、优缺点）。优缺点），微

2、程序控制器（基本思想、优缺点）。v了解：了解： 十进制运算，浮点乘、除法，微指令格式、编码方法、十进制运算，浮点乘、除法，微指令格式、编码方法、顺序控制方法。顺序控制方法。 3-1 3-1 运算器运算器v运算器包含：运算器包含： ALU、用于运算的寄存器；、用于运算的寄存器；v控制器包含：微操作信号发生器、时序系统、用于运控控制器包含：微操作信号发生器、时序系统、用于运控 制的寄存器。制的寄存器。 系统总线系统总线 寄存器寄存器 控制器控制器 运算器运算器 （ALU） CPU3-1 3-1 运算器运算器vCPU的功能的功能数据加工（运算器）数据加工（运算器）对数据进行算术和逻辑运算处理；对数据

3、进行算术和逻辑运算处理；指令控制（控制器）指令控制（控制器）指令的执行次序，严格按顺序；指令的执行次序，严格按顺序；操作控制（控制器）操作控制（控制器）由指令产生操作控制信号由指令产生操作控制信号/微命令；微命令；时间控制（控制器）时间控制（控制器）对各种操作实施时间上的控制对各种操作实施时间上的控制/时序；时序；v算术逻辑运算部件算术逻辑运算部件ALUALU的主要作用完成二进制代码的定点算术运算和逻辑运算。的主要作用完成二进制代码的定点算术运算和逻辑运算。ALU 的的核心是加法器。核心是加法器。加法器加法器 全加器全加器 Ai Bi Ci i, C i +1 可以用两个半加器构成的全加器可以

4、用两个半加器构成的全加器; I= Ai Bi Ci Ci+1= AiBi+(Ai Bi) Ci+3-1 3-1 运算器运算器并行加法器的进位并行加法器的进位 并行加法器：并行加法器：N位同时进行，由进位链实现进位信号位同时进行，由进位链实现进位信号Ci的传递。的传递。 设：设：A=An-1An-2Ai.A1A0 B=Bn-1Bn-2Bi.B1B0 则：则：Ci+1= AiBi+(Ai Bi) Ci 令：令： Gi= AiBi Pi= Ai Bi 于是：于是： Ci+1= Gi+ Pi Ci串行进位：使用进位线将串行进位：使用进位线将n个全加器串接起来，进位延迟时间较长。节个全加器串接起来，进位

5、延迟时间较长。节省器件，成本低。省器件，成本低。+3-1 3-1 运算器运算器并行进位：各级进位信号同时形成，增加硬件逻辑线路，有效地减少并行进位：各级进位信号同时形成，增加硬件逻辑线路，有效地减少进位延迟时间。（同时进位）进位延迟时间。（同时进位） （见（见P61 图图3-3）以）以4位加法为例位加法为例C1=G0+P0C0C2=G1+P1C1 = G1 +P1G0 +P1P0C0C3=G2+P2C2 =。C4=G3+P3C3 =。 通过上式可以发现通过上式可以发现Ci可同时形成。可同时形成。 对于长字长的加法器通常采用分组进位结构：对于长字长的加法器通常采用分组进位结构：组内并行、组间串行

6、进位链组内并行、组间并行进位链vALU 举例举例SN74181介绍介绍 （见（见P62 图图3-4）内部结构；）内部结构； 功能：功能：4位位ALU 完成完成16种算术逻辑运算；种算术逻辑运算；4片片SN74181和和1片片SN74182组成一个组成一个16位的组间并行进位位的组间并行进位ALU。 （见（见P63 图图3-6 ）3-2 3-2 运算方法运算方法v定点加减运算定点加减运算原码加减原码加减 由操作码、操作数的符号决定最终的操作，结果的符号判断复杂；由操作码、操作数的符号决定最终的操作，结果的符号判断复杂； 繁琐，硬件复杂；繁琐，硬件复杂；补码加减补码加减 X + Y补补= X补补+

7、Y补补 X - Y补补= X补补+-Y补补 补码表示，符号参加运算，结果为补码表示；补码表示，符号参加运算，结果为补码表示； 例例X补补= 00110110 Y补补= 11001101 X + Y补补 X - Y补补 00110110 00110110 + 11001101 + 00110011 1 00000011 011010013-2 3-2 运算方法运算方法溢出的判断溢出的判断 运算结果为正，且大于所能表达的最大正数，称为正溢出；运算结果为正，且大于所能表达的最大正数，称为正溢出； 运算结果为负，且小于所能表达的最小负数，称为负溢出；运算结果为负，且小于所能表达的最小负数，称为负溢出；

8、 溢出判断方法：溢出判断方法： P66单符号位判断单符号位判断 溢出溢出=An Bn Sn+ AnBnSn最高有效位的进位判断最高有效位的进位判断 P67变形补码（双符号位）变形补码（双符号位）00为正，为正，11为负（运算时扩充）为负（运算时扩充）结果结果01正溢出，正溢出，10负溢出（判断）负溢出（判断）v例例 P67 变形补码变形补码 v请同学们练习请同学们练习vP111 第第3题题 （2）v 第第4题题 （2）3-2 3-2 运算方法运算方法v移位移位逻辑移位、循环移位和算术移位；逻辑移位、循环移位和算术移位； 逻辑移位逻辑移位 无数值意义的二进制码，左移时低位补无数值意义的二进制码，

9、左移时低位补0，右移时高位，右移时高位补补0； 循环移位循环移位 闭合移位环路闭合移位环路 算术移位算术移位 带符号数的移位，左移一位相当于乘带符号数的移位，左移一位相当于乘2，右移一位相当，右移一位相当于除于除2；原码P68补码右移补码左移v浮点加减运算浮点加减运算规格化浮点数具有唯一的表示形式和最长的有效位；规格化浮点数具有唯一的表示形式和最长的有效位；运算与实现运算与实现 （例（例 P70） X=Mx*2Ex ，Y=My * 2Ey 对阶操作：小阶向大阶看齐，尾数右移；求对阶操作：小阶向大阶看齐，尾数右移；求E=Ex-Ey 尾数相加减：定点数的加减；尾数相加减：定点数的加减； 规格化和判

10、溢规格化和判溢 舍入：常用恒置舍入：常用恒置1法法3-2 3-2 运算方法运算方法v课本课本P111 第第5题题解：解：E X补补=11，01 M X补补=00.110111 E Y补补=11，10 M Y补补=11. 010111 E 补补=E x补补+-Ey 补补=1101+0010=1111 E=-1，故，故X的阶码较小，要对阶的阶码较小，要对阶 尾数尾数M X补补右移一位，阶码右移一位，阶码E X补补加加1，得，得 E X补补=11,10 M X补补=00.011100（1入）入） 尾数求和：尾数求和： M X补补+ M Y补补= 11.110011 尾数为非规格化数，需要左规，即尾数

11、左移两位，阶码减尾数为非规格化数，需要左规，即尾数左移两位，阶码减2，即，即 X浮浮+ Y浮浮=1100；11.001100 v十进制加减运算十进制加减运算转换为二进制后进行运算；转换为二进制后进行运算；BCD码运算码运算 BCD码指令码指令 二进制码指令，然后进行校正（加二进制码指令，然后进行校正（加6校正）校正）3-2 3-2 运算方法运算方法v定点数乘除运算定点数乘除运算无符号数手算算法无符号数手算算法无符号数一位乘法思想：将无符号数一位乘法思想：将N位乘转换为位乘转换为N次累加与移位，即每次只求次累加与移位，即每次只求一位乘数所对应的新部分积，并与原来部分积作一次累加，然后右移一位乘数

12、所对应的新部分积，并与原来部分积作一次累加，然后右移一位。一位。P73 硬件实现硬件实现 图图3-93-2 3-2 运算方法运算方法v 运算过程举例：运算过程举例： P111第第6题题 （1） B：1001被乘数被乘数 A：0000 C：1101乘数乘数00001101 C0=1累加累加1+B10011001移位移位1 01001110C0=0累加累加2 +000000100移位移位2 00100111C0=1累加累加3 +B10011011 移位移位3 01011011C0=1累加累加4 +B10011110移位移位4 01110101 （结果）（结果）3-2 3-2 运算方法运算方法无符号

13、整数一位除法无符号整数一位除法 无符号整数手算算法无符号整数手算算法 从被除数或余数中减去除数，然后判断，够减商1，否则商0；硬件逻辑线路判断恢复余数法：试探v 除法手工算法除法手工算法01101v 0.1011 0.10010v -0.01011 除数右移除数右移1位，减位，减v 0.001110v - 0.001011 除数右移除数右移1位，减位，减v 0.0000110v 0.0001011 除数右移除数右移1位，不减位，不减v 0.00001100v -0.00001011 除数右移除数右移1位，减位，减v 0.000000013-2 3-2 运算方法运算方法v不恢复余数除法不恢复余数

14、除法当余数当余数A0时，商时，商1，下一步，下一步A左移一位，然后减去除数左移一位，然后减去除数B；若余数若余数A0时，商时，商0，下一步左移一位，然后加除数，下一步左移一位，然后加除数B；除数除数N位，以上操作做位，以上操作做N步；步； P76 图图3-12v浮点数乘除运算浮点数乘除运算乘法乘法阶码相加，判溢出；尾数相乘；规格化。除法除法预置：检测除数、被除数是否为0；尾数调整：预防溢出；求阶差；尾数相除。3-3 3-3 模型机模型机CPUCPUv一、一、CPU模型模型v基本组成：基本组成：控制器：控制计算机内部各个部件的操作控制器：控制计算机内部各个部件的操作 指令译码器（指令译码器（IR

15、），时序系统，微操作信号发生器；），时序系统，微操作信号发生器； 运算部件运算部件ALU：实现指令指令指定的算术、逻辑操作：实现指令指令指定的算术、逻辑操作 ALU 寄存器：存放指令地址、指令、操作数、结构等寄存器：存放指令地址、指令、操作数、结构等 R0R3， C，D，Z，IR， PC， PSW，SP，MAR，MDR CPU内部总线、数据通路：连接内部总线、数据通路：连接CPU内各部件，为数据传送提供数据内各部件，为数据传送提供数据通路通路 ALU总线，系统总线，传输控制门等；总线，系统总线，传输控制门等；v结构图结构图 如下如下: 说明：实际的机器要繁杂的多，例子是精简过了的，只有骨髓3-

16、3 3-3 模型机模型机CPUCPUv基本工作原理基本工作原理 控制器是全机的指挥控制中心，其基本功能是执行指令，由微操作控制器是全机的指挥控制中心，其基本功能是执行指令，由微操作信号发生器根据指令产生控制信号序列以命令相应部件分布完成指信号发生器根据指令产生控制信号序列以命令相应部件分布完成指定的工作；定的工作； 控制器既可以控制控制器既可以控制CPU内部的数据传送，使内部的数据传送，使ALU完成指定功能和完成指定功能和其他内部操作，也可以向其他内部操作，也可以向CPU外部发出控制信号，控制外部发出控制信号，控制CPU与存与存储器或储器或I/O设备之间的数据传送。设备之间的数据传送。 微操作

17、命令是最基本的控制信号，通常直接作用于部件或控制门电微操作命令是最基本的控制信号，通常直接作用于部件或控制门电路的控制信号，简称微命令。有电位型和脉冲型。路的控制信号，简称微命令。有电位型和脉冲型。3-3 3-3 模型机模型机CPUCPUv这些寄存器中：这些寄存器中：存放控制信息的寄存器：存放控制信息的寄存器： 指令寄存器指令寄存器IR 程序计数器程序计数器PC 程序状态字程序状态字PSW 存放数据的寄存器：存放数据的寄存器： 通用寄存器通用寄存器R0R3 暂存器暂存器C、D、Z 堆栈指针堆栈指针SP 与主存接口连接的寄存器：与主存接口连接的寄存器： 存储器地址寄存器存储器地址寄存器MAR 存

18、储数据缓冲寄存器存储数据缓冲寄存器MDR其中：每个寄存器均为其中：每个寄存器均为16位，位，D触发器，触发器，D端输入数据，端输入数据，CPU脉冲有脉冲有效时，数据进入寄存器效时，数据进入寄存器3-3 3-3 模型机模型机CPUCPUv（一）寄存器（一）寄存器1、通用寄存器：、通用寄存器： R0 R1 R2 R3 特点：可编程访问，有多种用途（具体由编程指定，如：可存放操特点：可编程访问，有多种用途（具体由编程指定，如：可存放操 作数，结果，也可用作变址寄存器、地址指针和计数器等）作数，结果，也可用作变址寄存器、地址指针和计数器等） 2、暂存器、暂存器 C：暂存来自主存单元的内容：暂存来自主存

19、单元的内容 不能放到通用寄存器，会破坏其原有的内容不能放到通用寄存器，会破坏其原有的内容 D：暂存一个送入：暂存一个送入ALU的操作数，具有左右移功能的操作数，具有左右移功能 Z：存放：存放ALU运算结果运算结果 暂存器暂存器C、D、Z的特点：对程序员透明，不能编程访问。（因为的特点：对程序员透明，不能编程访问。（因为它们它们 没有地址编号，执行时会隐含使用它们）没有地址编号，执行时会隐含使用它们） 3、IR指令寄存器：指令寄存器： 存放正在执行的一条指令存放正在执行的一条指令 特点：不能编程访问特点：不能编程访问 （从主存中取出一条指令放在（从主存中取出一条指令放在IR中，指令译码器对其进行

20、分析）中，指令译码器对其进行分析）4、PC程序计数器程序计数器3-3 3-3 模型机模型机CPUCPU 提供指令的地址，具有加提供指令的地址，具有加1计数的功能计数的功能 有转移指令时，由指令将下条指令地址放到有转移指令时，由指令将下条指令地址放到PC中中 5、PSW 程序状态字寄存器程序状态字寄存器PS 存放现行程序的运行状态和工作方式，内容称为程序状态字存放现行程序的运行状态和工作方式，内容称为程序状态字PSW PSW包括：包括： 结果标志：近位标志结果标志：近位标志C，溢出标志，溢出标志V，结果为，结果为0标志标志Z，结果为负标，结果为负标 志志S，奇偶标志，奇偶标志P 编程设定标志：单

21、步标志编程设定标志：单步标志T，中断标志，中断标志I（允许（允许CPU响应外部中断请响应外部中断请求）求）6、SP堆栈指针堆栈指针 SP用来存放栈顶单元的地址用来存放栈顶单元的地址 特点：可编程访问（有寄存器地址）特点：可编程访问（有寄存器地址） 7、与主存接口的寄存器、与主存接口的寄存器 MAR：存放：存放CPU访问主存访问主存 或或I/O接口的地址接口的地址 MDR：存放：存放CPU与主存或与主存或I/O接口之间传送的数据接口之间传送的数据3-3 3-3 模型机模型机CPUCPUv（二）（二）ALU运算部件运算部件ALU内部采用内部采用SN74181芯片，也是芯片，也是16位。可完成位。可

22、完成ADD、SUB、AND 、OR、XOR、COM、NEG、A1、A1、B1、B1的运算功能的运算功能v （三）控制部件（三）控制部件 微操作信号发生器、指令译码器、时序系统产生控制信号、控制微操作信号发生器、指令译码器、时序系统产生控制信号、控制CPU 内部和外部各部件的操作内部和外部各部件的操作 控制部件产生的控制信号控制部件产生的控制信号向向CPU内部发送：控制寄存器之间的数据传送、内部发送：控制寄存器之间的数据传送、ALU的运算的运算向向CPU外部发送：外部发送：CPU与存储器之间与存储器之间 CPU与与I/O接口之间的信息传送接口之间的信息传送 微操作信号发生器微操作信号发生器 控制

23、信号控制信号 时序系统时序系统 及外部的控制信号及外部的控制信号 译码器译码器 PSW3-3 3-3 模型机模型机CPUCPUv（四）总线与数据通路结构（四）总线与数据通路结构（1）ALU总线又称为总线又称为CPU内总线内总线 CPU内部设置一组内部设置一组16位双向总线，连接位双向总线，连接ALU与各寄存器与各寄存器 （各寄存器连在（各寄存器连在ALU总线上，总线上，ALU分时共享）分时共享）（2）系统总线）系统总线CPU、主存储器、主存储器、I/O接口都是连接在系统总线上接口都是连接在系统总线上包括：包括：16根地址总线、根地址总线、 16根数据总线、控制总线根数据总线、控制总线 通过通过

24、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接口地址接口地址 通过通过MDR向数据总线发送或接收数据向数据总线发送或接收数据 主要用来提供主要用来提供CPU与主存储器、与主存储器、CPU与接口之间数据传送的通路与接口之间数据传送的通路v二、模型机中的数据传送二、模型机中的数据传送1、寄存器之间的数据传送、寄存器之间的数据传送 直接通过直接通过ALU总线传送数据，具体传送由输出门和打入脉冲控制总线传送数据，具体传送由输出门和打入脉冲控制操作：操作： Ri Rj路径：路径： Ri ，ALU总线总线, Rj 控制信号序列：控制信号序列：Riout ， CPRj3-3 3-3

25、模型机模型机CPUCPU2、主存到主存到CPU的数据传送（通过系统总线传送）的数据传送（通过系统总线传送） 例：存储器中取指令到指令寄存器例：存储器中取指令到指令寄存器IR 操作：操作： M IR（地址在（地址在PC中）中） 路径：路径：PC, ALU总线，总线，MAR，AB，M， DB， MDR， ALU总线，总线， IR 控制信号序列：控制信号序列： PC out , CPMAR , EMAR , RD, SMAR, MDR out , CPIR3、CPU数据写入主存数据写入主存通过系统总线传送数据通过系统总线传送数据数据在数据在R2中，存储单元地址在中，存储单元地址在R1中，将数据写入存

26、储器的步骤中，将数据写入存储器的步骤（1）R1MAR（2）R2MDR（3）MDRM MAR MDR ALU总线总线 R1 R23-3 3-3 模型机模型机CPUCPU4、执行算术或逻辑操作、执行算术或逻辑操作 要求一个操作数在要求一个操作数在D中，另一个操作数来自内总线中，另一个操作数来自内总线 R1R2R3 ALU总线总线 D 1 R1 A B 2 ALU R2 3 Z 4 R33-4 3-4 指令的执行过程指令的执行过程v一、指令的执行过程一、指令的执行过程执行过程分执行过程分3个阶段个阶段 取指令：取指令：PC提供地址的内存单元到提供地址的内存单元到IR；PC提供地址；从提供地址；从M中

27、取出指令到中取出指令到IR；修改；修改PC内容指向下条指令地址内容指向下条指令地址 分析指令：由分析指令：由IR中的指令产生微操作命令序列；中的指令产生微操作命令序列； 执行指令执行指令取操作数执行操作形成后继地址指令间的衔接方式指令间的衔接方式 串行的顺序方式串行的顺序方式完成一条指令的执行后才开始取下一条指令；控制简单，效率低。 并行的重叠方式并行的重叠方式在分析执行一条指令运算的同时，预读取下一条指令；（前提执行分段）提高了效率和运算速度，流水线支持。3-4 3-4 时序控制方式时序控制方式v二、时序控制方式二、时序控制方式 是指微操作与时序信号之间采取何种关系是指微操作与时序信号之间采

28、取何种关系 每一条机器指令都可以分解为一个控制信号序列，指令的执行过程每一条机器指令都可以分解为一个控制信号序列，指令的执行过程就就 是依次执行一个控制信号序列的过程，各步操作是有先后次序的，是依次执行一个控制信号序列的过程，各步操作是有先后次序的，因因 此引入时序信号控制。此引入时序信号控制。1、同步控制方式：、同步控制方式： 每条指令的执行和指令中各个微操作都由统一的时序信号同每条指令的执行和指令中各个微操作都由统一的时序信号同步控制；步控制； 基本特征：操作时间被分成若干长度相同的时钟周期基本特征：操作时间被分成若干长度相同的时钟周期/节拍节拍，所有微操作被按时间顺序先后分配到各个节拍上

29、完成，所有微操作被按时间顺序先后分配到各个节拍上完成； 节拍长度：定为完成节拍长度：定为完成CPU内部花费时间最长的微操作内部花费时间最长的微操作 优点：控制集中，简单，设计实现容易。优点：控制集中，简单，设计实现容易。 2、同步控制方式的多极时序系统、同步控制方式的多极时序系统在在CPU中为实现同步控制，必须设置时序系统，产生统一的时序信号中为实现同步控制，必须设置时序系统，产生统一的时序信号（1）多级时序的概念：将时序信号划分为几级）多级时序的概念：将时序信号划分为几级 指令周期：指令周期：3-4 3-4 时序控制方式时序控制方式指令周期：从取指到指令执行完成所需的时间，指令不同长度指令周

30、期：从取指到指令执行完成所需的时间，指令不同长度不同。不同。CISC机器周期：一个指令周期通常划分为若干个机器周期机器周期：一个指令周期通常划分为若干个机器周期/CPU周期周期；如：取指周期，存储器写周期和存储器读周期等。；如：取指周期，存储器写周期和存储器读周期等。时钟周期：一个机器周期又含若干个相等的时间段，称时钟周时钟周期：一个机器周期又含若干个相等的时间段，称时钟周期期/节拍，它是处理操作的最小单位；节拍，它是处理操作的最小单位；时钟脉冲：时序系统的基本定时信号，时钟周期的宽度与时钟时钟脉冲：时序系统的基本定时信号，时钟周期的宽度与时钟脉冲的周期一致，由时钟脉冲的后沿实现周期切换。脉冲

31、的周期一致，由时钟脉冲的后沿实现周期切换。3-4 3-4 时序控制方式时序控制方式异步控制方式异步控制方式 指令的指令周期可以由不等的机器周期数组成，无固定的周指令的指令周期可以由不等的机器周期数组成，无固定的周期节拍；期节拍； 无统一的时序，各操作之间的衔接通过无统一的时序，各操作之间的衔接通过“结束结束-起始起始”联络联络信号实现；信号实现；联合控制方式联合控制方式 以上两种方式的结合以上两种方式的结合组合逻辑控制器组合逻辑控制器 按产生控制信号的方式不同，控制器可以分为组合逻辑按产生控制信号的方式不同，控制器可以分为组合逻辑控制器和微程序控制器两种类型。控制器和微程序控制器两种类型。 第

32、五节以组合逻辑控制器为例，讨论模型机的指令系统第五节以组合逻辑控制器为例，讨论模型机的指令系统、时序系统和指令执行流程以及微命令的产生等情况。、时序系统和指令执行流程以及微命令的产生等情况。 第六节介绍微程序控制器。第六节介绍微程序控制器。3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统v模型机的指令系统模型机的指令系统v一、指令格式一、指令格式 见见P87双操作数指令双操作数指令 如：如：ADD，SUB，MOV等等单操作数指令单操作数指令 如：如：INC，DEC等等转移指令转移指令 如：如：JMP，JSR等等可编程寄存器有七个，编号如下：可编程寄存器有七个，编号如下： 通用寄存器通用寄存器 R0

33、R3 000011 堆栈指针堆栈指针 SP 100 程序状态字程序状态字 PSW 101 程序计数器程序计数器 PC 1113 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统v 二、寻址方式二、寻址方式 模型机采用按字编址，字长模型机采用按字编址，字长16位，主存每个单元位，主存每个单元16位。采用定字长指位。采用定字长指 令格式，指令字长令格式，指令字长16位，操作数字长位，操作数字长16位位 （1）立即数寻址方式；（）立即数寻址方式；（2）寄存器寻址方式；）寄存器寻址方式； （3）存储器寻址方式：）存储器寻址方式： 直接寻址方式直接寻址方式 寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式 自减型寄存器间址

34、方式自减型寄存器间址方式 自增型寄存器间址方式自增型寄存器间址方式 变址方式变址方式v 模型机寻址方式简表模型机寻址方式简表 类型类型 寻址方式寻址方式 汇编符号汇编符号 可指定寄存器可指定寄存器 0型型 寄存器寻址寄存器寻址 R R0R3，SP，PSW 1型型 寄存器间址寄存器间址 (R) R0R3，SP 2型型 自减型寄存器间址自减型寄存器间址 - (R) R0R3，SP 3型型 自增型寄存器间址自增型寄存器间址 (R)+ R0R3，SP，PC 3型型 立即数寻址立即数寻址 (R)+/PC R0R3，SP，PC 4型型 直接寻址直接寻址 DI PC 5型型 变址寻址变址寻址 X (R) R

35、0R3，SP，PC3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统v例子例子指令指令“ADD R0， R1”：（将：（将R1和和R2的内容相加，结果放到的内容相加，结果放到R0中）中）例如例如：MOV R1，（，（R3） 寄存器寻址方式寄存器寻址方式 寄存器间址寻址方式寄存器间址寻址方式 000 001 000 011 001 操作码操作码 目的目的 源源 例如：立即寻址例如：立即寻址 MOV R1MOV R1，（，（PCPC） PC PC 操作码、寻址操作码、寻址 PC+1 PC+1 立即数立即数 MOV R1MOV R1，（，（PCPC） PC+1 PC+1 下条指令下条指令 3 35 5模型

36、机的指令系统模型机的指令系统例如：例如：MOV R1，DI 从存储器取得指令，从存储器取得指令，PCPC1 1PCPC，取操作数地址，取操作数地址CPUCPU存储器，获得存储器，获得操作数，放入操作数，放入R1.R1. 例如：例如：MOV R1，X（R2） PC 操作码、寻址 位移量 下一条指令 （R2） 位移量位移量 操作数 获得指令获得指令CPUCPU；PCPC1 1 PCPC；按；按PCPC地址取出位移量地址取出位移量R2R2；按此地址；按此地址 获得操作数。获得操作数。3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统v三、操作类型三、操作类型P901、传送指令传送指令 MOV传送，操作码传

37、送，操作码00000000 功能：实现立即数功能：实现立即数R R，立即数，立即数M，R R，R M，M R， M M，堆栈操作，堆栈操作，I/O操作。操作。 2、双操作数算术运算逻辑指令、双操作数算术运算逻辑指令 ADD加，操作码加，操作码0001 SUB减，操作码减，操作码0010 AND逻辑与，操作码逻辑与，操作码0011 OR 逻辑或，操作码逻辑或，操作码0100 EOR异或，操作码异或，操作码0101 3、单操作数算术逻辑指令、单操作数算术逻辑指令 COM求反，操作码求反，操作码0110 NEG求补，操作码求补，操作码0111 ING加加1，操作码，操作码1000 DEC减减1，操作

38、码，操作码1001 SL左移，操作码左移，操作码1010 SR右移，操作码右移，操作码10113 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统4、程序控制类指令、程序控制类指令 （1）转移指令）转移指令JMP，操作码，操作码1100 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0 操作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 N Z V C 转移地址 转移条件 05全全0，表示无条件转移，表示无条件转移 000001，C0转移转移 100001，C1转移转移 000010，V0转移转移 100010，V1转移转移 000100，Z0转移转移 100100，Z1转移转移 001000，N0

39、转移转移 101000，N1转移转移3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统 （2）转子指令）转子指令JSR，操作码，操作码1101 执行执行JSR指令时，将返回地址压入栈保存，然后按寻址方式获得子指令时，将返回地址压入栈保存，然后按寻址方式获得子 程序入口地址送入程序入口地址送入PC中。中。 （3）返回指令）返回指令RST，操作码，操作码1100 RST的功能是从栈顶取出返回地址送入的功能是从栈顶取出返回地址送入PC，因此只能使用自增型，因此只能使用自增型 寄存器间址，且指定寄存器为寄存器间址，且指定寄存器为SP “JMP （SP）”指令完全等效指令完全等效RST的功能。的功能。v四、指

40、令流程四、指令流程一、模型机时序一、模型机时序 三级时序：工作周期、节拍（时钟周期）、工作脉冲三级时序：工作周期、节拍（时钟周期）、工作脉冲1、工作周期、工作周期 取指周期取指周期FT 源周期源周期ST 目的周期目的周期DT 用于控制指令的正常执行用于控制指令的正常执行 执行周期执行周期ET 中断周期中断周期IT DMA周期周期DMA 用于控制用于控制I/O传送传送3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统设置设置6个触发器，分别作为个触发器，分别作为6个周期状态标志个周期状态标志1，表示工作周期开始，表示工作周期开始0，表示工作周期结束，表示工作周期结束在指令执行过程中，任何时候只能有一个

41、触发器为“1”。 FTSTDTETDMA请求DMATY中断请求NDMAT转移指令单操作数指令双操作数指令FT：访存、取指令、修改：访存、取指令、修改PC公操作公操作ST：按源寻址方式形成源地址，：按源寻址方式形成源地址，取出源操作数，存放于暂存器取出源操作数，存放于暂存器C中。中。YNDT：按目的寻址方式形成目的：按目的寻址方式形成目的地址，或取目的操作数，存放地址，或取目的操作数，存放于暂存器于暂存器D中。中。ET：将操作码完成相应操作：将操作码完成相应操作（传送、运算）（传送、运算）按操作码完成相应操作（传送、运算）按操作码完成相应操作（传送、运算）转移地址送转移地址送PC，返回地址压栈保

42、存。，返回地址压栈保存。3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统2、时钟周期（节拍、时钟周期（节拍T） 节拍时间：访问一次主存的时间。节拍时间：访问一次主存的时间。 （可以向存储器写入，从存储器读出，（可以向存储器写入，从存储器读出，CPUCPU内存储器之间的传送，内存储器之间的传送， CPUCPU寄存器内部之间的时间比向存储器写入的时间要短，但经常采寄存器内部之间的时间比向存储器写入的时间要短，但经常采 用寄存器之间传送的时间）用寄存器之间传送的时间） 每个工作周期又划分为若干节拍；每个工作周期又划分为若干节拍； 同样的时钟周期，不同的指令所需的节拍数各异；同样的时钟周期，不同的指令所需

43、的节拍数各异； 节拍发生器由计数器节拍发生器由计数器T和节拍译码器组成；和节拍译码器组成；T=0开始计数，若工作开始计数，若工作 周期要延长则发周期要延长则发T+1命令继续计数，工作周期完成发命令继续计数，工作周期完成发T=0复位命令。复位命令。 译码产生节拍状态译码产生节拍状态T0，T1，T2，等作为操作的时间标志。等作为操作的时间标志。工作周期结束时工作周期结束时T T清零清零 3 3、工作脉冲、工作脉冲P P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 节拍节拍T T 脉冲脉冲P P 打入寄存器打入寄存器 进行时序转换进行时序转换3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统工作脉

44、冲工作脉冲 模型机在每一个节拍的末尾发一个工作脉冲，作为各种同步脉冲的模型机在每一个节拍的末尾发一个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。来源。 脉冲的后沿作为工作周期的切换的定时信号。脉冲的后沿作为工作周期的切换的定时信号。v指令流程指令流程以指令执行为线索，确定各周期每一节拍完成的具体操作（寄存器之以指令执行为线索，确定各周期每一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（如用寄存器传送语言描述（如R0R0MARMAR）v 例子例子3-5 3-5 组合逻辑控制器组合逻辑控制器v指令流程指令流程P95图图3-20 取指流程图（公共）取指流程图（公共）P97图图3

45、-21 MOV指令流程图指令流程图P99图图3-22 双操作数指令流程图双操作数指令流程图P99图图3-23 单操作数指令流程图单操作数指令流程图P100图图3-24转移指令流程图转移指令流程图P101图图3-25转子指令流程图转子指令流程图3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统v传送类指令流程传送类指令流程MOV （R0），），X（R1）是一条传送指令，源地址采用变址寻址，目的地是一条传送指令，源地址采用变址寻址，目的地址采用寄存器间接寻址方式。请拟出其指令流程。址采用寄存器间接寻址方式。请拟出其指令流程。v解答：解答： FT0 PC MAR FT1M MDR IR PC+1 PC S

46、T0PC MAR ST1M MDR D PC+1 PC ST2D+R1 Z ST3Z MAR ST4M MAR C DT0 R0 MAR ET0C MDR ET1MDR M3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统v运算类指令流程运算类指令流程 v拟出拟出ADD R0，R1的读取与执行流程。的读取与执行流程。指令功能：指令功能：R1和和R0的内容相加，结果送入的内容相加，结果送入R0，运算通过，运算通过ALU进行进行FT0：PCMARFT1:MMDRIR PC+1PCST0:R1CDT0:R0DET0:C+DZET1:ZR0v拟出拟出SUB （R1），），DI的读取与执行流程。的读取与执行流

47、程。指令功能：将由直接寻址获取的源操作数与由寄存器间址获得的目的指令功能：将由直接寻址获取的源操作数与由寄存器间址获得的目的 操作数相减，结果存入目的地址中。操作数相减，结果存入目的地址中。FT0:PCMARFT1:MMDRIR PC+1PC ST0:PCMAR3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统ST1:MMDRMAR PC+1PCST2:MMDRCDT0:R1MARDT1:MMDRDET0:C-DZET1:ZMDRET2:MDRMv 堆栈类指令流程堆栈类指令流程v拟出拟出MOV (SP),(R2)的读取与执行流程。的读取与执行流程。指令功能：将指令功能：将R2所指示的单元的内容压入堆

48、栈中所指示的单元的内容压入堆栈中FT0:PCMARFT1:MMDRIR PC+1PCST0:R2MARST1:MMDRC3 35 5模型机的指令系统模型机的指令系统DT0:SP-1ZDT1:ZMAR、SPET0:CMDRET1:MDRMv转移类指令流程转移类指令流程v拟出指令拟出指令JSR R1的读取于执行流程。的读取于执行流程。 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所存放的子程序入口送入所存放的子程序入口送入PC。FT0:PCMARFT1:MMDRIR PC+1PCST0:R1CET0:SP-1ZET1:ZMAR、SPET2:PCMARET3:MDRMET

49、4:CPC组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器v组合逻辑控制方式的基本概念与组合逻辑控制器组合逻辑控制方式的基本概念与组合逻辑控制器一、微命令一、微命令例如例如 模型机如何取指令模型机如何取指令 取指周期取指周期 FT0：PCMAR FT1：M MDR IR1、微命令是计算机中最基本的控制命令、微命令是计算机中最基本的控制命令 （控制最基本的微操作，入打开控制门，打入数据等）（控制最基本的微操作，入打开控制门，打入数据等）2、电位型微命令与脉冲型微命令（根据物理电信号的类型）、电位型微命令与脉冲型微命令（根据物理电信号的类型）在模型机中电位型微命令维持一个节拍的时间，用于控

50、制逻辑门电在模型机中电位型微命令维持一个节拍的时间，用于控制逻辑门电 路的开门路的开门/关门。关门。 例如：例如：PCout为高电平时有效，为高电平时有效，16位输出门打开，指令地址送出到位输出门打开，指令地址送出到 ALU总线总线 脉冲型微命令用作定时控制（如寄存器的定时打入）脉冲型微命令用作定时控制（如寄存器的定时打入） 地址从地址从ALU总线总线MAR 16位，位，CPMAR前沿出现时，将前沿出现时，将ALU总线上地址打入总线上地址打入MAR组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器二、组合逻辑控制方式及控制器原理二、组合逻辑控制方式及控制器原理1、如何产生微命令？、如何产

51、生微命令？PC out CPMARPCOUTFT0MOVST0（变址寻址直接寻址立即寻址）（变址寻址直接寻址立即寻址） MOVDT0（变址寻址直接寻址）（变址寻址直接寻址） 意义：在取指周期的第一拍意义：在取指周期的第一拍FT0发微命令发微命令PCOUT；或者传送指令的源；或者传送指令的源采用变址、或直接寻址、或立即寻址，则在源周期的第一拍采用变址、或直接寻址、或立即寻址，则在源周期的第一拍ST0发微发微命令命令PCOUT ；或者传送指令的目的采用变址、或直接寻址，则在目的；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周期的第一拍DT0发微命令发微命令PCOUT；脉冲信号脉冲信

52、号CPMAR是与工作脉冲同步产生的，脉冲是与工作脉冲同步产生的，脉冲P产生，才有产生，才有CPMAR CPMARFT0PMOVST0（变址寻址直接寻址立即寻址（变址寻址直接寻址立即寻址 ）P MOVDT0（变址寻址直接寻址（变址寻址直接寻址）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或者传送指令的源采用变址、或直接寻址、或立即寻址等等，则在源或者传送指令的源采用变址、或直接寻址、或立即寻址等等，则在源周期的第一拍周期的第一拍ST0当脉冲当脉冲P到来时，发微命令到来时，发微命令CPMAR ；或者传送指令的；或者传

53、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目的采用变址、或直接寻址，则在目的周期的第一拍DT0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 ；组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器1、组合立即控制方式：、组合立即控制方式： 用组合立即电路产生命令的方式用组合立即电路产生命令的方式2、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。、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。那么控制器需要什么部件？部件的功能是什么？那么控制器需要什么部件？部件的功能是什么？ 3、组成逻辑控制器的工作过程、组成逻辑控制器的工作过程 4、组

54、合逻辑控制方式的优缺点及应用、组合逻辑控制方式的优缺点及应用 1）基本思想）基本思想 综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。 执行指令时，由组合逻辑电路（微命令发生器）在相应的时间发出执行指令时，由组合逻辑电路（微命令发生器）在相应的时间发出 所需的微命令，控制有关操作。所需的微命令，控制有关操作。 2）优缺点）优缺点 产生微命令的速度快产生微命令的速度快 （1） 设计不规整，设计效率低（不同的命令不同）设计不规整，设计效率低（不同的命令不同） 控制器核心结果凌乱，不便于检查和调试控制器核心结果凌乱，不便于检查和调试

55、 （2）不易修改，扩展指令系统功能。）不易修改，扩展指令系统功能。 3）应用场合）应用场合 主要用于高速计算机，或规模较小的计算机。主要用于高速计算机，或规模较小的计算机。3-63-6组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器微命令的综合与产生微命令的综合与产生在组合逻辑控制器中，微命令是由组合逻辑电路产生的。在组合逻辑控制器中，微命令是由组合逻辑电路产生的。 由产生微命令的各种条件综合分析出微命令的逻辑表达式，整理和由产生微命令的各种条件综合分析出微命令的逻辑表达式，整理和简化；简化； 然后用组合逻辑门电路或然后用组合逻辑门电路或PLA门阵列实现，即构成微操作信号发生门阵列实现

56、，即构成微操作信号发生器。器。 小结小结 P102v微程序控制方式的基本思想：微程序控制方式的基本思想：将机器中的指令分解为基本的微命令序列，用二进制代码表示这些命将机器中的指令分解为基本的微命令序列，用二进制代码表示这些命令，并编写成微指令，多条微指令再形成微程序。每条机器指令对应令，并编写成微指令，多条微指令再形成微程序。每条机器指令对应一段微程序，并在制造一段微程序，并在制造CPU时固化在时固化在CPU中的控制存储器（中的控制存储器（CM）中）中. 执行机器指令的时候，执行机器指令的时候，CPU依次从依次从CM中取出相应的微指令，从而产中取出相应的微指令，从而产 生微命令。生微命令。一条

57、微指令包含的微命令能控制实现一步（节拍）的操作；若干条微一条微指令包含的微命令能控制实现一步（节拍）的操作；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。指令组成的一小段微程序解释执行一条机器指令。CM中的微程序能解中的微程序能解释执行整个指令系统中的所有机器指令。（释执行整个指令系统中的所有机器指令。（CM）中的微程序决定了该）中的微程序决定了该CPU的指令系统。的指令系统。3-63-6组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器v微程序控制方式的基本思想：微程序控制方式的基本思想：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 PCOUT1010 CPMAR100

58、01 101010001 所有操作所需微操作指令所有操作所需微操作指令（1）若干微命令编制成一条微命令，控制实现一步操作）若干微命令编制成一条微命令，控制实现一步操作（2）若干微命令组成一段微程序，解释执行一条机器指令）若干微命令组成一段微程序，解释执行一条机器指令（3）微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出）微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出2、微程序控制器组成原理、微程序控制器组成原理（1）主要部件）主要部件 1、控制存储器、控制存储器CM 功能：存放微程序功能：存放微程序 有效微程序有效微程序CM属于属于CPU，不属于主存储器，不属于主存储器 2、微指令寄存器

59、、微指令寄存器uIR 功能：存放现行微指令功能：存放现行微指令 微命令字段：提供一步操作所需的微命令微命令字段：提供一步操作所需的微命令 微地址字段：指明后续地址的形成方式微地址字段：指明后续地址的形成方式 3、微地址形成电路、微地址形成电路 功能：提供微地址功能：提供微地址 微程序入口地址：由机器指令操作码形成微程序入口地址：由机器指令操作码形成 后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行地址后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行地址3-63-6组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器v 控制存储器控制存储器CMCM译码译码PS后继微后继微地址形地址形成电路成电路PC ROM 译码译码微操作控制字段微操作控制字段IR 顺序控制字段顺序控制字段微地址微地址寄存器寄存器uIR微微 命命 令令 序序 列列. .微程序控制器原理图微程序控制器原理图3-63-6组合逻辑控制器与微程序控制器组合逻辑控制器与微程序控制器（2）工作过程）工作过程 1、取机器指令、取机器指令 CM 取