计算机组成原理第五章中央处理器[三]

1、例例: :某计算机字长某计算机字长1616位位, ,采用采用1616位定长指令字结构位定长指令字结构, ,部分数据通路部分数据通路结构如下图所示结构如下图所示: :图中所有控制信号为图中所有控制信号为1 1时表示有效时表示有效, ,为为0 0 时表示时表示无效无效. .如如MDRinEMDRinE为为1 1时表示允许数据从时表示允许数据从DBDB打入打入MDR,MDRinMDR,MDRin为为1 1时表示允许数据从内总线打入时表示允许数据从内总线打入MDR.MDR.现有指令现有指令ADD (R1),R0; (R0)+(R1) ADD (R1),R0; (R0)+(R1) (R1),(R1),即

2、将即将R0R0中中的数据与的数据与R1R1的内容所指主存单元的数据相加的内容所指主存单元的数据相加, ,并将结果并将结果送入送入R1R1的内容所指主存单元中保存的内容所指主存单元中保存. . 答案要点答案要点: :参考答案一参考答案一: :参考答案二参考答案二: :时钟时钟功能功能有效控制信号有效控制信号C5C5 C6 C6 C7 C7 C8 C8 C9 C9(R1) MAR(R1) MARR1out,MARinR1out,MARinM MDRM MDR；(R0) (R0) A AMemR,MDRinE,R0out,AinMemR,MDRinE,R0out,Ain(MDR)+(A) AC(MD

3、R)+(A) ACMDRout,Add,ACinMDRout,Add,ACin(AC) MDR(AC) MDRACout,MDRinACout,MDRin(MDR) M(MDR) MMDRoutE,MemWMDRoutE,MemW时钟时钟C5C5 C6 C6 C7 C7 C8 C8 C9 C9功能功能有效控制信号有效控制信号 C10 C10(R1) MAR(R1) MARR1out,MARinR1out,MARinM MDRM MDR(MDR) (MDR) A AMemR,MDRinEMemR,MDRinEMDRout,AinMDRout,Ain(R0)+(A) AC(R0)+(A) ACR0

4、out,Add,ACinR0out,Add,ACin(AC) MDR(AC) MDRACout,MDRinACout,MDRin(MDR) M(MDR) MMDRoutE,MemWMDRoutE,MemW5.4 5.4 硬布线控制器硬布线控制器(Hardwired control unit)(Hardwired control unit)与与PLAPLA控制器控制器硬布线控制器硬布线控制器( (组合逻辑控制器组合逻辑控制器) )是由大量逻辑门电路和是由大量逻辑门电路和触发器电路构成的非常复杂而庞大的树形逻辑网络触发器电路构成的非常复杂而庞大的树形逻辑网络. .核核心为微操作产生部件心为微操作产

5、生部件( (控制单元控制单元CU),CU),以以组合逻辑组合逻辑设计思设计思想想, ,布尔代数布尔代数为主要工具设计而成为主要工具设计而成. . 硬布线控制器硬布线控制器的基本思想的基本思想: :某一微操作控制信号是某一微操作控制信号是指令指令操作码译码输出、时序信号和状态条件的逻辑函数操作码译码输出、时序信号和状态条件的逻辑函数，即用布尔代数写出逻辑表达式，然后用门电路和触发即用布尔代数写出逻辑表达式，然后用门电路和触发器等器件实现。器等器件实现。 控制器发出的控制信号是空间和时间因素的函数控制器发出的控制信号是空间和时间因素的函数, ,前者是前者是指操作在什么条件下进行指操作在什么条件下进

6、行, ,后者是指在什么时刻进行。后者是指在什么时刻进行。 微微操作控制信号操作控制信号=机器周期机器周期 节拍节拍 脉冲脉冲 操作码操作码 机器机器状态条件状态条件操作码操作码 地址码地址码指令译码器指令译码器硬布线逻辑硬布线逻辑( (组合逻辑组合逻辑) )PCPC周期状态周期状态触发器触发器节拍节拍发生器发生器时钟时钟发生器发生器结果反结果反馈信息馈信息M2M2 M3M3T1T1T4T4CPCPIRIR中断中断控制控制逻辑逻辑转移转移地址地址+1+1RESETRESET中断信号中断信号微操作控制命令微操作控制命令( (内部控制信号内部控制信号及外部控制信号及外部控制信号) )图图5.20 5

7、.20 组合逻辑控制器总框图组合逻辑控制器总框图M1M1I1 I1ImImC1C1 C2C2CnCn5.4.1 5.4.1 组合逻辑控制器的设计步骤组合逻辑控制器的设计步骤 1. 1.绘制指令操作流程图绘制指令操作流程图 根据根据CPUCPU的结构图把每条指令的执行过程的结构图把每条指令的执行过程分解为若干功能部件能实现的基本微操作序列，分解为若干功能部件能实现的基本微操作序列，并以图的形式排列成有先后次序、相互衔接配并以图的形式排列成有先后次序、相互衔接配合的流程，称之为指令操作流程图，并综合成合的流程，称之为指令操作流程图，并综合成一个总的流程图。一个总的流程图。2.2.选择合适的控制方式

8、和控制时序选择合适的控制方式和控制时序 一般采用同步控制方式、三级时序系统。一般采用同步控制方式、三级时序系统。设置设置n n个机器周期，每个机器周期内可以完成个机器周期，每个机器周期内可以完成主存的一次读写操作。每个周期设置一个周期主存的一次读写操作。每个周期设置一个周期状态触发器，哪个触发器为状态触发器，哪个触发器为1 1，表示机器进入，表示机器进入 哪个机器周期。每个机器周期设置哪个机器周期。每个机器周期设置mm个节拍个节拍T0T0、T1T1、Tm-1Tm-1。每个节拍内设置一个工作脉冲，。每个节拍内设置一个工作脉冲，用于寄存器接收数据的打入脉冲。寄存器接收数据用于寄存器接收数据的打入脉

9、冲。寄存器接收数据使用脉冲的前沿，脉冲的后沿用于周期、节拍的转使用脉冲的前沿，脉冲的后沿用于周期、节拍的转换。换。 3. 3. 编排编排微操作时间表微操作时间表 是对指令流程图的进一步具体化，将指令流程是对指令流程图的进一步具体化，将指令流程图中的各个微操作具体落实到各个机器周期的相应图中的各个微操作具体落实到各个机器周期的相应节拍和脉冲中去，并以微操作控制信号的形式编排节拍和脉冲中去，并以微操作控制信号的形式编排一张表，称之为一张表，称之为微操作时间表微操作时间表。微操作时间表能够。微操作时间表能够形象地表明控制器应该在什么时间，根据什么条件形象地表明控制器应该在什么时间，根据什么条件发出哪

10、些微操作控制信号。发出哪些微操作控制信号。4.4.进行微操作综合进行微操作综合 对微操作时间表中各个微操作控制信号分对微操作时间表中各个微操作控制信号分别按照其条件进行归纳、综合，根据微操作时别按照其条件进行归纳、综合，根据微操作时间表写出各微操作控制信号的逻辑表达式。表间表写出各微操作控制信号的逻辑表达式。表达式一般包括下列因素：达式一般包括下列因素： 5. 5. 设计微操作控制信号形成部件设计微操作控制信号形成部件 根据各个微操作信号的逻辑表达式，用一根据各个微操作信号的逻辑表达式，用一系列组合逻辑电路加以实现。系列组合逻辑电路加以实现。 微微操作控制信号操作控制信号=机器周期机器周期 节

11、拍节拍 脉冲脉冲 操作码操作码 机器机器状态条件状态条件CLA ;CLA ;清清ACACADD I D ; I=0ADD I D ; I=0为直接寻址为直接寻址, ,即即(AC)+(D) AC(AC)+(D) AC I=1 I=1为间接寻址为间接寻址, ,即即(AC)+(D) AC(AC)+(D) ACSTA I D ; I=0STA I D ; I=0为直接寻址为直接寻址, ,即即(AC) D;I=1(AC) D;I=1为间接寻址为间接寻址, ,即即(AC) (AC) (D)(D)LDA I D ; I=0LDA I D ; I=0为直接寻址为直接寻址, ,即即(D) AC;I=1(D) A

12、C;I=1为间接寻址为间接寻址, , 即即(D) (D) ACACJMP I D ; I=0JMP I D ; I=0为直接寻址为直接寻址, ,即即D PC;D PC; I=1 I=1为间接寻址为间接寻址, ,即即 (D) PC(D) PC5.4.2 5.4.2 组合逻辑控制器的设计举例组合逻辑控制器的设计举例 CPU CPU结构框图如下图所示结构框图如下图所示, ,设计以下几条指令的组设计以下几条指令的组合逻辑控制器合逻辑控制器. . 以下指令均为单字长单地址指令以下指令均为单字长单地址指令(16(16位位), ),指令格式如下所示指令格式如下所示: :OPOP I I D DIRIR151

13、5IRIR1414IRIR1313IRIR1212IRIR0 0IRIR11 11IRIRALUALU状态寄存器状态寄存器ACACPCPCARAR指令译码器指令译码器控制单元控制单元CUCU存储器存储器 数据总线数据总线+1+1PC ARPC ARMREQMREQR/WR/WDBUS ARDBUS ARDBUS PCDBUS PCC CDR ACDR ACDR ACDR ACDR ALUDR ALUIRIRDRDRDR IRDR IRIR(AR) DBUS+ +_ _DBUS DRDBUS DRDR DBUSDR DBUS IR(AR) IR(AR)OPOPDBUS DRDBUS DRDBUS

14、 PCDBUS PC内部控制信号内部控制信号MREQMREQR/W 外部控制信号外部控制信号图图5.21 5.21 CPUCPU结构框图结构框图(1) (1) 根据根据CPUCPU结构框图写出指令的操作流程图结构框图写出指令的操作流程图, ,如下图所示如下图所示: :I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?0 AC0 ACM ARM ARM ARM ARM DBUSM DBUSDBUS PCDBUS PC(PC) AR(PC) ARM DRM DR (DR) IR (DR) IR (PC)+1 PC (PC)+1 PCPC ARPC ARMREQ,R, DBUS DRM

15、REQ,R, DBUS DRDR IRDR IR+1+1CLACLAIR15IR14IR13=000IR15IR14IR13=000ADDADD001001STASTA010010LDALDA011011JMPJMP100100IR(AR) DBUSIR(AR) DBUSDBUS ARDBUS ARIR(AR) DBUS IR(AR) DBUS DBUS AR DBUS ARIR(AR) DBUS IR(AR) DBUS DBUS ARDBUS ARIR(AR) DBUS IR(AR) DBUS NNY YM DRM DR(AC)+(DR) AC(AC)+(DR) ACNNY YM ARM A

16、R （ACAC） DRDR （DRDR） MM M DR M DR （DRDR） ACACNNY Y(IR12)=1(IR12)=1NNY Y(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1(2)(2)选同步控制方式选同步控制方式DBUS ARDBUS AR(3) (3) 选二级时序（未考虑工作脉冲）选二级时序（未考虑工作脉冲） 由于以上指令均是单字长单地址指令由于以上指令均是单字长单地址指令, ,所以安排三个机器周期所以安排三个机器周期: :取指取指周期周期FETCHFETCH、取数周期、取数周期DOFDOF、执行周期、执行周期EXECEXEC

17、。每个机器周期安排。每个机器周期安排四个节拍四个节拍T1T1、T2T2、T3T3和和T4T4，时序见下图所示。，时序见下图所示。FETCHDOFDOFEXECT1T1T3T3T4T4取指周期取指周期取数周期取数周期执行周期执行周期指令周期指令周期CLKCLKT2T2图图5.22 5.22 时序系统时序系统(4)(4)为各微操作安排时序为各微操作安排时序I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?I=1?C CPC ARPC ARR,MREQ, +1R,MREQ, +1 DBUS DR DBUS DRDR IRDR IRCLACLAADDADDSTASTALDALDAJMPJMPIR

18、(AR) DBUSIR(AR) DBUSDBUS ARDBUS ARIR(AR) DBUS IR(AR) DBUS DBUS AR DBUS ARIR(AR) DBUS IR(AR) DBUS DBUS ARDBUS ARIR(AR) DBUS IR(AR) DBUS NNY YNNY Y AC DR AC DR NNY YNNY Y(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1(IR12)=1FETCHFETCHT1T1T2T2T3T3T4T4R,MREQR,MREQDBUSDBUSARARR,MREQR,MREQDBUSDBUSARARR,MREQR,MREQDBUSDBUSARARDB

19、USDBUSARARR,MREQR,MREQDBUS DRDBUS DRDR ALUDR ALU+ +WWR,MREQR,MREQDBUS DRDBUS DRDR ACDR ACT1T1T2T2T3T3T4T4D DOOF FT1T1T2T2T3T3T4T4E EX XE EC CR,MREQR,MREQDBUSDBUSPCPCDR DBUSDR DBUS 为微操作安排时序时应注意：为微操作安排时序时应注意： 有些微操作的次序是不能改变的，故安排有些微操作的次序是不能改变的，故安排微操作节拍时必须注意微操作的先后顺序；微操作节拍时必须注意微操作的先后顺序； 凡是被控对象不同的微操作，若能在一个

20、凡是被控对象不同的微操作，若能在一个节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内，节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内，以节省时间。以节省时间。 (5) (5) 微操作时间表见下表微操作时间表见下表: :微操作微操作 FETCHFETCHT1T1 T2T2 T3T3 T4T4 DOF DOFEXECEXECPC ARPC ARR/W=1R/W=1 R/W=0 R/W=0MREQMREQDR IRDR IR+1+1C CIR(AR) DBUSIR(AR) DBUSALLALLALLALLALLALLALLALLALLALLT1T1 T2 T2 T3 T3T4T4 T1 T1T2T2T3T3T4T4A

21、DD+LDAADD+LDAADD+LDAADD+LDASTASTASTASTACLACLACLACLA(ADD+STA(ADD+STA+LDA+Jmp)+LDA+Jmp)* *I I(ADD+STA+(ADD+STA+LDA+JMP)LDA+JMP)* *I I 表表5.1 5.1 微操作时间表微操作时间表(5) (5) 微操作时间表见下表微操作时间表见下表: :微操作微操作 FETCHFETCHT1T1 T2T2 T3T3 T4T4DOFDOFEXECEXECT1T1T2T2T3T3T4T4T1T1T2T2T3T3T4T4DBUS ARDBUS ARDBUS DRDBUS DRDBUS PC

22、DBUS PCDR ALUDR ALUDR ACDR ACAC DRAC DR+ +ALLALLADD+ADD+LDALDA JMP JMPADDADDLDALDASTASTAADDADDADD+STA+LDAADD+STA+LDA+JMP+JMP* *I I(ADD+STA(ADD+STA+LDA)+LDA)* *I IDR DBUSDR DBUSSTASTA续表续表5.1 5.1 微操作时间表微操作时间表(6) (6) 综合微操作表达式如下综合微操作表达式如下: : PC AR=FETCH PC AR=FETCH* *T1T1 R/W=FETCH R/W=FETCH* *T2+DOFT2+

23、DOF* *T3T3* *CLACLA* *I+EXECI+EXEC* *T1T1* *(ADD+LDA)(ADD+LDA) R/W=STA R/W=STA* *EXECEXEC* *T2T2 MREQ=FETCHMREQ=FETCH* *T2+DOFT2+DOF* *T3T3* *CLACLA* *I+EXECI+EXEC* *T1T1* *(ADD+LDA)+STA(ADD+LDA)+STA* *EXECEXEC* *T2T2 (7)(7)逻辑电路框图如下所示逻辑电路框图如下所示: :OPOPD DI I指令译码器指令译码器时时序序产产生生器器组合逻辑控制器组合逻辑控制器LDALDA AD

24、DADDSTASTA LDALDA JMPJMPIRIRI IIR0IR0IR11IR11IR12IR12IR13IR13IR14IR14IR15IR15FETCHFETCHDOFDOFEXECEXECT1T1T2T2 T3 T3T4T4PC ARPC ARDBUS DRDBUS DRDBUS PCDBUS PC+ +微操微操作控作控制信制信号号图图5.23 5.23 逻辑电路框图逻辑电路框图OPOPI I D DIR0IR0IR11IR11IR12IR12IR13IR13 IR14IR14IR15IR15译码器译码器译码器译码器时钟发生器时钟发生器节拍发生器节拍发生器=& &

25、T1T1T2T2T4T4DBUS DRLDALDAADDADDI=0I=0I=1I=1微操作控制信号微操作控制信号DBUS DRDBUS DR的逻辑表达式为的逻辑表达式为: :DBUS DR=FETCHDBUS DR=FETCH* *T3+EXECT3+EXEC* *(ADD+LDA)(ADD+LDA)* *T2T2图图5.24 5.24 微操作执行逻辑示意图微操作执行逻辑示意图T3T3& &=周期状态周期状态触发器触发器EXECEXECDOFDOFFETCHFETCH概括起来概括起来, ,设计组合逻辑控制器的方法和过程是：设计组合逻辑控制器的方法和过程是： 根据所有机器指令流

26、程图，寻找出产生同一个微操根据所有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作信号的所有条件，并与适当的作信号的所有条件，并与适当的状态周期电位与节拍电状态周期电位与节拍电位组合，从而写出其布尔表达式并进行简化，然后用门位组合，从而写出其布尔表达式并进行简化，然后用门电路或可编程器件来实现。电路或可编程器件来实现。 组合逻辑控制器的特点组合逻辑控制器的特点 优点优点: :微操作控制信号产生的速度快微操作控制信号产生的速度快, ,只需几级门只需几级门电路的延时就可以产生电路的延时就可以产生. . 缺点缺点: : (1) (1) 缺乏规整性缺乏规整性: :将几百个微操作的执行逻辑将几百个微操作的执行逻辑组合在一起组合在一起, ,构成的微操作产生部件构成的微操作产生部件, ,是计算机中最复杂、是计算机中最复杂、最不规整的逻辑部件最不规整的逻辑部件. .不适合于指令复杂的机器不适合于指令复杂的机器. . (2) (2)缺乏灵活性缺乏灵活性: :各微命令的实现是用硬连的逻辑各微命令的实现是用硬连的逻辑电路完成电路完成, ,设计结果用印刷电路版设计结果用印刷电路版( (硬连逻辑硬连逻辑) )固定下来后固定下来后, ,改动不易改动不易, ,设