计算机组成原理第五章中央处理器[二]

1、5.2.8 5.2.8 指令的微操作序列指令的微操作序列 控制器在实现一条指令功能时，总要将每条控制器在实现一条指令功能时，总要将每条指令分解为一系列时间上有先后次序的最基指令分解为一系列时间上有先后次序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。本、最简单的微操作，即微操作序列。 微操作序列是与微操作序列是与CPUCPU的内部数据通路密切的内部数据通路密切相关的，相同的指令在不同的数据通路相关的，相同的指令在不同的数据通路( (如如专用数据通路结构、总线结构专用数据通路结构、总线结构) ) 中有不同的中有不同的微操作序列。微操作序列。ALUALUB B总线总线图图5.15 5.15 双总线结构机

2、器的数据通路双总线结构机器的数据通路IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G GCUCUA A总线总线 假设某机数据通路如图假设某机数据通路如图5.155.15所示。规定各部件用大写所示。规定各部件用大写字母表示，字母加下标字母表示，字母加下标inin表示该部件的接收控制信号，实表示该部件的接收控制信号，实际上就是该部件的输入开门信号际上就是该部件的输入开门信号( (如如PCin)PCin)；字母加下标字母加下标outou

3、t表示该部件的发送控制信号，实际上就是该部件的输表示该部件的发送控制信号，实际上就是该部件的输出开门信号出开门信号( (如如PCout)PCout)。未标注字符的线为直通线，不受未标注字符的线为直通线，不受控制。控制。ALUALUB B总线总线图图5.15 5.15 双总线结构机器的数据通路双总线结构机器的数据通路IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A总线总线 试画出执行以下不同指令时的试画出执行以

4、下不同指令时的指令周期流程图指令周期流程图，并列，并列出相应出相应微操作控制信号序列。微操作控制信号序列。 (1)ADD R2(1)ADD R2，R0; (R0)+(R2) R0R0; (R0)+(R2) R0 (2)SUB R1 (2)SUB R1，R3; (R3)-(R1) R3R3; (R3)-(R1) R3 ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(DR) IR(DR) IR(R0)+(R2)R0(R0)+(R2)R0(R0) X(R0) X(R2) Y(R2) Y(R3)-(R1) R3(R3)-(R1) R3(R1 )X(R1 )X(R3) Y(R3) Y(DR) I

5、R(DR) IRM DRM DR(PC ) AR(PC ) ARPCoPCo，G G，ARiARiR/W=RR/W=RDRoDRo，G G，IRiIRiR2oR2o，G G，YiYiR0oR0o，G G，XiXi+ +，G G，R0iR0iR3oR3o，G G，YiYiR1oR1o，G G，XiXi- -，G G，R3iR3i取取指指(PC)+1 PC(PC)+1 PC(PC)+1 PC(PC)+1 PC +1图图5.16 5.16 加法与减法指令周期流程图与微命令序列加法与减法指令周期流程图与微命令序列P.209 2P.209 2、3 3题题 2 2、参见图、参见图5.155.15的数据通路

6、。画出存数指令的数据通路。画出存数指令“STA R1STA R1，(R2)”(R2)”的指令周期流程图，其含的指令周期流程图，其含义是将寄存器义是将寄存器R1R1的内容传送至的内容传送至(R2)(R2)为地址的为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。主存单元中。标出各微操作信号序列。 3 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)LDA (R3)，R0”R0”的指令周期流程图，其含的指令周期流程图，其含义是将义是将(R3)(R3)为地址的主存单元的内容取至寄为地址的主存单元的内容取至寄存器存器R0R0中，标出各微操作控制信号序列。中，

7、标出各微操作控制信号序列。STARTSTART(PC)AR(PC)ARMDRMDR(DR)IR(DR)IRDECODEDECODE(R2)AR(R2)AR(R1)DR(R1)DR(DR)M(DR)M(R3)AR(R3)ARMDRMDR(DR)R0(DR)R0( (取指部分略取指部分略) )2 2、3 3、PCoPCo，G G，ARiARiR/WR/W* *=R (RD M)=R (RD M)DRoDRo，G G，IRiIRiR2oR2o，G G，ARiARiR1oR1o，G G，DRiDRiP.209 2P.209 2、3 3题解答题解答. .(PC)+1 PC(PC)+1 PC+1 例例:

8、:在上例给出的条件下在上例给出的条件下, ,写出完成下述四条单写出完成下述四条单字长指令的操作流程及相应的控制信号字长指令的操作流程及相应的控制信号. . (1) MOV R1,R0 (R0) R1 (1) MOV R1,R0 (R0) R1 (2) MOV R1,R0 (R0) (R1) (2) MOV R1,R0 (R0) (R1) (3) MOV R3,R2 (R2) R3 (3) MOV R3,R2 (R2) R3 (4) MOV R3,R2 (R2) (R3) (4) MOV R3,R2 (R2) (R3) 指令格式如下指令格式如下, ,其中其中XdXd和和RdRd分别为目的操作数分

9、别为目的操作数和源操作数的寻址方式特征位和源操作数的寻址方式特征位. . OPOP Xd Xd Rd RdXsXs Rs Rs8 8 2 2 2 2 2 2 2 2目的目的源源ALUALUB B总线总线IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A总线总线 解解: ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(DR) IR(DR) IRPCoPCo，G G，ARiARiR/W=RR/W=RDRoD

10、Ro，G G，IRiIRi取取指指(PC)+1 PC(PC)+1 PC +1(R0) R1(R0) R1R0o,G,R1iR0o,G,R1i四条单字长指令的取四条单字长指令的取指操作流程及相应控指操作流程及相应控制信号见左图制信号见左图.指令指令MOV R1,R0;(R0) R1MOV R1,R0;(R0) R1的操作流程及相应控制信号的操作流程及相应控制信号如下如下: :ALUALUB B总线总线IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY

11、Y+ +_ _G G控控制制器器A A总线总线 (2) MOV R1,R0 (R0) (R1)(2) MOV R1,R0 (R0) (R1)解解:该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同(1)(1)的取的取值部分值部分. .执行阶段的操作流程及执行阶段的操作流程及相应的控制信号如下相应的控制信号如下: ( R1 ) ( R1 ) AR AR ( R0 ) ( R0 ) DR DR ( MDR ) ( MDR ) M M执执行行R/W=WR/W=W略略ALUALUB B总线总线IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiA

12、RiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A总线总线 (3) MOV R3,R2 (R2) R3(3) MOV R3,R2 (R2) R3解解:该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同(1)(1)的取的取值部分值部分. .执行阶段的操作流程及执行阶段的操作流程及相应的控制信号如下相应的控制信号如下: ( R2) ( R2) AR ARM DRM DR ( MDR ) ( MDR ) R3 R3执执行行R/W=RR/W=R略略ALUALUB B总

13、线总线IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A总线总线 (4) MOV R3,R2 (R2) (R3)(4) MOV R3,R2 (R2) (R3)解解:该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同(1)(1)的取的取值部分值部分. .执行阶段的操作流程及执行阶段的操作流程及相应的控制信号如下相应的控制信号如下: ( R2) ( R2) AR ARM DRM DR

14、( R3 ) ( R3 ) AR AR DR DR M M 例例: :在上例给出的条件下在上例给出的条件下, ,写出完成下述四条双写出完成下述四条双字长指令的操作流程及相应的控制信号字长指令的操作流程及相应的控制信号. . (1) MOV R0,#N N R0 (1) MOV R0,#N N R0 (2) MOV R1,#N N (R1) (2) MOV R1,#N N (R1) (3) MOV R2,N (N) R2 (3) MOV R2,N (N) R2 (4) MOV R3,N (N) R3 (4) MOV R3,N (N) R3 指令格式如下指令格式如下, ,其中其中XdXd和和RdR

15、d分别为目的操作数分别为目的操作数和源操作数的寻址方式特征位和源操作数的寻址方式特征位. . OPOP Xd Xd Rd RdXsXs Rs Rs8 8 2 2 2 2 2 2 2 2NN ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(DR) IR(DR) IR取取指指(PC)+1 PC(PC)+1 PC ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(PC)+1 PC(PC)+1 PC解解: 对于双字长指令，完成对于双字长指令，完成取指令操作要访问两次存取指令操作要访问两次存储器储器,其操作流程及相应的其操作流程及相应的控制信号如右所示。控制信号如右所示。(1) (1) M

16、OV R0,#N ; N R0MOV R0,#N ; N R0指令执行阶段的操作流程指令执行阶段的操作流程图如下图如下: :(MDR) R0(MDR) R0MDRo,G,R0iMDRo,G,R0i 解解 (2) : (2) : 指令指令MOV R1,#NMOV R1,#N； N (R1)N (R1)的执的执行阶段操作流程如下行阶段操作流程如下: : 解解(3):(3):指令指令 MOV R2,NMOV R2,N；(N) R2(N) R2的执行阶的执行阶段操作流程如下段操作流程如下: : R(1) ARR(1) AR(DR)M(DR)M(DR) AR(DR) ARMDRMDR(DR) R2(DR

17、) R2 解解(4):(4):指令指令 MOV R3,N (N) R3MOV R3,N (N) R3 的执行阶段操作流程如下的执行阶段操作流程如下: : (DR) AR(DR) ARMDRMDR(DR) AR(DR) ARMDRMDR(DR) R3(DR) R3 通过以上几种通过以上几种CPUCPU结构和指令流程分析例子可结构和指令流程分析例子可以看出，不同的指令对应不同的微操作序列。以看出，不同的指令对应不同的微操作序列。 一条指令的微操作序列不仅和指令功能有关，一条指令的微操作序列不仅和指令功能有关，而且与而且与CPUCPU的数据通路结构密切相关。具有相的数据通路结构密切相关。具有相同同C

18、PUCPU结构的指令系统中所有指令的取指令微结构的指令系统中所有指令的取指令微操作序列是相同的。操作序列是相同的。 指令流程和微操作控制信号序列的分析是设计指令流程和微操作控制信号序列的分析是设计控制信号形成部件的基础，也是理解计算机内控制信号形成部件的基础，也是理解计算机内部的工作过程、建立计算机整机概念的重要环部的工作过程、建立计算机整机概念的重要环节。所以，需要大家重点掌握指令流程的分析节。所以，需要大家重点掌握指令流程的分析方法。方法。 5.3 5.3 时序时序( (信号信号) )产生器和控制器的控制方式产生器和控制器的控制方式5.3.1 5.3.1 时序信号的作用和体制时序信号的作用

19、和体制1 1、作用、作用计算机的控制器必须提供一个时序系统，由它产计算机的控制器必须提供一个时序系统，由它产生一组时序信号送到操作控制器，为每个微操作生一组时序信号送到操作控制器，为每个微操作带上时间标志，再输出到全机，控制完成指令所带上时间标志，再输出到全机，控制完成指令所规定的动作。规定的动作。CPUCPU执行指令的过程就是执行指令的过程就是时序控制时序控制的过程的过程。2 2、计算机中时序信号的体制、计算机中时序信号的体制(1)(1)计算机中的时序信号通常采用计算机中的时序信号通常采用“电位电位脉冲脉冲”制制; ;是由计算机中所使用的逻辑器件的特性决定的。是由计算机中所使用的逻辑器件的特

20、性决定的。(2)(2)三级时序系统和二级时序系统三级时序系统和二级时序系统 三级时序系统三级时序系统: :硬布线控制器常采用硬布线控制器常采用 ( (主主) )状态周期电位状态周期电位节拍电位节拍电位节拍节拍( (工作工作) )脉冲脉冲 二级时序系统二级时序系统: :微程序控制器常采用微程序控制器常采用节拍电位节拍电位节拍脉冲节拍脉冲 由于指令周期不作为时序的一级由于指令周期不作为时序的一级, ,下图反映了下图反映了机器周期、时钟周期、时钟脉冲三级时序信机器周期、时钟周期、时钟脉冲三级时序信号的关系。号的关系。 例如，触发器使用电位例如，触发器使用电位脉冲工作方式，节拍电位脉冲工作方式，节拍电

21、位控制信息送到控制信息送到D D触发器的触发器的D D输入端，工作脉冲送到输入端，工作脉冲送到CPCP输入端。节拍电位和输入端。节拍电位和工作脉冲配合关系如图工作脉冲配合关系如图5.175.17所示。所示。Q QQ Q* *D CPD CP逻辑电路逻辑电路逻辑电路逻辑电路信息信息节拍电节拍电位位Ti打入打入条件条件工作脉工作脉冲冲PiTiPi图图5.17 5.17 节拍电位和工作脉冲的配合关系节拍电位和工作脉冲的配合关系一个指令周期一个指令周期机器周期机器周期( (状状态周期电态周期电位位)M1)M1M2M2M3M3时钟周期时钟周期( (节拍电节拍电位位) T1) T1T2T2T3T3时钟脉冲

22、（工时钟脉冲（工作脉冲）作脉冲）CLKCLK图图5.18 5.18 三级时序信号间的关系三级时序信号间的关系3 3、时序系统的组成、时序系统的组成主振主振时钟时钟发生器发生器启动启动暂停暂停周期状态周期状态触发器触发器节拍节拍发生器发生器M1M1M2M2T1T1T2T2CLKCLK图图5.19 5.19 时序系统框图时序系统框图 主振主振: :石英晶体震荡器石英晶体震荡器, ,产生频率稳定的主振信号产生频率稳定的主振信号; ; 时钟发生器时钟发生器: :将主振信号整形分频后将主振信号整形分频后, ,得到时钟脉冲信号得到时钟脉冲信号; ; 启停控制电路启停控制电路: :控制时钟脉冲的发与不发控制

23、时钟脉冲的发与不发; ; 3 3、时序系统的组成、时序系统的组成主振主振时钟时钟发生器发生器启动启动暂停暂停周期状态周期状态触发器触发器节拍节拍发生器发生器M1M1M2M2T1T1T2T2CLKCLK图图5.19 5.19 时序系统框图时序系统框图节拍发生器：通常由计数译码器的译码输出来表示当前所节拍发生器：通常由计数译码器的译码输出来表示当前所处的节拍，可以按先后顺序，循环发出若干节拍信号。处的节拍，可以按先后顺序，循环发出若干节拍信号。周期状态触发器：可以用计数译码器的译码输出来表示当周期状态触发器：可以用计数译码器的译码输出来表示当前所处的机器周期；或用前所处的机器周期；或用n n位触发

24、器来分别表示位触发器来分别表示n n个机器周个机器周期，当机器处于某一周期时，相应的触发器处于期，当机器处于某一周期时，相应的触发器处于“1”1”状状态，而其余态，而其余n-1n-1个触发器处于个触发器处于“0”0”状态，状态，n n位移位寄存器位移位寄存器即可实现此功能。即可实现此功能。 5.3.2 5.3.2 控制器的控制方式控制器的控制方式 控制器控制一条指令运行的过程是依次执控制器控制一条指令运行的过程是依次执行一个确定的微操作序列的过程。行一个确定的微操作序列的过程。 不同指令所对应的微操作数及其繁简程度不同指令所对应的微操作数及其繁简程度不同，故每条指令和每个微操作所需的执不同，故每条指令和每个微操作所需的执行时间也不相同。行时间也不相同。 如何形成控制不同微操作序列的时序控制如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号就有多种不同的方法，称做控制器的信号就有多种不同的方法，称做控制器的控制方式，一般有三种方式。控制方式，一般有三种方式。5.3.2 5.3.2 控制器的控制方式控制器的控制方式 1 1、同步控制方式、同步控制方式( (集中控制方式集中控制方式, ,中央控制方式中央控制方式) )：对：对各项操作由统一的时序信号进行同步控制。控制器