计算机组成原理JLP_3.5讲述

1、1组合逻辑控制器 p134图3-34微命令微命令发生器发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码译码. PSWPSW 时序 IRIR地址形成地址形成PCOPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器（或控制单元CU）指令计数器PC指令寄存器IR程序状态字PSW指令译码器ID时序部件地址形成部件控制器的基本组成取指令分析指令执行指令，发出各种操作命令确定下一条指令的地址控制器的基本功能3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式2微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成PCOPD寻址来自M送M或ALU+1送M1.微命令发生器功能： 产生全机

2、所需的各种微命令控制最基本的操作(微操作)的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，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。微命令发生器3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式3微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成PCOPD寻址来自M送M或ALU+1送M2.指令计数器PC功能：指示指令在M中的位置。PC本身+1顺序执行PC先+1，再用转移地址修改PC微命令发生器PC转移执行:ALU+13.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式43.指令寄存器IR功能： 存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址转移地址PC微命令发

3、生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PC IR地址码字段译码器微命令发生器地址形成部件寻址D3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式54.状态寄存器PSW功能： 指示程序运行方式，反映程序运行结果。例. 某机的PSWPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PC IR PSW 工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 03.5 3.

4、5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式65.时序线路功能：控制操作时间和操作时刻。PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PC IR PSW 时序振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时钟周期(节拍)产生电位型微命令，控制操作时间段产生脉冲型微命令，控制定时操作3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式71.取指令PCPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PC IR PSW 时序控制器工作过程地址M指令IR、译

5、码(OP、寻址方式)PC+1PC3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式82.取数(按寻址方式)立:PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PC IR PSW 时序指令操作数有效地址 M,取数R,取数直:寄存器号间:间接地址M,取有效地址寄存器号R,取有效地址变:形式地址变址量运算器计算有效地址3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式93.执行(按操作码)PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码. PSW 时序 IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令

6、发生器PC IR PSW 时序结果存储器/寄存器操作数加法器操作数3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式3.5 3.5 组合逻辑控制器设计组合逻辑控制器设计一、组合逻辑控制器时序系统一、组合逻辑控制器时序系统 1. 1. 工作周期工作周期(1)(1)取指周期取指周期FTFT用于指令正常执行用于指令正常执行设置设置6 6个触发器分别个触发器分别作为各作为各周期状态标志周期状态标志(2)(2)源周期源周期STST(3)(3)目的周期目的周期DTDT(4)(4)执行周期执行周期ETET(5)(5)中断周期中断周期ITIT(6)DMA(6)DMA周期周期DMATDMAT用于用于I/OI/O传

7、送控制传送控制1 1 工作周期开始工作周期开始0 0 工作周期结束工作周期结束 在整个指令周期中，任何时候必须、且只能在整个指令周期中，任何时候必须、且只能有一个工作周期状态标志为有一个工作周期状态标志为“1 1”。(1)(1)取指周期取指周期FTFT从从M M取出指令并译码；取出指令并译码；公操作公操作修改修改PCPC。(3)(3)目的周期目的周期DTDT(4)(4)执行周期执行周期ETET取指结束时，按操作码和寻址方式取指结束时，按操作码和寻址方式(R/(R/非非R R寻址寻址) )转相应工作周期。转相应工作周期。按寻址方式按寻址方式( (非非R R寻址寻址) )形成源地址，从形成源地址，

8、从M M取出源操取出源操作数，暂存于作数，暂存于C C。(2)(2)源周期源周期STST按寻址方式按寻址方式( (非非R R寻址寻址) )形成目的地址，或从形成目的地址，或从M M取出取出目的操作数，暂存于目的操作数，暂存于D D。按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作( (传送、运算、取转移地址传送、运算、取转移地址送入送入PCPC、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存) )；后续指令地址送入后续指令地址送入MARMAR。(5)(5)中断周期中断周期ITIT关中断、保存断点和关中断、保存断点和PSWPSW、转服务程序入口。、转服务程序入口。由硬件完成由硬件完成1 1）时钟周期时间：）时钟周期

9、时间：ITIT指指CPUCPU响应中断请求后，到执行中断服务程序前。响应中断请求后，到执行中断服务程序前。(6)DMA(6)DMA周期周期DMATDMAT一次从一次从M M读出，并经数据通路传送的操作；读出，并经数据通路传送的操作；或或一次数据通路传送操作；一次数据通路传送操作；或或一次向一次向M M写入的操作写入的操作DMATDMAT指指CPUCPU响应响应DMADMA请求后，到传送完一次数据。请求后，到传送完一次数据。DMADMA控制器接管总线权，控制直传。控制器接管总线权，控制直传。 2. 2.时钟周期时钟周期( (节拍节拍) )T T1 1微秒微秒完成一步操作：完成一步操作：模型机以模

10、型机以访存时间访存时间作为作为一步操作时间一步操作时间。 一个总线一个总线周期周期等于等于一个时钟周期一个时钟周期，可根据需要扩展。，可根据需要扩展。由硬件完成由硬件完成2 2）时钟周期数：）时钟周期数：每个工作周期第一拍每个工作周期第一拍T=0T=0，每开始一个新节拍每开始一个新节拍T T计数计数，工作周期结束时工作周期结束时T T清清0 0。一个工作周期中的时钟数一个工作周期中的时钟数可变可变。用用计数器计数器T T控制节拍数控制节拍数每个时钟结束时设置一个脉冲。每个时钟结束时设置一个脉冲。 3. 3.工作脉冲工作脉冲P P1ST TP P打入寄存器打入寄存器进行时序转换进行时序转换（周期

11、状态设置（周期状态设置/清除清除时钟时钟T T计数计数/清除）清除）将计数值译码，可产生节拍电位将计数值译码，可产生节拍电位(T(T0 0T T1 1T T2 2) )。4.CPU4.CPU控制流程控制流程( (图图3-353-35工作周期转换工作周期转换) ) FTFT双双单单转转SRSR STSTDRDR DTDT ETET DMATDMATDMADMA请求？请求？中断请求？中断请求？ ITITSRSRDRDRY YN NY YN N二、指令流程图与操作时间表二、指令流程图与操作时间表 1. 1.取指周期取指周期FTFT拟定指令流程：拟定指令流程：初始化时置入初始化时置入FTFT，确定各工

12、作周期中每拍完成的具体确定各工作周期中每拍完成的具体操作（寄存器传送级）。操作（寄存器传送级）。列操作时间表：列操作时间表：列出列出每一步操作所需的微命令每一步操作所需的微命令及产及产生条件。生条件。（1 1）进入）进入FTFT的方式和条件的方式和条件FTFTS SR RD DC CQ QQ Q总清总清1 1程序正常运行时同步打入程序正常运行时同步打入FTFT。1 FT1 FTCPFT(P)CPFT(P)1 FT1 FT= = ET(1 DMAT 1 IT)ET(1 DMAT 1 IT)DMAT(1 DMAT 1 IT)DMAT(1 DMAT 1 IT)+ IT + IT + + （2 2）取

13、指流程）取指流程1 ST1 STFT0FT0：PC+1 PCPC+1 PCM IRM IR（3 3）操作时间表）操作时间表(P138(P138表表3-8)3-8)FT0FT0：电位型微命令电位型微命令脉冲型微命令脉冲型微命令M IRM IREMAR,EMAR, R,R, SIRSIRPC+1 PCPC+1 PCPC APC ACPPCCPPC1 DT1 DT1 ET1 ET或或 或或 CPFT( P)CPFT( P)CPST( P)CPST( P)CPDT( P)CPDT( P)CPET( P)CPET( P)CPT ( P)CPT ( P)工作周期中，每拍结束时发工作周期中，每拍结束时发CP

14、TCPT；工作周期结束时，；工作周期结束时，5 5个时序打入命令都发。个时序打入命令都发。转换转换 S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0MCMC0 0DMDMPC MAR PC MAR 在在ETET注：注： 2. MOV 2. MOV指令指令1 1）流程图）流程图格式格式: MOV DST: MOV DST，SRCSRC功能：功能：（SRCSRC） DSTDST寻址方式寻址方式助记符助记符有效地址有效地址寄存器寻址R寄存器间址(R)EA=（R）自减寄存器间址-(R)(R)-1=R ，EA=（R）自增寄存器间址(R)+EA=（R），(R)+1=R自增双间址(R)+EA=(R) ，(R

15、)+1=R变址/相对寻址X(R)EA=（R)+dRi=MARRi=MARM=MDR=M=MDR=C CM=MDR=M=MDR=C CM=MDR=M=MDR=C CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CRi-1=Ri,MARRi-1=Ri,MARM=IR,PC+1=PCM=IR,PC+1=PCPC+1=PCPC+1=PCM=MDR=DM=MDR=DPC+1=PCPC+1=PCC+Ri=MARC+Ri=MARM=MDR=M=MDR=C CMOVMOV指令指令C=MDRC=MDRPC=MARPC=MARM=MDR=M=MDR=C CD+Rj=D+Rj=MARMARI I/(R)+/

16、(R)+Ri=MARRi=MARRi=MARRi=MARPC=MARPC=MARSRSR DRDRPC=MARPC=MARRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiC =MARC =MARRj-1=Rj,Rj-1=Rj,MARMARRj=Rj=MARMARRj=MARRj=MARRj=Rj=MARMARRj+1=RjRj+1=RjRj+1=RjRj+1=RjM=MDR=M=MDR=MARMARMDR=MMDR=MC=RjC=RjRi=MDRRi=MDRMDR=MMDR=MRi=RjRi=RjR R-(R)-(R)(R)(R) (R)+(R)+X X(R)(R)R R(R)(R)-

17、(R)-(R)(R)+(R)+(R)+(R)+X(R)X(R)SRSR DRDRSRSR DRDRSRSR DRDRFT0FT0ST0ST0ST1ST1ST2ST2ST3ST3ST4ST4DT0DT0DT1DT1DT2DT2DT3DT3ET0ET0ET1ET1ET2ET2MOV DST,SRCMOV DST,SRC；(SRC)=DST(SRC)=DST 2. MOV 2. MOV指令指令FT0FT0：PC+1 PCPC+1 PCM IRM IR，1 1）流程图）流程图例例1 1：MOV R1MOV R1，R0R0；源数源数ET0ET0：R0 R1R0 R1PC MARPC MARET1ET1：

18、例例2 2：MOV(R1),(R0)MOV(R1),(R0)； FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCST0ST0：R0 MARR0 MARST1ST1：M MDR CM MDR CDT0DT0：R1 MARR1 MAR目的地址目的地址ET0ET0：C MDRC MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MAR例例3 3：MOV X(R1),X(R0)MOV X(R1),X(R0)；FT0FT0： M IRM IRPC+1 PCPC+1 PC形地形地取源操作数，取源操作数，暂存于暂存于C C，需需5 5步。步。PC+1 PCPC+1 PCST

19、0ST0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR CM MDR CDT0DT0：C MDRC MDR源数源数ET0ET0：C+R0 MARC+R0 MARET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PC例例3 3：MOV X(R1),X(R0)MOV X(R1),X(R0)；FT0FT0： M IRM IRM MDR CM MDR CST1ST1：ST2ST2：ST3ST3：ST4ST4：PC MARPC MARM MDR DM MDR D形地形地PC+1 PCPC+1 PCDT2DT2：DT3DT3：D+R1 MARD+R1 MA

20、R目的地址目的地址取目的地址，取目的地址，暂存于暂存于MARMAR，需需4 4步。步。源数送存储器，源数送存储器，需需3 3步。步。 3. 3. 双操作数指令双操作数指令双操作数指令：双操作数指令：ADDADD、SUBSUB、ANDAND、OROR、EOREOR格式格式: ADD DST: ADD DST，SRCSRC功能：功能：（SRCSRC）+ +（DSTDST） DSTDST寻址方式寻址方式助记符助记符有效地址有效地址寄存器寻址R寄存器间址(R)EA=（R）自减寄存器间址-(R)(R)-1=R ，EA=（R）自增寄存器间址(R)+EA=（R），(R)+1=R自增双间址(R)+EA=(R)

21、 ，(R)+1=R变址/相对寻址X(R)EA=（R)+dRi=MARRi=MARM=MDR=M=MDR=D DM=MDR=M=MDR=D DM=MDR=M=MDR=D DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DRi-1=Ri,MARRi-1=Ri,MAR取指取指PC+1=PCPC+1=PCD+Ri=MARD+Ri=MARM=MDR=M=MDR=D D双操作数指令双操作数指令C COPOPD=MDRD=MDRM=MDR=M=MDR=D DI/(R)+I/(R)+Ri=MARRi=MARRi=MARRi=MARPC=MARPC=MARSRSR DRDRPC=MARPC=MARRi+

22、1=RiRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiD =MARD =MARMDR=MMDR=MC COPOPRj=RjRj=RjRiRiOPOPD=MDRD=MDRMDR=MMDR=MRiRiOPOPRj=RjRj=RjR R-(R)-(R)(R)(R)(R)+(R)+X(R)X(R)SRSR DRDRSRSR DRDRSRSR DRDRFTFTSTSTDT0DT0DT1DT1DT2DT2DT3DT3DT4DT4ET0ET0ET1ET1ET2ET2取源操作数取源操作数ADD DST,SRC ADD DST,SRC ；(SRC)+(DST)=DST(SRC)+(DST)=DSTSUB DST,S

23、RC SUB DST,SRC ；(SRC)-(DST)=DST(SRC)-(DST)=DSTAND DST,SRC AND DST,SRC ；(SRC)(SRC) (DST)=DST(DST)=DSTOR DST,SRC OR DST,SRC ；(SRC)(SRC) (DST)=DST(DST)=DSTEOR DST,SRC EOR DST,SRC ；(SRC)(SRC) (DST)=DST(DST)=DST与与MOVMOV指令相同指令相同 3. 3.双操作数指令双操作数指令例：例：ADD X(R1),(PC)+ADD X(R1),(PC)+； FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCP

24、C+1 PC立即数立即数ST0ST0：PC MARPC MARST1ST1：M MDR CM MDR CST2ST2：PC+1 PCPC+1 PCDT0DT0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR DM MDR DDT2DT2：PC+1 PCPC+1 PC形式地址形式地址DT3DT3：D+R1 MARD+R1 MARDT4DT4：M MDR DM MDR D目的数目的数ET0ET0：C+D MDRC+D MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARRi=MARRi=MARM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MD

25、R=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DRi-1=Ri,MARRi-1=Ri,MAR取指取指PC+1=PCPC+1=PCD+Ri=MARD+Ri=MARM=MDR=DM=MDR=D单操作数指令单操作数指令OPOPD=MDRD=MDRM=MDR=DM=MDR=DI/(R)+I/(R)+Ri=MARRi=MARRi=MARRi=MARPC=MARPC=MARPC=MARPC=MARRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiD =MARD =MARMDR=MMDR=MOPOPRj=RjRj=RjR R-(R)-(R)(R)(R)(R)+(R)+X(R)X(R)DR

26、DRDRDRFTFTSTSTDT0DT0DT1DT1DT2DT2DT3DT3DT4DT4ET0ET0ET1ET1ET2ET2COM DST COM DST ；(DST) =DST(DST) =DSTNEG DST NEG DST ；(DST)+1=DST(DST)+1=DSTINC DST INC DST ；(DST)(DST)+1+1=DST=DSTDEC DST DEC DST ；(DST)(DST)-1-1=DST=DSTSL DST SL DST ；(DST)(DST) 2=DST2=DSTSR DST SR DST ；(DST)(DST) 2=DST2=DST与双操作数指令相同与双操

27、作数指令相同 4.4.单操作数指令单操作数指令FT0FT0：M IRM IR，例：例： COM -(R0)COM -(R0)；DT0DT0：R0-1 R0R0-1 R0 、MARMARDT1DT1：M MDR DM MDR DET0ET0：ET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PCD MDRD MDR 5.5.转移转移JMP/JMP/返回指令返回指令RST(RST(了解了解) )无条件无条件转移转移SKPSKPR R（R R）（R)+R)+ 按按R R指示从指示从M M取转移地址取转移地址, ,修改修改R R。（SP)+SP)+X(PC

28、)X(PC)执行再下条指令。执行再下条指令。从从R R取转移地址。取转移地址。按按R R指示从指示从M M取转移地址。取转移地址。从堆栈取返回地址从堆栈取返回地址, ,修改修改SPSP。以以PCPC內容为基准转移。內容为基准转移。（RSTRST）PC=MARPC=MARPC+1=PC,MARPC+1=PC,MARRj=PC,MARRj=PC,MARRj=MARRj=MARPC=MARPC=MAR取指取指M=MDRM=MDR=C=CJMP,RSTJMP,RSTR RRi+1=RiRi+1=RiM=MDR=M=MDR=PC,MARPC,MARPCPCSKPSKPPCPC(R)(R)RST (R)+

29、RST (R)+X(PC)X(PC)FTFTET0ET0ET1ET1ET2ET2PC=MARPC=MARM=MDR=M=MDR=PC,MARPC,MARPC+C=PC+C=PC,MARPC,MARJP,RSTJP,RSTNJPNJPFT0FT0：M IRM IR，例例1 1：JMP R0JMP R0；SP+1 SPSP+1 SP、MARMARM MDR PCM MDR PCET0ET0：ET1ET1：SP MARSP MARET2ET2：R0 PCR0 PCPC+1 PCPC+1 PC例例2 2：RST (SP)+RST (SP)+；FT0FT0：M IRM IR， PC+1 PCPC+1 P

30、CET0ET0：、MARMAR例例3 3：JMP X(PC)JMP X(PC)；FT0FT0：M IRM IR， PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：PC MARPC MARET1ET1：M MDR CM MDR C位移量位移量ET2ET2：PC+C PCPC+C PC 、MARMAR 5. 5.转子指令转子指令JSRJSR（了解了解）无条件转子：无条件转子： R R（R R） （R)+R)+（PC)+PC)+ （SP)+SP)+入口在入口在R R中中入口在入口在M M中中 入口在堆栈中入口在堆栈中SP-1 SPSP-1 SPMDR MMDR MST1ST1：PC MDRPC MDR在在

31、STST形成子程序入口；在形成子程序入口；在ETET保存返回地址，并转保存返回地址，并转子程序入口。子程序入口。ST0ST0：、MARMAR例：例：JSRJSR（R2R2）；）； FT0FT0： M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：R2 MARR2 MARET1ET1：M MDR CM MDR C子程序子程序入口入口C PCC PC、MARMAR返回地返回地址压栈址压栈ET2ET2：ET3ET3：例. 某计算机字长16位，采用16位定长指令字结构，部分数据通路结构如图所示。所有控制信号为1时表示有效、为0时表示无效，例如控制信号MDRinE为1表示允许数据从DB打入MD

32、R，MDRin为1表示允许数据从总线打入MDR。假设MAR的输出一直处于使能状态。加法指令“ADD(R1), R0”的功能为(R0) + (R1) -(R1) 。 请按表格列出指令取值和执行阶段每个节拍（时钟周期）的功能和有效控制信号。时钟功能有效控制信号C1 C2 C3 “ADD (R1), R0”取指阶段的功能（取指流程）和有效控制信号。PC-MARM-MDR ,PC +1-PCMDR- IRPCout, MARinMemR, MDRine, PC+1MDRout, IRin“ADD (R1), R0”执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。时钟时钟 功

33、能功能 有效控制信号有效控制信号C5C5 C6C6 C7C7 C8C8 C9C9 R1-MARM-MDR , R0-AMDR+A- ACAC -MDR MDR- MR1out, MARinMemR, MDRine, R0out, AinMDRout, Add, ACinAcout, MDRinMDRoutE, MemW“ADD (R1), R0”执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。时钟时钟 功能功能 有效控制信号有效控制信号C5C5 C6C6 C7C7 C8C8 C9C9 R1-MARM-MDR , MDR -AR0+A- ACAC -MDR MDR-

34、MR1out, MARinMemR, MDRine, MDRout, AinRout, Add, ACinAcout, MDRinMDRoutE, MemW1.1.单总线 CPU 结构图如下，其中有运算部件 ALU 、寄存器 Y 和 Z 、通用寄存器 R0R3 、指令寄存器 IR 、程序计数器 PC 、主存地址寄存器 MAR 和主存数据寄存器 MDR 等部件。计算机字长为16位，主存地址空间大小为128 KB，按字编址。采用单字长指令格式，指令各字段定义如下：请回答下列问题：（1）该指令系统最多可有多少条指令？存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据寄存器（MDR）至少各需要多少位？（2）若R0

35、的内容为1234H，R1的内容为5678H，地址1234H中的内容为5678H，地址5678H中的内容为1234H，则加法指令ADD (R0), (R1)+（逗号前为源操作数，逗号后为目的操作数）指令执行后，哪些寄存器和存储单元的内容会改变？改变后的内容是什么？（3）试拟出减法指令“SUB -(R2 ) ，R3”的指令流程。其中 -(R2 )表示源寻址为自减型寄存器间接寻址（先减1后寻址）；R3表示目的寻址为寄存器寻址。三、微命令的综合与产生三、微命令的综合与产生归纳微命令归纳微命令, ,综合化简条件综合化简条件, ,用组合逻辑电路实现。用组合逻辑电路实现。例：例：读令读令R R= = FT0

36、FT0 +MOV(ST1+ST4+MOV(ST1+ST4+) )+ +1.1.微命令逻辑条件的综合化简微命令逻辑条件的综合化简2.2.逻辑实现逻辑实现微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCOPOPD寻址寻址来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令的形成与微命令的形成与哪些因素有关？哪些因素有关？组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 产生微命令的速度较快。产生微命令的速度较快。1.1.优缺点优缺点 设计不规整，设计效率较低；设计不规整，设

37、计效率较低； 控制器核心结构零乱，不便于检查和调试。控制器核心结构零乱，不便于检查和调试。 不易修改、扩展指令系统功能。不易修改、扩展指令系统功能。3.3.应用场合应用场合 用于高速计算机，或小规模计算机。用于高速计算机，或小规模计算机。3.6 3.6 微程序控制器方式微程序控制器方式基本概念 微命令和微操作微命令和微操作l微命令微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令。控制部件向执行部件发出的各种控制命令。 构成控制信号序列的最小单位。构成控制信号序列的最小单位。例如：例如：打开或关闭某个控制门，多路器选择哪个输入等。打开或关闭某个控制门，多路器选择哪个输入等。l微操作微操作：指执行部件

38、接受微命令后所进行的最基本的、指执行部件接受微命令后所进行的最基本的、 不可再细分的操作。不可再细分的操作。分为两种：分为两种： 相容的相容的微操作：可以同时进行的微操作。微操作：可以同时进行的微操作。 互斥的互斥的微操作：不能同时进行的微操作微操作：不能同时进行的微操作 。p微命令和微操作是一一对应的。微命令和微操作是一一对应的。p微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。3.6 3.6 微程序控制器方式微程序控制器方式基本概念 微指令和微程序微指令和微程序l微指令：微指令：用来产生微控制信号（微命令）的二进制编码。用来产生微控制

39、信号（微命令）的二进制编码。 用于控制完成一组微操作。用于控制完成一组微操作。 l微程序：微程序：一系列微指令构成的有序集合。一系列微指令构成的有序集合。l每一条机器指令都对应于一段微程序（通过解释执行这段微每一条机器指令都对应于一段微程序（通过解释执行这段微程序，完成指令所规定的操作）。程序，完成指令所规定的操作）。 微指令周期微指令周期l微指令周期：微指令周期：从控制存储器读取一条微指令到执行完相应的从控制存储器读取一条微指令到执行完相应的微操作所需微操作所需时间时间。 3.6 3.6 微程序控制器方式微程序控制器方式一、一、 微程序控制的基本原理微程序控制的基本原理1) 若干微命令编制成

40、一条微指令，控制实现一步操作；若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2) 若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；若干微指令组成一段微程序，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。1) 若干微命令编制成若干微命令编制成一条微指令一条微指令，控制实现，控制实现一步操作一步操作；2) 若干微指令组成若干微指令组成一段微程序一段微程序，解释执行，解释执行一条机器指令一条机器指令；1. 基本思想（基本思想（ Wilkes 在1951年提出） 程序、指令、微程序、微指令、微命令、微操作的关系程序、

41、指令、微程序、微指令、微命令、微操作的关系CPUCPU的的构成构成引入了程序技术，使设计规整；引入了程序技术，使设计规整；引入了存储逻辑，使功能易于扩展。引入了存储逻辑，使功能易于扩展。问题：程序（或指令）存放问题：程序（或指令）存放在内存，微程序存放在哪？在内存，微程序存放在哪？2. 逻辑组成逻辑组成 主要部件主要部件（1 1）控制存储器）控制存储器CMCM功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放微程序存放微程序。CMCM属于属于CP

42、UCPU，不属于主存储器。，不属于主存储器。微程序控制器 P148图3-47（2 2）微指令寄存器）微指令寄存器 IR功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放现行微指令存放现行微指令。微命令字段：微命令字段：提供一步操作所需的微命令。提供一步操作所需的微命令。微地址字段：微地址字段：指明后续微地址的形成方式。指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。提供微地址的给定部分。( (微操作控制字段微操作控制字段) )( (顺序控制字段顺

43、序控制字段) )（3 3）微地址形成电路）微地址形成电路功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR提供两类微地址提供两类微地址。微程序入口地址：微程序入口地址：由机器指令由机器指令操作码操作码形成。形成。后续微地址：后续微地址：由由微地址字段微地址字段、现行微地现行微地址址、运行状态运行状态等形成。等形成。（4 4）微地址寄存器）微地址寄存器 AR功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制

44、存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放现行微地址存放现行微地址。3.3.工作过程工作过程 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令（1 1）取机器指令（）取机器指令（“取指令取指令”微指令或微程序一般微指令或微程序一般存放在控存中第存放在控存中第0号单元或其它指定的单元号单元或其它指定的单元）CMCM取指取指微指令微指令IRIR控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指

45、令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 IR微命令字段微命令字段译码器译码器控制存储器控制存储器微命令微命令主存主存机器指令机器指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IRIR 译码器译码器微命令序列微命令序列（2 2）转微程序入口）转微程序入口IRIR操作码操作码微地址形微地址形成电路成电路入口入口ARAR微命令字段微命令字段CMCM首条微指令首条微指令 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令

46、取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 IR控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 微地址微地址形成电路形成电路 IR微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路控制存储器控制存储器微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段（3 3）执行首条微指令）执行首条微指令控制存储器控制存储器 译码器译码器IRIRIRIR译码器译码器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段微命令序列微命令序列微命令微命令操作部件操作部件

47、微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR（4 4）取后续微指令）取后续微指令微地址字段微地址字段现行微地址现行微地址运行状态运行状态微地址形微地址形成电路成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器后续微地址后续微地址ARAR 微地址微地址形成电路形成电路控制存储器控制存储器CMCM后续微指令

48、后续微指令IRIR微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段（5 5）执行后续微指令）执行后续微指令同（同（3 3） 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段

49、 微地址字段微地址字段（6 6）返回）返回微程序执行完，返回微程序执行完，返回CMCM ( (存放存放取指微指令取指微指令的的固定单元固定单元) )。1.1.微指令编码方法微指令编码方法（1 1）直接控制法（不译法）直接控制法（不译法）例例. .某微指令某微指令微命令按位给出。微命令按位给出。不需译码，产生微命令的速度快；信息的表示效率低。不需译码，产生微命令的速度快；信息的表示效率低。 C C0 0 R W R W1 1 11 1 1C C0=0=0 0 进位初值为进位初值为0 01 1 进位初值为进位初值为1 1R R= =0 0 不读不读1 1 读读0 0 不写不写1 1 写写W W=

50、=微指令中通常只有个别位采用直接控制法。微指令中通常只有个别位采用直接控制法。二、微指令编码方式与微地址形成二、微指令编码方式与微地址形成如果有如果有100100个微命令，微命令字段需要多少位？为了个微命令，微命令字段需要多少位？为了提高编码效率，如何编码？提高编码效率，如何编码？（2 2）分段直接编译法）分段直接编译法( (显示编码、单重定义显示编码、单重定义) )将微指令的控制字段分成若干将微指令的控制字段分成若干 “段段”每段经译码后发出微命令（或控制信号）每段经译码后发出微命令（或控制信号）微命令由字段编码直接给出。微命令由字段编码直接给出。每个字段中的命令是每个字段中的命令是 互斥互

51、斥 的的译码译码译码地址操作控制微命令缩短缩短了微指令了微指令 字长字长，增加增加 了译码了译码 时间时间微程序执行速度较慢微程序执行速度较慢（2 2）分段直接编译法）分段直接编译法( (显示编码、单重定义显示编码、单重定义) )）例例. .对加法器输入端进行控制。对加法器输入端进行控制。微命令由字段编码直接给出。微命令由字段编码直接给出。000 000 不发命令不发命令微指令中设置微指令中设置AIAI字段，控制字段，控制加法器的输入选择。加法器的输入选择。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、FAIAI3010 C A010 C A100 F B100 F B001 R A001 R

52、A010 C A010 C A011 D B011 D B011 D B011 D B？微命令分组原则：微命令分组原则：同类操作中同类操作中互斥互斥的的微命令放同一字段。微命令放同一字段。不能同时出现不能同时出现CD操作唯一；操作唯一；加法器加法器A A输入端的控制命令放输入端的控制命令放AIAI字段，字段，B B输入端的控制命令输入端的控制命令放放BIBI字段。字段。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、F000 000 不发命令不发命令010 C A010 C A100 E A100 E A001 R A001 R A011 D A011 D ACDAI BIAI BI3 3010

53、C A010 C A000 000 不发命令不发命令010 C B010 C B100 F B100 F B001 R B001 R B011 D B011 D B011 D B011 D BAIAI：BIBI： 一条微指令能同时一条微指令能同时提供若干微命令，便于组织各种操作。提供若干微命令，便于组织各种操作。 编码较简单；编码较简单；（3 3）分段间接编译法）分段间接编译法( (隐式编码、多重定义隐式编码、多重定义) ) 微命令由本字段编码和其他字段解释微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。共同给出。字段 1字段 2译码译码译码操作控制微命令字段 n 地址微命令（4 4）其他编码方法）

54、其他编码方法指令操作码指令操作码 （1 1）初始微地址的形成）初始微地址的形成 2. 微地址形成方式微地址形成方式微程序入口微程序入口 功能转移功能转移 1 1）一级功能转移）一级功能转移各操作码的位置、位数固定，一次转换成功。各操作码的位置、位数固定，一次转换成功。 入口地址入口地址= =页号，操作码页号，操作码 每条机器指令由一段微程序解释执行，每条机器指令由一段微程序解释执行，入口地址就是初始微地址。入口地址就是初始微地址。 每条机器指令都有取指操作，公用的每条机器指令都有取指操作，公用的“取指微程序取指微程序”实现取指操作。实现取指操作。1 1）取机器指令）取机器指令 0#0#单元或特

55、定的单元开始单元或特定的单元开始 2 2）功能转移）功能转移 例例. . 机器指令机器指令1 0F(8 0F(8位位) ) 入口地址入口地址= =00000FH 0FH CM机器指令机器指令2 10(8 10(8位位) ) 入口地址入口地址= =000010H 10H 000F000F00100010无条件转无条件转 微地址微地址1 1微地址微地址1 1微程序微程序1 1无条件转无条件转 微地址微地址2 2微地址微地址2 2微程序微程序2 2 功能转移功能转移 功能转移功能转移0 0页页 为什么为什么000FH（或或0010H）不直接不直接作为微程序作为微程序1（微程序微程序2 ）的入口地址？

56、的入口地址？ 2 2）二级功能转移）二级功能转移各类指令操作码的位置、位数不固定，各类指令操作码的位置、位数不固定， 分类转：分类转： 需两需两次转换。次转换。 指令类型标志指令类型标志 区分指令类型区分指令类型 功能转：功能转： 指令操作码指令操作码 区分操作类型区分操作类型 例例. .某指令系统：某指令系统： 双操作数指令的操作码占双操作数指令的操作码占4 4位，其中位，其中高两位为高两位为0000，即，即双双操作数指令类型标志；操作数指令类型标志； 单操作数指令的操作码占单操作数指令的操作码占6 6位，其中位，其中高两位为高两位为0101，即，即单单操作数指令类型标志。操作数指令类型标志

57、。加法指令加法指令000001(401(4位位) ) CM减法指令减法指令000010(410(4位位) ) 无条件转无条件转 10000010000010000010000000010001无条件转无条件转 10001000 功能转移功能转移 功能转移功能转移求补指令求补指令01011100(61100(6位位) ) (1K)(1K)分类转移分类转移给定入口高给定入口高6 6位位10000010000000100010无条件转无条件转 加法地址加法地址无条件转无条件转 减法地址减法地址分类转移分类转移给定入口高给定入口高4 4位位10001000011100011100无条件转无条件转 求补

58、地址求补地址加法地址加法地址加法微程序加法微程序 3 3）用可编程逻辑阵列）用可编程逻辑阵列PLAPLA实现功能转移实现功能转移入口地址入口地址 1 1 PLAPLA IR IR入口地址入口地址 2 2 顺序：顺序：现行微地址现行微地址+1+1。 跳步：跳步：现行微地址现行微地址+2+2。 无条件转移：无条件转移：现行微指令现行微指令给出转移微地址。给出转移微地址。 CMAA+1A+2BB条件转移：条件转移：现行微指令给现行微指令给出转移微地址和转移条件。出转移微地址和转移条件。 B 转移条件转移条件 CC( (条件满足条件满足) )( (条件不满足条件不满足) )转微子程序：转微子程序：现行

59、微指令现行微指令给出微子程序入口。给出微子程序入口。 转移条件转移条件 C DD微子程序微子程序返回微主程序：返回微主程序：现行微指现行微指令给出寄存器号。令给出寄存器号。 A+1RR（2 2）后续微地址的形成）后续微地址的形成 1 1）增量方式）增量方式以顺序执行为主，辅以各种以顺序执行为主，辅以各种常规转移方式。常规转移方式。 微指令微指令 给定后续微地址给定后续微地址高位部分高位部分 2 2）断定方式）断定方式 由直接给定和测试断定相结合形成微地址。由直接给定和测试断定相结合形成微地址。 给定部分给定部分 断定条件断定条件指明后续微地址低指明后续微地址低位部分的形成方式位部分的形成方式

60、例例1.1.微指令微指令 设微地址设微地址1010位，位，4 4个状态触发器个状态触发器T1T1T4T4，微程序可按它们的状态转移。微程序可按它们的状态转移。给定给定 D A B D A B 后续微地址后续微地址0000101000001010 D(8 D(8位位) A(2) A(2位位) B(2) B(2位位) )条件条件A A 低位地址低位地址 00 00 0 0 01 01 1 1 10 10 T1T1 11 11 T2T2B B 最低位地址最低位地址 00 00 0 0 01 01 1 1 10 10 T3T3 11 11 T4T40000 0101000010100000101001