萝卜家园-样板

1、样板操作控制器时序产生器RAMALU状态反馈取指控制执行控制PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 20CLS指令结束1PC AR ABUSDBUS DR IR PC+1译码或测试0 ACIR ARIR ARIR PCPC ARAR ABUS DBUS DR DR ALUALU ACAR ABUS AC DR DR DBUSCLAADDSTAJMPNOP5.2.6 用方框图语言表示指令周期2 5.3.1 时序信号的作用和体制时序信号的作用：保证计算机能准确、迅速、有条 不紊地工作。 在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位节拍脉冲二级体制。就是说，它只有严格节拍电位，在节拍电位中

2、又包含若干个节拍脉冲（时钟周期）。节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。根据需要，这些时间间隔可以相等，也可以不相等。5.3 时序产生器和控制方式35.3.2 时序信号产生器时序信号产生器的功能是：用逻辑电路实现时序。启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器时钟脉冲源IORQMREQRDWRT1T2T3T4IORQOMREQORDOWROT1OT2OT3OT4OIORQ MREQRD WR 停机启动时序信号产生器框图4 由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。 作用产生一组有序的间隔相等或不 等的脉冲序列。环形脉冲发生器的两

3、种形式：采用普通计数器：在节拍脉冲上带来毛刺。循环移位寄存器1.时钟源2.环形脉冲发生器5脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑100QQC1DQQC2DQQC3D0001过100 ns之后001QQC11QQC3D0QQC2D0+5V6脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑01第二个脉冲来时01QQC11+5V10QQC3D

4、000QQC2D17脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑01第三个脉冲来时01QQC11+5V100QQC2D11QQC3D18脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑101001+5V111QQC1DQQC2DQQC3D000QQC11QQC2D0QQC3D0第四个脉冲来时第五个脉冲来时9脉冲时钟源QQC4D23SCLRMR

5、EQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑10样品QQC1DQQC2DQQC3D000103. 节拍脉冲和读 / 写时序的译码根据上图得到，其译码电路逻辑可表示为：T1o= C1* C2T2o= C2 * C2T3o= C3T4o= C1根据上图，节拍电位与节拍脉冲时序关系如下：读写时序信号的译码逻辑表达式为：RD o= C2* RDWE o= C3* WEIORQ o= C2* IORQMREQ o= C2* MREQ11WE12345678910C4C3C2C1MREQORDRDWET1T2T3T4节拍电位与节拍脉冲时序关系

6、图124.启停控制逻辑 机器一旦接通电源，就会自动产生原始的节拍脉冲信号T1OT4O，然而只有在启动机器运行的情况，才允许时序产生器发出CPU工作所需的节拍脉冲T1T4 。MREQORDT1T2T3RDOWET4WEOMREQOT2oT3oT4oT1oQQC1DT4o启动停机CLR启停控制逻辑135.3.3 控制方式机器指令的指令周期是由多个CPU周期组成。控制方式有如下四种：1. 同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的，称为同步控制方式。（1）采用完全统一的机器周期执行各种不同指令。（2）采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短的机器周

7、期内完成，对于某些时间紧张的操作，则采取延长机器周期的方法。（3）中央控制与局部控制结合。中央控制：将大部分指令安排在固定的机器周期内完成。局部控制：对少数复杂指令（乘、除、浮点运算）采用另外时序定时。根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：142. 异步控制方式：每条指令周期可由多少不等的机器周期数组成。指令周期数和时针周期数不固定。3. 联合控制方式：同步控制和异步控制相结合的方式。方式1：大部分操作序列安排在固定的机器整齐中，对某些时间难以确定的操作，以执行部件的“回答”信号作为操作的结束。方式2：机器周期的节拍脉冲固定，但指令周期中的机器周期数不固定。4. 人工控制方式：为了调试机器

8、和软件开发的需要，在计算机面板和内部设置一些开关或按键以进行人工控制。如RESET键，连续执行或单条指令执行的转换开关，符合停机开关等。15微程序控制器同组合逻辑控制器相比较：特点：具有规整性、灵活性、可维护性。 在计算机系统中，微程序设计是利用软件方法来设计硬件的一门技术。微程序控制器的基本思想： 操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放在ROM中。 运行时，一条条地读出这些微指令。 产生全机所需要的各种操作控制信号。 5.4 微程序控制器 165.4.1 微命令和微操作一台数字计算机基本上可以划分为两大部分：控制部件执行部件控制命令反馈 测试微指令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种 控

9、制命令。微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。微操作相斥性：同一个CPU周期不能并行执行 的微操作。相容性：同一个CPU周期可并行执行的 微操作。17CY+MR1R2R3X468579123Y简单运算器数据通路图DRALU18 上图所示，是一个简单运算器模型，其中ALU为算术逻辑单元，R1、R2、R3为三个寄存器。 CY为最高位触发器，有进位时该触发器状态为“1”。 微操作1、2、3是可以同时进行的，所以是相容性的微操作。另外，ALU的X输入微操作4、6、8分别与Y输入的5、7、9任意两个微操作，也都是相容性的。 ALU的操作（加、减、传送）在同一个CPU周期中只能选择一种，不能并行，所以

10、以+、M（传送）三个微操作是互斥性的微操作。类似地，4、6、8三个微操作是互斥性的，5、7、9三个微操作也是互斥性的。191234567891011121314151617181920212223LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+M-LDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制顺序控制微指令基本格式每一位表示一个微指令，当某一位为“1”时，表示发出微命令，若第2位为“1”时，表示发出LDD2的微命令。在机器的一个CPU周期中，一组实现一定功能的微命令的组合，构成一条微指令。5.4.2 微指令和微程序微程序：一条指令的功能是由多条微指令组

11、成的序列实现的。20节拍电位信号节拍脉冲信号“+”LDR1600ns200CPU周期LDR1LDR2LDR3LDR1LDR2LDR3T4运算器操作时序与产生逻辑215.4.3 微程序控制器原理框图OP控制存储器地址译码微地址寄存器地址转移逻辑P字段控制字段微指令信号状态条件指令寄存器IR微程序控制器组成原理框图225.4.3 微程序控制器原理框图P字段控制字段微程序控制器组成原理框图OP控制存储器地址译码微地址寄存器地址转移逻辑微指令信号状态条件指令寄存器IR控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器微命令寄存器地址转移逻辑地址转移逻辑承担自动完成修改微地址的任务 如果微程

12、序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接有微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。P字段控制字段微地址寄存器微指令寄存器：它用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器:决定将要访问的下一条微指令的地址，微指令寄存器:保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。指令寄存器23控制存储器：它用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。微指令寄存器：它用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微指令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。微指令周期：是指读出一条微指令并执行

13、微指令的时间总和称为一个微指令周期。地址转移逻辑：如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接有微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。微地址：微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址。24例：BCD 码相加已知：R1=a , R2=b, R3=6若：a+b+R316 不做减6修正PCARAUSDBUSDRPC+1 P1 R1 + R2 R2R2 + R3 R2R2 + R3 R2 P2 RD101000001001000000010000CY01 1 1 11 0 0 11 0 0 0 10 1 0 10 1 0 00 1 1 0a

14、b6+5+4=90 1 0 10 1 1 00 1 1 0ab6+5+6=110 1 1 0修正大于16 不用修正25LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+M-LDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制顺序控制023456789101112131415161718192021222300000000000011111100000010100100100000000010010100010011000000001000001000100110000000000000第一条微指令26LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3

15、RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制顺序控制023456789101112131415161718192021222300000000000011111100000第16位发出 LDAR 将PC内容送到地址寄存器AR第13位 发出RD第14位 发出LDDR第15位 发出LDIR将缓冲器中的“十进制加法”指令再送到IR第17位 发出PC+1微指令，使程序计数器加1微指令的顺序控制字段指明下一条微指令的地址是0000，但由于判别字段中第18位为1，表明P1测试，因此0000不是下一条微指令的真正地址。P1测试的“状态条件”是指令寄存器的操作码字段，即用OP

16、字段作为形成下一条微指令的地址，于是微地址寄存器的内容修改成1010。指令寄存器OP 的操作码为1010为加法操作第一条微指令27LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制顺序控制023456789101112131415161718192021222301010010010000000001001 操作控制部分发出四个微命令：R1 X，R2 Y，+，LDR2 完成 R1+R2 R1微指令的顺序控制字段指明下一条微指令的地址是0000，但由于判别字段测试P1和P2均为0，表示不进行测试，于是直接给出

17、下一条微指令的地址为1001。按照1010这个微地址读出的第二条微指令第二条微指令28LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制顺序控制023456789101112131415161718192021222301000100110000000010000 操作控制部分发出四个微命令：R2 X，R3 Y，+，LDR2 完成 R2+R3 R2微指令的顺序控制字段中由于判别字段P2 为1，表明进行P2 测试，测试的“状态条件”为进位位标志 Cy。按照1001这个微地址读出的第三条微指令第三条微指令 设定

18、： Cy=1 下一条微指令的地址是 0000 ,Cy=0 下一条微指令的地址是 0001。 若：Cy=0 那么下一条微指令的地址是 0001。29LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制顺序控制023456789101112131415161718192021222301000100100100000000000 操作控制部分发出四个微命令：R2 X，R3 Y，LDR2 完成 R2 R3 R2微指令的顺序控制部分直接给出 下一条微指令的地址为0000 ,按该地址取出的微指令是“取指”微指令。按照0

19、001这个微地址读出的第四条微指令第四条微指令若：第三条微指令进行测试 时 Cy=1 那么微地址仍保持为 0000， 将不执行第四条微指令而直接由第三条微指令转向公操作。305.4.4 CPU周期与微指令周期的关系微指令周期：等于读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。T1T2T3T4T1T2T3T4执行微指令微指令周期微指令读CPU周期CPU周期CPU周期与微指令周期的关系31微命令寄存器 控 制 存储器 地址译码微地址寄存器指令寄存器 IR地址寄存器AR程序计数器PC 地址译码数据缓冲寄存器DROP+1微命令1、一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由 若干条微指令序列组成的。2、从指

20、令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应来看，前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。3、指令周期中的每一个CPU周期对应着一条微指令。5.4.6 机器指令 与 微指令 的 关系320 1 2 34567891011RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset要求：用二进制代码写出如下指令的微程序（1） “ADD R0，R1”（2） “SUB R2，R2”（3）”MOV R2，R3”33ALUm2m1读ROM2us500ns1 us1个微指令周期ALU SA SB 4个通用寄存器RA0RA1RA0RA1读选择写选择RWLDSALDSB16位16位S

21、B-ALUSB-ALU16位Rseet（1） “ADD R0，R1”（2） “SUB R2，R2”（3）”MOV R2，R3”34 测试 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SB0 SBSA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 码ADD1. 00XX101000002. 01XX100100003. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006. XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX11010010111 0 X X10100000RA0 RA1WA

22、0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetX X 1 101001011RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetALU SA SB 4个通用寄存器RA0RA1RA0RA1读选择写选择RWLDSALDSB16位16位SB-ALUSB-ALU16位RseetMOV R2 , R3 指令 (R2)+(R3) R335 测试 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SB0 SBSA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 码ADD1. 00XX101000002. 01XX1001000

23、03. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006. XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX11010010110 0 X X10100000RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset0 1 X X10010000RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetALU SA SB 4个通用寄存器RA0RA1RA0RA1读选择写选择RWLDSALDSB16位16位SB-ALUSB-ALU16位RseetADD R0 , R1 指令 完成 (R0)

24、+(R1) R136 测试 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SB0 SBSA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 码ADD1. 00XX101000002. 01XX100100003. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006. XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX1101001011X X 0 101001001RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset0 1 X X10010000RA0 RA1WA

25、0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetALU SA SB 4个通用寄存器RA0RA1RA0RA1读选择写选择RWLDSALDSB16位16位SB-ALUSB-ALU16位RseetADD R0 , R1 指令 完成 (R0)+(R1) R137 测试 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SBR2 SASA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 码ADD1. 00XX101000002. 01XX100100003. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006.

26、 XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX11010010110 1 2 34567891011RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset38设计微指令结构应当追求的目标 5.5 微程序设计技术（1）有利于缩短微指令字长度；（2）有利于减小控制存储器的容量；（3）有利于提高微程序的执行速度；（4）有利于对微指令的修改；（5）有利于微程序设计的灵活性。学生教师39 5.5.1 微指令编码 微指令编码：对微指令中操作控制字段采用的表示方法。通常有三种方法：（1）直接表示法 特点：操作控制字段中的每一位代表一个微指令。优点：简单直观

27、，其输出直接用于控制。缺点：微指令字较长，使控制存储器容量较大。字段1字段2P字段下一个微地址顺序控制顺序控制译码译码译码微指令P1P2Pn 字段直接译码法直接表示法、编码表示法、混合表示法 40（2）编码表示法 编码表示法：把一组互斥性的微指令信号组成一个小组（即一个字段），然后通过小组译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。特点：可用较少的二进制信息位表示较多的微指令 信号。优点：可使微指令字大大缩短。缺点：由于增加了译码电路，使微程序的执行速 度变慢。（3）混合表示法 把直接表示法与字段编码法相混合使用。3：8 译 码 XXX指令字段微指令信号415.5.2 微地址的

28、形成方法产生后继微地址有如下三种方法：1.计数器方式：单。但多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活 性较差。在顺序执行微指令时，后继微地址由现行微地址加上增量来产生。在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式，使现行微指令执行后，转去执行指定后继微地址的下一条微指令。在这种方法中，微地址寄存器通常改为计数器。 为此，顺序执行的微指令序列就必须安排在控制存储器的连续单元中。特点：微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简422.增量方式与断定方式结合：微指令顺序控制部分分为：条件选择字段和转移地址字段。MUXPC控制存储器CMIR外部条件外部地址转移地址打入条件选择控制字段（可编码）433.多路转移方式：多路转移：一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。例如：“取指”微指令根据操作码OP产生多路微程序分支而形成多个微地址。在多