计算机组织与结构-第二章第四讲ppt课件

1、1 第二章 指令系统2 第二章 第二章 指令系统2.1 指令格式2.2 寻址方式2.3 指令种类2.4 精简指令系统RISC2.5 指令系统的优化与开展2.6 指令的执行过程与控制2.7 微程序控制器2.8 中断系统 3主要内容 根本概念微程序控制器微指令的格式与编码微程序设计技术2.7 微程序控制器42.7 微程序控制器计算机控制部件执行部件运算器存储器外设执行控制命令并经过反响线反响形状信息控制部件执行部件控制线反响线控制部件与执行部件经过控制线和反响信息进展联络。控制器经过控制线发出控制命令5微程序控制器的根本思想：仿照通常的解题程序方法，把操作控制信号编成 微指令存放在只读存储器里，当

2、机器运转时，逐条地读出这些微指令，从而产生全机所需求的各种微操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。微程序控制器的优点具有规整性灵敏性可维护性 2.7 微程序控制器62.7 微程序控制器1微命令和微操作Micro-order1微命令控制部件向执行部件发出的各种控制命令。2微操作执行部件接受微命令后进展的操作最根本、最简单的操作。3)微操作类型相容性 :在同时或同一CPU周期内可并行执行的操作相斥性 :不能在在同时或同一CPU周期内可并行执行的操作一、根本概念7简单运算器数据通路图(P176) 2.7 微程序控制器相斥相斥1、2、3相容4 、 6 、 8与5、7、9也是相容的相斥82微指令Mic

3、roinstruction和微程序1微指令在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。2微程序实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。3微指令的构成操作控制字段 + 顺序控制字段2.7 微程序控制器93、微指令根本构造 1) 操作控制部分 发出管理和指挥全机任务的控制信号。2) 顺序控制部分 决议产生下一条微指令的地址。2.7 微程序控制器10微程序微指令微命令微操作的关系 2.7 微程序控制器11二、微程序控制器组成原理图2.7 微程序控制器2.7.1 微程序控制器121.控制存储器CM 作用：用来存放实现全部指令系统的微程序 操作：只读 要求：是速度快，读出周期要短

4、。 2.微指令存放器IR作用：用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。 组成：微命令存放器+微地址存放器AR3.地址转移逻辑 作用：当需求转移时，根据机器指令的操作码字段OP和形状条件及P字段实现对AR的修正。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，即微地址，这个微地址信息就存放在微地址存放器中。假设微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址存放器给出。2.7 微程序控制器131.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由假设干条微指令序列组成的。2.从指令，程序与地址与内存储器有关;微程序，微指令与微地址与控制存储器有关。3. 每一个CPU周期对应一条微指令机器指令

5、与微指令的关系14三、微程序举例“十进制加法指令的微程序控制过程1、执行“取指微指令，取出“十进制加法 指令2.7 微程序控制器LDAR (uIR16): (PC)ARRD (uIR13) : 读内存LDDR (uIR14) : 指令DRLDIR (uIR15) : (DR)IRPC1uIR17: (PC)+1PCP1(uIR18): 允许用OP作为下一微地址，即微程序入口设十进制加法指令OP10102.7.1 微程序控制器595910152、执行“十进制加法指令的微程序11010微指令 R1x ，R2y，LDR2 完成R1R2R22.7 微程序控制器595910162、执行“十进制加法指令的

6、微程序21001微指令 R2x，R3y，LDR2 完成R2R3R2 P2测试Cy Cy0，1 uAR0，0001为下一微地址 Cy1，0000为下一微指令59592.7 微程序控制器173Cy0，0001微指令 R2x，R3y，LDR2 完成R2R3R259952.7 微程序控制器182.7 微程序控制器000010101001000119四、微程序控制的计算机的任务过程1、执行取指微指令，依PC从内存读出指令，由操作码经地址转移逻辑构成执行该指令的微程序入口地址uAR；2、根据uAR从CM中读出微指令uIR；3、微命令控制字段经译码产生微命令，送各功能部件执行；4、由转移逻辑构成下一微地址u

7、AR可见：234234的循环过程就是微程序的执行过程。2.7 微程序控制器2.6.1 微程序控制器20例. 设某计算机运算器框图如图(a)所示，其中ALU为16位的加法器(高电平任务)，SA,SB为16位暂存器。R0R3为四个通用存放器，其读、写控制功能见下表。2.7 微程序控制器21SB-ALU：传送SB的控制信号,并使加法器最低位加1. Reset：清暂存器SB为零的信号 ：一段微程序终了，转入取机器指令的控制信号要求：用二进制代码写出如下指令的微程序： (1)“ ADD R0，R1 指令，即(R0)+(R1)R1(2)“ SUB R2，R3 指令，即(R3)-(R2)R3(3)“ MOV

8、 R2，R3 指令，即(R2)(R3)RA0 RA1：读R0-R3的选择控制WA0 WA1：写R0-R3的选择控制R： 存放器读命令W：存放器写命令 LDSA：打入SA的控制信号 LDSB：打入SB的控制信号 SB-ALU：传送SB的控制信号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 112.7 微程序控制器22【解】先画出三条指令的微指令的微程序流程图，如以下图所示。每一框表示一条微指令。 根据微指令周期时间关系，完成ADD，SUB指令的执行动作需求3条微指令，MOV指令只需2条微指令。用二进制代码写出的三条指令的微程序列。2.7 微程序控制器0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

9、 11232.7 微程序控制器0 0 * * 1 0 1 0 0 0 0 00 1 * * 1 0 0 1 0 0 0 0* * 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1242.7 微程序控制器1 1 * * 1 0 1 0 0 0 0 01 0 * * 1 0 0 1 0 0 0 0* * 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1252.7 微程序控制器1 0 * * 1 0 1 0 0 0 0 0* * 1 1 0 1 0 0 1 0 1 126R0，R1R2，R3R2，R3R0-SAR1-SB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1

10、1SA+ SB -R1R3-SAR2-SBSA- SB -R3R2-SA0-SB ,SA+ SB -R32.7 微程序控制器272.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器 微程序设计的关键：确定微指令的构造。一、设计微指令构造的目的：1、有利于缩短微指令字长度；2、有利于减少CM的容量；3、有利于提高微程序的执行速度；4、有利于微指令的修正；5、有利于微程序设计的灵敏性。282.6.2 微程序设计技术二、微命令编码对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。1、直接表示法直接控制法，不译法操作控制字段中的每一位表示一个微命令。每一个二进制位表示一个微命令优点：简单，直观，快速。缺陷：微指令字太

11、长，位信息利用率低。2.7 微程序控制器292.7.2 微程序设计技术二、微命令编码对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。2、编码表示法字段编码法将微命令分段编码，经简单译码产生微命令。优点：微指令字长适中，译码器不庞大，能实现并行操作，速度较快2.7 微程序控制器分段原那么：A、相容相斥原那么B、每个字段的位数不能太多24位。30简单运算器数据通路图(P176) 2.7 微程序控制器相斥相斥1、2、3相容4 、 6 、 8与5、7、9也是相容的相斥31二、微命令编码2、编码表示法字段编码法 (续 A、字段直接译码法字段显式编码法 微命令由字段本身的编码确定。 n个字段的微命令总数： 式中：

12、Xj第j个字段包含的二进制位数 n 字段数 2.6.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器322.7.2 微程序设计技术B、字段间接法字段隐式编码法字段的含义需由字段本身的编码和另一字段或某特征触发器的形状共同确定。字段A译码后输出一个信号到字段B字段是把一个特征触发器的形状送译码，如给运用，给通道运用益处：可进一步缩短微指令字长2.7 微程序控制器332.6.2 微程序设计技术二、微命令编码3、混合表示法把直接表示法和编码表示法相混合运用2.7 微程序控制器34构成下条微指令地址简称下地址能够有以下五种情况：下地址为本条微指令地址加1；微程序必转某一微地址，可在微指令中给出该微地址值；根据形

13、状标志位，选择顺序执行或转向某一地址；微子程序的调用及前往控制，要用到微堆栈；根据条件判别转向多条微指令地址中的某一地址，比更复杂的情况。 三、微地址确实定方法 2.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器35三、微地址确实定方法1、无分支时微地址确实定A、计数器方式 设置一个微指令计数器，也可以由控制存储器的地址存放器添加计数功能来完成，每执行一条微指令后，加上一个增量构成下条微指令地址。B、断定方式 直接由微指令的顺序控制下址字段给出。 特点：微指令存放位置灵敏，不需uPC。2.6.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器362、有分支时微地址的确定方式A、计数器方式与断定方式结合不转移时

14、微地址由uPC确定；转移（条件选择满足）时，按转移地址取下一微指令B、多路转移方式一条微指令具有多个转移分支功能的能力称为多路转移。2.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器37四、微指令格式1、程度型微指令 一次能定义并执行多个并行微命令操作的微指令。控制字段判别测试字段下地址字段1) 全程度型不译法微指令2) 字段译码法程度型微指令3) 直接和译码相混合程度型微指令2.6.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器38微操作码源部件编址目标部件编址其它15 13 12 87 3 2 015 13 12 87 3 2 02、垂直型微指令设置微操作码经编译规定微指令功能的微指令。 例：1) R

15、R传送型微指令 2) 运算控制型微指令0 0 0 源寄存器编址目标寄存器编址其 它0 0 1 左输入源编址右输入源编址A L U2.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器394)条件转移微指令 3)访问主存微指令2.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器403、程度型与垂直型微指令的比较1) 程度型微指令并行操作才干强。效率高，灵敏性强，垂直型的较差；2) 程度型微指令执行一条指令的时间短，垂直型的长；3) 程度型微指令字比较长，但微程序短，垂直型的那么相反；4) 程度型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令较类似，较易掌握 2.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器412、并行

16、执行方式 访问CM的操作与执行微指令的操作是重叠进展的。优点：缩短了微周期速度快缺陷：控制构造较复杂，必需处理好微指令的转移问题，2.7.2 微程序设计技术2.7 微程序控制器422.8 中断系统1、中断：程序运转过程中，由于出现某种特殊情况，中止现行程序，转去执行处置这一事件的程序，处置终了后再恢复原运转程序，这个过程叫作中断。2.8.1 根本概念 2、为什么要有中断？可以使CPU与输入输出并行任务； 缺点处置的功能；多机之间的联络；人与机器间的联络。433、中断源：引起中断的各种事件称为中断源。2.8 中断系统442.8 中断系统2.8.2 中断的种类：1. 按中断产生的方式分类： 自愿中

17、断 强迫中断随机中断2.按照中断恳求的来源与缘由分类： 内部中断 外部中断3. 按照CPU对中断的呼应形状分类： 屏蔽中断 非屏蔽中断452.8.3 中断的处置过程中断优先级排队中断屏蔽中断呼应中断处置2.8 中断系统461、中断优先级排队中断优先级：当CPU正在处置中断时，能呼应更高级别的中断恳求，而屏蔽掉同级或较低级别的中断恳求。 单级中断处置和多级中断处置：单级中断处置不允许其他设备再中断CPU的程序；多级中断处置允许优先级高的中断打断优先级低的中断效力程序。2.8 中断系统2.8.3 中断的处置过程47同时中断恳求的处置方法a单级中断处置b多级中断处置2.8 中断系统482.8 中断系

18、统2.中断屏蔽 封锁中断源的中断恳求功能。 -为什么要屏蔽? 1)决议设备能否采用中断方式任务。2)为能动态改动中断的处置次序,需求屏蔽技术。2.8.3 中断的处置过程492.8 中断系统2.8.3 中断的处置过程3、中断的处置次序 经过中断屏蔽位的设置，可改动或保证中断的处置次序。按1-2-3-4处置顺序的中断屏蔽位设置中断处置次序为1234的处置过程 512.8 中断系统2.8.3 中断恳求的排优与处置次序3、中断的处置次序按1-4-3-2处置顺序的中断屏蔽位设置中断处置次序为1432的处置过程 534、中断呼应：CPU中止现行程序的执行,转向中断效力程序的过程。 -CPU呼应中断的条件：CPU处于允许(开放)中断的形状； 至少有一个中断源恳求中断； 通常一条指令执行完。2.8.3 中断的处置过程2.8 中断系统545、中断呼应与处置 接纳中断恳求(硬件完成 进入中断处置程序(硬件完成 中断现场保管(软件完成 对中断恳求进展分析和处置(软件完成 前往中断点(软、硬件完成2.