计算机组成原理(唐朔飞高教第2版)(9-10章)教学教材

计算机组成原理(唐朔飞高教第2版)(9-10章)二、间址周期M(MAR)MDR1RAd(IR)MARMDRAd(IR)指令形式地址MAR9.1MDRCUMARCPU地址总线数据总线控制总线IR存储器三、执行周期1.非访存指令(1)CLA

清A(2)COM

取反(4)CSL

循环左移(3)SHR

算术右移(5)STP

停机指令0ACCACCACCL(ACC)R(ACC),ACC0ACC0R(ACC)L(ACC),ACC0ACCn0G9.12.访存指令Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCAd(IR)

MAR1WACCMDRMDRM(MAR)STAXADDX(2)存数指令(1)加法指令9.1(3)取数指令Ad(IR)

MAR1RM(MAR)

MDRMDRACC3.转移指令(1)无条件转(2)条件转移Ad(IR)

PCA0•Ad(IR)+A0(PC)PCLDAXJMPXBANX（负则转）9.14.三类指令的指令周期取指周期执行周期取指周期执行周期取指周期执行周期取指周期间址周期执行周期非访存指令周期直接访存指令周期间接访存指令周期转移指令周期9.1取指周期间址周期执行周期间接转移指令周期四、中断周期程序断点存入“0”地址程序断点进栈0

MAR1WPCMDRMDRM(MAR)向量地址PC0EINT（置“0”）0EINT（置“0”）向量地址PCMDRM(MAR)PCMDR1W中断识别程序入口地址MPC9.1(SP)1

MAR9.2控制单元的功能一、控制单元的外特性指令寄存器控制单元

CU…时钟标志CPU内部的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线1.输入信号(1)时钟(2)指令寄存器(4)外来信号(3)标志CU受时钟控制控制信号与操作码有关OP(IR)CUCU受标志控制INTR中断请求HRQ总线请求一个时钟脉冲发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令如9.22.输出信号(1)CPU内的各种控制信号(2)送至控制总线的信号Ri

Rj(PC)+1PCINTAHLDA访存控制信号访IO/

存储器的控制信号读命令写命令中断响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU＋、－、与、或……9.2二、控制信号举例PCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号C0C1C2C3C4取指周期以ADD@X为例PCIRCU9.21.不采用CPU内部总线的方式PCPCPC

MDR

MAR

MDR

MARPCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号

MDR

MAR二、控制信号举例1.不采用CPU内部总线的方式C1C2C3C5ADD@X间址周期IR9.2

MDR

MDR

MARPCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号

MDR

MAR二、控制信号举例1.不采用CPU内部总线的方式C1C2C5ADD@X执行周期C7C6C8ACALU…控制信号9.2

MDR

MAR

MDRMDRMDRCU(1)ADD@X取指周期

PC

CU

发读命令1R

MDROP（IR）（PC）+1PCIRPCMARAC

YALUZ…控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO…数据线数据线控制信号CPU

内部总线时钟2.采用CPU内部总线方式地址线地址线MARMDRIRCU9.2IRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2)ADD@X间址周期

MDR1R

MDR有效地址

Ad（IR）MDROMDRO数据线数据线时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号…控制信号CPU

内部总线MDRIRMARi

MARi地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址MAR

9.2CU时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号CPU

内部总线MDROMDRO(3)ADD@X执行周期1R

MDR

Z

AC（AC）+（Y）

MDR控制信号…MARMDR地址线地址线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi

YALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZOZOACiACiACACACACMARi

MARiALUAC9.2CU三、多级时序系统1.机器周期(1)机器周期的概念(2)确定机器周期需考虑的因素(3)基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行步骤每一步骤所需的时间以完成最复杂指令功能的时间为准以访问一次存储器的时间为基准若指令字长=存储字长取指周期

=

机器周期9.22.时钟周期（节拍、状态）

一个机器周期内可完成若干个微操作每个微操作需一定的时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（节拍、状态、时钟周期）9.2用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令CLKT0T1T2T3时钟周期2.时钟周期（节拍、状态）

机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T39.23.多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期CLK机器周期机器周期机器周期

（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期（取指令）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2节拍(状态)节拍(状态)9.24.机器速度与机器主频的关系机器的主频f越快机器的速度也越快在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比机器速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含时钟周期（主频的倒数）数以及指令周期中所含的机器周期数有关9.2MIPS1MIPS2=f1f2四、控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式1.同步控制方式任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1)采用定长的机器周期以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准9.2机器周期内节拍数相同(2)采用不定长的机器周期机器周期机器周期（取指令）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2节拍(状态)机器周期机器周期（取指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长9.2机器周期内节拍数不等(3)采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍

T3T0T1中央控制节拍机器周期执行周期指令周期取指周期T0T1T2T39.2局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍…2.异步控制方式无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用应答方式3.联合控制方式4.人工控制方式(1)Reset(2)连续和单条指令执行转换开关(3)符合停机开关同步与异步相结合9.2五、多级时序系统实例分析1.8085的组成9.2A15~A8中断控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8）D（8）C（8）B（8）

指令译码和机器周期编码ALU定时和控制时钟控制状态DMA复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线I/O控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRDWRALEIO/MHLDAResetoutAD7~AD02.8085的外部引脚(1)地址和数据信号(2)定时和控制信号(3)存储器和I/O初始化A15~A8

AD7~AD0SIDSOD入X1X2入HOLDReady出

HLDA出CLK

ALES0S1

IO/M

RD

WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.2(4)与中断有关的信号(5)CPU初始化(6)电源和地出INTATrap重新启动中断入INTR入Resetin出ResetoutVCC+5VVSS

地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.23.机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系9.2T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PCoutPC+1InsIRXPCoutPC+1ByZZoutAPortIOPORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIOPORT3MHZCLKA15~A8AD7~AD0ALERDWRIO/M小结每个控制信号在指定机器周期的指定节拍T

时刻发出机器周期M1

取指令操作码机器周期M2

取设备地址机器周期M3

执行ACC的内容写入设备以一条输出指令（I/O写）为例9.2第10章控制单元的设计10.1组合逻辑设计10.2微程序设计10.1组合逻辑设计一、组合逻辑控制单元框图1.CU

外特性IR节拍发生器CUT0T1Tn…CLK（机器主频）…标志012n-1…C0C1Cn操作码译码n

位操作码

2.节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1

二、微操作的节拍安排采用

同步控制方式CPU

内部结构采用非总线方式一个

机器周期

内有

3

个节拍（时钟周期）10.1PCIRACCU时钟ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号标志控制信号

MDR

MAR

1.安排微操作时序的原则原则一微操作的先后顺序不得随意更改原则二被控对象不同的微操作尽量安排在一个节拍内完成原则三占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍内完成并允许有先后顺序10.12.取指周期微操作的节拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原则二原则二原则三3.间址周期微操作的节拍安排M(MAR)MDRMDRAd(IR)T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R10.14.执行周期微操作的节拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC10.1④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0•Ad(IR)+A0•

PCPC10.15.中断周期微操作的节拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件关中断向量地址PC中断隐指令完成1W10.1三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII10.1间址特征三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0

IND间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND10.1间址周期标志T2T1T0EX执行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)

ACMDRM(MAR)MDRAC0AC三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表1W10.1三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0

IND间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND1111111111111111111110.1三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表T2T1T0EX执行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W111111111111110.12.写出微操作命令的最简表达式=FE

·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}10.13.画出逻辑图特点

思路清晰，简单明了

庞杂，调试困难，修改困难

速度快&&&11&&&&&≥1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&10.110.2微程序设计一、微程序设计思想的产生1951英国剑桥大学教授Wilkes完成一条机器指令微操作命令1微操作命令2微操作命令n…微指令110100000微指令n微程序00010010存储逻辑一条机器指令对应一个微程序…存入ROM二、微程序控制单元框图及工作原理1.机器指令对应的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序对应LDA操作的微程序对应STA操作的微程序间址周期微程序中断周期微程序10.22.微程序控制单元的基本框图

微地址

形成部件顺序逻辑CMAR地址译码控制存储器标志CLK下地址CMDR至CPU内部和系统总线的控制信号OPIR顺序控制操作控制微指令基本格式10.2二、微程序控制单元框图及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序对应

LDA操作的微程序对应STA

操作的微程序间址周期微程序中断周期微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM转执行周期微程序…转取指周期微程序…10.2×××3.工作原理LDAXADDYSTAZ主存STP用户程序10.2控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1…取指周期

微程序对应

LDA操作的微程序对应ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………对应STA

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1×××3.工作原理(1)取指阶段MCMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令形成下条微指令地址Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令M+1M+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR100001M+1M…010010M+2M+1…形成下条微指令地址执行取指微程序10.20010000M+2…×××(2)执行阶段CM(CMAR)CMDR由CMDR发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR发命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2…M执行LDA微程序形成下条微指令地址P+1形成下条微指令地址P+2形成下条微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+1…0001001P+1P…10.2(3)取指阶段CM(CMAR)CMDR由CMDR发命令MCMARPCMAR1R全部微指令存在CM中，程序执行过程中只需读出关键微指令的操作控制字段如何形成微操作命令微指令的后续地址如何形成执行取指微程序…10.2100

001M+1M…三、微指令的编码方式（控制方式）1.直接编码（直接控制）方式在微指令的操作控制字段中，

每一位代表一个微操作命令速度最快下地址…控制信号操作控制某位为“1”表示该控制信号有效10.22.字段直接编码方式将微指令的控制字段分成若干“段”，每段经译码后发出控制信号每个字段中的命令是互斥的译码…译码…译码…下地址操作控制控制信号缩短了微指令字长，增加了译码时间微程序执行速度较慢10.2显式编码3.字段间接编码方式4.混合编码直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用5.其他…字段1…字段2译码译码译码…操作控制控制信号…字段n下地址……控制信号10.2隐式编码四、微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出2.根据机器指令的操作码形成3.增量计数器4.分支转移(CMAR)+1CMAR转移地址操作控制字段

转移方式转移方式指明判别条件转移地址指明转移成功后的去向10.25.通过测试网络6.由硬件产生微程序入口地址第一条微指令地址由专门硬件产生中断周期由硬件产生中断周期微程序首地址非测试地址h测试地址l测试网络……测试源微指令地址CMDR操作控制顺序控制HL10.27.后续微指令地址形成方式原理图地址选择+1CMAR地址译码下地址转移方式CMDR控制存储器…控制信号

分支

逻辑…标志微程序入口10.2OPIR

微地址

形成部件

多路选择五、微指令格式1.水平型微指令如直接编码、字段直接编码、字段间接编码、直接和字段混合编码2.垂直型微指令类似机器指令操作码的方式一次能定义并执行多个并行操作由微操作码字段规定微指令的功能10.23.两种微指令格式的比较(1)水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强

，

灵活性强(2)

水平型微指令执行一条机器指令所要的微指令数目少，速度快(3)

水平型微指令用较短的微程序结构换取较长的微指令结构(4)

水平型微指令与机器指令差别大10.2六、静态微程序设计和动态微程序设计静态微程序无须改变，采用ROM动态通过改变微指令和微程序改变机器指令，有利于仿真，采用

EPROM七、毫微程序设计1.毫微程序设计的基本概念微程序设计用微程序解释机器指令毫微程序设计用毫微程序解释微程序毫微指令与微指令的关系好比微指令与机器指令的关系10.22.

毫微程序控制存储器的基本组成

控制存储器（微程序）CMAR1MOPOP转移地址垂直型微指令IR+1CMDR1CMAR2

控制存储器（毫微程序）水平型微指令…控制信号CMDR210.2八、串行微程序控制和并行微程序控制取第i+1条微指令执行第

i

条微指令取第

i

条微指令执行第i+1

条微指令执行第i

条微指令取第i

条微指令取第i+1

条微指令执行第i+1

条微指令取第i+2

条微指令执行第i+2

条微指令串行微程序控制并行微程序控制10.2还需考虑如何读出这3条微指令?1.写出对应机器指令的微操作及节拍安排假设CPU

结构与组合逻辑相同(1)取指阶段微操作分析T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)微地址形成部件九、微程序设计举例1R若一个T

内安排一条微指令则取指操作需3条微指令3条微指令Ad(CMDR)CMAROP(IR)微地址形成部件CMAR10.2(2)取指阶段的微操作及节拍安排考虑到需要形成后续微指令的地址T0T1T2T3T4T51R(PC)+1PCOP(IR)微地址形成部件MARPCCMARAd(CMDR)MDRM(MAR)CMARAd(CMDR)IRMDR10.2CMAROP(IR)微地址形成部件(3)执行阶段的微操作及节拍安排考虑到需形成后续微指令的地址取指微程序的入口地址M由微指令下地址字段指出•非访存指令①CLA指令T0T1②COM指令T0T1Ad(CMDR)CMARACACCMARAd(CMDR)AC010.2④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.2•访存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMAR