计算机原理信息

计算机原理信息第1页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.0计算机的硬件系统典型微机系统2第2页，共70页，2023年，2月20日，星期四数字逻辑基础补充3-时序逻辑触发器，时序逻辑电路3第3页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念一、控制器的功能：“指挥中心”正确且自动地连续执行指令即：向计算机各功能部件发出控制信号1.取指令2.分析指令3.执行指令4.控制程序和数据的输入与结果的输出5.对异常情况和某些请求的处理4第4页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念二、控制器的组成指令部件时序部件微操作序列形成部件中断控制逻辑5第5页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念操作码地址码IR指令译码器地址形成部件微操作

信号发生器微操作命令序列时钟节拍发生器中断控制逻辑状态寄存器中断请求指令结束I/O状态信息控制台信息运行状态程序计数器PC6第6页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念控制器基本组成框图（图6.3）前页7第7页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念1、指令部件（1）PC程序计数器：存放指令地址，有+1或接收新值功能

PC位数与MAR位数一致

程序开始时，PC内容为程序在内存的首地址

顺序执行，PC内容不断加“1”

非顺序时，PC指向目标地址（2）IR指令寄存器：

存放当前正在执行的指令内容（OP与OA）8第8页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念（3）ID指令译码器：

将指令中的OP部分译码，分析是什么操作（4）地址形成部件：

指令OA中给出的是形式地址，由寻址方式经过运算得出有效地址2、时序部件（1）脉冲源（2）启停控制逻辑（3）节拍信号发生器按需要给出脉冲信号9第9页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念3、中断控制逻辑用来处理中断的硬件电路4、微操作序列形成部件微操作：最基本的、不可再分解的操作。

例如：打开一个逻辑门微操作信号发生器：

输入：ID译码得出的控制操作信号、

时序信号、

功能部件返回的状态信号和条件信号

输出：完成该指令所需的微操作控制信号10第10页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.1控制器的基本概念三、控制器的分类（实现）：根据微操作信号发生器的实现方法不同来分：组合逻辑控制器

快，可修改性差微程序控制器

设计规整，可修改；速度慢PLA控制器

前两者的综合11第11页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.2时序系统与控制方式一、三级时序系统——M、T、P1、指令周期：

取出一条指令到该指令执行完所需要的时间。不同指令的指令周期不相同2、机器周期（CPU周期）：

把指令周期分成取指周期、执行周期等若干机器周期。

12第12页，共70页，2023年，2月20日，星期四多级时序信号之间的关系三级时序信号之间的关系

13第13页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.2时序系统与控制方式1)不同指令所包含的机器周期数可能不同2)为了控制简单，规定每个M一样长∵CPU访问主存的时间最长∴以主存的工作周期（存取周期）规定机器周期的大小14第14页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.2时序系统与控制方式3、节拍T：（时钟周期）

把机器周期分成若干个时间相等的节拍，每个节拍完成一个基本操作。

如：ALU一次运算、寄存器间一次传送等。15第15页，共70页，2023年，2月20日，星期四4、工作脉冲P：二、时序信号的产生例计数器变化规律：00→01→10→11→00。。。6.2时序系统与控制方式T0T1T2T3P16第16页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.2时序系统与控制方式三、控制方式1、同步控制方式（固定时序控制方式）：

统一的时序控制，以最复杂指令的操作时间作为统一的时间间隔标准优点：设计简单，容易实现

缺点：大多数简单指令空闲时间多，速度降低2、异步控制方式（“应－答”方式）：

例如：CPU发出存储器Read信号,——“启动”

MEM读结束后，发出MFC信号——“结束”17第17页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.2时序系统与控制方式3、联合控制方式（同步＋异步的混合方式）：

功能部件内部——同步控制

功能部件之间——异步控制例如：CPU内部——同步

CPU与外设或主存——异步优点：没有时间浪费，速度提高

缺点：控制复杂18第18页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程系统总线

ABCBDBMI/O内总线控制部件时序寄存器MARMDRALUPSWPCIRYZ19第19页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程一、寄存器的设置：1、通用寄存器：2、专用寄存器：存放特定的内容MAR、MDR、PC、IRPSW：例如8086的PSW为16位，用到9位OFDFIFTFSFZFAFPFCF024678910111520第20页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程总线特点：同一个时刻只能有一个发送端，但可以有多个接收端实现方法：三态门控制端输入输出控制信号＝“1”时，门打开，输出＝输入

控制信号＝“0”时，门关闭例如：（R0）→R1，

因为通过总线传送，控制信号R0out＝1可将R0内容送到总线上，此时令控制R1in＝1，可使R1的接收门打开，完成（R0）→R121第21页，共70页，2023年，2月20日，星期四习题3.27A,B是两个D型边沿寄存器1）外部数据如何才能传送到B2)如何实现A+BA,A+BB3)若A,B均为锁存器，有什么影响22第22页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程一个简单的3+2执行过程23第23页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程二、指令的执行过程：取指令→分析指令→执行指令1、取指令：即((PC))→IR

(PC)

→AB 发READ命令

指令内容→DB→IR

(PC)＋1→PC2、分析指令：IR中的OP部分送至ID中3、执行指令：由控制逻辑发出微操作控制序列，完成指令功能24第24页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程以下一条加法指令为例：

功能:(rs)+((rs1)+disp)→rd操作码rs，rdrs1Imm(disp)需要完成以下操作（每组操作需要一个机器周期）1.取指令（并分析指令）2.计算数据地址3.到存储器取数4.运算并送结果25第25页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程26第26页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.3指令的执行过程图1.取指令：即((PC))→IR

PC→AB;发READ命令;

指令内容→DB→IR;(PC)＋1→PC2.计算地址：rs1→GR,(rs1)→ALU,disp→ALU;“+”;ALU→AR3.取数：AR→AB;发READ命令;DB→DR;4.运算：rs→GR,(rs)→ALU,DR→ALU;“+”;ALU→rd，置状态位27第27页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器一、时序与节拍一条指令的实现可分为取址、取数等若干步，执行一步所需时间为一个机器周期。可用计数器译码器电路或循环移位寄存器实现机器周期的区分。CY1-4在对应的机器周期内为有效28第28页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器二、操作控制信号的产生1.操作控制信号的形成逻辑操作码译码器：将操作码输入，每根输出线表示一条指令，任何时刻只有一根有效。2.操作控制信号的组合产生组合逻辑电路（与、或、非等门电路组合）29第29页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器3、操作控制信号的产生（以加法指令为例）1）在取指令CPU周期（CY1）所需的控制信号可由指令译码与CY1组合即：PC→AB=ADD·CY1

…DB→IR=ADD·CY1PC+1=ADD·CY1注：a：此时指令尚未取出b：对任一条指令取指命令相同因此：CY1即可决定此控制信号，例：PC→AB=ADD·CY1可改为PC→AB=CY1

30第30页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器3、操作控制信号的产生（以加法指令为例）2）对加法指令的CY2、CY3、CY4等阶段出现的控制命令依次进行分析。例：RS1→GR=ADD·CY2

“+”=ADD·CY2ALU→AR=ADD·CY2AR→AB=ADD·CY3;

“+”=ADD·CY4ALU→rd=ADD·CY4对其他指令用同样的方法对各个阶段的命令进行分析。例“+”=SUB·CY231第31页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器3、操作控制信号的产生（以加法指令为例）2）（接前页）将同一控制信号在若干条指令的某些周期中所需要的组合起来。“+”=ADD·（CY2+CY4）＋SUB·CY2＋JMP·CY2＋…为操作码译码的输出与时序信号经“与、或、非”等门电路的组合。3）同类型的指令控制信号大部分相同，少量不同。不同类型指令，控制信号的差异较大。例：整个算术逻辑运算仅ALU的操作命令等少量有差异32第32页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器3、操作控制信号的产生（以加法指令为例）4）在确定操作码时，一般令同类指令的一部分操作码相同，以便化简。例：8位操作码，0001111表示加法指令，0010111表示减法指令。。。，且算术逻辑指令的低三位均为111。设某条命令A在所有的算术逻辑指令中都需要，则：A=ADD·CY2＋SUB·CY2＋逻辑加·CY2＋···=（ADD+SUB+逻辑加+···）CY2=OP2·0P1·OP0·CY233第33页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器4。控制器的组成34第34页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.5组合逻辑控制器4。控制器的组成1）程序计数器和中断控制逻辑PC的四个输入来源：开机时顺序执行时程序转移时响应中断时2）译码器3）硬布线逻辑的实现可由PLA、PAL和GAL等具有两极门电路的电路实现。其中第一级为与门、第二级为或门。back35第35页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器一、微程序控制的基本概念

1951英剑桥大学威尔克斯Wilkes提出组合逻辑控制器的优点：速度快缺点：设计的规整性差、可修改性差（不灵活）6.4.1基本工作原理基本思想：

用软件的方法来实现控制器36第36页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器

将机器指令的操作（从取指到完成）分解成微命令序列，用二进制代码表示这些微命令，并编成微指令（控制字），再形成微程序，存放在控制存储器（CM）中。一条机器指令与一段微程序对应

从控存中取出微指令就产生微命令，每段微程序的执行结果就是实现了一条机器指令的功能微程序控制解决了组合逻辑控制器带来的规整性和修改性的问题37第37页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器二、基本术语

微操作——最小的、不可再分解的操作。

e.g.打开一个逻辑门

微命令——微操作的控制信号

e.g.打开一个逻辑门的电位信号38第38页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器(2)微指令——若干微命令的组合，把数据通路中的所有控制信号用一个二进制状态字（控制字、微指令）表示。

编码的每一位代表了一个控制信号，控制实现一步操作，全部指令的控制字放在控存中控存中一个单元的内容——一条微指令控存中一个单元的地址——微地址

(3)微周期——从CM中取出一条微指令并执行相应的微操作所需要的时间

39第39页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器微指令格式控制字段下址字段微操作码字段

产生某一步操作需要的各微操作控制信号微地址码字段

用以控制产生下一条微指令所在的地址(4)微程序——一系列微指令的有序集合

一段微程序对应一条机器指令微程序与控制存储器——微程序控制级，机器设计者

工作程序与主存储器——传统机器级，用户40第40页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器三、微程序控制器的组成和工作原理命令主存地址指令寄存器IROPOA微地址形成部件微地址寄存器控存CM微指令寄存器控制字段下址字段微命令41第41页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器四、举例：仍以加法指令为例（含四条微指令,每条的控制信号同时发出）42第42页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器假设例中共23条控制信号（见表6.1），微指令格式如下加法指令的四条微指令编码如下：当前正在执行的微指令从控制存储器取出后放在微指令寄存器中，寄存器的各个控制位的输出直接连到各个控制门上，进行控制。43第43页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器微程序流程如下：44第44页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器工作原理：1）根据操作码进行译码，得到相应指令的第一条微指令地址。2）由微指令的下址字段指出下一条微指令的地址。3）控制字段的输出直接控制相关门45第45页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器1、执行“取机器指令”公共操作从CM的0号单元取出一段“取机器指令”用的微程序逐条送到IR中。

该微程序的微操作控制字段产生有关控制信号，完成从主存中取出一条机器指令并送到IR中。((PC))→IR2、IR中的OP通过微地址形成部件，产生该机器指令对应的微程序入口地址，送往MAR中。五、微程序控制计算机的工作过程小结46第46页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器3、根据入口地址，访问CM，从CM中取出对应微程序的一条微指令，

其控制字段产生一组微命令有关操作，由顺序控制字段形成下一条微指令地址，读取下一条微指令。4、一条机器指令对应的微程序执行完后，返回到“取机器指令”用的微程序入口地址，以便读取下一条机器指令并执行。控制字段下址字段指令系统固定→微程序固定47第47页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制控制器一、微指令编码法1、直接控制法：(不译码法)

微操作控制字段的每一位代表一个微命令优点：简单直观，输出直接用于控制

缺点：微指令字长太长，控制存储器容量大2、最短编码法：微指令字长最短

将所有的微命令统一编码，每一条微指令只定义一个微命令。控制字段下址字段6.4.2微程序设计技术48第48页，共70页，2023年，2月20日，星期四优点：微指令字长短

缺点：需要一个复杂的微命令译码器

指令的并行性降低，微程序很长3、字段编码法：折衷方案

将操作控制字段分成小段，

段内——最短编码，段间——直接控制法6.4微程序控制控制器微命令总数为N，操作控制字段长度为L，

L≥㏒2N49第49页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制控制器（1）字段直接编码法

显式编码、单重定义编码法译码器译码器译码器微命令操作控制字段AB…下址字段各字段可以独立地定义本字段的微命令，和其他字段无关。优点：采用较少的二进制位表示较多信息，使字长↓

缺点：译码使得执行速度↓50第50页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制控制器（2）字段间接编码法

隐式编码、多重定义编码法——进一步缩短字长译码器译码器译码器微命令操作控制字段AB…下址字段一个字段某些编码需要和其他字段配合才能定义某些微命令。51第51页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器52第52页，共70页，2023年，2月20日，星期四分段原则：互斥性的微命令在一段，相容性的不能一段与数据通路对应每小段包含位数不能太多一般每小段要留一位状态位，表示不发出任何微命令6.4微程序控制器53第53页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器二、微程序入口地址的形成控制字段下址字段初始微地址的形成

取出机器指令后，由OP指出微程序的首地址

（初始微地址、入口地址）微程序也有顺序、分支、转移、循环等各个指令的入口地址形成一张入口地址表

操作码OP可以直接与入口地址的一部分对应54第54页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器例如：

机器指令共8条，用3位表示

000——MOV指令，入口地址A

001——ADD指令，入口地址B

111——XXX指令，入口地址H

MOV微程序

ADD微程序

XXX微程序A→B→H→GOTOAGOTOB假设GOTO指令需要四个字节00000

0010011100OP55第55页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器三、后继微地址的形成

每条微指令执行完毕后根据要求形成后继地址（1）增量方式：（顺序—转移型）PC

这种方式同PC产生机器指令地址很相似顺序执行微指令时，后继地址由PC＋“1”形成遇到转移时，后继地址由PC与形成转移微地址的逻辑电路组合给出则下址字段仅起选择作用56第56页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器三、后继微地址的形成

（1）增量方式：uPC的四个输入对应四种状态，下址选B、C、DA：复位时B：不同指令的入口地址C：顺序执行时D：

转移时优点：微地址产生机构简单

缺点：速度慢，灵活性差57第57页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器（2）增量与下址字段结合产生后继微地址

58第58页，共70页，2023年，2月20日，星期四

控制字段下址字段

BCFBAF6.4微程序控制器BCF（转移控制字段）:

条件选择：见表6.2如001时判断是否结果为0BAF转移地址字段：

给出条件结果满足时的后继地址PC的内容：复位时，第一条指令的第一条微指令地址由机器提供（微程序入口）BCF=7时，由操作码形成微地址，译码→PCBCF为1、2、3、4，对应三条条件、一条无条件转移指令：满足时BAF→PC；不满足则PC加1BCF为5：转微子程序（PC）→RR；BCF为6时：返回59第59页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器（3）多路转移方式A：根据操作码不同，产生不同的后继微地址。用MAPROM，操作码为地址，其内容为入口地址B：根据硬件状态不同决定后继微地址（4）微中断四、微指令格式设计原则：应该缩短微指令字长，减少微程序长度，使得速度提高60第60页，共70页，2023年，2月20日，星期四6.4微程序控制器（1）水平型微指令：

一条微指令定义并执行多个并行操作的微命令。优点：能充分利用数据通路的并行结构，使得微程序缩短，执行速度加快缺点：指令字长↗，CM容量↗，机器指令与微