計(jì)算機(jī)組成原理ThePrincipleofCompuerppt課件

1、1計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理the principle of computer 西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院（20072007年年3 3月）月）計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院26.1控制器概述控制器概述6.2控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)6.3cpu的總體結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)6.4模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)6.5組合邏輯控制器設(shè)計(jì)組合邏輯控制器設(shè)計(jì)6.6微程序控制器設(shè)計(jì)微程序控制器設(shè)計(jì)6.7流水線處理技術(shù)流水線處理技術(shù)6.8cpu舉例舉例計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院36.1控制器概述控制器概述控制器是計(jì)算機(jī)的指揮和控制中心控制器是計(jì)算機(jī)的指

2、揮和控制中心6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟指令執(zhí)行的基本步驟6.1.2控制器的基本功能控制器的基本功能6.1.3控制器的組成控制器的組成6.1.4控制器的組成方式控制器的組成方式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院41.取指令取指令2.分析指令分析指令（1）產(chǎn)生操作控制電位）產(chǎn)生操作控制電位（2）形成操作數(shù)的有效地址，）形成操作數(shù)的有效地址，以進(jìn)行存以進(jìn)行存/取，或形成轉(zhuǎn)移地取，或形成轉(zhuǎn)移地址址以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移3.執(zhí)行指令執(zhí)行指令6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟指令執(zhí)行的基本步驟開始取指令，pc增量pc尋址？計(jì)算地址轉(zhuǎn)移指令？取操作數(shù)執(zhí)行指令，保存結(jié)果異常/中斷？轉(zhuǎn)去處理執(zhí)行轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)向地址

3、pcnnnyyy指令執(zhí)行的一般流程分析指令計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院5程序控制原理程序控制原理 1、編程、編程 2、送主存（通過(guò)輸入設(shè)備）、送主存（通過(guò)輸入設(shè)備） 3、機(jī)器工作時(shí)，是按一定的序列逐條取出指、機(jī)器工作時(shí)，是按一定的序列逐條取出指令，分析指令，執(zhí)行指令，并自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一條指令令，分析指令，執(zhí)行指令，并自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行，直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。執(zhí)行，直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。 4、程序控制由控制器承擔(dān)，程序執(zhí)行由運(yùn)算、程序控制由控制器承擔(dān)，程序執(zhí)行由運(yùn)算器和外部設(shè)備具體負(fù)責(zé)，程序存儲(chǔ)由存儲(chǔ)器完成。器和外部設(shè)備具體負(fù)責(zé)，程序存儲(chǔ)由存儲(chǔ)器完成。6.1.1指令執(zhí)行的基本步驟指令

4、執(zhí)行的基本步驟計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院61.控制指令的正確執(zhí)行控制指令的正確執(zhí)行（1）指令流出控制：取指令）指令流出控制：取指令（pc）mar，read（mdr） ir（2）分析指令：指令譯碼器）分析指令：指令譯碼器id分析確定操作性質(zhì)，判明分析確定操作性質(zhì)，判明尋址方式并形成操作數(shù)的有效地址尋址方式并形成操作數(shù)的有效地址ea（3）執(zhí)行：根據(jù)分析的結(jié)果和形成的）執(zhí)行：根據(jù)分析的結(jié)果和形成的ea產(chǎn)生相應(yīng)的操作產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)序列，控制相應(yīng)部件完成操作控制信號(hào)序列，控制相應(yīng)部件完成操作（4）指令流向控制：下一條指令地址的形成控制）指令流向控制：下一條指令地址的形成控制（pc）=本

5、條指令的本條指令的（pcpc）+ +本條指令字長(zhǎng)本條指令字長(zhǎng) （pc）=轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址（或子程序入口地轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址（或子程序入口地址，或中斷服務(wù)程序入口地址）址，或中斷服務(wù)程序入口地址）6.1.2控制器的基本功能控制器的基本功能計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院72.控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出3.異常情況、特殊請(qǐng)求的檢測(cè)和處理：中斷異常情況、特殊請(qǐng)求的檢測(cè)和處理：中斷6.1.2控制器的基本功能控制器的基本功能輸入設(shè)備輸入設(shè)備主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸入輸入輸出輸出程序程序原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果運(yùn)算結(jié)

6、果指令數(shù)據(jù)線指令數(shù)據(jù)線控制信號(hào)線控制信號(hào)線計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院86.1.3 控制器的組成去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù)去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù)對(duì)各功能部件產(chǎn)生控制對(duì)各功能部件產(chǎn)生控制psr地址形成部件地址形成部件時(shí)序部件時(shí)序部件指令譯碼器指令譯碼器pc微操作信號(hào)產(chǎn)生器微操作信號(hào)產(chǎn)生器.控制器基本結(jié)構(gòu)控制器基本結(jié)構(gòu)o p 尋址方式尋址方式 acaludbabgri/o狀態(tài)信息狀態(tài)信息irdb啟停電路啟停電路控制臺(tái)控制臺(tái)脈沖源脈沖源到到mar或或alu中斷控制邏輯中斷控制邏輯中斷源中斷源mar增量增量mdr計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院91.指令部件指令部件指令部件應(yīng)包括程序計(jì)數(shù)器指令部件

7、應(yīng)包括程序計(jì)數(shù)器(pc)、指令寄存器、指令寄存器(ir)、指令譯碼器（指令譯碼器（id）、程序狀態(tài)寄存器（）、程序狀態(tài)寄存器（psr）和地址）和地址形成部件等形成部件等5個(gè)部分。個(gè)部分。（1）程序計(jì)數(shù)器）程序計(jì)數(shù)器pc：指令地址寄存器，用來(lái)指出在內(nèi)存中存放：指令地址寄存器，用來(lái)指出在內(nèi)存中存放的將要取的指令的單元地址。傳送指令地址給的將要取的指令的單元地址。傳送指令地址給mar。（2）指令寄存器）指令寄存器ir：指令寄存器用來(lái)存放現(xiàn)行指令的代碼。從：指令寄存器用來(lái)存放現(xiàn)行指令的代碼。從mdr接收指令。接收指令。（3）指令譯碼器）指令譯碼器id：操作碼譯碼器，用以產(chǎn)生操作性質(zhì)的控制：操作碼譯碼器

8、，用以產(chǎn)生操作性質(zhì)的控制電位，并將其送到電位，并將其送到微操作微操作（一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分解為若（一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分解為若干簡(jiǎn)單的基本操作，稱為微操作）控制線路上，在時(shí)序部件定干簡(jiǎn)單的基本操作，稱為微操作）控制線路上，在時(shí)序部件定時(shí)信號(hào)作用下，產(chǎn)生具體的控制操作信號(hào)。時(shí)信號(hào)作用下，產(chǎn)生具體的控制操作信號(hào)。（4）地址形成部件：根據(jù)尋址方式的不同，用來(lái)形成操作數(shù)有效）地址形成部件：根據(jù)尋址方式的不同，用來(lái)形成操作數(shù)有效地址的功能部件。地址的功能部件。6.1.3 控制器的組成控制器的組成計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院10（5）程序狀態(tài)字寄存器）程序狀態(tài)字寄存器(psr)存放程序狀態(tài)字

9、存放程序狀態(tài)字psw，用來(lái)表征當(dāng)前運(yùn)算的狀態(tài)及程序的工作，用來(lái)表征當(dāng)前運(yùn)算的狀態(tài)及程序的工作方式。方式。如如mcs-51單片機(jī)的單片機(jī)的pswcyacfors1 rs0 ovpcy（psw.7）進(jìn)位標(biāo)志位。進(jìn)位標(biāo)志位。 ac（psw.6）輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。 fo（psw.5）由用戶定義的標(biāo)志位。由用戶定義的標(biāo)志位。 rs1（psw.4）、）、 rs0（psw.3）工作寄存器組選擇位。工作寄存器組選擇位。 ov（psw.2）溢出標(biāo)志位。溢出標(biāo)志位。 由硬件置位或清零。由硬件置位或清零。 6.1.3 控制器的組成控制器的組成計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

10、112.時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件就是用來(lái)產(chǎn)生各部件進(jìn)行微操時(shí)序控制部件就是用來(lái)產(chǎn)生各部件進(jìn)行微操作所需要的定時(shí)控制信號(hào)的部件，保證各個(gè)微作所需要的定時(shí)控制信號(hào)的部件，保證各個(gè)微操作的執(zhí)行順序。操作的執(zhí)行順序。（1）脈沖源：利用晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的）脈沖源：利用晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的主時(shí)鐘脈沖（主頻）。主時(shí)鐘脈沖（主頻）。（2）啟停電路：控制機(jī)器工作的啟動(dòng)和停止）啟停電路：控制機(jī)器工作的啟動(dòng)和停止（3）時(shí)序信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生機(jī)器所需的時(shí)序信）時(shí)序信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生機(jī)器所需的時(shí)序信號(hào)，以控制有關(guān)部件在不同的時(shí)間完成不同的號(hào)，以控制有關(guān)部件在不同的時(shí)間完成不同的微操作。微操作。6.1.

11、3 控制器的組成控制器的組成計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院123.微操作控制信號(hào)形成部件微操作控制信號(hào)形成部件 （1）微操作是指計(jì)算機(jī)中最基本的操作）微操作是指計(jì)算機(jī)中最基本的操作 （2）微操作控制邏輯，用來(lái)產(chǎn)生機(jī)器所需的全部的）微操作控制邏輯，用來(lái)產(chǎn)生機(jī)器所需的全部的微操作信號(hào)。微操作控制邏輯的作用是把操作碼譯碼微操作信號(hào)。微操作控制邏輯的作用是把操作碼譯碼器輸出的控制電位，時(shí)序信號(hào)以及各種控制條件進(jìn)行器輸出的控制電位，時(shí)序信號(hào)以及各種控制條件進(jìn)行組合，按一定時(shí)間順序產(chǎn)生并發(fā)出一系列微操作控制組合，按一定時(shí)間順序產(chǎn)生并發(fā)出一系列微操作控制信號(hào)，以完成指令規(guī)定的全部操作。信號(hào)，以完成指令

12、規(guī)定的全部操作。4.中斷控制邏輯：用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯。中斷控制邏輯：用來(lái)控制中斷處理的硬件邏輯。5.控制臺(tái)：實(shí)現(xiàn)人控制臺(tái)：實(shí)現(xiàn)人-機(jī)通信機(jī)通信6.1.3 控制器的組成控制器的組成計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院136.1.4 控制器的組成方式控制器的組成方式微操作控制信號(hào)形成部件是控制器的核心，其產(chǎn)生信號(hào)的方式微操作控制信號(hào)形成部件是控制器的核心，其產(chǎn)生信號(hào)的方式有三種：有三種：(1) 常規(guī)組合邏輯型常規(guī)組合邏輯型(或稱隨機(jī)邏輯法或稱隨機(jī)邏輯法)分立元件時(shí)代的產(chǎn)物；分立元件時(shí)代的產(chǎn)物；方法是按邏輯代數(shù)的運(yùn)算規(guī)則，以組合電路最小化為原方法是按邏輯代數(shù)的運(yùn)算規(guī)則，以組合電路最小化為原則

13、，用邏輯門電路實(shí)現(xiàn)；速度快。則，用邏輯門電路實(shí)現(xiàn)；速度快。不規(guī)整，可靠性低，不易修改和擴(kuò)充，造價(jià)高。不規(guī)整，可靠性低，不易修改和擴(kuò)充，造價(jià)高。(2)存儲(chǔ)邏輯型（微程序控制邏輯法）存儲(chǔ)邏輯型（微程序控制邏輯法）將程序設(shè)計(jì)的思想方法引入控制器的控制邏輯；將程序設(shè)計(jì)的思想方法引入控制器的控制邏輯；將各種操作控制信號(hào)以編碼信息字的形式存入控制存儲(chǔ)將各種操作控制信號(hào)以編碼信息字的形式存入控制存儲(chǔ)器中（器中（cm）；）；一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一道微程序，機(jī)器指令執(zhí)行的過(guò)程就一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一道微程序，機(jī)器指令執(zhí)行的過(guò)程就是微程序執(zhí)行的過(guò)程。是微程序執(zhí)行的過(guò)程。(3) 組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型（可編程邏輯陣列組合

14、邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型（可編程邏輯陣列(pla)法）法）與組合邏輯型本質(zhì)相同，工藝不同；與組合邏輯型本質(zhì)相同，工藝不同；用大規(guī)模集成電路用大規(guī)模集成電路(lsi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院146.2控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)6.2.1控制方式控制方式6.2.2時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院15如何形成控制不同微操作序列的時(shí)序控制信號(hào)的方法，如何形成控制不同微操作序列的時(shí)序控制信號(hào)的方法，稱為控制器的控制方式?？刂品绞酵ǔ７譃橥娇刂品绞健⒎Q為控制器的控制方式?？刂品绞酵ǔ７譃橥娇刂品绞?、異步控制方式、同異步聯(lián)合控制方式三

15、類。異步控制方式、同異步聯(lián)合控制方式三類。1.同步控制方式同步控制方式又稱為固定時(shí)序控制方式或無(wú)應(yīng)答控制方式。任何指令的又稱為固定時(shí)序控制方式或無(wú)應(yīng)答控制方式。任何指令的執(zhí)行或指令中每個(gè)微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時(shí)序信執(zhí)行或指令中每個(gè)微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時(shí)序信號(hào)的控制。號(hào)的控制。每個(gè)周期狀態(tài)中產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)目的節(jié)拍電位及時(shí)標(biāo)工作脈沖。每個(gè)周期狀態(tài)中產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)目的節(jié)拍電位及時(shí)標(biāo)工作脈沖。以最復(fù)雜（微操作序列最長(zhǎng)，執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)）指令的實(shí)現(xiàn)以最復(fù)雜（微操作序列最長(zhǎng)，執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)）指令的實(shí)現(xiàn)需要為基準(zhǔn)。需要為基準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作控制容易實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作控制容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：效率低。

16、缺點(diǎn)：效率低。6.2.1 控制方式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院162.異步控制方式異步控制方式可變時(shí)序控制方式或應(yīng)答控制方式。執(zhí)行一條指令需要多可變時(shí)序控制方式或應(yīng)答控制方式。執(zhí)行一條指令需要多少節(jié)拍，不作統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)每條指令的具體情況少節(jié)拍，不作統(tǒng)一的規(guī)定，而是根據(jù)每條指令的具體情況而定，需要多少，控制器就產(chǎn)生多少時(shí)標(biāo)信號(hào)。而定，需要多少，控制器就產(chǎn)生多少時(shí)標(biāo)信號(hào)。特點(diǎn)：每一條指令執(zhí)行完畢后都必須向控制時(shí)序部件發(fā)回特點(diǎn)：每一條指令執(zhí)行完畢后都必須向控制時(shí)序部件發(fā)回一個(gè)回答信號(hào)，控制器收到回答信號(hào)后，才開始下一條指一個(gè)回答信號(hào)，控制器收到回答信號(hào)后，才開始下一條指令的執(zhí)行。令的

17、執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn)：指令的運(yùn)行效率高；優(yōu)點(diǎn)：指令的運(yùn)行效率高；缺點(diǎn)：控制線路比較復(fù)雜。缺點(diǎn)：控制線路比較復(fù)雜。異步工作方式一般采用兩條定時(shí)控制線來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們把這異步工作方式一般采用兩條定時(shí)控制線來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們把這兩條線稱為兩條線稱為“請(qǐng)求請(qǐng)求”線和線和“回答回答”線。當(dāng)系統(tǒng)中兩個(gè)部件線。當(dāng)系統(tǒng)中兩個(gè)部件a和和b進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，若進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，若a發(fā)出發(fā)出“請(qǐng)求請(qǐng)求”信號(hào)，則必須有信號(hào)，則必須有b的的“回答回答”信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，這次操作才是有效的，否則信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，這次操作才是有效的，否則無(wú)效。無(wú)效。6.2.1 控制方式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院173.同步，異步聯(lián)合控制方式同步，異步聯(lián)合控制方

18、式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式即聯(lián)合控制方式，同步控制和異步控制相結(jié)合的方式即聯(lián)合控制方式，區(qū)別對(duì)待不同指令。區(qū)別對(duì)待不同指令。一般的設(shè)計(jì)思想是，在功能部件內(nèi)部采用同步式，而一般的設(shè)計(jì)思想是，在功能部件內(nèi)部采用同步式，而在功能部件之間采用異步式，并且在硬件實(shí)現(xiàn)允許的在功能部件之間采用異步式，并且在硬件實(shí)現(xiàn)允許的情況下，盡可能多地采用異步控制。情況下，盡可能多地采用異步控制。6.2.1 控制方式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院181. 概念概念時(shí)序部件：計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘。它用其產(chǎn)生的周期狀時(shí)序部件：計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘。它用其產(chǎn)生的周期狀態(tài)，節(jié)拍電位及時(shí)標(biāo)脈沖去對(duì)指令周期進(jìn)行時(shí)間劃分，態(tài)，節(jié)拍

19、電位及時(shí)標(biāo)脈沖去對(duì)指令周期進(jìn)行時(shí)間劃分，刻度和標(biāo)定?？潭群蜆?biāo)定。指令周期指令周期：在計(jì)算機(jī)中從指令的讀取到指令的執(zhí)行完：在計(jì)算機(jī)中從指令的讀取到指令的執(zhí)行完成，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，稱為指令周期。成，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，稱為指令周期。指令周期通常由若干個(gè)指令周期通常由若干個(gè)cpu周期周期-取指周期、取數(shù)取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等來(lái)表示，周期、執(zhí)行周期、中斷周期等來(lái)表示，cpu周期也稱周期也稱為為機(jī)器周期機(jī)器周期，在每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。由，在每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。由于于cpu內(nèi)部的操作速度較快，而內(nèi)部的操作速度較快，而cpu訪問(wèn)一次內(nèi)存所訪問(wèn)一次內(nèi)存所花

20、的時(shí)間較長(zhǎng)，通常用存儲(chǔ)周期為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)定花的時(shí)間較長(zhǎng)，通常用存儲(chǔ)周期為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)定cpu周周期。期。6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院192.三級(jí)時(shí)序信號(hào)三級(jí)時(shí)序信號(hào)周期周期 （1） 在一個(gè)控制階段內(nèi)均持續(xù)起作用的信號(hào)；在一個(gè)控制階段內(nèi)均持續(xù)起作用的信號(hào)； （2） 通常用周期狀態(tài)寄存器來(lái)標(biāo)志和指明某某周期控制；通常用周期狀態(tài)寄存器來(lái)標(biāo)志和指明某某周期控制； （3） 指令周期可分為取指周期、分析周期、執(zhí)行周期。指令周期可分為取指周期、分析周期、執(zhí)行周期。節(jié)拍節(jié)拍 （1） 把一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)把一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位

21、信號(hào)，稱節(jié)拍電位；間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱節(jié)拍電位； （2） 一般都以能保證一般都以能保證alu進(jìn)行一次運(yùn)算微操作作為一拍電進(jìn)行一次運(yùn)算微操作作為一拍電位的時(shí)間寬度。位的時(shí)間寬度。時(shí)標(biāo)工作脈沖時(shí)標(biāo)工作脈沖 （1） 及時(shí)改變標(biāo)志狀態(tài)；及時(shí)改變標(biāo)志狀態(tài)； （2） 時(shí)標(biāo)脈沖的寬度一般為節(jié)拍電位寬度的時(shí)標(biāo)脈沖的寬度一般為節(jié)拍電位寬度的1/n，只要能，只要能保證所有的觸發(fā)器都能可靠地，穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)即可。保證所有的觸發(fā)器都能可靠地，穩(wěn)定地翻轉(zhuǎn)即可。6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院203.三級(jí)時(shí)序信號(hào)的關(guān)系三級(jí)時(shí)序信號(hào)的關(guān)系一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)的控制信號(hào)一般均由若干個(gè)周期狀態(tài)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)

22、的控制信號(hào)一般均由若干個(gè)周期狀態(tài)，若干個(gè)節(jié)拍電位及若干個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖這樣三級(jí)控制時(shí)序若干個(gè)節(jié)拍電位及若干個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖這樣三級(jí)控制時(shí)序信號(hào)定時(shí)完成。三級(jí)時(shí)序的組合關(guān)系如圖所示。信號(hào)定時(shí)完成。三級(jí)時(shí)序的組合關(guān)系如圖所示。6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)pw3w2w2w0m1m0周期0周期1節(jié)拍0節(jié)拍1節(jié)拍2節(jié)拍3脈沖計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院216.3cpu的總體結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)cpu=控制器控制器+運(yùn)算器運(yùn)算器6.3.1 寄存器的設(shè)置寄存器的設(shè)置6.3.2數(shù)據(jù)通路結(jié)果及指令流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)果及指令流程分析計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院226.3.1 寄存器的設(shè)置寄存器的設(shè)置1.指令寄存器指令寄存器

23、ir2.程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器pc3.程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器psr4.累加寄存器累加寄存器ac及通用寄存器及通用寄存器gr：ac暫存操作數(shù)據(jù)和結(jié)果，暫存操作數(shù)據(jù)和結(jié)果，gr是一組程序可訪問(wèn)的、具有多種功能的寄存器，能提供操是一組程序可訪問(wèn)的、具有多種功能的寄存器，能提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果、作為地址指針、基址寄存器、變址寄存作數(shù)、保存中間結(jié)果、作為地址指針、基址寄存器、變址寄存器、計(jì)數(shù)器等。如器、計(jì)數(shù)器等。如intel 8086的的ax、bx、cx、dx、sp、ds、cs、es、ss、si、di等。等。5.地址寄存器地址寄存器mar：存放所要訪問(wèn)的主存單元的地址（來(lái)自：存放所要訪問(wèn)的主存單

24、元的地址（來(lái)自pc的指令的地址，或來(lái)自地址形成部件的操作數(shù)的地址）的指令的地址，或來(lái)自地址形成部件的操作數(shù)的地址）6.數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器mdr（或（或mbr）：存放向主存寫入的信息）：存放向主存寫入的信息或從主存中讀出的信息或從主存中讀出的信息計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院236.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析1.單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)控制信號(hào)邏輯控制信號(hào)邏輯idircuirin時(shí)序時(shí)序部件部件r0r7r0outr0inr7outr7inpcmarmdryaluzpsrpcinpcoutmarinmdrinmdroutyinab+1zinzoutibusdb

25、usmemi/oi/oabusr wgr計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院246.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析【例】在上圖中，【例】在上圖中，a和和b 為為alu的兩個(gè)輸入端，且的兩個(gè)輸入端，且alu可以實(shí)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)a1、a b等功能，主存以字編址，每條指令等功能，主存以字編址，每條指令 和數(shù)據(jù)均和數(shù)據(jù)均占一個(gè)主存單元。分析指令：占一個(gè)主存單元。分析指令：add （r1），），r0的操作流程。的操作流程。其中，源操作數(shù)在前。其中，源操作數(shù)在前。分析：分析：（1）（）（pc）mar，read，pc y ；送指令地址，讀主存；送指令地址，讀主存（2）mem mdr ir，

26、（，（y）+1 z；取指令到；取指令到ir，pc+1暫存于暫存于z（3）（）（z） pc ；pc+1 pc（4）（）（r1）mar，read ；送源操作數(shù)地址；送源操作數(shù)地址（5）mem mdr y ；取出源操作數(shù)到；取出源操作數(shù)到y(tǒng)中中（6）（）（y）+（r0） z ；執(zhí)行加法運(yùn)算，結(jié)果暫存于；執(zhí)行加法運(yùn)算，結(jié)果暫存于z（7）（）（z） r0 ；加法結(jié)果送回目標(biāo)寄存器；加法結(jié)果送回目標(biāo)寄存器 計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院25fir6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析2.雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)irpcr0r1r2ytempmdrr3aluid控控制制信信號(hào)號(hào)邏邏輯輯時(shí)

27、序時(shí)序部件部件bfbaincdecaddsubgonfpcfr0fr1fr2fr3fmdrftempfyirbpcbr0br1br2br3bmdrbtempbmemmarfmarrwdbusabus計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院266.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及流程分析【例】在上圖中，【例】在上圖中，f為發(fā)送總線，為發(fā)送總線，b為為 接收總線，它們通過(guò)總線連接器接收總線，它們通過(guò)總線連接器g可可直接連接，當(dāng)直接連接，當(dāng)gon=1時(shí)，時(shí)，g被打開，被打開，b的數(shù)據(jù)可傳向的數(shù)據(jù)可傳向f；當(dāng)；當(dāng)gon=0時(shí)，時(shí)，g被關(guān)被關(guān)閉，兩總線隔離，且閉，兩總線隔離，且alu可以實(shí)現(xiàn)可以

28、實(shí)現(xiàn)a1、a b等功能，主存以字編址，等功能，主存以字編址，每條指令每條指令 和數(shù)據(jù)均占一個(gè)主存單元。分析指令：和數(shù)據(jù)均占一個(gè)主存單元。分析指令：add （r1），），r0的操作的操作流程。其中，源操作數(shù)在前。流程。其中，源操作數(shù)在前。分析：分析：操作流程操作流程控制信號(hào)序列控制信號(hào)序列（1）（）（pc）mar，readpc b，gon，f mar，read，f y（2）（）（pc）+1 pcinc，f pc（3）m mdr irmdr b， gon ，f ir（4）（）（r1） mar，readr1 b， gon ，f mar，read（5）m mdr ymdr b， gon ，f y（6）

29、（）（y）+（r0） r0r0 b，add， fr0計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院276.4模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)模型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)6.4.1模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路6.4.2模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)6.4.3模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院286.4.1 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路控制信號(hào)邏輯控制信號(hào)邏輯時(shí)序部件時(shí)序部件idccczirpcr0r1r2r3mdrsptempyalu移位器移位器判零判零czccczcpczcccpccslexsrdmc0ms3s2s1s0abpcbr0br1br2br3bmdrbtempbbus1bus2

30、cpycptempcpspcpmdrcpr3cpr2cpr1cpr0cppccpirmarcpmarmemr/wi/omreqioreqdbusabus字長(zhǎng)字長(zhǎng)=16 cp：脈沖信號(hào)：脈沖信號(hào)r0r3：通用寄存器：通用寄存器000011sp：堆棧指示器：堆棧指示器100pc：程序計(jì)數(shù)器：程序計(jì)數(shù)器111mar：地址寄存器：地址寄存器mdr：數(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)寄存器temp，y：暫存器：暫存器cc：進(jìn)位觸發(fā)器，：進(jìn)位觸發(fā)器，cz：零觸發(fā)器：零觸發(fā)器bus1：輸入總線：輸入總線bus2：輸出總線：輸出總線abus：地址總線：地址總線dbus：數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線cbus：控制總線：控制總線內(nèi)部總線內(nèi)部

31、總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線總線總線計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院296.4.1 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路工作方式選擇工作方式選擇s3s2s1s0f的輸出功能（負(fù)邏輯）的輸出功能（負(fù)邏輯）邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算m=1算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算m=0，c0=00000aa減減10101bab加（加（a+b）0110aba+b1001aba加加b1010bab加（加（a+b）1011a+ba+b1110abab加加a1111aaalu功能計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院306.4.2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)1.指令格式op 尋址方式尋址方式 rs 尋址方式尋址方式 rd雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令

32、15 12 11 9 8 6 5 3 2 0源操作數(shù)源操作數(shù)目的操作數(shù)目的操作數(shù)op 000 備用備用 尋址方式尋址方式 rd單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令15 12 11 9 8 6 5 3 2 0目的操作數(shù)目的操作數(shù)op 位移量位移量d轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令15 12 11 9 8 6 5 3 2 0op 000 未用未用 000 未用未用返回返回/停機(jī)指令停機(jī)指令15 12 11 9 8 6 5 3 2 0操作碼操作碼=4位，共計(jì)位，共計(jì)16條指令條指令計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院316.4.2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)2.指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令名稱指令名稱操作碼操作碼指令功能指令

33、功能傳送（傳送（mov）0000（es）ed加法（加法（add）0001（ed） +（es） ed減法（減法（sub）0010（ed）-（es） ed邏輯與（邏輯與（and）0011（ed） （es） ed邏輯或（邏輯或（or）0100（ed） （es） ed異或（異或（eor）0101（ed） （es） ed加加1（inc）0110（ed） +1 ed取反（取反（com）0111（ed） ed左移（左移（rol）1000（ed）左移一位）左移一位 ed ，由指令，由指令86位指定移位方式位指定移位方式右移（右移（ror）1001（ed）右移一位）右移一位 ed ，由指令，由指令86位指定移位

34、方式位指定移位方式無(wú)條件轉(zhuǎn)移（無(wú)條件轉(zhuǎn)移（jp）1010（pc）+位移量位移量d pc有進(jìn)位轉(zhuǎn)移（有進(jìn)位轉(zhuǎn)移（jc）1011若若cc=1，則（，則（pc）+位移量位移量d pc結(jié)果零轉(zhuǎn)移（結(jié)果零轉(zhuǎn)移（jz）1100若若cz=1，則（，則（pc）+位移量位移量d pc轉(zhuǎn)子程序（轉(zhuǎn)子程序（jsr）1101（pc）入棧，（）入棧，（pc）+位移量位移量d pc返回（返回（rts）1110從棧頂彈出返回地址從棧頂彈出返回地址pc停機(jī)（停機(jī)（halt）1111停機(jī)停機(jī)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院326.4.2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng)3.尋址方式尋址方式（1）寄存器尋址：）寄存器尋址：尋

35、址方式編碼尋址方式編碼000，匯編符號(hào)為，匯編符號(hào)為rn，n為寄存器編號(hào)為寄存器編號(hào)e= rn（2）寄存器間接尋址：）寄存器間接尋址：尋址方式編碼尋址方式編碼001，匯編符，匯編符rn或（或（rn）e= （rn）（3）自增型寄存器間接尋址：）自增型寄存器間接尋址：尋址方式編碼尋址方式編碼010，匯編符號(hào)（，匯編符號(hào)（rn）+e=（rn），（），（rn）+1rn（4）自減型寄存器間接尋址：）自減型寄存器間接尋址：尋址方式編碼尋址方式編碼011，匯編符號(hào)，匯編符號(hào)-（ rn）（rn）-1rn ， e=（rn）（5）變址型尋址：）變址型尋址：尋址方式編碼尋址方式編碼100，匯編符號(hào)，匯編符號(hào)x（ r

36、n ）e=x+ （ rn ）計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院336.4.2 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)1.機(jī)器周期：六個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)周期設(shè)一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器機(jī)器周期：六個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)周期設(shè)一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器（1）取指周期）取指周期ft：實(shí)現(xiàn)取指令、分析指令和（：實(shí)現(xiàn)取指令、分析指令和（pc）+1pc的操作的操作（2）取源周期）取源周期st：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中源操作數(shù)：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中源操作數(shù)地址的尋址和取源操作數(shù)。地址的尋址和取源操作數(shù)。（3）取目的周期）取目的周期dt：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中目的操：用于非寄存器器尋址的雙操作數(shù)指令中

37、目的操作數(shù)地址的尋址和取目的操作數(shù)。作數(shù)地址的尋址和取目的操作數(shù)。（4）執(zhí)行周期）執(zhí)行周期et：完成指令規(guī)定的操作并保存結(jié)果：完成指令規(guī)定的操作并保存結(jié)果（5）中斷周期）中斷周期it（6）dma周期周期dmatq q ft scp dftq qr st cp dstq qr dt cp ddtq qr etcp detresettendp1ft1st1dt1et一個(gè)周期=4個(gè)節(jié)拍t0、t1、t2、t3計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院346.4.2 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)每個(gè)周期內(nèi)可完成主存的一次讀每個(gè)周期內(nèi)可完成主存的一次讀/寫操作。寫操作。每個(gè)周期每個(gè)周期=4個(gè)節(jié)拍個(gè)節(jié)拍t0、

38、t1、t2、t3。每個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖，用于寄存器接收代碼。每個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖，用于寄存器接收代碼。&t0&t1&t2&t3q q c2c tq q c1c treset&p1dtxdrepeatft stet雙數(shù)指令雙數(shù)指令dretrtsetjsr節(jié)節(jié)拍拍發(fā)發(fā)生生器器原原理理圖圖計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院356.4.2 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)pt3t2t1t0m指令周期指令周期三級(jí)時(shí)序關(guān)系三級(jí)時(shí)序關(guān)系計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院366.5組合邏輯控制器設(shè)計(jì)組合邏輯控制器設(shè)計(jì)6.5.1設(shè)計(jì)的步驟設(shè)計(jì)的步驟6.5.2模型機(jī)

39、的設(shè)計(jì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院376.5.1 設(shè)計(jì)的步驟設(shè)計(jì)的步驟1.繪制指令操作流程圖繪制指令操作流程圖把指令的執(zhí)行過(guò)程分解成若干功能部件能實(shí)現(xiàn)的基本微操作，把指令的執(zhí)行過(guò)程分解成若干功能部件能實(shí)現(xiàn)的基本微操作，并以圖的形式排列成有先后次序、相互銜接配合的流程（并以圖的形式排列成有先后次序、相互銜接配合的流程（指令指令操作流程圖操作流程圖）2.編排指令操作時(shí)間表編排指令操作時(shí)間表把指令流程圖中的各個(gè)微操作具體落實(shí)到各個(gè)機(jī)器周期的相應(yīng)把指令流程圖中的各個(gè)微操作具體落實(shí)到各個(gè)機(jī)器周期的相應(yīng)節(jié)拍和脈沖中去，并以微操作控制信號(hào)的形式編排一張表（節(jié)拍和脈沖中去，并以微操作控制信

40、號(hào)的形式編排一張表（指指令操作時(shí)間表令操作時(shí)間表）3.進(jìn)行微操作綜合進(jìn)行微操作綜合對(duì)指令操作時(shí)間表中的各個(gè)微操作信號(hào)分別按其條件進(jìn)行歸納、對(duì)指令操作時(shí)間表中的各個(gè)微操作信號(hào)分別按其條件進(jìn)行歸納、綜合，列出其綜合的邏輯表達(dá)式，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、化簡(jiǎn)，綜合，列出其綜合的邏輯表達(dá)式，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、化簡(jiǎn)，得到比較合理的邏輯表達(dá)式得到比較合理的邏輯表達(dá)式4.設(shè)計(jì)微操作控制信號(hào)形成部件設(shè)計(jì)微操作控制信號(hào)形成部件用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院386.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)1. 指令操作流程圖指令操作流程圖（1）取指周期的操作流程圖）

41、取指周期的操作流程圖（pc） marread，（，（pc）+1 pc（mdr） irjump？srdr=？1st1 dt1 etyn00或或0110ft0ft1ft2ft3計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院396.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)（2）取源周期的操作流程圖）取源周期的操作流程圖源尋址？源尋址？（rs）（rs）+-（rs）repeatxs（rs）mar(rs) mar(rs)-1rs mar(rs)+(y)mar(pc)marreadread,(rs)+1 rsreadreadread,(pc)+1pc(mdr)temp(mdr)temp(mdr)temp(mdr)temp(m

42、dr)ydr=1?清清repeat置置repeat1st1dt1etny計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院406.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)（3）取目的周期的操作流程圖）取目的周期的操作流程圖目的尋址？目的尋址？（rd）（rd）+-（rd）repeatxd（rd）mar(rd) mar(rd)-1rd mar(rd)+(y)mar(pc)marread1etread,(rd)+1 rd1etread1etread,清清repeat1etread,(pc)+1pc(mdr)y置置repeat1dt計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院416.5.2 模型機(jī)的設(shè)計(jì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)（4）執(zhí)行周期的

43、操作流程圖）執(zhí)行周期的操作流程圖傳送類指令傳送類指令運(yùn)算類指令運(yùn)算類指令轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令停機(jī)指令停機(jī)指令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子/返回指令返回指令(略略)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院426.6微程序控制器設(shè)計(jì)微程序控制器設(shè)計(jì)6.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述6.6.2微指令的編譯方法微指令的編譯方法6.6.3微程序的順序控制方式微程序的順序控制方式6.6.4微指令的執(zhí)行方式微指令的執(zhí)行方式6.6.5微程序設(shè)計(jì)方法微程序設(shè)計(jì)方法6.6.6微程序控制器的設(shè)計(jì)步驟微程序控制器的設(shè)計(jì)步驟6.6.7舉例舉例:模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院43微程序控制技術(shù)在

44、現(xiàn)今計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛的微程序控制技術(shù)在現(xiàn)今計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛的采用，其實(shí)質(zhì)是用程序設(shè)計(jì)的思想方法來(lái)組織操作控采用，其實(shí)質(zhì)是用程序設(shè)計(jì)的思想方法來(lái)組織操作控制邏輯。制邏輯。1、微程序控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因、微程序控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因 （1） 物質(zhì)基礎(chǔ)：物質(zhì)基礎(chǔ)：rom （2） 靈活性靈活性 （3）提高了可靠性，可利用性及可維護(hù)性）提高了可靠性，可利用性及可維護(hù)性(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱ras技術(shù)技術(shù))，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。 （4）有利于機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)的仿真。也就是說(shuō)，在）有利于機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)的仿真。也就是說(shuō)，在m1機(jī)器上使用機(jī)器上使用m2機(jī)器語(yǔ)言編寫程序并運(yùn)行，從用戶角度機(jī)器

45、語(yǔ)言編寫程序并運(yùn)行，從用戶角度來(lái)看，來(lái)看，m1和和m2無(wú)區(qū)別，要能做到這一點(diǎn)，只有機(jī)器無(wú)區(qū)別，要能做到這一點(diǎn)，只有機(jī)器具有控存具有控存cm的微程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)才行。的微程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)才行。 （5）其他（反映在以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)）其他（反映在以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)）6.6微程序控制器設(shè)計(jì)微程序控制器設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院442、與組合邏輯控制方法相比，微程序控制方法在諸多方面有、與組合邏輯控制方法相比，微程序控制方法在諸多方面有著顯著的差別著顯著的差別 （1） 從實(shí)現(xiàn)方式上從實(shí)現(xiàn)方式上微程序控制：規(guī)整，增、刪、改較容易微程序控制：規(guī)整，增、刪、改較容易組合邏輯控制：零亂且復(fù)雜，當(dāng)修改指令或增

46、加指令時(shí)非組合邏輯控制：零亂且復(fù)雜，當(dāng)修改指令或增加指令時(shí)非常麻煩，有時(shí)甚至沒有可能。常麻煩，有時(shí)甚至沒有可能。 （2） 從性能上來(lái)比較從性能上來(lái)比較在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比組合邏在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，微程序控制的速度比組合邏輯控制方式的速度低，這是因?yàn)閳?zhí)行每條微指令都要從控存中輯控制方式的速度低，這是因?yàn)閳?zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而組合邏輯控制方式取決于電路延遲，讀取一次，影響了速度，而組合邏輯控制方式取決于電路延遲，因而在超高速計(jì)算機(jī)中，對(duì)影響速度的關(guān)鍵部分例如因而在超高速計(jì)算機(jī)中，對(duì)影響速度的關(guān)鍵部分例如cpu，往，往往采用組合邏輯控制方法。

47、近年來(lái)在一些新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中如往采用組合邏輯控制方法。近年來(lái)在一些新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中如risc結(jié)構(gòu)，一般選用組合邏輯方法。結(jié)構(gòu)，一般選用組合邏輯方法。 （3）診斷能力）診斷能力微程序設(shè)計(jì)方法：診斷能力強(qiáng)微程序設(shè)計(jì)方法：診斷能力強(qiáng)組合邏輯控制：診斷能力弱組合邏輯控制：診斷能力弱6.6微程序控制器設(shè)計(jì)微程序控制器設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院451.基本概念基本概念1) 控制字控制字(cw):表征微操作控制要求的二進(jìn)制字，稱為控制字。表征微操作控制要求的二進(jìn)制字，稱為控制字。2) 微命令微命令微程序控制中，把微操作控制信號(hào)稱為微命令。微操作是微命令微程序控制中，把微操作控制信號(hào)稱為微命令。

48、微操作是微命令在時(shí)序的配合作用下的操作過(guò)程。在時(shí)序的配合作用下的操作過(guò)程。3) 微地址和微指令微地址和微指令微地址：存放控制字的單元地址。微地址：存放控制字的單元地址。微指令：具有微地址的控制字。微指令：具有微地址的控制字。4) 微程序微程序:一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程序。一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程序。5) 微周期微周期微周期就是從控制存儲(chǔ)器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需微周期就是從控制存儲(chǔ)器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需要的時(shí)間。要的時(shí)間。6.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院466.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述2.基本組成（

49、圖基本組成（圖6-30）1)控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器cm:用來(lái)存放微程序。用來(lái)存放微程序。2)微指令寄存器微指令寄存器 ir用來(lái)存放從控制存儲(chǔ)器中取得的微指令。用來(lái)存放從控制存儲(chǔ)器中取得的微指令。3)微地址形成部件微地址形成部件 ag用來(lái)產(chǎn)生機(jī)器指令的首條微指令地址和后續(xù)地址。用來(lái)產(chǎn)生機(jī)器指令的首條微指令地址和后續(xù)地址。4)微地址寄存器微地址寄存器 mar:接收微地址形成部件送來(lái)的微地址。接收微地址形成部件送來(lái)的微地址。5)譯碼與驅(qū)動(dòng)電路譯碼與驅(qū)動(dòng)電路對(duì)微地址寄存器中的微地址進(jìn)行譯碼對(duì)微地址寄存器中的微地址進(jìn)行譯碼,找到被訪問(wèn)的找到被訪問(wèn)的cm單元并驅(qū)動(dòng)其進(jìn)行讀取操作單元并驅(qū)動(dòng)其進(jìn)行讀取操作,存放

50、于存放于 ir計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院476.6.1微程序控制器概述微程序控制器概述3.微程序執(zhí)行過(guò)程微程序執(zhí)行過(guò)程微程序控制器的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是在微程序控制器的微程序控制器的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是在微程序控制器的控制之下，計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令的過(guò)程：控制之下，計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令的過(guò)程：1)從控制存儲(chǔ)器中運(yùn)行取指令微程序，完成從主存儲(chǔ)器從控制存儲(chǔ)器中運(yùn)行取指令微程序，完成從主存儲(chǔ)器中取得機(jī)器指令的工作；中取得機(jī)器指令的工作；2)根據(jù)機(jī)器指令的操作碼，得到相應(yīng)機(jī)器指令的微程序根據(jù)機(jī)器指令的操作碼，得到相應(yīng)機(jī)器指令的微程序入口；入口；3)逐條取出微指令，完成相關(guān)微操作控制；逐條取出微指令，

51、完成相關(guān)微操作控制；4)執(zhí)行下一條機(jī)器指令。執(zhí)行下一條機(jī)器指令。計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院486.6.2微指令的編譯方法微指令的編譯方法一、編譯法的選擇原則一、編譯法的選擇原則(1)減少微指令的長(zhǎng)度；減少微指令的長(zhǎng)度；(2)提高微操作的并行性；提高微操作的并行性；(3)提高機(jī)器的控制性能并降低價(jià)格；提高機(jī)器的控制性能并降低價(jià)格；(4)有利于微程序設(shè)計(jì)的靈活性。有利于微程序設(shè)計(jì)的靈活性。 二、編譯法二、編譯法 1、直接控制法（不譯法）、直接控制法（不譯法）（1）含義：每一個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制位代表一個(gè)微命令。按不譯法編）含義：每一個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制位代表一個(gè)微命令。按不譯法編碼的微指令，又稱水平

52、微指令。碼的微指令，又稱水平微指令。（2）本質(zhì)特征：面向數(shù)據(jù)通路的控制門）本質(zhì)特征：面向數(shù)據(jù)通路的控制門(或控制點(diǎn)或控制點(diǎn))。 （3）優(yōu)點(diǎn)：）優(yōu)點(diǎn)：a：并行執(zhí)行，執(zhí)行速度也比較快；：并行執(zhí)行，執(zhí)行速度也比較快；b：微程序：微程序所需用的微指令條數(shù)少。所需用的微指令條數(shù)少。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：a：編制程序難度較大；：編制程序難度較大；b：微指令不能充分利用。：微指令不能充分利用。計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院492、最短編譯法、最短編譯法 （1） 含義：每一條微指令只定義一個(gè)微命令。按最含義：每一條微指令只定義一個(gè)微命令。按最短編譯法編碼的微指令又稱垂直型微指令。短編譯法編碼的微指令又稱垂直型微

53、指令。 （2） 本質(zhì)特征：面向算法來(lái)編碼的。類似于傳統(tǒng)的本質(zhì)特征：面向算法來(lái)編碼的。類似于傳統(tǒng)的程程 序設(shè)計(jì)方法。序設(shè)計(jì)方法。 （3） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a：編程簡(jiǎn)單；：編程簡(jiǎn)單；b：微指令字中各位都得：微指令字中各位都得到充分利用。到充分利用。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：a：并行控制能力差，執(zhí)行速度慢；：并行控制能力差，執(zhí)行速度慢；b：微程序：微程序長(zhǎng)度較長(zhǎng)。長(zhǎng)度較長(zhǎng)。6.6.2微指令的編譯方法微指令的編譯方法計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院503、字段編譯法、字段編譯法（1）、字段直接編譯法）、字段直接編譯法a：把一條微指令分成幾段，段與段間按水平法設(shè)計(jì)，：把一條微指令分成幾段，段與段間按水平法設(shè)計(jì)，每個(gè)

54、段內(nèi)分別按垂直法進(jìn)行編碼，每一段形成一個(gè)微每個(gè)段內(nèi)分別按垂直法進(jìn)行編碼，每一段形成一個(gè)微命令，一條微指令可同時(shí)有并行的幾個(gè)微命令。命令，一條微指令可同時(shí)有并行的幾個(gè)微命令。b：微指令字分段的原則：微指令字分段的原則：（a）在同一節(jié)拍內(nèi)，需要互相配合起作用的微操作，）在同一節(jié)拍內(nèi)，需要互相配合起作用的微操作，是并行操作，其微命令可以分在不同的字段內(nèi)，以便是并行操作，其微命令可以分在不同的字段內(nèi)，以便配合進(jìn)行微操作控制配合進(jìn)行微操作控制(組合性的操作控制組合性的操作控制)。這是微命。這是微命令的相容性。令的相容性。（b）在同一節(jié)拍內(nèi)，不允許同時(shí)出現(xiàn)具有）在同一節(jié)拍內(nèi)，不允許同時(shí)出現(xiàn)具有“排它排它”

55、性性的微操作，是串行操作，其微命令可分在一個(gè)字段內(nèi)，的微操作，是串行操作，其微命令可分在一個(gè)字段內(nèi)，這是微命令的互斥性。這是微命令的互斥性。6.6.2微指令的編譯方法微指令的編譯方法計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院51（2）、字段間接編譯法）、字段間接編譯法它是在字段直接編譯法基礎(chǔ)上用來(lái)進(jìn)一步縮短指它是在字段直接編譯法基礎(chǔ)上用來(lái)進(jìn)一步縮短指令字長(zhǎng)，組合零散微命令的一種編譯法。若在字段直令字長(zhǎng)，組合零散微命令的一種編譯法。若在字段直接編譯法中再規(guī)定一個(gè)字段的某些微命令要由另一個(gè)接編譯法中再規(guī)定一個(gè)字段的某些微命令要由另一個(gè)字段中的某些微命令來(lái)解釋，稱為字段間接編譯法。字段中的某些微命令來(lái)解釋

56、，稱為字段間接編譯法。這種編譯法適用于把那些不同類型的，不常用的，這種編譯法適用于把那些不同類型的，不常用的，但數(shù)量又可觀的但數(shù)量又可觀的“零散零散”的微命令編入少數(shù)幾個(gè)字段的微命令編入少數(shù)幾個(gè)字段之中，以減少微指令字的長(zhǎng)度，組合編譯更多的微命之中，以減少微指令字的長(zhǎng)度，組合編譯更多的微命令。令。6.6.2微指令的編譯方法微指令的編譯方法計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院526.6.3微程序的順序控制方式微程序的順序控制方式1、初始微地址的形成、初始微地址的形成每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，當(dāng)執(zhí)行公用的取指微每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，當(dāng)執(zhí)行公用的取指微程序從主存中取出機(jī)器指令后，由機(jī)器指令的

57、操作碼程序從主存中取出機(jī)器指令后，由機(jī)器指令的操作碼指出微程序的首地址。這是一種多分支情況，通常有指出微程序的首地址。這是一種多分支情況，通常有以下幾種方式：以下幾種方式：（1）操作碼的位數(shù)與位置固定，這時(shí)可直接使操作碼）操作碼的位數(shù)與位置固定，這時(shí)可直接使操作碼與微地址碼的部分位相對(duì)應(yīng)。例如，若微入口地址與微地址碼的部分位相對(duì)應(yīng)。例如，若微入口地址=00oc，則控制存儲(chǔ)器第零頁(yè)的一些單元被安排為各，則控制存儲(chǔ)器第零頁(yè)的一些單元被安排為各個(gè)微程序入口（即首地址），再通過(guò)無(wú)條件微轉(zhuǎn)移指?jìng)€(gè)微程序入口（即首地址），再通過(guò)無(wú)條件微轉(zhuǎn)移指令使這些單元與相應(yīng)的后續(xù)微指令相連接。令使這些單元與相應(yīng)的后續(xù)微指

58、令相連接。計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院53（2）當(dāng)每類指令的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指）當(dāng)每類指令的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指令之間的操作碼位數(shù)與位置不固定時(shí)，可采用分級(jí)轉(zhuǎn)令之間的操作碼位數(shù)與位置不固定時(shí)，可采用分級(jí)轉(zhuǎn)移的方法。先按指令類型轉(zhuǎn)移到某條微指令，區(qū)分出移的方法。先按指令類型轉(zhuǎn)移到某條微指令，區(qū)分出是哪一大類，然后進(jìn)一步按機(jī)器指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)是哪一大類，然后進(jìn)一步按機(jī)器指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)分出是哪一種具體的機(jī)器指令。分出是哪一種具體的機(jī)器指令。（3）當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置都不固定時(shí)，通常的方法）當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置都不固定時(shí)，通常的方法是采用是采用pla可編程邏輯陣列實(shí)

59、現(xiàn)?？删幊踢壿嬯嚵袑?shí)現(xiàn)。6.6.3微程序的順序控制方式微程序的順序控制方式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院542、后繼微地址的形成、后繼微地址的形成得到微程序入口以后，就開始執(zhí)行微程序，后繼微地址的形成得到微程序入口以后，就開始執(zhí)行微程序，后繼微地址的形成方法對(duì)微程序編制的靈活性影響很大。通常采用兩種方法形成方法對(duì)微程序編制的靈活性影響很大。通常采用兩種方法形成后繼微地址：后繼微地址：（1）增量方式）增量方式這種方式和機(jī)器指令的控制方式類似。這種方式和機(jī)器指令的控制方式類似。 pc： (a)順序：增量。順序：增量。 (b)無(wú)條件轉(zhuǎn)向：無(wú)條件轉(zhuǎn)向： pc。 (c)有條件轉(zhuǎn)向：條件碼參與，修改

60、有條件轉(zhuǎn)向：條件碼參與，修改 pc。 （2）在微指令字的格式中，增設(shè)下地址字段之后，就可以用微）在微指令字的格式中，增設(shè)下地址字段之后，就可以用微地址寄存器地址寄存器( mar)取代微程序計(jì)數(shù)器。下一條微指令地址在取代微程序計(jì)數(shù)器。下一條微指令地址在多數(shù)情況可由現(xiàn)行微指令字的下地址字段多數(shù)情況可由現(xiàn)行微指令字的下地址字段naf直接給出，少數(shù)直接給出，少數(shù)情況由微地址產(chǎn)生器對(duì)下地址字段進(jìn)行修改后產(chǎn)生后繼微地址。情況由微地址產(chǎn)生器對(duì)下地址字段進(jìn)行修改后產(chǎn)生后繼微地址。6.6.3微程序的順序控制方式微程序的順序控制方式計(jì)算機(jī)組成原理西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院55綜合上述，后繼微地址的形成是設(shè)計(jì)微程序控制綜合上述，后繼微地址的形成是設(shè)計(jì)微程