計(jì)算機(jī)組成原理 (6)

1、1第第6章章 控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)與CPU6.1 控制器概述控制器概述6.1.1 指令執(zhí)行的基本步驟指令執(zhí)行的基本步驟 1. 取指令取指令 根據(jù)指令所處的存儲(chǔ)器單元地址根據(jù)指令所處的存儲(chǔ)器單元地址(由程序計(jì)數(shù)器由程序計(jì)數(shù)器PC提供提供)，從存儲(chǔ)，從存儲(chǔ)器器(RAM)中取出所要執(zhí)行的指令。中取出所要執(zhí)行的指令。 2.分析指令分析指令 3.執(zhí)行指令執(zhí)行指令 根據(jù)指令功能，執(zhí)行指令所規(guī)定的操作，并根據(jù)需要，保存操作根據(jù)指令功能，執(zhí)行指令所規(guī)定的操作，并根據(jù)需要，保存操作結(jié)果。結(jié)果。 控制器的主要功能控制器的主要功能就是按取指令、分析指令、執(zhí)行指令這樣的步就是按取指令、分析指令、執(zhí)行指令這樣的步驟進(jìn)行周

2、而復(fù)始的控制過程，直到完成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機(jī)為驟進(jìn)行周而復(fù)始的控制過程，直到完成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機(jī)為止。止。 圖圖6- -1描述了指令執(zhí)行的一般過程。圖描述了指令執(zhí)行的一般過程。圖6- -1(a)為一個(gè)簡單的為一個(gè)簡單的CPU模模型，所執(zhí)行的指令的功能是型，所執(zhí)行的指令的功能是(A)+(R7)A，圖，圖6- -1(b)描述了指令執(zhí)行描述了指令執(zhí)行的一般流程。的一般流程。236.1.2 控制器的基本功能控制器的基本功能 控制器一般具有如下功能：控制器一般具有如下功能： 1控制指令的正確執(zhí)行控制指令的正確執(zhí)行 其中包括其中包括指令流出的控制指令流出的控制、分析指令分析指令和和執(zhí)行指令的控制

3、執(zhí)行指令的控制、指令流指令流向的控制向的控制。 指令流出控制指令流出控制也就是對(duì)取指令的控制。也就是對(duì)取指令的控制。 首先給出指令地址，并向存儲(chǔ)器發(fā)出讀命令。讀出的指令經(jīng)存儲(chǔ)首先給出指令地址，并向存儲(chǔ)器發(fā)出讀命令。讀出的指令經(jīng)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存放到指令寄存器器數(shù)據(jù)寄存器存放到指令寄存器(IR)中，即：中，即： (PC)MAR，Read (MDR)IR 指令譯碼器指令譯碼器(ID)譯碼分析，確定操作性質(zhì)，判明尋址方式并形成譯碼分析，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。操作數(shù)的有效地址。 指令流向控制指令流向控制即下條指令地址的形成控制。即下條指令地址的形成控制。 2控制程序和數(shù)據(jù)的

4、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異常情況和特殊請求的處理異常情況和特殊請求的處理 控制器必須具有檢測和處理這些異常情況和特殊請求的功能。控制器必須具有檢測和處理這些異常情況和特殊請求的功能。 46.1.3 控制器的組成控制器的組成 控制器一般由以下幾個(gè)基本部分組成，如圖控制器一般由以下幾個(gè)基本部分組成，如圖6- -2所示。所示。 圖圖6-2 控制器組成框圖控制器組成框圖 5 1指令部件指令部件 指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。包括下面幾個(gè)部指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。包括下面幾個(gè)部件。件。 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC 指令寄存器指令寄存器IR 指令譯碼

5、器指令譯碼器ID 地址形成部件地址形成部件 根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式，用來形成操作數(shù)有效地址。根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式，用來形成操作數(shù)有效地址。 2時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件 一條指令的執(zhí)行過程可以分解為若干簡單的基本操作，一條指令的執(zhí)行過程可以分解為若干簡單的基本操作，稱之為微稱之為微操作操作，這些微操作是有著嚴(yán)格的時(shí)間順序要求的，不可隨意顛倒。，這些微操作是有著嚴(yán)格的時(shí)間順序要求的，不可隨意顛倒。時(shí)序控制部件就是用時(shí)序控制部件就是用 脈沖源脈沖源 啟停電路啟停電路 可靠地送出或封鎖主時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生與停止?？煽康厮统龌蚍怄i主時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生與停止。6 時(shí)序信號(hào)

6、發(fā)生器時(shí)序信號(hào)發(fā)生器 不同的機(jī)器有著不同的時(shí)序信號(hào)。不同的機(jī)器有著不同的時(shí)序信號(hào)。有有三種時(shí)序控制方式三種時(shí)序控制方式：同步、：同步、異步和聯(lián)合控制方式。異步和聯(lián)合控制方式。 在同步控制的機(jī)器中，一般包括周期、節(jié)拍、脈沖等三級(jí)時(shí)序信在同步控制的機(jī)器中，一般包括周期、節(jié)拍、脈沖等三級(jí)時(shí)序信號(hào)。號(hào)。 3微操作控制信號(hào)形成部件微操作控制信號(hào)形成部件 微操作控制信號(hào)形成部件的功能是根據(jù)指令部件提供的操作控制微操作控制信號(hào)形成部件的功能是根據(jù)指令部件提供的操作控制電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序信號(hào)，以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序信號(hào)，以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生機(jī)器所需要的各種微操作控

7、制信號(hào)。生機(jī)器所需要的各種微操作控制信號(hào)。 4中斷控制邏輯中斷控制邏輯 5程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器PSR VAX- -11的程序狀態(tài)字的結(jié)構(gòu)格式為：的程序狀態(tài)字的結(jié)構(gòu)格式為： 313029 28272625 2423 222120 1615 876543210CMCMTPTPFPDFPDISISCMODECMODEPMODEPMODE0 0IPLIPLDVDVFUFUIVIVT TN NZ ZV VC C 8086微處理器的程序狀態(tài)字的結(jié)構(gòu)格式為：微處理器的程序狀態(tài)字的結(jié)構(gòu)格式為： 11109876420OFOFDFDFIFIFTFTFSFSFZFZFAFAFPFPFCFCF7 6控制臺(tái)控

8、制臺(tái) 6.1.4 控制器的組成方式控制器的組成方式 1組合邏輯型組合邏輯型 這種控制器稱為這種控制器稱為組合邏輯控制器組合邏輯控制器。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是速度快。是速度快。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，使得設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較是微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，使得設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較困難，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成之后，要想增加新困難，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成之后，要想增加新的控制功能是不可能的。的控制功能是不可能的。 2存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯型(微程序微程序) 這種控制器稱為這種控制器稱為微程序控制器微程序控制器。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令的方便，易于是設(shè)

9、計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令的方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前控制器的主流。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前控制器的主流。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是由于增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器是由于增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器(CM或或CS)，所以指令的執(zhí)行，所以指令的執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。速度比組合邏輯控制器慢。 3組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型(PLA) 它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)的。它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)的。 8圖圖6- -3 微操作信號(hào)發(fā)生器示意圖微操作信號(hào)發(fā)生器示意圖 96.2 控制器控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制器控制方式與時(shí)序系統(tǒng)6.2.1 控制方式控制方式 一般而言，有一般而言，有三種

10、時(shí)序控制方式三種時(shí)序控制方式：同步、異步和聯(lián)合控制方式。：同步、異步和聯(lián)合控制方式。 同步控制方式同步控制方式 指控制序列中指控制序列中每步每步的執(zhí)行都由確定的具有的執(zhí)行都由確定的具有基準(zhǔn)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)來時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)來控制?？刂啤Ｃ總€(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著所要求的操作已完成每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著所要求的操作已完成。隨即開。隨即開始執(zhí)行下一步。始執(zhí)行下一步。 同步方式的時(shí)序信號(hào)通常由周期、節(jié)拍和脈沖組成同步方式的時(shí)序信號(hào)通常由周期、節(jié)拍和脈沖組成。 采用中央控制與局部控制相結(jié)合的方法采用中央控制與局部控制相結(jié)合的方法 根據(jù)大多數(shù)指令的微操作序列的情況，設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)，根據(jù)大多數(shù)指

11、令的微操作序列的情況，設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)，使大多數(shù)指令均能在統(tǒng)一的節(jié)拍內(nèi)完成。使大多數(shù)指令均能在統(tǒng)一的節(jié)拍內(nèi)完成。把統(tǒng)一節(jié)拍的控制稱為中把統(tǒng)一節(jié)拍的控制稱為中央控制。央控制。對(duì)于少數(shù)在對(duì)于少數(shù)在統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令，采用延長節(jié)拍或統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令，采用延長節(jié)拍或增加節(jié)拍數(shù)，使之在延長節(jié)拍內(nèi)增加節(jié)拍數(shù)，使之在延長節(jié)拍內(nèi)完成，執(zhí)行完成，執(zhí)行完畢再返回中央控制。完畢再返回中央控制。 10 采用不同的機(jī)器周期和延長節(jié)拍的方法采用不同的機(jī)器周期和延長節(jié)拍的方法 把在延長節(jié)拍內(nèi)的控制稱為把在延長節(jié)拍內(nèi)的控制稱為局部控制局部控制。 采用分散節(jié)拍的方法采用分散節(jié)拍的方法 所謂分散節(jié)拍是指運(yùn)行不同

12、指令時(shí)，需要多少節(jié)拍，時(shí)序部件就所謂分散節(jié)拍是指運(yùn)行不同指令時(shí)，需要多少節(jié)拍，時(shí)序部件就發(fā)生多少節(jié)拍。發(fā)生多少節(jié)拍。 異步控制方式異步控制方式 所謂異步控制方式，是指不僅要區(qū)分不同指令所對(duì)應(yīng)的操作序列所謂異步控制方式，是指不僅要區(qū)分不同指令所對(duì)應(yīng)的操作序列的長短，而且要區(qū)分其中每個(gè)操作的繁簡，按每條指令、每個(gè)操作的長短，而且要區(qū)分其中每個(gè)操作的繁簡，按每條指令、每個(gè)操作的需要而占用的時(shí)間的一種控制方式。的需要而占用的時(shí)間的一種控制方式。 圖圖6-4 中央節(jié)拍與局部節(jié)拍的關(guān)系中央節(jié)拍與局部節(jié)拍的關(guān)系11 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 是同步和異步控制方式的結(jié)合。是同步和異步控制方式的結(jié)合。 現(xiàn)代計(jì)算

13、機(jī)大多采用同步控制方式或聯(lián)合控制方式。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多采用同步控制方式或聯(lián)合控制方式。 圖圖6- -5所示為所示為PDP- -11機(jī)的同步與異步時(shí)序的銜接關(guān)系。機(jī)的同步與異步時(shí)序的銜接關(guān)系。 圖圖6- -5 同步與異步時(shí)序的銜接同步與異步時(shí)序的銜接 126.2.2 時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng) 通常，通常，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針對(duì)同步控制方式的設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針對(duì)同步控制方式的。下面主要討論。下面主要討論同步控制中的時(shí)序系統(tǒng)。同步控制中的時(shí)序系統(tǒng)。 指令周期與機(jī)器周期指令周期與機(jī)器周期 機(jī)器周期又稱機(jī)器周期又稱CPU周期周期，它是指令執(zhí)行過程中的相對(duì)獨(dú)立的階段，它是指令執(zhí)行過程中的相對(duì)獨(dú)立的階段。一條指令的

14、執(zhí)行過程。一條指令的執(zhí)行過程(即指令周期即指令周期)由若干個(gè)機(jī)器周期所組成，每由若干個(gè)機(jī)器周期所組成，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。 一般機(jī)器的一般機(jī)器的CPU周期有取指周期、取數(shù)周期周期有取指周期、取數(shù)周期(有的機(jī)器還進(jìn)一步有的機(jī)器還進(jìn)一步分為取源數(shù)周期和取目的數(shù)周期分為取源數(shù)周期和取目的數(shù)周期)、執(zhí)行周期、中斷周期等。、執(zhí)行周期、中斷周期等。 由于由于CPU內(nèi)部操作速度快，而內(nèi)部操作速度快，而CPU訪存所花時(shí)間較長，訪存所花時(shí)間較長，所以許多所以許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往，以便二者協(xié)調(diào)，以便二者協(xié)調(diào)工作。工作。 節(jié)拍節(jié)拍 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操

15、作，這些微操作不但需要在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作，這些微操作不但需要占用一定的時(shí)間，而且有一定的先后次序。因此，占用一定的時(shí)間，而且有一定的先后次序。因此，基本的控制方法基本的控制方法是把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間，是把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間，一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，控制一個(gè)或幾個(gè)微操作的執(zhí)行一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，控制一個(gè)或幾個(gè)微操作的執(zhí)行13圖圖6- -6 三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)三級(jí)時(shí)序系統(tǒng) 3脈沖脈沖 在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，有時(shí)還設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，用于寄存器的在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，有時(shí)還設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，用于寄存器的復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。 上述的周期、節(jié)拍、

16、脈沖構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，它們之間關(guān)系如上述的周期、節(jié)拍、脈沖構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，它們之間關(guān)系如圖圖6- -6所示。所示。 微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)有所不同，稱之為微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)有所不同，稱之為時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。14圖圖6- -7 時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng) 圖圖6-7所示的是一典型指令的基本時(shí)序，一個(gè)指令周期包含三個(gè)所示的是一典型指令的基本時(shí)序，一個(gè)指令周期包含三個(gè)機(jī)器周期：取指周期、存儲(chǔ)器讀周期和存儲(chǔ)器寫周期，三個(gè)周期中機(jī)器周期：取指周期、存儲(chǔ)器讀周期和存儲(chǔ)器寫周期，三個(gè)周期中分別包含分別包含4個(gè)、個(gè)、3個(gè)和個(gè)和3個(gè)時(shí)鐘周期。

17、個(gè)時(shí)鐘周期。156.3 CPU的總體結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu) CPU即中央處理器，它包含運(yùn)算器和控制器兩個(gè)部分。即中央處理器，它包含運(yùn)算器和控制器兩個(gè)部分。 6.3.1 寄存器的設(shè)置寄存器的設(shè)置 盡管不同計(jì)算機(jī)的盡管不同計(jì)算機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)存在著這樣那樣的差別，但在結(jié)構(gòu)存在著這樣那樣的差別，但在CPU內(nèi)內(nèi)部一般都設(shè)置下列寄存器：部一般都設(shè)置下列寄存器： (1)指令寄存器指令寄存器lR； (2)程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC； (3)累加寄存器累加寄存器AC； (4)程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器PSR； (5)地址寄存器地址寄存器MAR； (6)數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR(或或MBR)。 累加寄存器簡稱累

18、加器累加寄存器簡稱累加器AC。 通用寄存器是一組程序可訪問的、具有多種功能的寄存器通用寄存器是一組程序可訪問的、具有多種功能的寄存器。在指。在指令系統(tǒng)中為這些寄存器分配了編號(hào)令系統(tǒng)中為這些寄存器分配了編號(hào)(或稱寄存器地址或稱寄存器地址)，可以編程指，可以編程指定使用其中的某個(gè)寄存器。定使用其中的某個(gè)寄存器。 166.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及指令流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及指令流程分析 單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) 圖圖6- -8所示為一個(gè)典型的單總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)框圖。所示為一個(gè)典型的單總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)框圖。圖圖6-8 典型的單總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)框圖典型的單總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)框圖 “?！睘榭刂崎T，在相應(yīng)控制信號(hào)控制下打開相

19、應(yīng)的控制門，建立相應(yīng)寄存器與總線間的聯(lián)系 。17 例例6.1 現(xiàn)分析執(zhí)行一條加法指令：現(xiàn)分析執(zhí)行一條加法指令：ADD (R1)，R0的操作流程。的操作流程。 該指令是實(shí)現(xiàn)該指令是實(shí)現(xiàn) (R1)+(R0)R0操作，執(zhí)行本指令需要下列動(dòng)作。操作，執(zhí)行本指令需要下列動(dòng)作。 (1)(PC)MAR，Read，PCY；送指令地址，讀主存；送指令地址，讀主存 (2)MMDRIR，(Y)+1Z； 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)MMDRY； 取出源操作數(shù)到取出源操作數(shù)到Y(jié)中中 (6)(Y)+

20、(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 取取指指 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) 圖圖6- -9是一種雙總線結(jié)構(gòu)的是一種雙總線結(jié)構(gòu)的CPU組成框圖。組成框圖。取取數(shù)數(shù)18圖圖6- -9 雙總線結(jié)構(gòu)的雙總線結(jié)構(gòu)的CPU組成框圖組成框圖 “。”為控制門，控制著相應(yīng)寄存器的輸出(送至B總線)，或控制相應(yīng)寄存器的輸入(從F總線接收信息)。 2019 例例6.2 分析執(zhí)行加法指令：分析執(zhí)行加法指令：ADD (R1)，R0的操作流程和控制信號(hào)的操作流程和控制信號(hào)序列：加法指令完成的功能是：序列：加法指令完成的功能是：(R1

21、)+(R0)R0操作操作 解：解： 表表6- -1 加法指令的執(zhí)行流程加法指令的執(zhí)行流程 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，Read PCB、Gon、FMAR、Read、FY(2) (PC)+1PCINC、FPC(3) MMDRIRMDRB、Gon、FIR(4) (R1)MAR，ReadR1B、 Gon、FMAR、Read(5) MMDRYMDRB、Gon、FY(6) (Y)+(R0)R0R0B、ADD、FR0 例例6.3 分析執(zhí)行減法指令分析執(zhí)行減法指令SUB X(R1)，(R2)+的操作流程和控制信的操作流程和控制信號(hào)序列。號(hào)序列。 解：解： 取取指指取取數(shù)

22、數(shù)20表表6- -2 減法指令的執(zhí)行流程減法指令的執(zhí)行流程 指令流程指令流程 控制信號(hào)序列控制信號(hào)序列(1) (PC)MAR，Read PCB、Gon、FMAR、Read、FY(2) (PC)+lPC INC、FPC(3) (MMDR) IR MDRB、Gon、FIR(4) (PC)MAR，Read PCB、Gon、FMAR、Read、FY(5) (PC)+lPC INC、FPC(6) (MMDR)Y MDRB、Gon、FY(7) (Y)+(R1)MAR，Read R1B、ADD、FMAR、Read(8) (MMDR)TEMP MDRB、Gon、FTEMP(9) (R2)MAR，Read R2

23、B、 Gon、FMAR、Read、FY(10) (R2)+1R2 INC、FR2(11) (MMDR)Y MDRB、Gon、FY(12) (Y)- -(TEMP)MDR TEMPB、SUB、FMDR(13) (MDR)M，Write Write取取形形式式地地址址X取取指指形成形成EA取第取第2操作數(shù)操作數(shù)(R2)- -(X(R1)18216.4 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 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路如模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路如圖圖6- -10所示所示。 設(shè)模型機(jī)字長為設(shè)模型機(jī)字長為16位，指令、數(shù)據(jù)均為位，指令、數(shù)據(jù)均為16位

24、長。全機(jī)采用總線結(jié)位長。全機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)部總線和系統(tǒng)總線。構(gòu)，分為內(nèi)部總線和系統(tǒng)總線。 模型機(jī)的模型機(jī)的ALU功能功能 模型機(jī)模型機(jī)ALU采用采用中規(guī)模集成電路構(gòu)成。在中規(guī)模集成電路構(gòu)成。在M、S3、S2、S1、S0控制信號(hào)控制下可實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)控制下可實(shí)現(xiàn)16種算術(shù)運(yùn)算和種算術(shù)運(yùn)算和16種邏輯運(yùn)算。表種邏輯運(yùn)算。表6- -3列出了模型機(jī)所涉及的幾種操作。列出了模型機(jī)所涉及的幾種操作。 ALU的輸出經(jīng)移位器送入總線的輸出經(jīng)移位器送入總線BUS2，移位器采用直送、斜送的，移位器采用直送、斜送的方法實(shí)現(xiàn)直接傳送方法實(shí)現(xiàn)直接傳送(DM)、左移一位、左移一位(SL)、右移一位、右移一位(SR)。

25、模型機(jī)中。模型機(jī)中未使用字節(jié)交換功能。未使用字節(jié)交換功能。 模型機(jī)的主存按字模型機(jī)的主存按字(16位位)進(jìn)行編址，主存容量為進(jìn)行編址，主存容量為64K字。字。 22圖圖6- -10 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)框圖模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)框圖 23表表6- -3 模型機(jī)所涉及的算術(shù)邏輯操作模型機(jī)所涉及的算術(shù)邏輯操作6.4.2模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 模型機(jī)的指令格式模型機(jī)的指令格式 模型機(jī)共設(shè)置模型機(jī)共設(shè)置16條指令，用四位操作碼表示，指令格式如圖條指令，用四位操作碼表示，指令格式如圖6-11所示。所示。24圖圖6- -11 模型機(jī)指令格式模型機(jī)指令格式 25表表6- -4 模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)

26、的指令系統(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)一一(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)0111ED ED左移左移(ROL)1000(ED)左移一位左移一位 ED ，移位方式由指令第，移位方式由指令第86位指定位指定右移右移(ROR)1001(ED)右移一位右移一位 ED ，移

27、位方式由指令第，移位方式由指令第86位指定位指定無條件轉(zhuǎn)移無條件轉(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)+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)+D PC轉(zhuǎn)子程序轉(zhuǎn)子程序(JSR)1101 (PC)入棧，入棧，(PC) 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)26 轉(zhuǎn)子指令操作如下：轉(zhuǎn)子指令操作如下： SP SP- -1 MAR Write (MDR)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器) (PC)+DPC 子程序結(jié)束通過返回指令從棧中彈出返回

28、地址返回主程序。返回子程序結(jié)束通過返回指令從棧中彈出返回地址返回主程序。返回指令操作為：指令操作為： (SP)MAR，Read MMDRPC (SP) +l SP 左、右移位指令可以用單操作數(shù)指令的第左、右移位指令可以用單操作數(shù)指令的第8位到第位到第6位規(guī)定移位方位規(guī)定移位方式，如算術(shù)移位、邏輯移位、循環(huán)移位等，在此不再詳述，讀者可式，如算術(shù)移位、邏輯移位、循環(huán)移位等，在此不再詳述，讀者可自己考慮設(shè)計(jì)方案。自己考慮設(shè)計(jì)方案。 3模型機(jī)的尋址方式模型機(jī)的尋址方式 模型機(jī)的尋址方式有如下五種：模型機(jī)的尋址方式有如下五種： 寄存器尋址寄存器尋址 27 尋址方式編碼為尋址方式編碼為000，匯編符號(hào)為，

29、匯編符號(hào)為Rn，n為寄存器編號(hào)。為寄存器編號(hào)。 寄存器尋址是指操作數(shù)在指定寄存器寄存器尋址是指操作數(shù)在指定寄存器Rn中。中。 寄存器間址寄存器間址 尋址方式編碼為尋址方式編碼為001，匯編符號(hào)為，匯編符號(hào)為Rn或或(Rn)。 E=(Rn)，E表示有效地址。表示有效地址。 自增型寄存器間址自增型寄存器間址 尋址方式碼為尋址方式碼為010，匯編符號(hào)為，匯編符號(hào)為(Rn)+。 E=(Rn) ，再，再(Rn)+1R。 若若Rn=SP，則為彈出堆棧的尋址；，則為彈出堆棧的尋址； 若若Rn=PC，則為立即尋址，立即數(shù)存放在該指令的下一個(gè)單元中，則為立即尋址，立即數(shù)存放在該指令的下一個(gè)單元中 自減型寄存器間

30、址自減型寄存器間址 尋址方式碼為尋址方式碼為011，匯編符號(hào)為，匯編符號(hào)為- -(Rn)。 這種尋址方式是將指定寄存器中的內(nèi)容減這種尋址方式是將指定寄存器中的內(nèi)容減1，作為操作數(shù)有效地，作為操作數(shù)有效地址，并將減址，并將減1結(jié)果送回原寄存器中，即結(jié)果送回原寄存器中，即 281)(nnRRE 若若Rn=SP，則為壓入堆棧的尋址。，則為壓入堆棧的尋址。 但但RnPC，以免程序執(zhí)行出現(xiàn)混亂，因?yàn)椋悦獬绦驁?zhí)行出現(xiàn)混亂，因?yàn)镻C指針正常都是自增性指針正常都是自增性的移動(dòng)。的移動(dòng)。 變址型尋址變址型尋址 尋址方式碼為尋址方式碼為100，匯編符號(hào)為，匯編符號(hào)為X(Rn)。 E=X+(Rn) 變址變址X存放

31、在該指令的下一個(gè)單元中存放在該指令的下一個(gè)單元中。尋址操作過程為：。尋址操作過程為： (PC) MAR，Read； 送送X的地址的地址 (PC)+1PC；PC增量增量 MMDRY； 取取X值到值到Y(jié) (Y)+(Rn) MAR； 形成有效地址形成有效地址 在上述的尋址方式中，除了自減型寄存器間址不能使用在上述的尋址方式中，除了自減型寄存器間址不能使用PC外，外，其他可編程寄存器均可使用，沒有特殊的限制。其他可編程寄存器均可使用，沒有特殊的限制。296.4.3 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng) 模型機(jī)采用同步控制方式、三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)。模型機(jī)采用同步控制方式、三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)。 1模型機(jī)的機(jī)器周期模型機(jī)的

32、機(jī)器周期 全機(jī)設(shè)置六個(gè)機(jī)器周期：取指周期全機(jī)設(shè)置六個(gè)機(jī)器周期：取指周期FT、取源周期、取源周期ST、取目的周、取目的周期期DT、執(zhí)行周期、執(zhí)行周期ET、中斷周期中斷周期IT和和DMA周期周期DMAT。為簡化問題。為簡化問題，本章不考慮，本章不考慮IT與與DMAT的操作的操作。 取指周期取指周期FT主要用于實(shí)現(xiàn)取指令、分析指令和主要用于實(shí)現(xiàn)取指令、分析指令和(PC)+1PC的操的操作。作。 取源周期取源周期ST用于非寄存器尋址的雙操作數(shù)指令中源操作數(shù)地址用于非寄存器尋址的雙操作數(shù)指令中源操作數(shù)地址的尋址和取源操作數(shù)。當(dāng)源尋址方式為變址尋址時(shí)，需連續(xù)兩次進(jìn)的尋址和取源操作數(shù)。當(dāng)源尋址方式為變址尋址

33、時(shí)，需連續(xù)兩次進(jìn)入入ST。 取目的周期取目的周期DT用于非寄存器尋址的目的操作數(shù)地址的尋址和取用于非寄存器尋址的目的操作數(shù)地址的尋址和取目標(biāo)操作數(shù)。當(dāng)目的尋址為變址尋址時(shí)，需在目標(biāo)操作數(shù)。當(dāng)目的尋址為變址尋址時(shí)，需在DT中重復(fù)一次。中重復(fù)一次。 執(zhí)行周期執(zhí)行周期ET用于完成指令所規(guī)定的操作并保存結(jié)果。用于完成指令所規(guī)定的操作并保存結(jié)果。 每個(gè)周期設(shè)一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器，哪個(gè)觸發(fā)器為每個(gè)周期設(shè)一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器，哪個(gè)觸發(fā)器為l，機(jī)器就進(jìn)入哪，機(jī)器就進(jìn)入哪個(gè)機(jī)器周期，如圖個(gè)機(jī)器周期，如圖6- -12所示。圖中略去了所示。圖中略去了IT和和DMAT。 30圖圖6- -12 模型機(jī)的周期狀態(tài)觸發(fā)器模型機(jī)

34、的周期狀態(tài)觸發(fā)器 每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成主存的一次讀、寫操作。每個(gè)周期中設(shè)每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成主存的一次讀、寫操作。每個(gè)周期中設(shè)置四個(gè)節(jié)拍置四個(gè)節(jié)拍T0、T1、T2、T3。 為節(jié)省節(jié)拍，在取目的周期為節(jié)省節(jié)拍，在取目的周期DT和執(zhí)行周期和執(zhí)行周期ET中安排兩種節(jié)拍。中安排兩種節(jié)拍。根據(jù)微操作的需要，可選擇兩個(gè)節(jié)拍，也可選擇四個(gè)節(jié)拍，如圖根據(jù)微操作的需要，可選擇兩個(gè)節(jié)拍，也可選擇四個(gè)節(jié)拍，如圖6- -13所示。所示。 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，圖每個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖，用于寄存器接收代碼，圖6- -10所示數(shù)所示數(shù)據(jù)通路中的所有據(jù)通路中的所有CP信號(hào)如信號(hào)如CPIR、CPPC

35、等均為脈沖信號(hào)。寄存器等均為脈沖信號(hào)。寄存器接收數(shù)據(jù)使用脈沖的前沿。脈沖的后沿用于周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換。接收數(shù)據(jù)使用脈沖的前沿。脈沖的后沿用于周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換。31 2模型機(jī)的節(jié)拍與時(shí)序模型機(jī)的節(jié)拍與時(shí)序 節(jié)拍由節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生，其電路如圖節(jié)拍由節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生，其電路如圖6- -13所示。該電路由兩位所示。該電路由兩位T型觸發(fā)器構(gòu)成模型觸發(fā)器構(gòu)成模4計(jì)數(shù)器，經(jīng)譯碼產(chǎn)生四個(gè)節(jié)拍電位計(jì)數(shù)器，經(jīng)譯碼產(chǎn)生四個(gè)節(jié)拍電位T0、T1、T2、T3。圖圖6- -13 模型機(jī)的節(jié)拍發(fā)生器原理圖模型機(jī)的節(jié)拍發(fā)生器原理圖 轉(zhuǎn)4332 圖圖6- -14 模型機(jī)的三級(jí)時(shí)序關(guān)系模型機(jī)的三級(jí)時(shí)序關(guān)系 三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系如圖三級(jí)

36、時(shí)序系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系如圖614所示。所示。 336.5 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 一般來說，組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)有如下步驟。一般來說，組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)有如下步驟。 繪制指令操作流程圖繪制指令操作流程圖 指令流程圖有兩種繪制的思路。指令流程圖有兩種繪制的思路。 一種是以指令為線索一種是以指令為線索，按指令類型分別繪制各條指令的流程。這，按指令類型分別繪制各條指令的流程。這種方法對(duì)一條指令的全過程有清晰的線索，易于理解。種方法對(duì)一條指令的全過程有清晰的線索，易于理解。 另一種方法是以周期為線索另一種方法是以周期為線索，按機(jī)器周期擬定各類指令在本周期，按

37、機(jī)器周期擬定各類指令在本周期內(nèi)的操作流程，再以操作時(shí)間表的形式列出各個(gè)節(jié)拍內(nèi)所需的控制內(nèi)的操作流程，再以操作時(shí)間表的形式列出各個(gè)節(jié)拍內(nèi)所需的控制信號(hào)及它們的條件。這種方法便于微操作控制信號(hào)的綜合、化簡，信號(hào)及它們的條件。這種方法便于微操作控制信號(hào)的綜合、化簡，容易取得優(yōu)化結(jié)果。為理解控制器設(shè)計(jì)方法，模型機(jī)設(shè)計(jì)基本采用容易取得優(yōu)化結(jié)果。為理解控制器設(shè)計(jì)方法，模型機(jī)設(shè)計(jì)基本采用了后一種方法。了后一種方法。 編排指令操作時(shí)間表編排指令操作時(shí)間表 進(jìn)行微操作綜合進(jìn)行微操作綜合 對(duì)操作時(shí)間表中各個(gè)微操作控制信號(hào)分別按其條件進(jìn)行歸納、綜對(duì)操作時(shí)間表中各個(gè)微操作控制信號(hào)分別按其條件進(jìn)行歸納、綜合，列出其綜合

38、的邏輯表達(dá)式，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、化簡，得到比合，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，得到比較合理的邏輯表達(dá)式。較合理的邏輯表達(dá)式。34 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 根據(jù)各個(gè)微操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式，用一系列組合邏輯電路根據(jù)各個(gè)微操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式，用一系列組合邏輯電路加以實(shí)現(xiàn)。加以實(shí)現(xiàn)。6.5.2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 取指周期操作流程圖取指周期操作流程圖 圖圖6- -15所示為取指公操作流程所示為取指公操作流程 圖圖6- -15 取指公操作流程取指公操作流程 假定訪存操作安排在三個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成，假定訪存操作安排在三

39、個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成， 在取指周期內(nèi)：在取指周期內(nèi)： T0送指令地址；送指令地址； T1讀指令到讀指令到MDR； T2將現(xiàn)行指令傳送到將現(xiàn)行指令傳送到IR并由并由ID進(jìn)行譯進(jìn)行譯碼；碼； T3根據(jù)指令譯碼進(jìn)行判斷，以確定下面根據(jù)指令譯碼進(jìn)行判斷，以確定下面應(yīng)進(jìn)入哪個(gè)機(jī)器周期。應(yīng)進(jìn)入哪個(gè)機(jī)器周期。 ，其邏輯表達(dá)式為：，其邏輯表達(dá)式為：35 判斷框內(nèi)的判斷框內(nèi)的SR、DR分別為源、目標(biāo)尋址方式為寄存器尋址的特分別為源、目標(biāo)尋址方式為寄存器尋址的特征，其邏輯表達(dá)式為：征，其邏輯表達(dá)式為：3591011IR4IRIRDRIRIRIRSR 取源周期的操作流程圖取源周期的操作流程圖 雙操作數(shù)指令的源尋址方式為非寄

40、存器尋址時(shí)，需進(jìn)入取源周期雙操作數(shù)指令的源尋址方式為非寄存器尋址時(shí)，需進(jìn)入取源周期。當(dāng)源尋址方式為變址尋址時(shí)，在取源周期的。當(dāng)源尋址方式為變址尋址時(shí)，在取源周期的T3建立建立Repeat信號(hào)和信號(hào)和1ST信號(hào)，使之重復(fù)進(jìn)入信號(hào)，使之重復(fù)進(jìn)入ST。在重復(fù)的。在重復(fù)的ST的的T3時(shí)，將時(shí)，將Repeat信號(hào)信號(hào)清除，進(jìn)入下一個(gè)周期。取源周期的指令流程圖如圖清除，進(jìn)入下一個(gè)周期。取源周期的指令流程圖如圖6- -16所示。所示。36圖圖6- -16 取源周期的指令流程取源周期的指令流程37 例例6- -16取源周期操作流程取源周期操作流程 圖中源尋址方式的判斷條件是源尋址方式的譯碼輸出。其中：圖中源尋

41、址方式的判斷條件是源尋址方式的譯碼輸出。其中： (RS)=IR11IR10IR9(RS)+=IR11IR10IR9-(RS) =IR11IR10IR9XS=IR11IR10IR9 取目的周期的操作流程圖取目的周期的操作流程圖 雙操作數(shù)指令和單操作數(shù)指令的目的尋址方式為非寄存器尋址時(shí)雙操作數(shù)指令和單操作數(shù)指令的目的尋址方式為非寄存器尋址時(shí)，進(jìn)入取目的周期，完成目的操作數(shù)地址的尋址并讀取目的操作數(shù)，進(jìn)入取目的周期，完成目的操作數(shù)地址的尋址并讀取目的操作數(shù)，操作流程如圖，操作流程如圖6-17所示。所示。 由于目的操作數(shù)在執(zhí)行周期才送入由于目的操作數(shù)在執(zhí)行周期才送入ALU的的A輸入端運(yùn)算，所以取輸入端

42、運(yùn)算，所以取出的目的操作數(shù)暫不傳送，而保留在出的目的操作數(shù)暫不傳送，而保留在MDR中，因此對(duì)于非變址尋中，因此對(duì)于非變址尋址的尋址方式，只安排兩個(gè)節(jié)拍即可完成操作。址的尋址方式，只安排兩個(gè)節(jié)拍即可完成操作。 38圖圖6-17 非非MOV指令取目的周期的操作流程圖指令取目的周期的操作流程圖 MOV指令的目的尋址為非寄存器尋址時(shí)，也需進(jìn)入目的周期，指令的目的尋址為非寄存器尋址時(shí)，也需進(jìn)入目的周期，但因但因MOV指令只需傳送目的地址而不需取目的操作數(shù)，因而操作指令只需傳送目的地址而不需取目的操作數(shù)，因而操作比圖比圖6- -17所示的流程簡單，如圖所示的流程簡單，如圖6- -1839圖圖6-18 MO

43、V指令取目的周期的操作流程圖指令取目的周期的操作流程圖 執(zhí)行周期的操作流程執(zhí)行周期的操作流程 傳送類指令傳送類指令 如圖如圖6-19所示所示 40圖圖6-19 MOV指令的執(zhí)行周期流程指令的執(zhí)行周期流程 運(yùn)算類指令運(yùn)算類指令 模型機(jī)的運(yùn)算類指令有雙操作數(shù)指令和單操作數(shù)指令兩種格式，模型機(jī)的運(yùn)算類指令有雙操作數(shù)指令和單操作數(shù)指令兩種格式，完成算術(shù)加、算術(shù)減、邏輯與、邏輯或、邏輯異或、增完成算術(shù)加、算術(shù)減、邏輯與、邏輯或、邏輯異或、增1、取反、取反、移位等功能，如圖移位等功能，如圖6-20圖圖6-21所示。這一類指令的操作結(jié)果影響所示。這一類指令的操作結(jié)果影響標(biāo)志寄存器的狀態(tài)。標(biāo)志寄存器的狀態(tài)。4

44、1圖圖6-20 雙操作數(shù)指令的執(zhí)行周期流程雙操作數(shù)指令的執(zhí)行周期流程 轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令 為簡單起見，模型機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志只有為簡單起見，模型機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志只有CC和和CZ兩個(gè)，這樣轉(zhuǎn)移類兩個(gè)，這樣轉(zhuǎn)移類指令只有無條件轉(zhuǎn)移、有進(jìn)位位轉(zhuǎn)移和結(jié)果為零轉(zhuǎn)移，如圖指令只有無條件轉(zhuǎn)移、有進(jìn)位位轉(zhuǎn)移和結(jié)果為零轉(zhuǎn)移，如圖6-22所所示。示。42 轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行周期的主要操作是形成轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行周期的主要操作是形成目標(biāo)地址：目標(biāo)地址： (PC)+IR(D)PC 停機(jī)指令停機(jī)指令 本指令的執(zhí)行周期只產(chǎn)生一個(gè)停機(jī)信本指令的執(zhí)行周期只產(chǎn)生一個(gè)停機(jī)信號(hào)，如圖號(hào)，如圖6- -23所示。所示。圖圖6-23 停機(jī)指令流程停機(jī)指令流

45、程 43 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子/返回指令返回指令 為了準(zhǔn)確地返回到主程序?yàn)榱藴?zhǔn)確地返回到主程序(調(diào)用程序調(diào)用程序)，必須保留主程序，必須保留主程序調(diào)用指令調(diào)用指令的下一條指令地址的下一條指令地址(PC的值的值)，并在子程序，并在子程序(被調(diào)用程序被調(diào)用程序)的最后安排的最后安排一條返回指令，恢復(fù)被保留的一條返回指令，恢復(fù)被保留的PC值。為便于實(shí)現(xiàn)多級(jí)程序調(diào)用，值。為便于實(shí)現(xiàn)多級(jí)程序調(diào)用，多數(shù)計(jì)算機(jī)采用堆棧保存多數(shù)計(jì)算機(jī)采用堆棧保存PC值，如圖值，如圖6- -24所示。所示。 圖圖6- -24 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子/返回指令執(zhí)行周期流程返回指令執(zhí)行周期流程轉(zhuǎn)圖6-13圖圖6- -25 指令周期結(jié)束后的檢測指令周期結(jié)束后

46、的檢測44 2指令操作時(shí)間表指令操作時(shí)間表 模型機(jī)操作時(shí)間表如表模型機(jī)操作時(shí)間表如表6- -5表表6- -13所示。所示。 4546474849505152表表6- -11 停機(jī)指令執(zhí)行周期的操作時(shí)間表停機(jī)指令執(zhí)行周期的操作時(shí)間表周期周期節(jié)拍節(jié)拍 微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào) 電位信號(hào)電位信號(hào)脈沖信號(hào)脈沖信號(hào) ET Tn 0RUN T1表表6- -11 停機(jī)指令執(zhí)行周期的操作時(shí)間表停機(jī)指令執(zhí)行周期的操作時(shí)間表周期周期節(jié)拍節(jié)拍 微操作控制信號(hào)微操作控制信號(hào) 電位信號(hào)電位信號(hào)脈沖信號(hào)脈沖信號(hào) ET T0PCBUS1JP+JCCC+JZCZS3S2S1S0MDM CPY(JP+JCCC+ JZCZ)

47、P T1IR(D) BUS1JP+JCCC+JZCZS3S2S1S0MJP+JCCC+JZCZDM1FT11T1DMA CPPCI(JP+JCcc+JZCz)PCPFTPCPSTPCPDTPCPETP 5354 下面對(duì)操作時(shí)間表做簡單說明。下面對(duì)操作時(shí)間表做簡單說明。 表中控制信號(hào)后面中括號(hào)中的內(nèi)容為該控制信號(hào)的產(chǎn)生條件表中控制信號(hào)后面中括號(hào)中的內(nèi)容為該控制信號(hào)的產(chǎn)生條件。 表中未考慮在指令周期結(jié)束時(shí)出現(xiàn)中斷請求、表中未考慮在指令周期結(jié)束時(shí)出現(xiàn)中斷請求、DMA請求和電請求和電源失效等情況。實(shí)際應(yīng)用中，一條指令執(zhí)行結(jié)束，若有電源故障、源失效等情況。實(shí)際應(yīng)用中，一條指令執(zhí)行結(jié)束，若有電源故障、中斷

48、請求，則應(yīng)進(jìn)入中斷周期處理；若有中斷請求，則應(yīng)進(jìn)入中斷周期處理；若有DMA請求，則進(jìn)入請求，則進(jìn)入DMA周期處理。沒有發(fā)生上述情況，則進(jìn)入取指周期，取下條指令。周期處理。沒有發(fā)生上述情況，則進(jìn)入取指周期，取下條指令。 未考慮模型機(jī)移位指令實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題，如何實(shí)現(xiàn)不同的移位未考慮模型機(jī)移位指令實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題，如何實(shí)現(xiàn)不同的移位方式，讀者可自行考慮。方式，讀者可自行考慮。 采用變址尋址時(shí)需在相應(yīng)的取數(shù)周期內(nèi)重復(fù)一次，因此設(shè)采用變址尋址時(shí)需在相應(yīng)的取數(shù)周期內(nèi)重復(fù)一次，因此設(shè)Repeat信號(hào)。實(shí)現(xiàn)方法是采用一位計(jì)數(shù)器，用信號(hào)。實(shí)現(xiàn)方法是采用一位計(jì)數(shù)器，用CPRepeat信號(hào)控制信號(hào)控制Repeat信號(hào)

49、的置信號(hào)的置1和清和清0。如圖。如圖6- -26所示，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由總清所示，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由總清信號(hào)信號(hào)Reset將將FT置置1，計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器Repeat清清0。系統(tǒng)由系統(tǒng)由FT進(jìn)入進(jìn)入ST或或DT時(shí)時(shí)，只要不是變址尋址，就不會(huì)產(chǎn)生，只要不是變址尋址，就不會(huì)產(chǎn)生CPRepeat信號(hào)，使信號(hào)，使Repeat保持保持0。如果是變址尋址，則在。如果是變址尋址，則在T3拍產(chǎn)生拍產(chǎn)生CPRepeat信號(hào)，第一次時(shí)將信號(hào)，第一次時(shí)將Repeat置置1，重復(fù)周期時(shí)在重復(fù)周期時(shí)在T3又產(chǎn)生又產(chǎn)生CPRepeat信號(hào)，將信號(hào)，將Repeat清清0 對(duì)于脈沖信號(hào)，必須有脈沖控制，對(duì)于脈沖信號(hào)，必須有脈沖

50、控制，P表示脈沖前沿起作用表示脈沖前沿起作用，P表表示脈沖后沿起作用示脈沖后沿起作用。一般周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換用。一般周期、節(jié)拍的轉(zhuǎn)換用P，寄存器接收代碼，寄存器接收代碼用用P。 55圖圖6- -26 Repeat信號(hào)的產(chǎn)生及部分時(shí)間關(guān)系信號(hào)的產(chǎn)生及部分時(shí)間關(guān)系 3微操作控制信號(hào)綜合微操作控制信號(hào)綜合 對(duì)操作時(shí)間表中的各個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行歸納、綜合，將時(shí)間表中的對(duì)操作時(shí)間表中的各個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行歸納、綜合，將時(shí)間表中的所有相同信號(hào)按其條件寫出綜合邏輯表達(dá)式。表達(dá)式一般包括下列所有相同信號(hào)按其條件寫出綜合邏輯表達(dá)式。表達(dá)式一般包括下列因素：因素： R/W=FTT1+STT1+DTT1(MOV+XD)+ET

51、T2RTS IR(D)(指令地址碼部分指令地址碼部分IR11IR0)BUS1=ETT1(JP+JCCC+JZCZ)+ETT3JSR 56 PCBUS1=FT(T0+T1)+STT0(IR8 IR7IR6+XsRepeat)+STT1 (IR8IR7IR6(RS)+XSRepeat)+DTT0(IR2IR1IR0+XD Repeat)+DTT1(IR2IR1IR0(RD)+XDRepeat)+DTT3 IR2IR1IR0MOV+ETT0IR8IR7IR6SRMOV+ETT0 (JP+JCCC+JZCZ)+ETT0IR8IR7IR6SR(ADD+SUB+ AND+OR+EOR)+ETT1JSR M

52、DRBUS1=FTT2+STT2+DTT2XD Repeat+ETT1DR (ADD+SUB+AND+OR+EOR)+ETT0DR(INC+COM +ROL+ROR)+ETT3RTS CPMAR=FTT0+STT0+DTT0+DTT3MOV+ETT0(JSR+ RTS)P CPTEMP=STT2(XS+Repeat)P 57 TEND=T3+ETT1MOV+INC+COM+ROL+ROR+JP+JC+JZ)+ ETT1DR(ADD+SUB+AND+OR+EOR)+DTT1(XD+Repeat) =T3+ETT1 (IR15IR14+IR14IR13IR12+IR15IR13IR12+IR15I

53、R14IR13)+ ETT1DR(IRl5IR14IRl3+IR15IRl4IRl2+IRl5IRl4IRl3)+DTT1 (XD十十Repeat) 對(duì)邏輯表達(dá)式需進(jìn)行適當(dāng)化簡、調(diào)整，以便得到比較合理的邏輯對(duì)邏輯表達(dá)式需進(jìn)行適當(dāng)化簡、調(diào)整，以便得到比較合理的邏輯表達(dá)式。表達(dá)式。 電路實(shí)現(xiàn)電路實(shí)現(xiàn) 用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn) 將各個(gè)微操作控制信號(hào)用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)成了組合邏輯將各個(gè)微操作控制信號(hào)用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)成了組合邏輯控制器的微操作控制信號(hào)形成部件。圖控制器的微操作控制信號(hào)形成部件。圖6-27畫出了部分微操作控制畫出了部分微操作控制信號(hào)的邏輯電路圖。信號(hào)的邏輯電路圖。

54、58圖圖6- -27 實(shí)現(xiàn)微操作控制信號(hào)的部分邏輯電路實(shí)現(xiàn)微操作控制信號(hào)的部分邏輯電路 用用PLA器件實(shí)現(xiàn)器件實(shí)現(xiàn) 組合邏輯控制電路的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快組合邏輯控制電路的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和調(diào)試的代價(jià)大，而且一旦部件構(gòu)成后修改和擴(kuò)充功是設(shè)計(jì)和調(diào)試的代價(jià)大，而且一旦部件構(gòu)成后修改和擴(kuò)充功能難。能難。59 例如用例如用PLA器件實(shí)現(xiàn)下列邏輯函數(shù)，器件實(shí)現(xiàn)下列邏輯函數(shù)，PLA的編程與實(shí)現(xiàn)如圖的編程與實(shí)現(xiàn)如圖6- -28所示。所示。圖圖6-28用用PLA器件實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)器件實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)輸入輸入/輸出對(duì)應(yīng)函數(shù)為：輸出對(duì)應(yīng)函數(shù)為：F1=ABC+ABC+ABC=AB+ACF2=ABC+ABC+

55、ABCF3=AB+ABCF4=ABC+AB 圖圖6- -29 PLA器件實(shí)現(xiàn)模型機(jī)控制信號(hào)邏輯器件實(shí)現(xiàn)模型機(jī)控制信號(hào)邏輯 606.6 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 微程序設(shè)計(jì)的概念和原理最早由劍橋大學(xué)微程序設(shè)計(jì)的概念和原理最早由劍橋大學(xué)W V Wilkes教授于教授于1951年首先提出來的。他關(guān)注的是為設(shè)計(jì)控制器開發(fā)出一種系統(tǒng)化辦法。年首先提出來的。他關(guān)注的是為設(shè)計(jì)控制器開發(fā)出一種系統(tǒng)化辦法。他在他在設(shè)計(jì)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)的最好方法設(shè)計(jì)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)的最好方法一文中指出：一文中指出：一條機(jī)器指令一條機(jī)器指令可以分解為許多基本的微指令序列可以分解為許多基本

56、的微指令序列。1964年最先在年最先在IBM360系列機(jī)系列機(jī)上成功得以采用。上成功得以采用。 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將程序設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將程序設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，即即用程序設(shè)計(jì)的思想方法來組織操作控制邏輯，將微操作控制信號(hào)按用程序設(shè)計(jì)的思想方法來組織操作控制邏輯，將微操作控制信號(hào)按一定規(guī)則進(jìn)行信息編碼一定規(guī)則進(jìn)行信息編碼(代碼化代碼化)，形成控制字，形成控制字(微指令微指令)，再把這些，再把這些微指令按執(zhí)行時(shí)間的先后排列起來，存放在一個(gè)微指令按執(zhí)行時(shí)間的先后排列起來，存放在一個(gè)ROM中中(這種存儲(chǔ)這種存儲(chǔ)器稱為器稱為CM- -固件固件)。 每條機(jī)器指令對(duì)

57、應(yīng)一段每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段“微程序微程序”，或者說，一條機(jī)器指令由一，或者說，一條機(jī)器指令由一段微程序來解釋段微程序來解釋。 執(zhí)行指令時(shí)，通過依次讀取一條條微指令，產(chǎn)生一組組操作控制執(zhí)行指令時(shí)，通過依次讀取一條條微指令，產(chǎn)生一組組操作控制信號(hào)，控制有關(guān)功能部件完成一組組微操作。因此，又稱為存儲(chǔ)邏信號(hào)，控制有關(guān)功能部件完成一組組微操作。因此，又稱為存儲(chǔ)邏輯。輯。61 在微程序控制機(jī)器中，涉及兩個(gè)層次：在微程序控制機(jī)器中，涉及兩個(gè)層次： 一個(gè)層次是使用機(jī)器語言的一個(gè)層次是使用機(jī)器語言的所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)機(jī)器指機(jī)器指令。用機(jī)器指令編制工作程序，完成某一處理任務(wù)。令。用機(jī)器指令編制工

58、作程序，完成某一處理任務(wù)。CPU執(zhí)行的程執(zhí)行的程序存放在主存儲(chǔ)器中。序存放在主存儲(chǔ)器中。 另一個(gè)層次是另一個(gè)層次是所看到的微程序級(jí)所看到的微程序級(jí)微指令。用微指令微指令。用微指令編制微程序，用以完成一條機(jī)器指令的功能。微程序存放在控制存編制微程序，用以完成一條機(jī)器指令的功能。微程序存放在控制存儲(chǔ)器中。儲(chǔ)器中。 微指令用于產(chǎn)生一組控制命令，稱為微命令，控制完成一組微操微指令用于產(chǎn)生一組控制命令，稱為微命令，控制完成一組微操作。作。 1基本概念基本概念 微命令微命令 微命令是構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。微命令是構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。通常是指那些直接作用通常是指那些直接作用于部件或控制門電路的

59、控制命令。于部件或控制門電路的控制命令。 例如模型機(jī)中的例如模型機(jī)中的PCBUS1、R0BUS1、S3S2S1S0M、CPIR、R/W等控制信號(hào)都稱為微命令。等控制信號(hào)都稱為微命令。62 微操作微操作 由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本的操作稱為微操作。由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本的操作稱為微操作。 微操作的定義可大可小，如模型機(jī)中的微操作的定義可大可小，如模型機(jī)中的(PC)MAR是一個(gè)微操是一個(gè)微操作，它是在一組微命令：作，它是在一組微命令： PCBUS1、S3S2S1S0M、DM、CPMAR的控制下實(shí)現(xiàn)的。也可以定義小一些，如打開的控制下實(shí)現(xiàn)的。也可以定義小一些，如打開PC與與BUS1之間的控之間的控制

60、門也是一個(gè)微操作，它是在微命令制門也是一個(gè)微操作，它是在微命令PCBUS1的控制下實(shí)現(xiàn)的。的控制下實(shí)現(xiàn)的。 微指令微指令 用以產(chǎn)生一組微命令，控制完成一組微操作的二進(jìn)制編碼字稱為用以產(chǎn)生一組微命令，控制完成一組微操作的二進(jìn)制編碼字稱為微指令微指令。 微程序微程序 一系列微指令的有序集合稱為微程序?？梢詫?shí)現(xiàn)相應(yīng)的一條機(jī)器一系列微指令的有序集合稱為微程序?？梢詫?shí)現(xiàn)相應(yīng)的一條機(jī)器指令的功能。指令的功能。 在微程序控制的機(jī)器中，每一條機(jī)器指令都對(duì)應(yīng)著一段微程序，在微程序控制的機(jī)器中，每一條機(jī)器指令都對(duì)應(yīng)著一段微程序，通過解釋執(zhí)行這段微程序，完成指令所規(guī)定的操作功能通過解釋執(zhí)行這段微程序，完成指令所規(guī)定