蘿卜家園-樣板

1、樣板操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器RAMALU狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 20CLS指令結(jié)束1PC AR ABUSDBUS DR IR PC+1譯碼或測試0 ACIR ARIR ARIR PCPC ARAR ABUS DBUS DR DR ALUALU ACAR ABUS AC DR DR DBUSCLAADDSTAJMPNOP5.2.6 用方框圖語言表示指令周期2 5.3.1 時(shí)序信號的作用和體制時(shí)序信號的作用：保證計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確、迅速、有條 不紊地工作。 在微程序控制器中，時(shí)序信號比較簡單，一般采用節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖二級體制。就是說，它只有嚴(yán)格節(jié)拍電位，在節(jié)拍電位中

2、又包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖（時(shí)鐘周期）。節(jié)拍電位表示一個(gè)CPU周期的時(shí)間，而節(jié)拍脈沖把一個(gè)CPU周期劃分成幾個(gè)較小的時(shí)間間隔。根據(jù)需要，這些時(shí)間間隔可以相等，也可以不相等。5.3 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式35.3.2 時(shí)序信號產(chǎn)生器時(shí)序信號產(chǎn)生器的功能是：用邏輯電路實(shí)現(xiàn)時(shí)序。啟停控制邏輯節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序譯碼邏輯環(huán)形脈沖發(fā)生器時(shí)鐘脈沖源IORQMREQRDWRT1T2T3T4IORQOMREQORDOWROT1OT2OT3OT4OIORQ MREQRD WR 停機(jī)啟動時(shí)序信號產(chǎn)生器框圖4 由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成。 作用產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不 等的脈沖序列。環(huán)形脈沖發(fā)生器的兩

3、種形式：采用普通計(jì)數(shù)器：在節(jié)拍脈沖上帶來毛刺。循環(huán)移位寄存器1.時(shí)鐘源2.環(huán)形脈沖發(fā)生器5脈沖時(shí)鐘源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯100QQC1DQQC2DQQC3D0001過100 ns之后001QQC11QQC3D0QQC2D0+5V6脈沖時(shí)鐘源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯01第二個(gè)脈沖來時(shí)01QQC11+5V10QQC3D

4、000QQC2D17脈沖時(shí)鐘源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯01第三個(gè)脈沖來時(shí)01QQC11+5V100QQC2D11QQC3D18脈沖時(shí)鐘源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯101001+5V111QQC1DQQC2DQQC3D000QQC11QQC2D0QQC3D0第四個(gè)脈沖來時(shí)第五個(gè)脈沖來時(shí)9脈沖時(shí)鐘源QQC4D23SCLRMR

5、EQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR環(huán)形脈沖發(fā)生器與譯碼邏輯10樣品QQC1DQQC2DQQC3D000103. 節(jié)拍脈沖和讀 / 寫時(shí)序的譯碼根據(jù)上圖得到，其譯碼電路邏輯可表示為：T1o= C1* C2T2o= C2 * C2T3o= C3T4o= C1根據(jù)上圖，節(jié)拍電位與節(jié)拍脈沖時(shí)序關(guān)系如下：讀寫時(shí)序信號的譯碼邏輯表達(dá)式為：RD o= C2* RDWE o= C3* WEIORQ o= C2* IORQMREQ o= C2* MREQ11WE12345678910C4C3C2C1MREQORDRDWET1T2T3T4節(jié)拍電位與節(jié)拍脈沖時(shí)序關(guān)系

6、圖124.啟?？刂七壿?機(jī)器一旦接通電源，就會自動產(chǎn)生原始的節(jié)拍脈沖信號T1OT4O，然而只有在啟動機(jī)器運(yùn)行的情況，才允許時(shí)序產(chǎn)生器發(fā)出CPU工作所需的節(jié)拍脈沖T1T4 。MREQORDT1T2T3RDOWET4WEOMREQOT2oT3oT4oT1oQQC1DT4o啟動停機(jī)CLR啟停控制邏輯135.3.3 控制方式機(jī)器指令的指令周期是由多個(gè)CPU周期組成。控制方式有如下四種：1. 同步控制方式：在任何情況下，已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都是固定不變的，稱為同步控制方式。（1）采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同指令。（2）采用不定長機(jī)器周期。將大多數(shù)操作安排在一個(gè)較短的機(jī)器周

7、期內(nèi)完成，對于某些時(shí)間緊張的操作，則采取延長機(jī)器周期的方法。（3）中央控制與局部控制結(jié)合。中央控制：將大部分指令安排在固定的機(jī)器周期內(nèi)完成。局部控制：對少數(shù)復(fù)雜指令（乘、除、浮點(diǎn)運(yùn)算）采用另外時(shí)序定時(shí)。根據(jù)不同情況，同步控制方式可選取如下方案：142. 異步控制方式：每條指令周期可由多少不等的機(jī)器周期數(shù)組成。指令周期數(shù)和時(shí)針周期數(shù)不固定。3. 聯(lián)合控制方式：同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。方式1：大部分操作序列安排在固定的機(jī)器整齊中，對某些時(shí)間難以確定的操作，以執(zhí)行部件的“回答”信號作為操作的結(jié)束。方式2：機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖固定，但指令周期中的機(jī)器周期數(shù)不固定。4. 人工控制方式：為了調(diào)試機(jī)器

8、和軟件開發(fā)的需要，在計(jì)算機(jī)面板和內(nèi)部設(shè)置一些開關(guān)或按鍵以進(jìn)行人工控制。如RESET鍵，連續(xù)執(zhí)行或單條指令執(zhí)行的轉(zhuǎn)換開關(guān)，符合停機(jī)開關(guān)等。15微程序控制器同組合邏輯控制器相比較：特點(diǎn)：具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性。 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，微程序設(shè)計(jì)是利用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的一門技術(shù)。微程序控制器的基本思想： 操作控制信號編成所謂的“微指令”，存放在ROM中。 運(yùn)行時(shí)，一條條地讀出這些微指令。 產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號。 5.4 微程序控制器 165.4.1 微命令和微操作一臺數(shù)字計(jì)算機(jī)基本上可以劃分為兩大部分：控制部件執(zhí)行部件控制命令反饋 測試微指令：控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種 控

9、制命令。微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。微操作相斥性：同一個(gè)CPU周期不能并行執(zhí)行 的微操作。相容性：同一個(gè)CPU周期可并行執(zhí)行的 微操作。17CY+MR1R2R3X468579123Y簡單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖DRALU18 上圖所示，是一個(gè)簡單運(yùn)算器模型，其中ALU為算術(shù)邏輯單元，R1、R2、R3為三個(gè)寄存器。 CY為最高位觸發(fā)器，有進(jìn)位時(shí)該觸發(fā)器狀態(tài)為“1”。 微操作1、2、3是可以同時(shí)進(jìn)行的，所以是相容性的微操作。另外，ALU的X輸入微操作4、6、8分別與Y輸入的5、7、9任意兩個(gè)微操作，也都是相容性的。 ALU的操作（加、減、傳送）在同一個(gè)CPU周期中只能選擇一種，不能并行，所以

10、以+、M（傳送）三個(gè)微操作是互斥性的微操作。類似地，4、6、8三個(gè)微操作是互斥性的，5、7、9三個(gè)微操作也是互斥性的。191234567891011121314151617181920212223LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+M-LDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制順序控制微指令基本格式每一位表示一個(gè)微指令，當(dāng)某一位為“1”時(shí)，表示發(fā)出微命令，若第2位為“1”時(shí)，表示發(fā)出LDD2的微命令。在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。5.4.2 微指令和微程序微程序：一條指令的功能是由多條微指令組

11、成的序列實(shí)現(xiàn)的。20節(jié)拍電位信號節(jié)拍脈沖信號“+”LDR1600ns200CPU周期LDR1LDR2LDR3LDR1LDR2LDR3T4運(yùn)算器操作時(shí)序與產(chǎn)生邏輯215.4.3 微程序控制器原理框圖OP控制存儲器地址譯碼微地址寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯P字段控制字段微指令信號狀態(tài)條件指令寄存器IR微程序控制器組成原理框圖225.4.3 微程序控制器原理框圖P字段控制字段微程序控制器組成原理框圖OP控制存儲器地址譯碼微地址寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯微指令信號狀態(tài)條件指令寄存器IR控制存儲器用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，它是一種只讀存儲器微命令寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯地址轉(zhuǎn)移邏輯承擔(dān)自動完成修改微地址的任務(wù) 如果微程

12、序不出現(xiàn)分支，那么下一條微指令的地址就直接有微地址寄存器給出。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，意味著微程序出現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移。P字段控制字段微地址寄存器微指令寄存器：它用來存放由控制存儲器讀出的一條微指令信息。其中微地址寄存器:決定將要訪問的下一條微指令的地址，微指令寄存器:保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段的信息。指令寄存器23控制存儲器：它用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，它是一種只讀存儲器。微指令寄存器：它用來存放由控制存儲器讀出的一條微指令信息。其中微地址寄存器決定將要訪問的下一條微指令的地址，而微指令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段的信息。微指令周期：是指讀出一條微指令并執(zhí)行

13、微指令的時(shí)間總和稱為一個(gè)微指令周期。地址轉(zhuǎn)移邏輯：如果微程序不出現(xiàn)分支，那么下一條微指令的地址就直接有微地址寄存器給出。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，意味著微程序出現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移。微地址：微指令由控制存儲器讀出后直接給出下一條微指令的地址，通常我們簡稱微地址。24例：BCD 碼相加已知：R1=a , R2=b, R3=6若：a+b+R316 不做減6修正PCARAUSDBUSDRPC+1 P1 R1 + R2 R2R2 + R3 R2R2 + R3 R2 P2 RD101000001001000000010000CY01 1 1 11 0 0 11 0 0 0 10 1 0 10 1 0 00 1 1 0a

14、b6+5+4=90 1 0 10 1 1 00 1 1 0ab6+5+6=110 1 1 0修正大于16 不用修正25LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+M-LDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制順序控制023456789101112131415161718192021222300000000000011111100000010100100100000000010010100010011000000001000001000100110000000000000第一條微指令26LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3

15、RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制順序控制023456789101112131415161718192021222300000000000011111100000第16位發(fā)出 LDAR 將PC內(nèi)容送到地址寄存器AR第13位 發(fā)出RD第14位 發(fā)出LDDR第15位 發(fā)出LDIR將緩沖器中的“十進(jìn)制加法”指令再送到IR第17位 發(fā)出PC+1微指令，使程序計(jì)數(shù)器加1微指令的順序控制字段指明下一條微指令的地址是0000，但由于判別字段中第18位為1，表明P1測試，因此0000不是下一條微指令的真正地址。P1測試的“狀態(tài)條件”是指令寄存器的操作碼字段，即用OP

16、字段作為形成下一條微指令的地址，于是微地址寄存器的內(nèi)容修改成1010。指令寄存器OP 的操作碼為1010為加法操作第一條微指令27LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制順序控制023456789101112131415161718192021222301010010010000000001001 操作控制部分發(fā)出四個(gè)微命令：R1 X，R2 Y，+，LDR2 完成 R1+R2 R1微指令的順序控制字段指明下一條微指令的地址是0000，但由于判別字段測試P1和P2均為0，表示不進(jìn)行測試，于是直接給出

17、下一條微指令的地址為1001。按照1010這個(gè)微地址讀出的第二條微指令第二條微指令28LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制順序控制023456789101112131415161718192021222301000100110000000010000 操作控制部分發(fā)出四個(gè)微命令：R2 X，R3 Y，+，LDR2 完成 R2+R3 R2微指令的順序控制字段中由于判別字段P2 為1，表明進(jìn)行P2 測試，測試的“狀態(tài)條件”為進(jìn)位位標(biāo)志 Cy。按照1001這個(gè)微地址讀出的第三條微指令第三條微指令 設(shè)定

18、： Cy=1 下一條微指令的地址是 0000 ,Cy=0 下一條微指令的地址是 0001。 若：Cy=0 那么下一條微指令的地址是 0001。29LDR2R1XR2XDRXR1YR2YR3YLDR1LDR3RDLDDR+MLDIRLDARPC+1P1直 接 地 址P2操作控制操作控制順序控制023456789101112131415161718192021222301000100100100000000000 操作控制部分發(fā)出四個(gè)微命令：R2 X，R3 Y，LDR2 完成 R2 R3 R2微指令的順序控制部分直接給出 下一條微指令的地址為0000 ,按該地址取出的微指令是“取指”微指令。按照0

19、001這個(gè)微地址讀出的第四條微指令第四條微指令若：第三條微指令進(jìn)行測試 時(shí) Cy=1 那么微地址仍保持為 0000， 將不執(zhí)行第四條微指令而直接由第三條微指令轉(zhuǎn)向公操作。305.4.4 CPU周期與微指令周期的關(guān)系微指令周期：等于讀出微指令的時(shí)間加上執(zhí)行該條微指令的時(shí)間。T1T2T3T4T1T2T3T4執(zhí)行微指令微指令周期微指令讀CPU周期CPU周期CPU周期與微指令周期的關(guān)系31微命令寄存器 控 制 存儲器 地址譯碼微地址寄存器指令寄存器 IR地址寄存器AR程序計(jì)數(shù)器PC 地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖寄存器DROP+1微命令1、一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由 若干條微指令序列組成的。2、從指

20、令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對應(yīng)來看，前者與內(nèi)存儲器有關(guān)，后者與控制存儲器有關(guān)。3、指令周期中的每一個(gè)CPU周期對應(yīng)著一條微指令。5.4.6 機(jī)器指令 與 微指令 的 關(guān)系320 1 2 34567891011RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset要求：用二進(jìn)制代碼寫出如下指令的微程序（1） “ADD R0，R1”（2） “SUB R2，R2”（3）”MOV R2，R3”33ALUm2m1讀ROM2us500ns1 us1個(gè)微指令周期ALU SA SB 4個(gè)通用寄存器RA0RA1RA0RA1讀選擇寫選擇RWLDSALDSB16位16位S

21、B-ALUSB-ALU16位Rseet（1） “ADD R0，R1”（2） “SUB R2，R2”（3）”MOV R2，R3”34 測試 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SB0 SBSA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 碼ADD1. 00XX101000002. 01XX100100003. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006. XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX11010010111 0 X X10100000RA0 RA1WA

22、0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetX X 1 101001011RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetALU SA SB 4個(gè)通用寄存器RA0RA1RA0RA1讀選擇寫選擇RWLDSALDSB16位16位SB-ALUSB-ALU16位RseetMOV R2 , R3 指令 (R2)+(R3) R335 測試 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SB0 SBSA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 碼ADD1. 00XX101000002. 01XX1001000

23、03. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006. XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX11010010110 0 X X10100000RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset0 1 X X10010000RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetALU SA SB 4個(gè)通用寄存器RA0RA1RA0RA1讀選擇寫選擇RWLDSALDSB16位16位SB-ALUSB-ALU16位RseetADD R0 , R1 指令 完成 (R0)

24、+(R1) R136 測試 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SB0 SBSA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 碼ADD1. 00XX101000002. 01XX100100003. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006. XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX1101001011X X 0 101001001RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset0 1 X X10010000RA0 RA1WA

25、0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUResetALU SA SB 4個(gè)通用寄存器RA0RA1RA0RA1讀選擇寫選擇RWLDSALDSB16位16位SB-ALUSB-ALU16位RseetADD R0 , R1 指令 完成 (R0)+(R1) R137 測試 R2 SAMOVADDSUB 取指 R3 SAR2 SBSA-SB R3R0 SAR1 SBR2 SASA+SB R3SA+SB R1指 令微 程 序 代 碼ADD1. 00XX101000002. 01XX100100003. XX0101001001SUB4. 11XX101000005. 10XX100100006.

26、 XX1101000101MOV7. 10XX101000008. XX11010010110 1 2 34567891011RA0 RA1WA0 WA1RWLDSALDSBSB-AWSB-ALUReset38設(shè)計(jì)微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo) 5.5 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)（1）有利于縮短微指令字長度；（2）有利于減小控制存儲器的容量；（3）有利于提高微程序的執(zhí)行速度；（4）有利于對微指令的修改；（5）有利于微程序設(shè)計(jì)的靈活性。學(xué)生教師39 5.5.1 微指令編碼 微指令編碼：對微指令中操作控制字段采用的表示方法。通常有三種方法：（1）直接表示法 特點(diǎn)：操作控制字段中的每一位代表一個(gè)微指令。優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀

27、，其輸出直接用于控制。缺點(diǎn)：微指令字較長，使控制存儲器容量較大。字段1字段2P字段下一個(gè)微地址順序控制順序控制譯碼譯碼譯碼微指令P1P2Pn 字段直接譯碼法直接表示法、編碼表示法、混合表示法 40（2）編碼表示法 編碼表示法：把一組互斥性的微指令信號組成一個(gè)小組（即一個(gè)字段），然后通過小組譯碼器對每一個(gè)微命令信號進(jìn)行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號。特點(diǎn)：可用較少的二進(jìn)制信息位表示較多的微指令 信號。優(yōu)點(diǎn)：可使微指令字大大縮短。缺點(diǎn)：由于增加了譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速 度變慢。（3）混合表示法 把直接表示法與字段編碼法相混合使用。3：8 譯 碼 XXX指令字段微指令信號415.5.2 微地址的

28、形成方法產(chǎn)生后繼微地址有如下三種方法：1.計(jì)數(shù)器方式：單。但多路并行轉(zhuǎn)移功能較弱，速度較慢，靈活 性較差。在順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上增量來產(chǎn)生。在非順序執(zhí)行微指令時(shí)，必須通過轉(zhuǎn)移方式，使現(xiàn)行微指令執(zhí)行后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行指定后繼微地址的下一條微指令。在這種方法中，微地址寄存器通常改為計(jì)數(shù)器。 為此，順序執(zhí)行的微指令序列就必須安排在控制存儲器的連續(xù)單元中。特點(diǎn)：微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)簡422.增量方式與斷定方式結(jié)合：微指令順序控制部分分為：條件選擇字段和轉(zhuǎn)移地址字段。MUXPC控制存儲器CMIR外部條件外部地址轉(zhuǎn)移地址打入條件選擇控制字段（可編碼）433.多路轉(zhuǎn)移方式：多路轉(zhuǎn)移：一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。例如：“取指”微指令根據(jù)操作碼OP產(chǎn)生多路微程序分支而形成多個(gè)微地址。在多