第11講-控制器的功能

一.（10分）求[X]補(bǔ)、[X/2]補(bǔ)、[X/4]補(bǔ)、[2X]補(bǔ)=？

X=-43/64X=（-43/64）10=（-0.101011）2

（2分）

[X]補(bǔ)=1.010101（2分）

[X/2]補(bǔ)=1.101010或[X/2]補(bǔ)=1.101011（2分）

[X/4]補(bǔ)=1.110101（2分）

[2X]補(bǔ)=溢出（2分）

測(cè)驗(yàn)1參考答案注意；概念準(zhǔn)確，方法正確，步驟清晰完整，125位小數(shù)原碼的表示范圍：

+(1—2-24）~-(1—2-24）二.（12分）定點(diǎn)數(shù)的表示范圍。

32位整數(shù)原碼。25位小數(shù)原碼。

28位整數(shù)補(bǔ)碼。27位小數(shù)補(bǔ)碼。32位整數(shù)原碼的表示范圍：+(231—1）~-(231—1）解：28位整數(shù)補(bǔ)碼的表示范圍：

+(227—1）~-22727位小數(shù)補(bǔ)碼的表示范圍：

+(1—2-26）~-1.0測(cè)驗(yàn)1參考答案注意；概念準(zhǔn)確，方法正確，步驟清晰完整，N+1位的機(jī)器數(shù)2三．（16分）定點(diǎn)補(bǔ)碼加減法。求X+Y，X—YX=-0.5625，Y=+39/64解：X=（-0.5625）10=（-0.1001）2Y=（+39/64）10=（+0.100111）2采用7位機(jī)器數(shù)（N=6）[X]補(bǔ)=1.011100[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=11.011100+00.100111X+Y=+0.000011=00.000011[Y]補(bǔ)=0.10011111.011100+00.10011100.000011[X—Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)=11.011100+11.011001[-Y]補(bǔ)=1.011001=溢出11.011100+11.01100110.110101取雙符號(hào)位運(yùn)算注意；概念準(zhǔn)確，方法正確，步驟清晰完整測(cè)驗(yàn)1參考答案四.（8分）浮點(diǎn)數(shù)表示范圍。尾數(shù)12位原碼，階碼8位補(bǔ)碼。寫出該浮點(diǎn)數(shù)能表示的：最大正數(shù)，絕對(duì)值最大負(fù)數(shù)，最小正數(shù)，絕對(duì)值最小負(fù)數(shù)。解：最大正數(shù)絕對(duì)值最大負(fù)數(shù)最小正數(shù)絕對(duì)值最小負(fù)數(shù)規(guī)格化非規(guī)格化測(cè)驗(yàn)1參考答案4五．（16分）移碼加減法。求X+Y，X—YX=-69，Y=+57，解：X=（-69）10=（-1000101）2Y=（+57）10=（+111001）2[X]補(bǔ)=10111011[X]移=00111011（N=7）[Y]補(bǔ)=00111001[Y]移=10111001[X+Y]移=[X]移+[Y]補(bǔ)=000111011+000111001=00111011+00111001=001110100

00+00

00取雙符號(hào)位運(yùn)算[X+Y]補(bǔ)=11110100X+Y=（-1100）2=（-12）10測(cè)驗(yàn)1參考答案5[-Y]補(bǔ)=11000111[X-Y]移=[X]移+[-Y]補(bǔ)=00111011+11000111=000111011+111000111=000000010

00+11

00[X-Y]補(bǔ)=10000010X-Y=（-1111110）2=（-126）10移碼加減法。X=-69，Y=+57，求X+Y，X—Y取雙符號(hào)位運(yùn)算測(cè)驗(yàn)1參考答案6六．（23分）浮點(diǎn)數(shù)，尾數(shù)8位補(bǔ)碼，階碼6位移碼（都包括符號(hào)位）。

X=-4.75，Y=+28.75，（8分）(1)求X和Y的規(guī)格化浮點(diǎn)機(jī)器數(shù)（15分）（2）求X+Y解：X=（-4.75）10=（-100.11）2=-0.1001100×2+011(1)[MX]補(bǔ)=1.0110100[EX]補(bǔ)

=000011[EX]移

=100011Y=（+28.75）10=（+11100.11）2=+0.1110011×2+0101[MY]補(bǔ)=0.1110011[EY]補(bǔ)

=000101[EY]移

=100101設(shè)浮點(diǎn)數(shù)格式為：階碼尾數(shù)尾符[X]浮點(diǎn)=11000110110100設(shè)浮點(diǎn)數(shù)格式為：階碼尾數(shù)[Y]浮點(diǎn)=10010101110011浮點(diǎn)加法。（尾數(shù)8位補(bǔ)碼，階碼6位移碼）

X=-4.75，Y=+28.75，(2)求X+Y[-EY]補(bǔ)

=111011①對(duì)階[ΔE]移=[EX—EY]移=[EX]移+[-EY]補(bǔ)=0100011+1111011取雙符號(hào)位運(yùn)算

0100011+1111011

0011110ΔE=-2，應(yīng)將EX加2，MX右移2位：[MX]補(bǔ)=1.110110100[EX+Y]移=0100101=00111108②尾數(shù)相加[MX+Y]補(bǔ)=[MX]補(bǔ)+[MY]補(bǔ)=11.1101101+00.1110011=00.110000000

11.1101101+00.1110011

00.1100000取雙符號(hào)位運(yùn)算③規(guī)格化已經(jīng)是規(guī)格化尾數(shù)。[MX+Y]補(bǔ)=0.110000000[EX+Y]移=0100101④舍入處理用0舍1入法，舍去保留位的0：[MX+Y]補(bǔ)=0.1100000⑤判斷溢出階碼（移碼）的符號(hào)位為01，沒有溢出。結(jié)果：X+Y=+0.1100000×2+01019七、（共7分）判斷題（請(qǐng)?jiān)谡_的句子前寫T，錯(cuò)誤的句子前寫F）（T）1．零的原碼表示形式不是唯一的。（F）2．兩個(gè)符號(hào)相同的浮點(diǎn)數(shù)相加后必須進(jìn)行一次右規(guī)。（F）4．帶符號(hào)機(jī)器數(shù)的符號(hào)位都用0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。（T）5．補(bǔ)碼加減法運(yùn)算，符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位是模。（T）3．計(jì)算機(jī)的ALU是用加法和部分積右移操作實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的。（F）7．“右規(guī)”是將尾數(shù)右移一位，并將階碼的值減1。（T）6．若補(bǔ)碼加法運(yùn)算結(jié)果的雙符號(hào)位為01，表示發(fā)生正溢出。測(cè)驗(yàn)1參考答案10八、（共8分）填空題1．原碼加法運(yùn)算，符號(hào)位與數(shù)值部分分開計(jì)算

。若兩數(shù)的符號(hào)不同，做絕對(duì)值大的加數(shù)減絕對(duì)值小的加數(shù)

，和的符號(hào)取決于絕對(duì)值大的加數(shù)的符號(hào)

，若兩數(shù)的符號(hào)相同，做兩數(shù)的絕對(duì)值相加。2．算術(shù)移位應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)的符號(hào)

不變，只改變數(shù)據(jù)的值

。數(shù)據(jù)左移一位將使數(shù)值增大一倍

；數(shù)據(jù)右移一位相當(dāng)于除以2

。測(cè)驗(yàn)1參考答案11計(jì)算機(jī)組成原理Principlesof

ComputerOrganization廣義雙語(yǔ)教學(xué)課程青島理工大學(xué)

校級(jí)精品課程/ec/C84/第6章中央處理器Chapter6CentralProcessingUnitMostRISCmachineshaveonlyaboutfivesimpleaddressingmodes,whileCISCmachinessuchastheDECVAXsuperminihaveoveradozenaddressingmodes,someofwhicharequitecomplicated.TheIBMSystem/360mainframehadonlythreeaddressingmodes;afewmorehavebeenaddedfortheSystem/390.（1）13

中央處理機(jī)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部件，它包括運(yùn)算器和控制器兩大部分。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大子系統(tǒng)組成。只有硬件沒有軟件的計(jì)算機(jī)稱為“裸機(jī)”，“裸機(jī)”是不能工作的。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的功能日益強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。不能想象由人來(lái)直接管理這樣復(fù)雜的機(jī)器，必須由軟件系統(tǒng)來(lái)代替人管理機(jī)器自動(dòng)的工作。這個(gè)軟件就是操作系統(tǒng)。

控制器是全機(jī)的指揮中樞。它根據(jù)工作程序的指令序列、外部請(qǐng)求、控制臺(tái)操作去指揮和協(xié)調(diào)全機(jī)的工作。Thecontrolunitisthecircuitrythatcontrolstheflowofdatathroughtheprocessor,andcoordinatestheactivitiesoftheotherunitswithinit.Inaway,itisthe"brainwithinthebrain",asitcontrolswhathappensinsidetheprocessor,whichinturncontrolstherestofthePC.14

機(jī)器一加電，立即開始執(zhí)行BIOS程序。自動(dòng)到系統(tǒng)磁盤的0道裝入引導(dǎo)程序Boot。該程序裝入主存運(yùn)行后把操作系統(tǒng)的常駐內(nèi)存部分裝入內(nèi)存，建立相應(yīng)的環(huán)境，管理計(jì)算機(jī)的資源，等待人的命令。

機(jī)器加電時(shí)，硬件電路自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)Reset信號(hào)，將CPU復(fù)位。Reset使程序計(jì)數(shù)器PC清0，使CPU的一些寄存器為規(guī)定的某個(gè)初始狀態(tài)。按程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容到主存儲(chǔ)器取指令。計(jì)算機(jī)在上電后要執(zhí)行的第一條指令被安排在主存儲(chǔ)器的00…00H單元。通常在該單元放一條轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)程序的入口地址。

操作系統(tǒng)的一小部分內(nèi)核程序（BIOS）必須固化在ROM中，安裝在主板上，保證機(jī)器一上電就可以立即執(zhí)行。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)也是十分龐大復(fù)雜的。這樣龐大的軟件系統(tǒng)不可能全部駐留在內(nèi)存中，只能保存在輔存（磁盤、磁帶）上。在開機(jī)后按需要裝入主存儲(chǔ)器運(yùn)行。§6.1控制器的組成控制器的功能

馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)是“程序存儲(chǔ)”計(jì)算機(jī)，把要解決的問(wèn)題編制程序，裝入主存，即可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地取指令執(zhí)行程序?！俺绦蚴侵噶畹挠行蚣稀?。在程序運(yùn)行過(guò)程中，計(jì)算機(jī)的各部件在控制器的控制下逐條執(zhí)行程序中各指令，有條不紊地工作，在各部件之間流動(dòng)的指令和數(shù)據(jù)形成了指令流和數(shù)據(jù)流。

控制器的基本功能是周而復(fù)始的按一定順序逐條取指令，分析指令，執(zhí)行指令，再取下一條指令，……直至停機(jī)。ThefundamentaloperationofmostCPUs,regardlessofthephysicalformtheytake,istoexecuteasequenceofstoredinstructionscalledaprogram.Theprogramisrepresentedbyaseriesofnumbersthatarekeptinsomekindofcomputermemory.TherearefourstepsthatnearlyallCPUsuseintheiroperation:fetch,decode,execute,andwriteback.16控制器必須具備以下基本功能：①取指令FetchtheInstructionfromMemory②分析指令DecodetheInstruction

對(duì)指令譯碼，分析它要求的操作并產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令。形成操作數(shù)有效地址。發(fā)出指令地址及訪存控制信號(hào)。將指令從主存取入CPU。Thefirststep,fetch,involvesretrievinganinstructionfromprogrammemory.Thelocationinprogrammemoryisdeterminedbyaprogramcounter(PC),whichstoresanumberthatidentifiesthecurrentpositionintheprogram.Afteraninstructionisfetched,thePCisincrementedbythelengthoftheinstructionwordintermsofmemoryunits.TheinstructionthattheCPUfetchesfrommemoryisusedtodeterminewhattheCPUistodo.Inthedecodestep,theinstructionisbrokenupintopartsthathavesignificancetootherportionsoftheCPU.17控制器必須具備以下基本功能：③執(zhí)行指令ExecutetheInstruction④控制主機(jī)與I/O設(shè)備交換信息（控制輸入輸出）⑤對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求的處理

按照操作數(shù)有效地址取出操作數(shù)，并按操作性質(zhì)形成相應(yīng)的操作控制信號(hào)序列，完成指令的各種操作（包括對(duì)運(yùn)算結(jié)果的處理）。形成下一條指令的地址。能響應(yīng)來(lái)自外部和內(nèi)部的請(qǐng)求，處理一些異常情況和事件。Duringtheexecutestep,variousportionsoftheCPUareconnectedsotheycanperformthedesiredoperation.If,forinstance,anadditionoperationwasrequested,anarithmeticlogicunit(ALU)willbeconnectedtoasetofinputsandasetofoutputs.18控制器的組成

控制器的主要部件包括：程序計(jì)數(shù)器，指令寄存器，指令譯碼器，脈沖源及啟停線路，時(shí)序信號(hào)形成部件，微操作控制信號(hào)形成部件等。AcontrolunitisthepartofaCPU.Theoutputsoftheunitcontroltheactivityoftherestofthedevice.Acontrolunitcanbethoughtofasafinitestatemachine.控制器的基本組成框圖19程序計(jì)數(shù)器PCOP地址碼指令寄存器指令譯碼器ID微操作控制信號(hào)形成部件脈沖源啟停線路時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生部件運(yùn)算器ALU通用寄存器組狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器MDR地址寄存器MARCLK+1ResetReset中斷機(jī)構(gòu)DBABCB主存儲(chǔ)器I/O指令數(shù)據(jù)操作數(shù)地址指令地址轉(zhuǎn)移地址形式地址總線控制控制器的基本組成框圖11．程序計(jì)數(shù)器PC

程序計(jì)數(shù)器是用來(lái)存放要取的下一條指令在主存儲(chǔ)器的地址的，有自動(dòng)加1功能。程序計(jì)數(shù)器的位數(shù)取決于CPU能夠訪問(wèn)的程序存儲(chǔ)空間的大小。

當(dāng)程序是順序執(zhí)行時(shí)，每取一個(gè)指令字，程序計(jì)數(shù)器PC自動(dòng)加1，形成下一條指令的地址。當(dāng)程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，用轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址取代PC原來(lái)的值作為下一條指令的地址。2．指令寄存器IR

指令寄存器IR是用來(lái)存放（從存儲(chǔ)器取來(lái)）當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的，指令寄存器的位數(shù)取決于指令字長(zhǎng)。Aftertheexecutionoftheinstructionandwritebackoftheresultingdata,theentireprocessrepeats,withthenextinstructioncyclenormallyfetchingthenext-in-sequenceinstructionbecauseoftheincrementedvalueintheprogramcounter.4．脈沖源及啟停線路產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為機(jī)器的時(shí)鐘脈沖。產(chǎn)生Reset信號(hào)。5．時(shí)序信號(hào)形成部件

為了保證指令及各個(gè)微操作的執(zhí)行按正確順序完成，需要相應(yīng)的控制指令周期、機(jī)器周期的節(jié)拍電位、節(jié)拍脈沖等。6．微操作控制信號(hào)形成部件根據(jù)指令分析的結(jié)果和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的微操作控制信號(hào)。3．指令譯碼器ID

指令譯碼器的功能是對(duì)指令寄存器中的指令的操作碼進(jìn)行分析（譯碼），決定應(yīng)該執(zhí)行的基本操作。22程序計(jì)數(shù)器PCOP地址碼指令寄存器指令譯碼器ID微操作控制信號(hào)形成部件脈沖源啟停線路時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生部件運(yùn)算器ALU通用寄存器組狀態(tài)標(biāo)志位數(shù)據(jù)寄存器MDR地址寄存器MARCLK+1ResetReset中斷機(jī)構(gòu)DBABCB主存儲(chǔ)器I/O指令數(shù)據(jù)操作數(shù)地址指令地址轉(zhuǎn)移地址形式地址總線控制控制器的基本組成框圖2

取指令時(shí)，首先把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容送到地址總線，接著發(fā)出存儲(chǔ)器讀命令Read。等待一段時(shí)間后，從數(shù)據(jù)總線將取出的指令讀入并送到CPU的指令寄存器IR。

訪問(wèn)主存儲(chǔ)器取操作數(shù)時(shí)，首先把主存地址寄存器MAR的內(nèi)容送到地址總線，接著發(fā)出存儲(chǔ)器讀命令Read。等待一段時(shí)間后，從數(shù)據(jù)總線將讀出的數(shù)據(jù)讀入并送到CPU的數(shù)據(jù)寄存器MDR。

把數(shù)據(jù)寫到主存儲(chǔ)器時(shí)，首先把主存地址寄存器MAR的內(nèi)容送到地址總線，數(shù)據(jù)寄存器MDR的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)總線，接著發(fā)出存儲(chǔ)器寫命令Write。等待一段時(shí)間后存儲(chǔ)器寫周期結(jié)束。24指令執(zhí)行過(guò)程設(shè)指令格式為：Opcoders,rdrs1imm或disprs,rd為源/目的操作數(shù)地址，rs1為另一源操作數(shù)地址，rs,rd和rs1均為通用寄存器的地址。imm/disp為立即數(shù)或位移量。25（1）加法指令的執(zhí)行過(guò)程加法指令的功能：將寄存器rs中的一個(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器中的一個(gè)數(shù)（地址為（rs1）+disp）相加，結(jié)果放在寄存器rd中。操作表達(dá)式：（rs）+（（rs1）+disp）→rd26CPT1T2(rs1)→ALUALU→PCPC→ABPC+1PC→ALUALU→GRDB→DRALU→DRDR→ALUDR→DBDB→IRALU→ARAR→ABrs1→GRResetimm/disp→ALUrs,rd→GR程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR指令譯碼器ID微操作控制信號(hào)形成部件脈沖源啟停線路時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生部件ALU通用寄存器組GRFlag數(shù)據(jù)寄存器DR地址寄存器ARCLK2DBABCB主存儲(chǔ)器(rs)→ALUOPimm/disprs1rs,rdCLK+ADS-（1）加法指令的執(zhí)行過(guò)程加法指令的功能：將寄存器rs中的一個(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器中的一個(gè)數(shù)（地址為（rs1）+disp）相加，結(jié)果放在寄存器rd中。操作表達(dá)式：（rs）+（（rs1）+disp）→rd28（1）加法指令的執(zhí)行過(guò)程

以上操作需4個(gè)機(jī)器周期。其中，取指令和取數(shù)周期通過(guò)總線訪存。計(jì)算地址和運(yùn)算送結(jié)果周期是在CPU內(nèi)部操作，不使用總線。29（2）條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過(guò)程

條件轉(zhuǎn)移指令的功能：根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志寄存器中相關(guān)標(biāo)志的狀態(tài)決定是否轉(zhuǎn)移。如果轉(zhuǎn)移條件成立，則轉(zhuǎn)移到指令指定的目標(biāo)地址，否則順序執(zhí)行下一條指令。30加法指令時(shí)序圖CLK2CLKPC→AB，DB→DR，PC+1AR→AB，DB→DRADSININT1T2T1T2T1T2T1T2取指令計(jì)算地址取數(shù)據(jù)加法運(yùn)算DBrs1→GR,(rs1)→ALU,disp→ALU+rs→GR,(rs)→ALU,DR→ALUALU→ARrd→GR，

ALU→rd，置Flag時(shí)