計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課件

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化專業(yè)

學(xué)時(shí)：32

上課時(shí)間：每周兩次

周一：8:00-9:35

周四：9:45-11:25

00:15

計(jì)算機(jī)的組成

存儲(chǔ)器

外

輸入設(shè)備輔助存儲(chǔ)器＜-輸出設(shè)備設(shè)

＞主存儲(chǔ)器J

主

i機(jī)

運(yùn)算器控制器

CPU

中央處理器

控制器控制器功能與組成，指令執(zhí)行過程

微程序控制基本原理，微程序設(shè)計(jì)技術(shù)…

基本原理，與微程序控制的比較

硬布線控制

■■■

流水線基本工作原理…

課程內(nèi)容安排

中央處理器

CPU中的主要寄存器

1.通用寄存器

米存放原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)

果，有的還可以作為變址寄存器、計(jì)數(shù)器、地

址指針等。通用寄存器一般由程序編址訪問。

CPU中的主要寄存器

2.專用寄存器

1)程序計(jì)數(shù)器(PC)________

程序計(jì)數(shù)器又稱指令計(jì)數(shù)器，用來存放正在執(zhí)行的

指令地址或接著要執(zhí)行的下條指令地址。

2)指令寄存器(IR)

指令寄存器用來存放從存儲(chǔ)器中取出的指令。當(dāng)指

令從主存取出暫存于指令寄存器之后，在執(zhí)行指令的過

程中，指令寄存器的內(nèi)容不允許發(fā)生變化，以保證實(shí)現(xiàn)

指令的全部功能。

CPU中的主要寄存器

3)數(shù)據(jù)寄存器(DR)

數(shù)據(jù)寄存器用來暫時(shí)存放由主存儲(chǔ)器讀出的一個(gè)數(shù)

據(jù)字；反之，當(dāng)向主存存入一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也暫時(shí)將

它們存放在數(shù)據(jù)寄存器中。

4)地址寄存器(AR)

地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所訪問的主存單元的

地址。由于主存和CPU之間存在著操作速度上的差別，

所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到主存的

讀寫操作完成為止。

CPU中的主要寄存器

5）狀態(tài)標(biāo)志寄存器（PSWR）

狀態(tài)標(biāo)志寄存器用來存放程序狀態(tài)字（PSW）O

程序狀態(tài)字的各位表征程序和機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)，是參

與控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)之一。它主要包括兩部分

內(nèi)容：一"是狀態(tài)標(biāo)志，如進(jìn)位標(biāo)志（C）、結(jié)果為零標(biāo)

志（Z）等，大多數(shù)指令的執(zhí)行將會(huì)影響到這些標(biāo)志位

;二是控制標(biāo)志，如中斷標(biāo)志、陷阱標(biāo)志等。

6.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

中斷設(shè)備

圖6.1Intel80386微機(jī)系統(tǒng)框圖

6.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

Intel80386包括指令部件、執(zhí)行部件和存儲(chǔ)管

理部件等。

指令部件完成取指及指令譯碼功能，并產(chǎn)生控制

信號(hào)；

執(zhí)行部件包括ALU、乘法部件、寄存器組等；

存儲(chǔ)管理部件用來確定存儲(chǔ)器地址O

6.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

CLK2)A2—A31

BE3#__

32位

BE2#

悔字節(jié)地址

數(shù)據(jù)總線BE1#.使能

DO—D31<BEO#J

80386W/R#'

.ADS#D/C#.［總線周

NA#

M/IO#j期定義

總線控制'BS16#

LOCK叫

READY#>--------------

HOLDPEREQ_

總線仲裁，

HLDA.BUSY#協(xié)處理

>器信號(hào)

INTRERROR#

NMI

中斷，Vccf

RESET:GND..電源連接

圖6.2Intel80386弓［出端信號(hào)

6.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

［控制器主要作用一

發(fā)出滿足一定時(shí)序關(guān)系的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)

指令系統(tǒng)所規(guī)定的各條指令的功能，并保證計(jì)

算機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

6.2控制器的組成

控制器的功能

L?取指令分析指令執(zhí)行指令

廠________I

6.2控制器的組成

控制器的功能

口控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出

口對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求的處理

6.2控制器的組成

控制器的組成

1.程序計(jì)數(shù)器(PC)

2.指令寄存器(IR)

3.指令譯碼器或操作碼譯碼器

4.脈沖源及啟停線路

5.時(shí)序控制信號(hào)形成部件

6.2控制器的組成

指令轉(zhuǎn)移地址

控制總線CB

存

B-器

圖6.3控制器基本組成框圖

6.2控制器的組成

控制器的控制方式

1.同步控制方式

2.同即固定時(shí)序控制方式,

各現(xiàn)操作都由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制。由

手米同的指令,操作時(shí)間長(zhǎng)短不一致。

同步控翻f式應(yīng)以最復(fù)雜指令的操作時(shí)

間作為統(tǒng)一的時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)O

6.2控制器的組成

控制器的控制方式

2.異步控制方式

異步控制方式即可變時(shí)序控制方式，各項(xiàng)操作不

采用統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)控制，而根據(jù)指令或部件的具體

情況決定，需要多少時(shí)間，就占用多少時(shí)間。

這是一種“應(yīng)答”方式，各操作之間的銜接是由

“結(jié)束一起始”信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。由前一項(xiàng)操作已經(jīng)完

成的“結(jié)束”信號(hào)，或由下一項(xiàng)操作的“準(zhǔn)備好”信

號(hào)來作為下一項(xiàng)操作的起始信號(hào)，在未收到“結(jié)束”

或“準(zhǔn)備好”信號(hào)之前不開始新的操作。

6.2控制器的組成

控制器的控制方式

3.聯(lián)合控制方式---------

這是同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。實(shí)際上

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒有完全采用同步或完全采用異步

的控制方式，大多數(shù)是采用聯(lián)合控制方式。通常的設(shè)

計(jì)思想是：在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方

式為主的控制方式，在功能部件之間采用異步方式。

6.2控制器的組成

控制器的控制方彳

^^4.人工控制方式|

(1)RESET

(2)連續(xù)或單條轉(zhuǎn)換開關(guān)

(3)符合停機(jī)

6.2.3指令執(zhí)行過程

組成控制器的基本電路

圖6.4記憶電路圖6.5無記憶電路

寄存器、計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)單元加法器

6.2.3指令執(zhí)行過程

取指令階段

取指令階段完成的任務(wù)是將現(xiàn)行指令從主

存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操

作如下：

①將程序計(jì)數(shù)器（PO中的內(nèi)容送至地址

寄存器（AR）,并送地址總線（AB）。

②由控制單元（CU）經(jīng)控制總線（CB）

向存儲(chǔ)器發(fā)讀命令。

③從主存中取出的指令通過數(shù)據(jù)總線（DB）

送到數(shù)據(jù)寄存器（DR）。

6.2.3指令執(zhí)行過程

取指令階段

④將DR的內(nèi)容送至指令寄存器(IR)中。

⑤將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好

準(zhǔn)備。

以上這些操作對(duì)任何一條指令來說都是必

須要執(zhí)行的操作，所以稱為公共操作。完成取

指階段任務(wù)的時(shí)間稱為取指周期。

6.2.3指令執(zhí)行過程

數(shù)

控

取指周期的工作流程地

據(jù)

制

址

總

總

總

線

線

線

圖取指周期的工作流程

6.2.3指令執(zhí)行過程

分析取數(shù)階段

取出指令后，指令譯碼器ID可識(shí)別和區(qū)

分出不同的指令類型。此時(shí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入分析

取數(shù)階段，以獲取操作數(shù)。由于各條指令功

能不同，尋址方式也不同，所以分析取數(shù)階

段的操作是各不相同的。

完成分析階段任務(wù)的時(shí)間又可以細(xì)分為

間址周期、取數(shù)周期等。

6.2.3指令執(zhí)行過程

執(zhí)行階段

執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，形

成穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果，并將其存儲(chǔ)起來。完成

執(zhí)行階段任務(wù)的時(shí)間稱為執(zhí)行周期O

計(jì)算機(jī)的基本工作過程就是取指令、取

數(shù)、執(zhí)行指令，然后再取下一條指令……如

此周而復(fù)始，直至遇到停機(jī)指令或外來的干

預(yù)為止。

6.2.3指令執(zhí)行過程

圖6.6運(yùn)算器框圖

取指t1計(jì)算」出址上2取?收t3加1法ii江算工4

T】TzT】T2T1TzTiTz

CLK2mULHlm[1R1Rmm

CLK一irLTJ

PC—AB,DBTR

pc+i一i

AH-?Ab,―?DKf

J

ADS—r~r~j

W/R密\8$$舲$8$

Mzio/然%%3

ready念瑞然燒㈱

_/777X^zr

數(shù)JK忠級(jí)DU一-/y

rsl—?GR,(rsl)—?ALU

/

DispfALU1

"1R1/

\

rs—?GR,(rs)—?ALU1

DRfALU1

1v_

ALU-A/\K

rd-GR/

ALUfrd,置N、Z、V、C

6.2.3指令執(zhí)行過程

加法指令：

操作碼rs,rdrs1imm(disp)

指令功能：將寄存器中的一個(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器中的

一個(gè)數(shù)相加，結(jié)果放在寄存器中。

6.2.3指令執(zhí)行過程

加法指令完成以下操作：

①?gòu)拇鎯?chǔ)器取指令，送入指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼（分

析指令）。程序計(jì)數(shù)器加1,為下一條指令做準(zhǔn)備。

②址，尸相訃財(cái)?shù)沟挠徐ǖ嘏伤偷厮暮荀伦?

③到推僦椿碟數(shù)。rsl->GR,(vsl)->ALU.dispT4￡。,"+JALU,ALUTAR

④嵋御髀算,4結(jié)果送寄例0,游楣隨凝結(jié)果置狀態(tài)位N,

Z,V,Co

y

控制信號(hào)：小TGR,(FS)->ALU,DRfALU；V\rdfGR.ALUfrd

表6.1控制信號(hào)一覽表

序號(hào)控制信號(hào)功能；序號(hào)控制信號(hào)功能

=^|=1RJ-

X「JMDjHx1凹UMLT尼關(guān)四ItLibL心邙、芻純七1/△■KIl-1U1也甘匕1〒J力刀n玄法彳心云界管

2ALU-PC轉(zhuǎn)移地址送PC14ALU進(jìn)行減法運(yùn)算

pr+1T程王，序J3v+I玄熱乂后器才/加JU?1LJ1LJq/A\Al11講行謬蛆乖彳云管

imm(diqn)fA-1r

41U立即數(shù)或位移量送ALUloVALU進(jìn)行邏輯加運(yùn)算

5DB-IR取指到指令寄存器17ALU，GRALU運(yùn)算結(jié)果送通用寄存器

數(shù)據(jù)總線匕的數(shù)據(jù)送數(shù)

6DR-DR1QAl11-DR△I1行玄管幺古里彳關(guān)新-抿客在密

據(jù)寄存器

數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送ALU計(jì)算得的有效地址送地

7DRfDB19ALIJfAR

數(shù)據(jù)思線址寄存器

客在哭附計(jì)淺涌用存在

巨T1于/才1四AIL必L北可1T

Pr1cOX1—>kGJRlx4U20Ar\Rr\->fA\RLJ地址寄存器內(nèi)容送地址總線

c寄存器抽加送通用寄存ACU

rs,rd-*GKtnJ,TirAJxz*iT|]JTir啟父M

器

10(rsl)fALU寄存器內(nèi)容送ALU223M/IO3訪問存儲(chǔ)器或I/O

11(rs)fALU奇存器內(nèi)容送ALUZ.DW/R與或讀

12DR-ALU數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容送ALU

6.2.3指令執(zhí)行過程

指令周期和機(jī)器周期

指令周期是指從取指令、分析取數(shù)到執(zhí)

行完該指令所需的全部時(shí)間。由于各種指令

的操作功能不同，有的簡(jiǎn)單，有的復(fù)雜，因

此各種指令的指令周期不盡相同。

機(jī)器周期又稱CPU周期。通常把一個(gè)指

令周期劃分為若干個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)機(jī)器周

期完成一個(gè)基本操作。一般機(jī)器的CPU周期

有取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周

期等。所以有：

指令周期=收機(jī)器周期

6.3微程序控制計(jì)算機(jī)

基本原理——

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（代碼化），形成控制字

（微指令），再把這些微指令按時(shí)間先后排列

起來構(gòu)成微程序，存放在一個(gè)只讀的控制存儲(chǔ)

器中。

6.3.1微程序控制的基本概念

“微操作——

一條指令可以分解成很多最基本的操作,

這種最基本的不可再分割的操作稱為微操作。

不同的機(jī)器指令具有不同的微操作序列。

6.3.1微程序控制的基本概念

陷微命令——

在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將控制部件向

執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令叫做微命令，它

是構(gòu)成控制序列的最小單位。例如：打開或關(guān)

閉某個(gè)控制門的電位信號(hào)、某個(gè)寄存器的打入

脈沖等。因此，微命令是控制計(jì)算機(jī)各部件完

成某個(gè)基本微操作的命令。

6.3.1微程序控制的基本概念

微命令和微操作是一一對(duì)應(yīng)的。微命令

是微操作的控制信號(hào)，微操作是微命令的操

作過程。

微會(huì)令有兼容性和互斥性之分。兼容性

微命令是指那些可以同時(shí)產(chǎn)生，共同完成某

一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指

在機(jī)器中不允許同時(shí)出現(xiàn)的微命令。兼容和

互斥都是相對(duì)的，一個(gè)微命令可以和一些微

命令兼容，和另一些微命令互斥。對(duì)于單獨(dú)

一個(gè)微命令，談?wù)撈浼嫒莺突コ舛际菦]有意

義的。

6.3.1微程序控制的基本概念

微指令

在耀船柳麟做卸兩部猗由同時(shí)發(fā)出

的控制）臊輛蹴臨窗組麴麒微操存f瞄轂,

恥嫡四成瞬像腋露障各擻蹦磁幡

圖微指令，就可以實(shí)現(xiàn)指令的功能。

②順序控制字段，又稱微地址碼字段,

用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址。

6.3.1微程序控制的基本概念

"微程序——

計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成，而計(jì)算機(jī)

每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這

些微指令序列的集合就叫做微程序。

每一條機(jī)器指令都對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序o

6.3.1微程序控制的基本概念

微程序和程序是兩個(gè)不同的概念。

微程序是由微指令組成的，用于描述機(jī)器指令,

微程序?qū)嶋H上是機(jī)器指令的實(shí)時(shí)解釋器，是由計(jì)

算機(jī)的設(shè)計(jì)者事先編制好并存放在控制存儲(chǔ)器中

的，一般不提供給用戶。

而程序最終由機(jī)器指令組成，是由軟件設(shè)計(jì)人員

事先編制好并存放在主存或輔存中的。

6.3.1微程序控制的基本概念

控制存儲(chǔ)器——

微程序是存放在存儲(chǔ)器中的，由于該存儲(chǔ)

器主要存放控制命令（信號(hào)）與下一條執(zhí)行的微指

令地址（簡(jiǎn)稱為下址），所以被叫做控制存儲(chǔ)器。

執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制

存儲(chǔ)器中的微程序。

6.3.2微程序控制的基臂理

仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它由四條微指令解

「釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號(hào)是同時(shí)發(fā)

出的。每條微指令所需的控制信號(hào)如下：

(1)取指微指令

①指令地址送地址總線：PC-AB(l)

②發(fā)訪存控制命令：ADS(21),M/IO=1(22),W

/R=0(23)o從存儲(chǔ)器取指令送數(shù)據(jù)總線。

③指令送指令寄存器：DB-IR(5)

④程序計(jì)數(shù)器+1：PC+1⑶

6.3.2微程序控制的基本原理

⑵計(jì)算地址微指令

①取兩個(gè)源操作數(shù)(計(jì)算地址用)：rsl->GR(8),

(rsl)->ALU(10),dispfALU⑷。

②加法運(yùn)算：“+”(13)。

③有效地址送地址寄存器：ALU->AR(19)O

6.3.2微程序控制的基本原理

⑶取數(shù)微指令

①數(shù)據(jù)地址送地址總線：AR-AB(20)o

②發(fā)訪存控制命令：ADS(21),M/IO(22),

W/R(23)O由存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DB。

③數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器：DB-DR(6)

6.3.2微程序控制的基臂理

(4)加法運(yùn)算和送結(jié)果微指令

①兩源操作數(shù)送ALU:rs-GR⑼,

(rs)->ALU(ll);DR->ALU(12)O

②加法運(yùn)算：“+”(13)

③送結(jié)果：ALU->GR(17)

6.3.2微程序控制的基本原理

在雌下址

圖6.9加法指令的微指令編碼

6.3.2微程序控制的基本原理

圖6.10微程序流程圖舉例

6.3.2微程序控制的基本原理

圖6.11微程序控制器簡(jiǎn)框圖

6.3.2微程序控制的基本原理

CLK2

(a)

CLK2

CLK

2LnjurnjLnjmn_n.

CLK

CLK■LTUrLTTJTLrT

CP—7^U~~U~~L1-U

百

CP=T”CLK-CLK2

CF〈工作脈沖）|-|nn

nn

CF]CP\=T\?CLK，CLKz

CP+CF]nnnnn

(b>

圖6.12時(shí)序信號(hào)及工作脈沖

6.3.2微程序控制的基本原理

機(jī)器啟動(dòng)過程

機(jī)器加電后，首先由reset信號(hào)在PC內(nèi)置入開

機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址，同時(shí)在微指令

寄存器內(nèi)置入一條“取指”微指令，并將其他

一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。然

后機(jī)器開始執(zhí)行程序，不斷地取出指令、分析

指令、執(zhí)行指令。

6.3.2微程序控制的基臂理

程序可以存放在固定存儲(chǔ)器中，也可以利用一小

段引導(dǎo)程序（在固存中）將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外

部設(shè)備調(diào)入主存。實(shí)現(xiàn)各條指令的微程序是存放

在微程序控制器中的。當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從

微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中，由

微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)

的傳送，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

6.4微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

微指令編譯法

1.直接控制法

2.字段直接編譯法

3.字段間接編譯法

4.常數(shù)源字段

如何縮短微指令字長(zhǎng)?

6.4.1微指令編譯法

分段的原颼輸令微命令

微命令

＞互粵斥性螺酣箱卡同一段內(nèi)，眄性的微

命令/

微命令譯碼器

＞每個(gè)小I所.庖"苔I—就息I位不能無I■."「否則將

增加擇碼料鹿的兔柒叫和謂砂岬I;…

*指蜉柒；段要［出一口狀總，表層室

段不發(fā)

AJ1

出任何命狼，命常用U3?U表示

控制字段下址字段

圖6.21字段直接編譯法

6.4.1微指令編譯法

微指令

寄存器

圖6.22字段間接編譯法

6.4.2微程序流的控制

所謂微程序流的控制是指當(dāng)前微指令執(zhí)行完

畢后，怎樣控制產(chǎn)生后繼微指令的微地址。

1.以增量方式產(chǎn)生后繼微地址

2.增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址

3.多路轉(zhuǎn)移方式

4.微中斷

6.4.2微程序流的控制

轉(zhuǎn)移

條件

圖6.23“計(jì)數(shù)器”方式的原理圖

6.4.2微程序流的控制

*

圖6.24“增量與下址字段”方式的原理圖

6.4.3微指令格式

L水平型微指令

基本特點(diǎn)是在一條微指令中定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令O

2.垂直型微指令

在微指令中設(shè)置有微操作碼字段，采用微操作碼編譯法,

由微操作碼規(guī)定微指令的功能

寄存器-寄存器傳送型微指令

微指令格式

012378121315

000源寄存器編址目標(biāo)寄存器編址其他

功能：把源寄存器數(shù)據(jù)送目標(biāo)寄存器。

6?4.3微指令格式_

―水平型微指令與垂直近微指令的比較

⑴水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性

強(qiáng)，垂直型微指令則差。

⑵水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微

指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)。

⑶由水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令

字比較長(zhǎng)，但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則

相反，微指令字比較短而微程序長(zhǎng)。

⑷水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與

指令比較相似，相對(duì)來說，比較容易掌握。

6.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

1.微程序控制存儲(chǔ)器

2.動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

3.控制存儲(chǔ)器的操作

4.毫微程序設(shè)計(jì)

6.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

控存地址

寄存器CSAR

控制存儲(chǔ)器微程序流

CS控制部件

I~???I~I下址

微命令

(b)

圖6.27串行微程序控制器

6.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

微程序流

控制部件

取微指令執(zhí)行微指令

取微指令，執(zhí)行微指令

h取微指令執(zhí)行微指令

置CSAR門n

啟動(dòng)CS1L

I—

微指令n

-HR一丁

置執(zhí)行結(jié)果卜「n

(b)

圖6.28并行微程序控制器

6.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

＞毫微程序可以看作是用以解釋微程序的一種微

程序，因此組成毫微程序的毫微指令就可看作

是解釋微指令的微指令。

＞采用毫微程序設(shè)計(jì)的主要目的是減少控制存儲(chǔ)

器的容量，采用的是兩級(jí)微程序設(shè)計(jì)方法。通

常第一級(jí)采用垂直微程序，第二級(jí)采用水平微

程序。

6.4.4微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

微命令

圖6.29毫微程序控制存儲(chǔ)器

6.4.5微程序設(shè)計(jì)語言

＞用來編制微程序的語言叫做微程序設(shè)計(jì)語言，

用微程序設(shè)計(jì)語言編制的程序叫做源微程序。

源微程序不能直接裝入控制存儲(chǔ)器，要將它轉(zhuǎn)

換成二進(jìn)制代碼后才能裝入控制存儲(chǔ)器。將源

微程序翻譯成二進(jìn)制碼的程序叫做微編譯程序O

＞微程序設(shè)計(jì)基本上沿用了程序設(shè)計(jì)的方法

6.5硬布線控制的計(jì)算機(jī)

由指令的操作碼直接控制并產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)取

指、計(jì)算地址、取數(shù)及執(zhí)行等各步驟所

需的控制信號(hào)。

6.5.1時(shí)序與節(jié)拍

問題：取指、計(jì)算地址、取數(shù)及執(zhí)行，每一步由一個(gè)

機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，如何區(qū)分一條指令的四個(gè)機(jī)器周期呢?

cyl|2|3

譯碼器

計(jì)數(shù)器cyAcyB

圖6.31用計(jì)數(shù)器譯碼器形成機(jī)器周期信號(hào)

6.5.1時(shí)序與節(jié)拍

表6.3計(jì)數(shù)器狀態(tài)變化

Q我么、

cyA=cyB=cyA'cyB'==cyA=cyB=cyA7cyB'

==l^=

nW=0==0=-1L=0==0=JL0

nK-z11n1nV-/11

==

ITTn1=0=kAJ

11=o==o=

6.5.1時(shí)序與節(jié)拍

根據(jù)真值表則表達(dá)式，對(duì)于A指令，其表達(dá)式為

cyA'=cyAcyB+cyAcyB;(6.2)

cyB'=cyAcyB+cyAcyB=cyB。(6.3)

對(duì)于B指令逐型式為——

cyA'=cyAcyB+cyAcyB=cyB;(6.4)

cyB'=cyAcyBo(6.5)

6.5.1時(shí)序與節(jié)拍

圖6.32時(shí)序計(jì)數(shù)器邏輯圖

6.5.2操作控制信號(hào)的產(chǎn)生

指令寄存器IR

操作碼地址碼

1如何組成?

譯碼器

cyl

cy2

cy3組合邏輯電路

cy4

操作控制信號(hào)

圖6.33形成操作控制信號(hào)的邏輯框圖

6.5.2操作控制信號(hào)的產(chǎn)生

輸入：來自指令譯碼器的輸出、時(shí)序發(fā)生器的時(shí)

序信號(hào)

輸出：一組帶有時(shí)間標(biāo)志的微操作控制信號(hào)

每個(gè)微操作控制信號(hào)是指令、時(shí)序等的邏輯函數(shù),

可表示為：

微操作=周期?節(jié)拍?脈沖?指令碼?其他條件

6.5.2操作控制信號(hào)的學(xué)

在計(jì)算地址周期cy2完成有效地址的計(jì)算

((rsl)+Disp),為此要將rs1的內(nèi)容取出與IR中的

位移量一起送ALU,發(fā)出rsl-GR(送通用寄存器

地址)，(rsl)-ALU,Disp-ALU以及命令,

最后將運(yùn)算結(jié)果送地址總線，發(fā)出ALU-AR信號(hào)。

列出邏輯表達(dá)式

rsl-61^=加法指令-cy2(6.13)

(rsl)一人11；=加法指令-cy2(6.14)

???

ALU一人1^=加法指令-cy2(6.15)

6.5.2操作控制信號(hào)的產(chǎn)生

圖6.34實(shí)現(xiàn)rsl-GR,(rsl)fALU的邏輯圖

6.5.2操作控制信號(hào)的學(xué)

對(duì)每一條指令都進(jìn)行同樣的分析，得出邏輯表達(dá)式。

對(duì)所有指令的全部表達(dá)式進(jìn)行綜合分析后可得出下

述結(jié)論：

⑴取指周期cyl所產(chǎn)生的信號(hào)，對(duì)所有指令都是相

同的，即與當(dāng)前執(zhí)行的指令無關(guān)，邏輯式得到最

簡(jiǎn)單的形式。

(2)通常，同一個(gè)控制信號(hào)在若干條指令的某些周期

中都需要，為此需要把它們組合起來。

6.5.2操作控制信號(hào)的學(xué)

“+”=加法指令(cy2+cy4)+減法指令?cy2+轉(zhuǎn)移指

令-cy2+3=加法指令-cy2+加法指令-cy4+減法

指令-cy2+轉(zhuǎn)移指令-cy2+…(6.16)

6.5.2操作控制信號(hào)的產(chǎn)生

(3)同種類型的指令所需的控制信號(hào)大部分是相同的,

僅有少量區(qū)別。不同類型的指令，其控制信號(hào)的

差別就比較大。

(4)在確定指令的操作碼時(shí)，注意化簡(jiǎn)以減少邏輯電

路數(shù)量。

6.5.2操作控制信號(hào)的學(xué)

例如，某機(jī)有128條指令，7位操作碼（OPO?

OP6）,其中有十六條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，那么可

以令這些指令的三位操作碼完全相等（例如OPO?

OP2為001）,而OP3?OP6分別表示16條指令，

設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯指令在cy2周期中都需產(chǎn)

生的，貝!）：

人=加法指令?cy2+減法指令?cy2+邏輯加指令

?cy2+?「=（加法指令+減法指令+邏輯加指令

+…）cy2=OPO?OP1?OP2?cy2

6.5.3控制器的組成

操作控制命令

圖6.35控制器總框圖

6.5.4硬布線控制邏輯設(shè)計(jì)

1.指令操作碼的代碼分配

2.確定機(jī)器周期、節(jié)拍與主頻

3.根據(jù)指令功能，確定每一條指令所需的機(jī)器

周期數(shù)以及每一周期所完成的操作

4.綜合所有指令的每一個(gè)操作命令（寫出邏輯

表示式并化簡(jiǎn)）二

6.5.5硬布線控制與微程序控制的比較

1.實(shí)現(xiàn)

微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲(chǔ)

器和存放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下

實(shí)現(xiàn)的，而硬布線控制則由邏輯門組合實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便修改與一結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)麻煩

,檢查調(diào)試?yán)щy

2.性能

微程序控制的速度V硬布線控制的速度

原因：執(zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響

了速度，而硬布線邏輯主要取決于電路延遲

6.7流水線工作原理

蒙

牛

流

水

線

6.7流水線工作原理

機(jī)器指令的執(zhí)行

取指1計(jì)算地址1取操作數(shù)1計(jì)算存結(jié)果1取指2計(jì)算地址2

如何提高效率?

6.7流水線工作原理

T2T

11E1

E2

【3

E3

(a)兩條指令重疊執(zhí)行

耳取指計(jì)算地址取操作數(shù)運(yùn)算*

取指計(jì)算地址取操作數(shù)運(yùn)算*

13取指計(jì)算地址取操作數(shù)運(yùn)算*

取指計(jì)算地址取操作數(shù)運(yùn)算*

注*運(yùn)算=計(jì)算并保存結(jié)果

(b)4條指令重疊執(zhí)行

圖6.37指令重疊執(zhí)行情況

6.7流水線工作原理

端流水線——