計算機組成原理(唐朔飛高教第2版)(9-10章)教學(xué)教材

計算機組成原理(唐朔飛高教第2版)(9-10章)二、間址周期M(MAR)MDR1RAd(IR)MARMDRAd(IR)指令形式地址MAR9.1MDRCUMARCPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線IR存儲器三、執(zhí)行周期1.非訪存指令(1)CLA

清A(2)COM

取反(4)CSL

循環(huán)左移(3)SHR

算術(shù)右移(5)STP

停機指令0ACCACCACCL(ACC)R(ACC),ACC0ACC0R(ACC)L(ACC),ACC0ACCn0G9.12.訪存指令A(yù)d(IR)MAR1RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCAd(IR)

MAR1WACCMDRMDRM(MAR)STAXADDX(2)存數(shù)指令(1)加法指令9.1(3)取數(shù)指令A(yù)d(IR)

MAR1RM(MAR)

MDRMDRACC3.轉(zhuǎn)移指令(1)無條件轉(zhuǎn)(2)條件轉(zhuǎn)移Ad(IR)

PCA0?Ad(IR)+A0(PC)PCLDAXJMPXBANX（負則轉(zhuǎn)）9.14.三類指令的指令周期取指周期執(zhí)行周期取指周期執(zhí)行周期取指周期執(zhí)行周期取指周期間址周期執(zhí)行周期非訪存指令周期直接訪存指令周期間接訪存指令周期轉(zhuǎn)移指令周期9.1取指周期間址周期執(zhí)行周期間接轉(zhuǎn)移指令周期四、中斷周期程序斷點存入“0”地址程序斷點進棧0

MAR1WPCMDRMDRM(MAR)向量地址PC0EINT（置“0”）0EINT（置“0”）向量地址PCMDRM(MAR)PCMDR1W中斷識別程序入口地址MPC9.1(SP)1

MAR9.2控制單元的功能一、控制單元的外特性指令寄存器控制單元

CU…時鐘標(biāo)志CPU內(nèi)部的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號系統(tǒng)總線1.輸入信號(1)時鐘(2)指令寄存器(4)外來信號(3)標(biāo)志CU受時鐘控制控制信號與操作碼有關(guān)OP(IR)CUCU受標(biāo)志控制INTR中斷請求HRQ總線請求一個時鐘脈沖發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令如9.22.輸出信號(1)CPU內(nèi)的各種控制信號(2)送至控制總線的信號Ri

Rj(PC)+1PCINTAHLDA訪存控制信號訪IO/

存儲器的控制信號讀命令寫命令中斷響應(yīng)信號總線響應(yīng)信號MREQIO/MRDWRALU＋、－、與、或……9.2二、控制信號舉例PCIRACCU時鐘ALU………控制信號標(biāo)志控制信號C0C1C2C3C4取指周期以ADD@X為例PCIRCU9.21.不采用CPU內(nèi)部總線的方式PCPCPC

MDR

MAR

MDR

MARPCIRACCU時鐘ALU………控制信號標(biāo)志控制信號

MDR

MAR二、控制信號舉例1.不采用CPU內(nèi)部總線的方式C1C2C3C5ADD@X間址周期IR9.2

MDR

MDR

MARPCIRACCU時鐘ALU………控制信號標(biāo)志控制信號

MDR

MAR二、控制信號舉例1.不采用CPU內(nèi)部總線的方式C1C2C5ADD@X執(zhí)行周期C7C6C8ACALU…控制信號9.2

MDR

MAR

MDRMDRMDRCU(1)ADD@X取指周期

PC

CU

發(fā)讀命令1R

MDROP（IR）（PC）+1PCIRPCMARAC

YALUZ…控制信號IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO…數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制信號CPU

內(nèi)部總線時鐘2.采用CPU內(nèi)部總線方式地址線地址線MARMDRIRCU9.2IRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2)ADD@X間址周期

MDR1R

MDR有效地址

Ad（IR）MDROMDRO數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信號…控制信號CPU

內(nèi)部總線MDRIRMARi

MARi地址線地址線MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址MAR

9.2CU時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信號CPU

內(nèi)部總線MDROMDRO(3)ADD@X執(zhí)行周期1R

MDR

Z

AC（AC）+（Y）

MDR控制信號…MARMDR地址線地址線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi

YALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZOZOACiACiACACACACMARi

MARiALUAC9.2CU三、多級時序系統(tǒng)1.機器周期(1)機器周期的概念(2)確定機器周期需考慮的因素(3)基準(zhǔn)時間的確定所有指令執(zhí)行過程中的一個基準(zhǔn)時間每條指令的執(zhí)行步驟每一步驟所需的時間以完成最復(fù)雜指令功能的時間為準(zhǔn)以訪問一次存儲器的時間為基準(zhǔn)若指令字長=存儲字長取指周期

=

機器周期9.22.時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）

一個機器周期內(nèi)可完成若干個微操作每個微操作需一定的時間時鐘周期是控制計算機操作的最小單位時間將一個機器周期分成若干個時間相等的時間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期）9.2用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令CLKT0T1T2T3時鐘周期2.時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）

機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T39.23.多級時序系統(tǒng)機器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)一個指令周期包含若干個機器周期一個機器周期包含若干個時鐘周期CLK機器周期機器周期機器周期

（取指令）（取有效地址）（執(zhí)行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3機器周期機器周期（取指令）（執(zhí)行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2節(jié)拍(狀態(tài))節(jié)拍(狀態(tài))9.24.機器速度與機器主頻的關(guān)系機器的主頻f越快機器的速度也越快在機器周期所含時鐘周期數(shù)相同的前提下，兩機平均指令執(zhí)行速度之比等于兩機主頻之比機器速度不僅與主頻有關(guān)，還與機器周期中所含時鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)以及指令周期中所含的機器周期數(shù)有關(guān)9.2MIPS1MIPS2=f1f2四、控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式1.同步控制方式任一微操作均由統(tǒng)一基準(zhǔn)時標(biāo)的時序信號控制CLK機器周期機器周期機器周期（取指令）（取有效地址）（執(zhí)行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1)采用定長的機器周期以最長的微操作序列和最繁的微操作作為標(biāo)準(zhǔn)9.2機器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)相同(2)采用不定長的機器周期機器周期機器周期（取指令）（執(zhí)行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2節(jié)拍(狀態(tài))機器周期機器周期（取指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長9.2機器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)不等(3)采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍

T3T0T1中央控制節(jié)拍機器周期執(zhí)行周期指令周期取指周期T0T1T2T39.2局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致T*T*T*局部控制節(jié)拍…2.異步控制方式無基準(zhǔn)時標(biāo)信號無固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時鐘同步采用應(yīng)答方式3.聯(lián)合控制方式4.人工控制方式(1)Reset(2)連續(xù)和單條指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān)(3)符合停機開關(guān)同步與異步相結(jié)合9.2五、多級時序系統(tǒng)實例分析1.8085的組成9.2A15~A8中斷控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8）D（8）C（8）B（8）

指令譯碼和機器周期編碼ALU定時和控制時鐘控制狀態(tài)DMA復(fù)位ABR(8)ADBR(8)8位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線I/O控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRDWRALEIO/MHLDAResetoutAD7~AD02.8085的外部引腳(1)地址和數(shù)據(jù)信號(2)定時和控制信號(3)存儲器和I/O初始化A15~A8

AD7~AD0SIDSOD入X1X2入HOLDReady出

HLDA出CLK

ALES0S1

IO/M

RD

WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.2(4)與中斷有關(guān)的信號(5)CPU初始化(6)電源和地出INTATrap重新啟動中斷入INTR入Resetin出ResetoutVCC+5VVSS

地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.23.機器周期和節(jié)拍（狀態(tài)）與控制信號的關(guān)系9.2T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PCoutPC+1InsIRXPCoutPC+1ByZZoutAPortIOPORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIOPORT3MHZCLKA15~A8AD7~AD0ALERDWRIO/M小結(jié)每個控制信號在指定機器周期的指定節(jié)拍T

時刻發(fā)出機器周期M1

取指令操作碼機器周期M2

取設(shè)備地址機器周期M3

執(zhí)行ACC的內(nèi)容寫入設(shè)備以一條輸出指令（I/O寫）為例9.2第10章控制單元的設(shè)計10.1組合邏輯設(shè)計10.2微程序設(shè)計10.1組合邏輯設(shè)計一、組合邏輯控制單元框圖1.CU

外特性IR節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1Tn…CLK（機器主頻）…標(biāo)志012n-1…C0C1Cn操作碼譯碼n

位操作碼

2.節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1

二、微操作的節(jié)拍安排采用

同步控制方式CPU

內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線方式一個

機器周期

內(nèi)有

3

個節(jié)拍（時鐘周期）10.1PCIRACCU時鐘ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號標(biāo)志控制信號

MDR

MAR

1.安排微操作時序的原則原則一微操作的先后順序不得隨意更改原則二被控對象不同的微操作盡量安排在一個節(jié)拍內(nèi)完成原則三占用時間較短的微操作盡量安排在一個節(jié)拍內(nèi)完成并允許有先后順序10.12.取指周期微操作的節(jié)拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原則二原則二原則三3.間址周期微操作的節(jié)拍安排M(MAR)MDRMDRAd(IR)T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R10.14.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC10.1④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC10.15.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件關(guān)中斷向量地址PC中斷隱指令完成1W10.1三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII10.1間址特征三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0

IND間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND10.1間址周期標(biāo)志T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)

ACMDRM(MAR)MDRAC0AC三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表1W10.1三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0

IND間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND1111111111111111111110.1三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W111111111111110.12.寫出微操作命令的最簡表達式=FE

·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}10.13.畫出邏輯圖特點

思路清晰，簡單明了

龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難

速度快&&&11&&&&&≥1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&10.110.2微程序設(shè)計一、微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生1951英國劍橋大學(xué)教授Wilkes完成一條機器指令微操作命令1微操作命令2微操作命令n…微指令110100000微指令n微程序00010010存儲邏輯一條機器指令對應(yīng)一個微程序…存入ROM二、微程序控制單元框圖及工作原理1.機器指令對應(yīng)的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序?qū)?yīng)LDA操作的微程序?qū)?yīng)STA操作的微程序間址周期微程序中斷周期微程序10.22.微程序控制單元的基本框圖

微地址

形成部件順序邏輯CMAR地址譯碼控制存儲器標(biāo)志CLK下地址CMDR至CPU內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號OPIR順序控制操作控制微指令基本格式10.2二、微程序控制單元框圖及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序?qū)?yīng)

LDA操作的微程序?qū)?yīng)STA

操作的微程序間址周期微程序中斷周期微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM轉(zhuǎn)執(zhí)行周期微程序…轉(zhuǎn)取指周期微程序…10.2×××3.工作原理LDAXADDYSTAZ主存STP用戶程序10.2控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1…取指周期

微程序?qū)?yīng)

LDA操作的微程序?qū)?yīng)ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………對應(yīng)STA

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1×××3.工作原理(1)取指階段MCMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令形成下條微指令地址Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令A(yù)d(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令M+1M+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR100001M+1M…010010M+2M+1…形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序10.20010000M+2…×××(2)執(zhí)行階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令A(yù)d(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令A(yù)d(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2…M執(zhí)行LDA微程序形成下條微指令地址P+1形成下條微指令地址P+2形成下條微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+1…0001001P+1P…10.2(3)取指階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令MCMARPCMAR1R全部微指令存在CM中，程序執(zhí)行過程中只需讀出關(guān)鍵微指令的操作控制字段如何形成微操作命令微指令的后續(xù)地址如何形成執(zhí)行取指微程序…10.2100

001M+1M…三、微指令的編碼方式（控制方式）1.直接編碼（直接控制）方式在微指令的操作控制字段中，

每一位代表一個微操作命令速度最快下地址…控制信號操作控制某位為“1”表示該控制信號有效10.22.字段直接編碼方式將微指令的控制字段分成若干“段”，每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號每個字段中的命令是互斥的譯碼…譯碼…譯碼…下地址操作控制控制信號縮短了微指令字長，增加了譯碼時間微程序執(zhí)行速度較慢10.2顯式編碼3.字段間接編碼方式4.混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用5.其他…字段1…字段2譯碼譯碼譯碼…操作控制控制信號…字段n下地址……控制信號10.2隱式編碼四、微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出2.根據(jù)機器指令的操作碼形成3.增量計數(shù)器4.分支轉(zhuǎn)移(CMAR)+1CMAR轉(zhuǎn)移地址操作控制字段

轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式指明判別條件轉(zhuǎn)移地址指明轉(zhuǎn)移成功后的去向10.25.通過測試網(wǎng)絡(luò)6.由硬件產(chǎn)生微程序入口地址第一條微指令地址由專門硬件產(chǎn)生中斷周期由硬件產(chǎn)生中斷周期微程序首地址非測試地址h測試地址l測試網(wǎng)絡(luò)……測試源微指令地址CMDR操作控制順序控制HL10.27.后續(xù)微指令地址形成方式原理圖地址選擇+1CMAR地址譯碼下地址轉(zhuǎn)移方式CMDR控制存儲器…控制信號

分支

邏輯…標(biāo)志微程序入口10.2OPIR

微地址

形成部件

多路選擇五、微指令格式1.水平型微指令如直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、直接和字段混合編碼2.垂直型微指令類似機器指令操作碼的方式一次能定義并執(zhí)行多個并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能10.23.兩種微指令格式的比較(1)水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力強

，

靈活性強(2)

水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的微指令數(shù)目少，速度快(3)

水平型微指令用較短的微程序結(jié)構(gòu)換取較長的微指令結(jié)構(gòu)(4)

水平型微指令與機器指令差別大10.2六、靜態(tài)微程序設(shè)計和動態(tài)微程序設(shè)計靜態(tài)微程序無須改變，采用ROM動態(tài)通過改變微指令和微程序改變機器指令，有利于仿真，采用

EPROM七、毫微程序設(shè)計1.毫微程序設(shè)計的基本概念微程序設(shè)計用微程序解釋機器指令毫微程序設(shè)計用毫微程序解釋微程序毫微指令與微指令的關(guān)系好比微指令與機器指令的關(guān)系10.22.

毫微程序控制存儲器的基本組成

控制存儲器（微程序）CMAR1MOPOP轉(zhuǎn)移地址垂直型微指令I(lǐng)R+1CMDR1CMAR2

控制存儲器（毫微程序）水平型微指令…控制信號CMDR210.2八、串行微程序控制和并行微程序控制取第i+1條微指令執(zhí)行第

i

條微指令取第

i

條微指令執(zhí)行第i+1

條微指令執(zhí)行第i

條微指令取第i

條微指令取第i+1

條微指令執(zhí)行第i+1

條微指令取第i+2

條微指令執(zhí)行第i+2

條微指令串行微程序控制并行微程序控制10.2還需考慮如何讀出這3條微指令?1.寫出對應(yīng)機器指令的微操作及節(jié)拍安排假設(shè)CPU

結(jié)構(gòu)與組合邏輯相同(1)取指階段微操作分析T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)微地址形成部件九、微程序設(shè)計舉例1R若一個T

內(nèi)安排一條微指令則取指操作需3條微指令3條微指令A(yù)d(CMDR)CMAROP(IR)微地址形成部件CMAR10.2(2)取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要形成后續(xù)微指令的地址T0T1T2T3T4T51R(PC)+1PCOP(IR)微地址形成部件MARPCCMARAd(CMDR)MDRM(MAR)CMARAd(CMDR)IRMDR10.2CMAROP(IR)微地址形成部件(3)執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需形成后續(xù)微指令的地址取指微程序的入口地址M由微指令下地址字段指出?非訪存指令①CLA指令T0T1②COM指令T0T1Ad(CMDR)CMARACACCMARAd(CMDR)AC010.2④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.2?訪存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMAR