計算機(jī)組成原理第十章控制單元設(shè)計

第十章控制單元的設(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(jī)器主頻）…標(biāo)志012n-1…C0C1Cn操作碼譯碼n

位操作碼10.1組合邏輯設(shè)計

2.節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1組合邏輯設(shè)計4計數(shù)邏輯計數(shù)器3－8譯碼器ABcy2cy1cy3cy4BAcy1cy2cy3cy400100001010010001011000110.1組合邏輯設(shè)計二.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(jī)器周期

內(nèi)有

3

個節(jié)拍（時鐘周期）

MDRPC

MARIRACCU時鐘ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號標(biāo)志控制信號10.1組合邏輯設(shè)計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10.1組合邏輯設(shè)計2.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)MAR1R10.1組合邏輯設(shè)計4.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC10.1組合邏輯設(shè)計④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1組合邏輯設(shè)計⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC10.1組合邏輯設(shè)計5.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組合邏輯設(shè)計三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE取指JMPLDASATADDCOMCLA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)ID1IND1EXII間址特征10.1組合邏輯設(shè)計三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0

IND間址JMPLDASATADDCOMCLA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)1EXIND間址周期標(biāo)志10.1組合邏輯設(shè)計T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASATADDCOMCLA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組合邏輯設(shè)計三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE取指JMPLDASATADDCOMCLA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組合邏輯設(shè)計三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0

IND間址JMPLDASATADDCOMCLA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組合邏輯設(shè)計三、組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASATADDCOMCLA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)MDRAC0AC1W111111111111110.1組合邏輯設(shè)計2.寫出微操作命令的最簡表達(dá)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)}10.1組合邏輯設(shè)計3.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&&&&&≥FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&10.1組合邏輯設(shè)計10.2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(jī)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(jī)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(jī)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10.2微程序設(shè)計2.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操作控制順序控制微指令基本格式10.2微程序設(shè)計二、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微程序設(shè)計3.工作原理控存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+1LDAXADDYSTAZ主存STP用戶程序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)+1PCMDRIR0010000M+2…100001M+1M…010010M+2M+1…形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序10.2微程序設(shè)計(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微程序設(shè)計(3)取指階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令MCMARPCMAR1R100001M+1M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繼地址如何形成執(zhí)行取指微程序……10.2微程序設(shè)計三、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10.2微程序設(shè)計2.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微程序設(shè)計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微程序設(shè)計10.2微程序設(shè)計四、微地址形成1、公操作入口地址取址階段第一條微指令的地址——存入0號或1號單元2、初始微地址的形成公操作后第一條微指令的地址——與操作碼有關(guān)

微地址=OP?C(常數(shù))例如：ADD001SUB010INC011DEC100?若常數(shù)C選000，則ADD指令初始微地址=001000B10.2微程序設(shè)計②二級功能轉(zhuǎn)移法微地址不但與操作碼有關(guān)，還與操作碼的類型有關(guān)例如：指令系統(tǒng)算術(shù)指令001邏輯指令010轉(zhuǎn)移0指令110……ADD001MUL110………若常數(shù)取0000，則ADD微指令的地址=00100100003、后繼微地址形成①增量計數(shù)器法CMAR=CMAR+1②分支轉(zhuǎn)移轉(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4.后繼微指令地址形成方式原理圖

多路選擇地址選擇+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OPIR

微地址

形成部件10.2微程序設(shè)計五、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(jī)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10.2微程序設(shè)計3.兩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(qiáng)

靈活性強(qiáng)(2)

水平型微指令執(zhí)行一條機(jī)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(jī)器指令差別大10.2微程序設(shè)計六、靜態(tài)微程序設(shè)計和動態(tài)微程序設(shè)計靜態(tài)微程序無需改變，采用ROM動態(tài)通過改變微指令和微程序改變機(jī)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(jī)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(jī)器指令的關(guān)系10.2微程序設(shè)計2、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微程序設(shè)計八、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微程序設(shè)計1.寫出對應(yīng)機(jī)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CMAR還需考慮如何讀出這3條微指令?10.2微程序設(shè)計(2)取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要形成后繼微指令的地址T0T1T2T3T4T51R(PC)+1PCOP(IR)微地址形成部件MARPCCMARAd(CMDR)MDRM(MAR)CMARAd(CMDR)IRMDRCMAROP(IR)10.2微程序設(shè)計(3)執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需形成后繼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)AC010.2微程序設(shè)計④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.2微程序設(shè)計?訪存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMAR(AC)+(MDR)ACAd(CMDR)CMAR1R⑦STA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARACMDRAd(CMDR)CMARMDRM(MAR)Ad(CMDR)CMAR1W10.2微程序設(shè)計⑧LDA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMARMDRACAd(CMDR)CMAR1R10.2微程序設(shè)計全部微操作20個微指令38條?轉(zhuǎn)移類指令⑨JMP指令T0T1Ad(IR)PCAd(CMDR)CMAR⑩BAN指令T0T1Ad(CMDR)CMARA0?Ad(IR)+A0?(PC)PC10.2微程序設(shè)計2.確定微指令格式(1)微指令的編碼方式(2)后繼微指令的地址形成方式采用直接控制由機(jī)器指令的操作碼通過微地址形成部件形成由微指令的下地址字段直接給出(3)微指令字長由20個微操作確定操作控制字段最少20位由38條微指令確定微指令的下地址字段為6位微指令字長可取20＋6＝26位10.2微程序設(shè)計(4)微指令字長的確定1條18條38條微指令中有19條是關(guān)于后繼微指令地址CMAROP(IR)CMARAd(CMDR)CMAR其中若用Ad(CMDR)直接送控存地址線則省去了打入CMAR的時間，省去了CMAR同理OP(IR)微地址形成部件控存地址線可省去19條微指令，2個微操作38－19＝19

下地址字段最少取5位20－2＝18操作控制字段最少取18位10.2微程序設(shè)計18位考慮留有一定的余量取操作控制字段下地址字段5位共30位(6)定義微指令操作控制字段每一位的微操作012232429……24位6位多路選擇OPIR下地址控制存儲器…CMDR控制信號

微地址

形成部件(5)省去了CMAR的控制存儲器10.2微程序設(shè)計3.編寫微指令碼點1116LDA12111ADD11004COM03CLA111011100微指令地址(八進(jìn)制)微程序名稱110011000000010001000000000000000010微指令（二進(jìn)制代碼）操作控制字段下地址字段117001000取指0220××××××000010010010000000272625242310432129280……150（一）單項選擇題1. 微程序控制器中，機(jī)器指令與微指令的關(guān)系是

B。

A.每一條機(jī)器指令由一條微指令來執(zhí)行

B.每一條機(jī)器指令由一段微指令編寫的微程序來解釋執(zhí)行

C.每一條機(jī)器指令組成的程序可由一條微指令來執(zhí)行

D.一條微指令由若干條機(jī)器指令組成2. 由于CPU內(nèi)部的操作速度較快，而CPU訪問一次主存所花的時間較長，因此機(jī)器周期通常用

A來規(guī)定。

A.主存中讀取一個指令字的最短時間

B.主存中讀取一個數(shù)據(jù)字的最長時間

C.主存中寫入一個數(shù)據(jù)字的平均時間

D.主存中讀取一個數(shù)據(jù)字的平均時間3. 在計算機(jī)系統(tǒng)中表征系統(tǒng)運行時序狀態(tài)的部件是

D

。

A.程序計數(shù)器B.累加計數(shù)器

C.中斷計數(shù)器D.程序狀態(tài)字514．計算機(jī)操作的最小時間單位是（A）。

A.時鐘周期B．指令周期C.CPU周期D.微指令周期5．程序狀態(tài)字寄存器用來存放（D）。

A．算術(shù)運算結(jié)果B．邏輯運算結(jié)果C．運算類型D．算術(shù)、邏輯運算及測試指令的結(jié)果狀態(tài)6. 硬布線控制器是一種（A）控制器。

A．組合邏輯B．時序邏輯C．存儲邏輯D．同步邏輯7．組合邏輯控制器中，微操作信號的形成主要與（B）信號有關(guān)。

A．指令操作碼和地址碼B．指令譯碼信號和時鐘

C．操作碼和條件碼D．狀態(tài)信號和條件8.某寄存器中的值有時是地址，有時是數(shù)據(jù)，這只有計算機(jī)的（C）才能識別它。

A．譯碼器B．判斷程序C．指令D．時序信號529.下列部件中不屬于執(zhí)行部件的是（A）。

A.控制器B.存儲器C.運算器D.外圍設(shè)備10．微程序控制器中，微程序的入口地址是由（C）形成的。

A.機(jī)器指令的地址碼字段B.微指令的微地址碼字段

C.機(jī)器指令的操作碼字段D.微指令的微操作碼字段11．用PLA可編程器件設(shè)計的操作控制器稱為PLA控制器。從技術(shù)實現(xiàn)的途徑來說，PLA控制器是一種（B）。

A.用存儲邏輯技術(shù)設(shè)計的控制器

B.用組合邏輯技術(shù)設(shè)計的控制器

C.用微程序技術(shù)設(shè)計的控制器D.都不是12．有關(guān)運算器的描述，（C）是正確的。

A.只做加法B.只做算術(shù)運算

C.既做算術(shù)運算又做邏輯運算D.只做邏輯運 13．在微程序控制中,把操作控制信號編成(

A

)。

A.微指令B.微地址C.操作碼D.程序5314．微地址是指微指令的(

D

)。

A.在主存的存儲位置B.在堆棧的存儲位置

C.在磁盤的存儲位置D.在控制存儲器的存儲位置15．CPU中通用寄存器的長度取決于(

B

)。

A.存儲器容量B.機(jī)器字長

C.指令長度D.CPU功能16．在運算器中,必須有一個部件能提供在內(nèi)存中的地址,服務(wù)于就讀指令,并接收下條將被執(zhí)行的指令地址,這個部件是(

B

)。

A.指令寄存器B.控制器

C.運算器和控制器D.運算器,控制器和主存17．在計算機(jī)系統(tǒng)中,表征系統(tǒng)運行狀態(tài)的部件是(

C

)。

A.指令寄存器B.程序計數(shù)器

C.程序狀態(tài)寄存器D.地址譯碼器5418．指令譯碼器對（B）進(jìn)行譯碼。

A.整條指令B.指令中的操作碼字段

C.指令的地址C.指令中的操作數(shù)字段19．機(jī)器指令代碼中地址字段的作用是（C），微指令代碼中地址字段的作用是（A）

A．確定執(zhí)行順序B.存取地址

C.存取數(shù)據(jù)D.存儲指令20．組合邏輯控制器,微操作信號的形成主要與(

B

)信號有關(guān)。

A.指令操作碼和地址碼B.指令譯碼信號和時鐘

C.操作碼和條件碼D.狀態(tài)信號和條件21．某寄存器中的信息有時是地址,有時是數(shù)據(jù),這只有計算機(jī)的(

C

)才能識別它。

A.譯碼器B.判斷程序C.指令D.時序信號55

（二）綜合應(yīng)用題

1．假設(shè)主機(jī)框圖如下圖所示，各部分之間的連線表示數(shù)據(jù)通路，箭頭表示信息傳送方向。

(1)標(biāo)明圖中X、Y、Z、W四個寄存器的名稱。

(2)簡述取指令的數(shù)據(jù)通路。

(3)簡述取數(shù)指令和存數(shù)指令執(zhí)行階段的數(shù)據(jù)通路。

【解】：(1)圖中X為存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR，Y為存儲器地址寄存器MAR，Z為指令寄存器IR，W為程序計數(shù)器PC。

(2)取指令的數(shù)據(jù)通路是：WYMXZ。

(3)取數(shù)指令是將指令地址碼字段指出的存儲單元的內(nèi)容讀到AC中。由于圖中X(MDR)與AC無直接通路，要經(jīng)過ALU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，故執(zhí)行階段的數(shù)據(jù)通路是：X(或z)YMXALUAC。存數(shù)指令是將AC的內(nèi)容存入指令地址碼字段指出的存儲單元中，其執(zhí)行階段的數(shù)據(jù)通路是先置地址x(或z)YM，然后ACXM。56主機(jī)框圖57 2．設(shè)CPU內(nèi)有下列部件：Pc、IR、SP、Ac、MAR、MDR和CU，要求：

(1)寫出完成間接尋址的取數(shù)指令LDA@x(將主存某單元的內(nèi)容取至Ac中)的信息流。

(2)畫出中斷周期的信息流，并簡要說明。

【解】:(1)完成間接尋址的取數(shù)指令包括取指、間址和執(zhí)行三個階段。

取指階段的信息流：

PCMAR地址線

CU發(fā)出讀存儲器命令

M數(shù)據(jù)線MDRIR，至此指令讀至IROP(IR)CU，指令操作碼送CU分析

(Pc)+1Pc，形成下一條指令地址

間址階段的信息流：

MDR(或IR)的地址碼字段MAR地址線

CU發(fā)出讀存儲器命令

M數(shù)據(jù)線MDR，至此有效地址讀至MDR58

執(zhí)行階段的信息流：

MDRMAR地址線

CU發(fā)出讀存儲器命令

M數(shù)據(jù)線MDRAc，至此數(shù)據(jù)讀至Ac中(2)中斷周期的信息流在中斷周期內(nèi)需將程序斷點(在Pc中)保存起來，通常把斷點存入堆棧。假設(shè)進(jìn)棧操作是先修改堆棧指針，后存入數(shù)據(jù)，則中斷周期的信息流如下圖所示。具體可描述為：

CU控制(SP)-1SPMAR地址線

CU發(fā)出寫存儲器命令

PcMDR數(shù)據(jù)線存儲器

CU將向量地址(硬件向量法)或中斷識別程序入口地址(軟件查詢法)一Pc。59中斷周期信息流60

3．回答下列問題：

(1)一個完整的指令周期包括哪些CPU工作周期?(2)中斷周期前和中斷周期后各是CPU的什么工作周期?(3)DMA周期前和DMA周期后各是CPU的什么工作周期?【解】(1)一個完整的指令周期包括取指周期、間址周期、執(zhí)行周期和中斷周期。其中取指和執(zhí)行周期是每條指令都有的。間址周期只有間接尋址(存儲器間接尋址)的指令才有。中斷周期只有在條件滿足時才有。

(2)中斷周期前是執(zhí)行周期，中斷周期后是取指周期。

(3)DMA周期前可以是取指周期、執(zhí)行(取數(shù)和存數(shù))周期或中斷周期，DMA周期后也可以是取指周期、執(zhí)行(取數(shù)或存數(shù))周期或中斷周期。總之，DMA周期前后都是存取周期。61 4．設(shè)CPU內(nèi)的部件有：Pc、IR、MAR、MDR、Acc、ALU、CU，且采用非總線結(jié)構(gòu)。

(1)寫出取指周期的全部微操作。

(2)寫出取數(shù)指令LDAx，存數(shù)指令STAx，加法指令A(yù)DDx(x均為主存地址)在執(zhí)行階段所需的全部微操作。

(3)當(dāng)上述指令均為間接尋址時，寫出執(zhí)行這些指令所需的全部微操作。

(4)寫出無條件轉(zhuǎn)移指令JMPY和結(jié)果為零則轉(zhuǎn)指令BAZY在執(zhí)行階段所需的全部微操作。

【解】：(1)取指周期的全部微操作

PcMAR;現(xiàn)行指令地址MAR1R;命令存儲器讀

M(MAR)MDR;現(xiàn)行指令從存儲器中讀至MDRMDRIR;現(xiàn)行指令I(lǐng)ROP(IR)CU;指令的操作碼CU譯碼

(Pc)+1PC;形成下一條指令的地址62

(2)①取數(shù)指令LDAx執(zhí)行階段所需的全部微操作

Ad(IR)MAR;指令的地址碼字段MAR1R;命令存儲器讀

M(MAR)MDR;操作數(shù)從存儲器中讀至MDRMDRACC;操作數(shù)ACC②存數(shù)指令STAx執(zhí)行階段所需的全部微操作

Ad(IR)MAR;指令的地址碼字段MAR1W;命令存儲器寫

ACCMDR;欲寫入的數(shù)據(jù)MDRMDRM(MAR);數(shù)據(jù)寫至存儲器中③加法指令A(yù)DDX執(zhí)行階段所需的全部微操作

Ad(IR)MAR;指令的地址碼字段MAR1R;命令存儲器讀

M(MAR)MDR;操作數(shù)從存儲器中讀至MDR(ACC)+(MDR)ACC;兩數(shù)相加結(jié)果送ACC63

(3)當(dāng)上述指令為間接尋址時，需增加間址周期的微操作。這三條指令在間址周期的微操作是相同的，即

Ad(IR)MAR;指令的地址碼字段MAR1R;命令存儲器讀

M(MAR)MDR;有效地址從存儲器中讀至MDR

進(jìn)入執(zhí)行周期，三條指令的第一個微操作均為

MDRMAR(有效地址送MAR)，其余微操作不變。

(4)①無條件轉(zhuǎn)移指令JMFY執(zhí)行階段的微操作

Ad(IR)PC;轉(zhuǎn)移(目標(biāo))地址YPC②結(jié)果為零則轉(zhuǎn)指令BAZY執(zhí)行階段的微操作

Z·Ad(IR)Pc;當(dāng)Z=1時，轉(zhuǎn)移(目標(biāo))地址YPC(Z為標(biāo)記觸發(fā)器，結(jié)果為0時Z=1)64

5.設(shè)某機(jī)主頻為8MHz，每個機(jī)器周期平均含2個時鐘周期，每條指令平均有2.5個機(jī)器周期，試問該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS?若機(jī)器主頻不變，但每個機(jī)器周期平均含4個時鐘周期，每條指令平均有5個機(jī)器周期，則該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度又是多少MIPS?由此可得出什么結(jié)論?【解】根據(jù)主頻為8MHz，得 時鐘周期為:1／8=0.125us，機(jī)器周期為:0.125x2=0.25us，指令周期為:0.25x2.5=0.625us。

(1)平均指令執(zhí)行速度為1／0.625=1.6MIPS。

(2)若機(jī)器主頻不變，機(jī)器周期含4個時鐘周期，每條指令平均含5個機(jī)器周期，則指令周期為0.125x4x5=2.5us，故平均指令執(zhí)行速度為1／2.5=0.4MIPS,，

(3)可見機(jī)器的速度并不完全取決于主頻。65 6．某CPU的主頻為8MHz，若已知每個機(jī)器周期平均包含4個時鐘周期，該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為0.8MIPS，試求該機(jī)的平均指令周期及每個指令周期含幾個機(jī)器周期?若改用時鐘周期為0.4us的CPU芯片，則計算機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS?若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)采用主頻為多少的CPU芯片?

66【解】由主頻為8MHz，得時鐘周期為1／8=0.125us，機(jī)器周期為0.125x4=0.5us。

(1)根據(jù)平均指令執(zhí)行速度為0.8MIPS，得 平均指令周期為:1／0.8=1.25us。

(2)每個指令周期含1.25／0.5=2.5個機(jī)器周期。

(3)若改用時鐘周期為0.4uS的CPU芯片，即主頻為1／0.4=2.5MHz，則根據(jù)平均指令速度與機(jī)器主頻有關(guān)，得平均指令執(zhí)行速度為:(0.8MIPSx2.5MHz)／8MHz=0.25MIPS。

(4)若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速度，即0.4MIPS，則CPU芯片的主頻應(yīng)為:(8MHzx0.4MIPS)／0.8MIPS=4MHz。67 7．已知單總線計算機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖1所示，其中M為主存，XR為變址寄存器，EAR為有效地址寄存器，LATCH為暫存器。假設(shè)指令地址已存于PC中，畫出ADDX，D指令周期信息流程圖，并列出相應(yīng)的控制信號序列。說明：

(1)ADDX，D指令字中X為變址寄存器XR，D為形式地址。

(2)寄存器的輸入和輸出均受控制信號控制，如PCi表示PC的輸入控制信號，又如MDR0表示MDR的輸出控制信號。

(3)凡是需要經(jīng)過總線實現(xiàn)寄存器之間的傳送，需在流程圖中注明，如PCBusMAR，相應(yīng)的控制信號為PC0，和MARi。

【解】完成ADDX，D指令取指周期和執(zhí)行周期的信息流程及相應(yīng)的控制信號如下圖2所示，圖中Ad(IR)為形式地址。68

圖1.單總線計算機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖69圖2.完成ADDX,D指令的信息流程及相應(yīng)控制信號70

8.

已知某機(jī)器采用微程序控制方式，其控制存儲器容量為512×48位。微指令字長48位，微指令可在整個存儲器中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個（直接控制），微指令采用水平型格式，如圖所示。

I操作字段I順序控制I1)微指令中的三個字段分別應(yīng)為多少位？

2）畫出圍繞這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。答：從題中可知下地址字段9位（512字長）；判別測試字段4位，微指令操作控制字段48-9-4=35位。

2）略

微指令字段判別測試字段下地址字段71 9.已知某CPU采用微程序控制方式，其控制存儲器容量為512*32bit(其中512是地址長度即地址范圍，32表示為位數(shù)）。微程序可以在整個控制存儲器中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件由5個，微程序采用水平型格式，后續(xù)微地址采用斷定方式。微指令格式為:說明微指令中的三個地址段應(yīng)分別為多少位？解：已知控制存器有512個單元,故下一條微地址段應(yīng)為9bit。又已知有5個測試條件，若采用直接表示法，故需5位。這樣微命令字段即為32-5-9=18bit。因此，微指令格式為:18bit5bit9bit

微命令

判別測試下一條微地址

微操作碼判別測試下一條微地址7210.某計算機(jī)字長16位，采用16位定長指令字結(jié)構(gòu)，部分?jǐn)?shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如下圖所示，圖中所有控制信號為1時表示有效、為0時表示無效，例如控制信號MDRinE為l表示允許數(shù)據(jù)從DB打入MDR，MDRin為1表示允許數(shù)據(jù)從內(nèi)總線打入MDR。假設(shè)MAR的輸出一直處于使能狀態(tài)。加法指令“ADD(R1)，R0”的功能為(R0)+((R1))(R1)，即將R0中的數(shù)據(jù)與R1的內(nèi)容所指主存單元的數(shù)據(jù)相加，并將結(jié)果送入R1的內(nèi)容所指主存單元中保存。下表給出了上述指令取指和譯碼階段每個節(jié)拍(時鐘周期)的功能和有效控制信號，請按表中描述方式用表格列出指令執(zhí)行階段每個節(jié)拍的功能和有效控制信號。

時鐘功能有效控制信號C1MAR(PC)PCout，MARinC2MDRM(MAR),PC

(PC)+1

MemR，MDRinE,PC+1C3IR(MDR)MDRout，IRinC4指令譯碼

無7374解：一條指令的執(zhí)行過程通常由取指、譯碼和執(zhí)行3個步驟完成，本題