计算机组成原理(第六章)

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
T2 T3
RD M PC+1→PC MDR→IR
T4
指令译码
第六章 中央处理器 (7)
各节拍操作:
– – – – T1拍:将PC内容置入存储器地址寄存器MAR中; T2拍:向存储器发出读令; T3拍:修改PC内容,使之指向下条指令地址; T4拍:将从存储器读出的指令置入指令寄存器IR中,并对操作码部 分进行译码。 T1 T2
第六章 中央处理器 (5)
T1
取指令机器周期
节拍
T2 T3
指令周期
执行指令机器周期
T3
T1 T2 Tx Tn
第六章 中央处理器 (6)
– 一个机器周期内所包含的节拍数可固定不变,或可变。
2、指令操作流程
– 任何一条机器指令的执行过程都是一个微操作序列的执行过程。 – 将指令周期中所包含的微操作合理地分配在各个机器周期的各个节 拍中,便可构成各条指令的操作流程图。任何指令在取指令周期的 操作都基本相同。 假定某计算机中,每个机器周期内均包含4个节拍(T1~T4 ),则取 指令机器周期的操作流程为: T1 PC→MAR
• 编码控制的水平型微指令
– 特点:将控制字段分成许多子字段,每个子字段设置一个译码器, 任何微命令都是经过译码器输出; – 任何时候任何一个子字段中最多只能产生一个微命令; – 一个子字段所包含的微命令构成一个“相斥类”的微命令组,即它 们是不允许同时产生的微命令; – 处于各个不同子字段中的微命令构成一个“相容类”的微命令组, 它们允许在一条微命令中同时产生; – 缺点:并行性降低,且需增设译码器; – 优点:可缩短微指令长度,减小CM容量。 – 注意:设计时考虑各子字段不产生微命令的特殊情况。 – 格式:
条件测试
下条微指令地址
控制字段
条件测试
第六章 中央处理器 (20)
举例: – 某计算机采用微程序控制方式,微指令字长24位,采用水平型编码 控制的微指令格式,断定方式。共有微命令30个,构成4个相斥类, 各包含5个、8个、14个和3个微命令,外部条件4个。 (1)求控制存储器的容量; (2)设计微指令的具体格式。 解:(1)256×24(位) (2)
微程序首地址 (来自控制器) 微地址译码器
第六章 中央处理器 (9)
取 指 令 机 器 周 期
T1 T2 T3 T4 PC→MAR RD M PC+1→PC
该模型机所有指令均在两个周期内完成。第 一个机器周期为取指令周期,第二个机器周 期的操作各不相同,分别完成各条指令的不 同功能。 一般情况下,任何一条指令执行完毕都要访 问中断,若当前有中断请求,则转去执行中 断处理程序,否则进入下条机器指令的取指 令周期,开始下一个指令周期。
WE M
RD M
RD M
ZF=1?
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时; – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时; – 根据组成计算机各部件的器件特性,时序信号通常采用“电位-脉 冲”制。 – 时序部件的构成
2、控制器的组成
控制器是全机的指挥中心,其复杂程度随机器规模大小有比较大的区别, 但一般应包含如下主要部件:
– 程序计数器PC:存放待执行指令在存储器中的地址,即指令地址寄存器 – 指令寄存器IR:存放从寄存器中取出的待执行指令 – 指令译码器ID:操作码译码 – 时序部件:产生计算机工作过程中所需的各种时序信号 – 微操作控制部件:产生与各条微指令对应的微操作控制信号。通常有三种构 成方式-由逻辑电路,或存储逻辑电路构成,或可编程逻辑阵列PLA构成 – 中断系统 – 操作控制台
第六章 中央处理器 (3)
• 操作控制 在时序信号控制下,各个指令周期中包含多少个机器周期,各个机器周 期内部的各个节拍中完成什么功能,均由指令操作流程作出严格规定。 控制器应能按照指令操作流程图的规定,在各个节拍中产生控制信号, 控制各各相关部件完成相应的操作。由于这些控制信号所完成的操作非 常简单,通常称它们微操作控制信号或微命令。
第六章 中央处理器 (4)
三、指令的执行过程 1、指令周期
– “指令周期”是指一条指令从取出到执行完毕所需要的时间,通常 将其分成两个阶段-取指令、分析指令阶段和执行指令阶段。 – 取指令阶段对所有指令都相同,可称作“公操作阶段”。 – 执行指令阶段的不同操作才反映出不同的指令功能。 – 对于采用混合控制方式的现代计算机,一般的做法是定义几个基本 的机器周期,例如:取指令机器周期,读存储器机器周期,写存储 器机器周期和执行运算机器周期等。 – 一个指令周期中,可包含不同数量、不同种类的一个或几个机器周 期。但任何指令的第一个机器周期必须是取指令机器周期,由它完 成取指令和分析指令的功能。 – 机器周期又称作CPU周期,通常是存储器的一个访问周期。一个机器 周期内部又可分为几个节拍。 – 节拍是计算机操作的最小单位,又称作时钟周期或T周期。
第六章 中央处理器 (15)
2、微指令格式
• 微指令与机器指令类似,由微操作码和微地址码组成; • 微操作码部分用来确定该微指令所能产生的微命令,称作控制字 段; • 微地址码部分用来确定将要执行的下条微指令在CM中的地址,其 作用与机器指令中的地址码不同; (1)、微指令的控制字段 – 微指令分类:水平型微指令、垂直型微指令 – 水平型微指令:能并行产生多个微命令的微指令,又分2种:
MDR→IR
指令译码 LDA STA
IR(ADR)→MAR AC→MDR
HALT
执 T IR(ADR)→MAR 行 1 指 RD M 令 T2 机 器 周 T3 读出操作 期
T4
MDR→BUS→AC
ADD
IR(ADR)→MAR
AND
IR(ADR)→MAR
JMP
IR(ADR)→PC
JMPZ
COM
AC→AC
第六章 中央处理器 (2)
– 混合控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想:将每个指令周期分成多个机器周期,每个机器周期中再分成 多个节拍,于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期,复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间,控制上又不十分复杂。
• 脉冲源 即主时钟,通常由石英晶体振荡器构成 • 节拍信号发生器
又叫脉冲分配器,产生各个机器周期中的节拍信号。 • 启停线路逻辑
第六章 中央处理器 (11)
五、组合逻辑控制器
Βιβλιοθήκη Baidu– 基本概念
• 机器指令的执行过程就是一个微操作序列的执行过程,在各条机器指令 的各个机器周期的各个节拍中,应该产生那些微操作控制信号,由指令 操作流程图作出严格的规定。 • 采用组合逻辑电路来产生微操作控制信号的部件称作“组合逻辑控制 器”; • 优点是速度快,但设计工作量大。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
• 指令控制 根据给定的地址从主存储器中取出待执行的指令,并分析指令功能,然 后执行该指令,接着取下条指令,分析并执行下条指令。 • 时序控制 机器指令的操作过程(包括取指令、分析指令和执行指令)是严格按照 一定的时序进行的,一个指令周期中包含多少个机器周期随指令功能的 不同而不同,一个机器周期中包含多少个节拍随机器周期的不同而不同。 这些周期和节拍信息都应由时序部件定时产生,不允许出现任何差错。
IR(ADR)→MAR RD M
其它机器周期的操作流程图与具 体指令有关。 例如:采用直接寻址方式的取数 指令完成从存储器的有效地址中 取出操作数置入累加器AC中,则 应在取 指令周期后安排一个执行 操作的机器周期。
T3
T4
MDR→DBUS
BUS→AC
如右图。
第六章 中央处理器 (8)
在这个机器周期中,主要完成从存储器中取操作数的功能,因此可称它 为读存储器机器周期。各节拍操作: – T1拍:将指令中的地址码部分(形式地址D)置入存储器地址寄存器 MAR中; – T2拍:向存储器发出读令; – T3拍:将读出的操作数送数据总线; – T4拍:将操作数置入累加寄存器AC中。 同样是取数指令,若采用间接寻址方式,则至少需要两个执行周期。第 一个执行周期访问存储器取操作数地址,第二个执行周期访问存储器取 操作数置入累加器中。 假想模型机的指令系统包含8条机器指令,其指令操作流程图如下:
• 直接控制的水平型微指令 • 编码控制的水平型微指令
第六章 中央处理器 (15)
• 直接控制的水平型微指令
– 特点:控制字段中每一位表示一个微命令。n位长的控制字段最多能 并行产生n个微命令; – 缺点:控制字段较长; – 格式:
C0
C1
C2
C3
………..
Cn
地址字段
控制字段
第六章 中央处理器 (16)
C0~C31
译码器
XXXXX 控制字段
源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式:断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑
控制字段
– 增量方式
• 微指令在CM中顺序存放 • 设upc
第六章 中央处理器 (13)
ADD指令微程序
问题 的算 法
机 器 语 言 程 序
ADD R1,R2
STA m1
STA指令微程序
第六章 中央处理器 (14)
说明:
– 各条机器指令对应的微程序长度各不相同,取决于指令功能的强弱,也与微 指令本身的功能强弱有关系; – 机器指令的执行过程就是与之对应的微程序的执行过程; – 机器执行过程中的微命令由微指令产生; – 上述这种控制方式,称作微程序控制方式,其相应的部件,称作微程序控制 器。 – 显然,微程序控制器是将组合逻辑控制器中的硬件软化成为微程序而形成的; – 优点:修改方便,规整性好,有规律可寻,可借鉴软件设计经验; – 采用微程序控制方式的计算机,把所有的微程序集中存放在一个独立的存储 器中,称作控制存储器(CM-Control Memory); – 微程序一旦设计完毕,不允许修改,只允许执行,因此CM一般由EPROM 构成; – 每条微指令在CM中占用一个地址,CM的容量取决于微指令的字长和微程序的 总长度。 – 现代计算机广泛采用微程序控制方式。 – 超高速计算机不宜采用这种方式。
A0~ A5 B0~B8 C0~C14 D0~D3
译码器 23
译码器 21 20
译码器 13
译码器 12 11 10 8 7 0
17 16
XXX XXXX XXXX
控制字段
XX
XXX
条件测试字段
XXXXXXXX
微地址字段
第六章 中央处理器 (21)
3、微程序控制器的结构
根据微程序的两种不同顺序控制方式,微程序控制器有两种不同的结构。 (1)、采用断定方式的微程序控制器结构
第六章 中央处理器 (17)
A0~A7
译码器
B0~B31
译码器
C0~C31
译码器
D0~D15
译码器
X X X A字段
XXXXX B字段
XXXXX C字段
XXXX D字段
地址字段
控制字段
第六章 中央处理器 (18)
• 垂直型微指令
– 接近于机器指令,无并行性; – 每条微指令任何时候只能产生一条微命令。 – 格式:
– 设计举例(144)
第六章 中央处理器 (12)
六、微程序控制器 1、基本概念
• 任何一条机器指令的执行过程就是一个微操作控制信号的产生过 程; • 一个微操作控制信号称作一个微命令; • 将几个、十几个甚至几十个微命令集中由一条微指令来产生,于 是一条机器指令便可由一条或几条微指令来解释。 • 微指令:微命令的集合 • 微程序:解释一条机器指令的微指令的集合 • 微程序设计:设计与各条机器指令相对应的微程序的过程。 • 一种确定的算法,由一段机器语言程序解释;任何一条机器指令 又可由一段相应的微程序来解释。
– 设计过程
• 微操作综合:将指令操作流程图中各条机器指令在不同机器周期的不同 节拍中产生的同一个微操作控制信号集中到一起形成一个逻辑表达式。 • 化简逻辑表达式。 • 用具体的逻辑电路实现所有表达式。
– 组合逻辑控制器的特点
• 一旦设计成功,不易修改。 • 由组合逻辑控制器产生的微操作控制信号Ci是指令Im、时序信号Ti和运 算结果特征Si的函数。即Ci=f(Im,Ti,Si)
相关文档
最新文档