1、第三章 CPU原理 掌握： CPU基本組成模型（寄存器組成、數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)），同步控制方式與常見(jiàn)時(shí)序信號(hào)，微命令（脈沖、電位），熟練掌握指令流程（能擬出給定指令的流程）。 理解： 進(jìn)位鏈，ALU組成，補(bǔ)碼加減，移位，浮點(diǎn)加減，無(wú)符號(hào)數(shù)一位乘、除，組合邏輯控制器（產(chǎn)生微命令方法、優(yōu)缺點(diǎn)），微程序控制器（基本思想、優(yōu)缺點(diǎn)）。 了解： 十進(jìn)制運(yùn)算，浮點(diǎn)乘、除法，微指令格式、編碼方法、順序控制方法。 第1頁(yè)/共54頁(yè)3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器 運(yùn)算器包含： ALU、用于運(yùn)算的寄存器； 控制器包含：微操作信號(hào)發(fā)生器、時(shí)序系統(tǒng)、用于運(yùn)控 制的寄存器。 系統(tǒng)總線 寄存器 控制器 運(yùn)算器 （ALU） CPU第2頁(yè)/共

2、54頁(yè)3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器 CPU的功能 數(shù)據(jù)加工（運(yùn)算器）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算處理； 指令控制（控制器）指令的執(zhí)行次序，嚴(yán)格按順序； 操作控制（控制器）由指令產(chǎn)生操作控制信號(hào)/微命令； 時(shí)間控制（控制器）對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制/時(shí)序； 算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU ALU的主要作用完成二進(jìn)制代碼的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。ALU 的核心是加法器。 加法器 全加器 Ai Bi Ci i, C i +1 可以用兩個(gè)半加器構(gòu)成的全加器; I= Ai Bi Ci Ci+1= AiBi+(Ai Bi) Ci+第3頁(yè)/共54頁(yè)3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器 并行加法器的進(jìn)位 并行加法器：N位同時(shí)進(jìn)行，由進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)

3、進(jìn)位信號(hào)Ci的傳遞。 設(shè)：A=An-1An-2Ai.A1A0 B=Bn-1Bn-2Bi.B1B0 則：Ci+1= AiBi+(Ai Bi) Ci 令： Gi= AiBi Pi= Ai Bi 于是： Ci+1= Gi+ Pi Ci 串行進(jìn)位：使用進(jìn)位線將n個(gè)全加器串接起來(lái)，進(jìn)位延遲時(shí)間較長(zhǎng)。節(jié)省器件，成本低。+第4頁(yè)/共54頁(yè)3-1 運(yùn)算器運(yùn)算器 并行進(jìn)位：各級(jí)進(jìn)位信號(hào)同時(shí)形成，增加硬件邏輯線路，有效地減少進(jìn)位延遲時(shí)間。（同時(shí)進(jìn)位） （見(jiàn)P61 圖3-3）以4位加法為例C1=G0+P0C0C2=G1+P1C1 = G1 +P1G0 +P1P0C0C3=G2+P2C2 =。C4=G3+P3C3 =

4、。 通過(guò)上式可以發(fā)現(xiàn)Ci可同時(shí)形成。 對(duì)于長(zhǎng)字長(zhǎng)的加法器通常采用分組進(jìn)位結(jié)構(gòu)： 組內(nèi)并行、組間串行進(jìn)位鏈 組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位鏈 ALU 舉例 SN74181介紹 （見(jiàn)P62 圖3-4）內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 功能：4位ALU 完成16種算術(shù)邏輯運(yùn)算； 4片SN74181和1片SN74182組成一個(gè)16位的組間并行進(jìn)位ALU。 （見(jiàn)P63 圖3-6 ）第5頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 定點(diǎn)加減運(yùn)算 原碼加減 由操作碼、操作數(shù)的符號(hào)決定最終的操作，結(jié)果的符號(hào)判斷復(fù)雜； 繁瑣，硬件復(fù)雜； 補(bǔ)碼加減 X + Y補(bǔ)= X補(bǔ)+Y補(bǔ) X - Y補(bǔ)= X補(bǔ)+-Y補(bǔ) 補(bǔ)碼表示，符號(hào)參加運(yùn)算，結(jié)果為補(bǔ)碼表示； 例

5、X補(bǔ)= 00110110 Y補(bǔ)= 11001101 X + Y補(bǔ) X - Y補(bǔ) 00110110 00110110 + 11001101 + 00110011 1 00000011 01101001第6頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 溢出的判斷 運(yùn)算結(jié)果為正，且大于所能表達(dá)的最大正數(shù)，稱(chēng)為正溢出； 運(yùn)算結(jié)果為負(fù)，且小于所能表達(dá)的最小負(fù)數(shù)，稱(chēng)為負(fù)溢出； 溢出判斷方法： P66 單符號(hào)位判斷單符號(hào)位判斷 溢出溢出=An Bn Sn+ AnBnSn 最高有效位的進(jìn)位判斷最高有效位的進(jìn)位判斷 P67 變形補(bǔ)碼（雙符號(hào)位）變形補(bǔ)碼（雙符號(hào)位） 00為正，為正，11為負(fù)（運(yùn)算時(shí)擴(kuò)充）為負(fù)（運(yùn)算時(shí)擴(kuò)充

6、） 結(jié)果結(jié)果01正溢出，正溢出，10負(fù)溢出（判斷）負(fù)溢出（判斷） 例 P67 變形補(bǔ)碼 請(qǐng)同學(xué)們練習(xí) P111 第3題 （2） 第4題 （2）第7頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 移位 邏輯移位、循環(huán)移位和算術(shù)移位； 邏輯移位 無(wú)數(shù)值意義的二進(jìn)制碼，左移時(shí)低位補(bǔ)0，右移時(shí)高位補(bǔ)0； 循環(huán)移位 閉合移位環(huán)路 算術(shù)移位 帶符號(hào)數(shù)的移位，左移一位相當(dāng)于乘2，右移一位相當(dāng)于除2； 原碼P68 補(bǔ)碼右移 補(bǔ)碼左移 浮點(diǎn)加減運(yùn)算 規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)具有唯一的表示形式和最長(zhǎng)的有效位； 運(yùn)算與實(shí)現(xiàn) （例 P70） X=Mx*2Ex ，Y=My * 2Ey 對(duì)階操作：小階向大階看齊，尾數(shù)右移；求E=Ex-Ey 尾

7、數(shù)相加減：定點(diǎn)數(shù)的加減； 規(guī)格化和判溢 舍入：常用恒置1法第8頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 課本P111 第5題解：E X補(bǔ)=11，01 M X補(bǔ) E Y補(bǔ)=11，10 M Y補(bǔ)=11. 010111 E 補(bǔ)=E x補(bǔ)+-Ey 補(bǔ)=1101+0010=1111 E=-1，故X的階碼較小，要對(duì)階 尾數(shù)M X補(bǔ)右移一位，階碼E X補(bǔ)加1，得 E X補(bǔ)=11,10 M X補(bǔ)（1入） 尾數(shù)求和： M X補(bǔ)+ M Y補(bǔ)= 尾數(shù)為非規(guī)格化數(shù)，需要左規(guī)，即尾數(shù)左移兩位，階碼減2，即 X浮+ Y浮=1100；11.001100 十進(jìn)制加減運(yùn)算 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后進(jìn)行運(yùn)算； BCD碼運(yùn)算 BCD碼指令 二進(jìn)

8、制碼指令，然后進(jìn)行校正（加6校正）第9頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 定點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算 無(wú)符號(hào)數(shù)手算算法 無(wú)符號(hào)數(shù)一位乘法思想：將N位乘轉(zhuǎn)換為N次累加與移位，即每次只求一位乘數(shù)所對(duì)應(yīng)的新部分積，并與原來(lái)部分積作一次累加，然后右移一位。 P73 硬件實(shí)現(xiàn) 圖3-9第10頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 運(yùn)算過(guò)程舉例： P111第6題 （1） B：1001被乘數(shù) A：0000 C：1101乘數(shù)00001101 C0=1累加1+B10011001移位1 01001110C0=0累加2 +000000100移位2 00100111C0=1累加3 +B10011011 移位3 01011011C

9、0=1累加4 +B10011110移位4 01110101 （結(jié)果）第11頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 無(wú)符號(hào)整數(shù)一位除法 無(wú)符號(hào)整數(shù)手算算法 從被除數(shù)或余數(shù)中減去除數(shù)，然后判斷，夠減商1，否則商0； 硬件邏輯線路判斷 恢復(fù)余數(shù)法：試探 除法手工算法01101 - 0.01011 除數(shù)右移1位，減 - 0.001011 除數(shù)右移1位，減 0.0001011 除數(shù)右移1位，不減 -0.00001011 除數(shù)右移1位，減 第12頁(yè)/共54頁(yè)3-2 運(yùn)算方法運(yùn)算方法 不恢復(fù)余數(shù)除法 當(dāng)余數(shù)A0時(shí)，商1，下一步A左移一位，然后減去除數(shù)B； 若余數(shù)A0時(shí)，商0，下一步左移一位，然后加除數(shù)B； 除

10、數(shù)N位，以上操作做N步； P76 圖3-12 浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算 乘法 階碼相加，判溢出； 尾數(shù)相乘； 規(guī)格化。 除法 預(yù)置：檢測(cè)除數(shù)、被除數(shù)是否為0； 尾數(shù)調(diào)整：預(yù)防溢出； 求階差； 尾數(shù)相除。第13頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU 一、CPU模型 基本組成： 控制器：控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的操作 指令譯碼器（IR），時(shí)序系統(tǒng)，微操作信號(hào)發(fā)生器； 運(yùn)算部件ALU：實(shí)現(xiàn)指令指令指定的算術(shù)、邏輯操作 ALU 寄存器：存放指令地址、指令、操作數(shù)、結(jié)構(gòu)等 R0R3， C，D，Z，IR， PC， PSW，SP，MAR，MDR CPU內(nèi)部總線、數(shù)據(jù)通路：連接CPU內(nèi)各部件，為數(shù)據(jù)傳送提供數(shù)據(jù)通路 AL

11、U總線，系統(tǒng)總線，傳輸控制門(mén)等； 結(jié)構(gòu)圖 如下: 說(shuō)明：實(shí)際的機(jī)器要繁雜的多，例子是精簡(jiǎn)過(guò)了的，只有骨髓第14頁(yè)/共54頁(yè)第15頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU 基本工作原理 控制器是全機(jī)的指揮控制中心，其基本功能是執(zhí)行指令，由微操作信號(hào)發(fā)生器根據(jù)指令產(chǎn)生控制信號(hào)序列以命令相應(yīng)部件分布完成指定的工作； 控制器既可以控制CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送，使ALU完成指定功能和其他內(nèi)部操作，也可以向CPU外部發(fā)出控制信號(hào)，控制CPU與存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。 微操作命令是最基本的控制信號(hào)，通常直接作用于部件或控制門(mén)電路的控制信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)微命令。有電位型和脈沖型。第16頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模

12、型機(jī)CPU 這些寄存器中： 存放控制信息的寄存器： 指令寄存器IR 程序計(jì)數(shù)器PC 程序狀態(tài)字PSW 存放數(shù)據(jù)的寄存器： 通用寄存器R0R3 暫存器C、D、Z 堆棧指針SP 與主存接口連接的寄存器： 存儲(chǔ)器地址寄存器MAR 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR其中：每個(gè)寄存器均為16位，D觸發(fā)器，D端輸入數(shù)據(jù)，CPU脈沖有效時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器第17頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU （一）寄存器 1、通用寄存器： R0 R1 R2 R3 特點(diǎn)：可編程訪問(wèn)，有多種用途（具體由編程指定，如：可存放操 作數(shù)，結(jié)果，也可用作變址寄存器、地址指針和計(jì)數(shù)器等） 2、暫存器 C：暫存來(lái)自主存單元的內(nèi)容 不能放到通用

13、寄存器，會(huì)破壞其原有的內(nèi)容 D：暫存一個(gè)送入ALU的操作數(shù)，具有左右移功能 Z：存放ALU運(yùn)算結(jié)果 暫存器C、D、Z的特點(diǎn)：對(duì)程序員透明，不能編程訪問(wèn)。（因?yàn)樗鼈?沒(méi)有地址編號(hào)，執(zhí)行時(shí)會(huì)隱含使用它們） 3、IR指令寄存器： 存放正在執(zhí)行的一條指令 特點(diǎn)：不能編程訪問(wèn) （從主存中取出一條指令放在IR中，指令譯碼器對(duì)其進(jìn)行分析） 4、PC程序計(jì)數(shù)器第18頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU 提供指令的地址，具有加1計(jì)數(shù)的功能 有轉(zhuǎn)移指令時(shí)，由指令將下條指令地址放到PC中 5、PSW 程序狀態(tài)字寄存器PS 存放現(xiàn)行程序的運(yùn)行狀態(tài)和工作方式，內(nèi)容稱(chēng)為程序狀態(tài)字PSW PSW包括： 結(jié)果標(biāo)志：近位標(biāo)志

14、C，溢出標(biāo)志V，結(jié)果為0標(biāo)志Z，結(jié)果為負(fù)標(biāo) 志S，奇偶標(biāo)志P 編程設(shè)定標(biāo)志：?jiǎn)尾綐?biāo)志T，中斷標(biāo)志I（允許CPU響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求） 6、SP堆棧指針 SP用來(lái)存放棧頂單元的地址 特點(diǎn)：可編程訪問(wèn)（有寄存器地址） 7、與主存接口的寄存器 MAR：存放CPU訪問(wèn)主存 或I/O接口的地址 MDR：存放CPU與主存或I/O接口之間傳送的數(shù)據(jù)第19頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU （二）ALU運(yùn)算部件 ALU內(nèi)部采用SN74181芯片，也是16位。可完成ADD、SUB、AND 、OR、XOR、COM、NEG、A1、A1、B1、B1的運(yùn)算功能 （三）控制部件 微操作信號(hào)發(fā)生器、指令譯碼器、時(shí)序系統(tǒng)產(chǎn)生

15、控制信號(hào)、控制CPU 內(nèi)部和外部各部件的操作 控制部件產(chǎn)生的控制信號(hào) 向CPU內(nèi)部發(fā)送：控制寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送、ALU的運(yùn)算 向CPU外部發(fā)送：CPU與存儲(chǔ)器之間 CPU與I/O接口之間的信息傳送 微操作信號(hào)發(fā)生器 控制信號(hào) 時(shí)序系統(tǒng) 及外部的控制信號(hào) 譯碼器 PSW第20頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU （四）總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu) （1）ALU總線又稱(chēng)為CPU內(nèi)總線 CPU內(nèi)部設(shè)置一組16位雙向總線，連接ALU與各寄存器 （各寄存器連在ALU總線上，ALU分時(shí)共享） （2）系統(tǒng)總線 CPU、主存儲(chǔ)器、I/O接口都是連接在系統(tǒng)總線上 包括：16根地址總線、 16根數(shù)據(jù)總線、控制總線 通過(guò)

16、MAR向地址總線提供訪問(wèn)主存單元或I/O接口地址 通過(guò)MDR向數(shù)據(jù)總線發(fā)送或接收數(shù)據(jù) 主要用來(lái)提供CPU與主存儲(chǔ)器、CPU與接口之間數(shù)據(jù)傳送的通路 二、模型機(jī)中的數(shù)據(jù)傳送 1、寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送 直接通過(guò)ALU總線傳送數(shù)據(jù)，具體傳送由輸出門(mén)和打入脈沖控制操作： Ri Rj路徑： Ri ，ALU總線, Rj 控制信號(hào)序列：Riout ， CPRj第21頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU 2、主存到CPU的數(shù)據(jù)傳送（通過(guò)系統(tǒng)總線傳送） 例：存儲(chǔ)器中取指令到指令寄存器IR 操作： M IR（地址在PC中） 路徑：PC, ALU總線，MAR，AB，M， DB， MDR， ALU總線， IR 控制

17、信號(hào)序列： PC out , CPMAR , EMAR , RD, SMAR, MDR out , CPIR 3、CPU數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存 通過(guò)系統(tǒng)總線傳送數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)在R2中，存儲(chǔ)單元地址在R1中，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器的步驟 （1）R1MAR （2）R2MDR （3）MDRM MAR MDR ALU總線 R1 R2第22頁(yè)/共54頁(yè)3-3 模型機(jī)模型機(jī)CPU 4、執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作 要求一個(gè)操作數(shù)在D中，另一個(gè)操作數(shù)來(lái)自?xún)?nèi)總線 R1R2R3 ALU總線 D 1 R1 A B 2 ALU R2 3 Z 4 R3第23頁(yè)/共54頁(yè)3-4 指令的執(zhí)行過(guò)程指令的執(zhí)行過(guò)程 一、指令的執(zhí)行過(guò)程 執(zhí)行過(guò)程分3個(gè)階段

18、取指令：PC提供地址的內(nèi)存單元到IR；PC提供地址；從M中取出指令到IR；修改PC內(nèi)容指向下條指令地址 分析指令：由IR中的指令產(chǎn)生微操作命令序列； 執(zhí)行指令 取操作數(shù) 執(zhí)行操作 形成后繼地址 指令間的銜接方式 串行的順序方式 完成一條指令的執(zhí)行后才開(kāi)始取下一條指令； 控制簡(jiǎn)單，效率低。 并行的重疊方式 在分析執(zhí)行一條指令運(yùn)算的同時(shí)，預(yù)讀取下一條指令；（前提執(zhí)行分段） 提高了效率和運(yùn)算速度，流水線支持。第24頁(yè)/共54頁(yè)3-4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 二、時(shí)序控制方式 是指微操作與時(shí)序信號(hào)之間采取何種關(guān)系 每一條機(jī)器指令都可以分解為一個(gè)控制信號(hào)序列，指令的執(zhí)行過(guò)程就 是依次執(zhí)行一個(gè)控制信號(hào)序

19、列的過(guò)程，各步操作是有先后次序的，因 此引入時(shí)序信號(hào)控制。 1、同步控制方式： 每條指令的執(zhí)行和指令中各個(gè)微操作都由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)同步控制； 基本特征：操作時(shí)間被分成若干長(zhǎng)度相同的時(shí)鐘周期/節(jié)拍，所有微操作被按時(shí)間順序先后分配到各個(gè)節(jié)拍上完成； 節(jié)拍長(zhǎng)度：定為完成CPU內(nèi)部花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的微操作 優(yōu)點(diǎn)：控制集中，簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)容易。 2、同步控制方式的多極時(shí)序系統(tǒng) 在CPU中為實(shí)現(xiàn)同步控制，必須設(shè)置時(shí)序系統(tǒng)，產(chǎn)生統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào) （1）多級(jí)時(shí)序的概念：將時(shí)序信號(hào)劃分為幾級(jí) 指令周期：第25頁(yè)/共54頁(yè)3-4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 指令周期：從取指到指令執(zhí)行完成所需的時(shí)間，指令不同長(zhǎng)度不同。CI

20、SC 機(jī)器周期：一個(gè)指令周期通常劃分為若干個(gè)機(jī)器周期/CPU周期；如：取指周期，存儲(chǔ)器寫(xiě)周期和存儲(chǔ)器讀周期等。 時(shí)鐘周期：一個(gè)機(jī)器周期又含若干個(gè)相等的時(shí)間段，稱(chēng)時(shí)鐘周期/節(jié)拍，它是處理操作的最小單位； 時(shí)鐘脈沖：時(shí)序系統(tǒng)的基本定時(shí)信號(hào)，時(shí)鐘周期的寬度與時(shí)鐘脈沖的周期一致，由時(shí)鐘脈沖的后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。第26頁(yè)/共54頁(yè)第27頁(yè)/共54頁(yè)3-4 時(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 異步控制方式 指令的指令周期可以由不等的機(jī)器周期數(shù)組成，無(wú)固定的周期節(jié)拍； 無(wú)統(tǒng)一的時(shí)序，各操作之間的銜接通過(guò)“結(jié)束-起始”聯(lián)絡(luò)信號(hào)實(shí)現(xiàn)； 聯(lián)合控制方式 以上兩種方式的結(jié)合組合邏輯控制器 按產(chǎn)生控制信號(hào)的方式不同，控制器可以分為

21、組合邏輯控制器和微程序控制器兩種類(lèi)型。 第五節(jié)以組合邏輯控制器為例，討論模型機(jī)的指令系統(tǒng)、時(shí)序系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程以及微命令的產(chǎn)生等情況。 第六節(jié)介紹微程序控制器。第28頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 模型機(jī)的指令系統(tǒng) 一、指令格式 見(jiàn)P87 雙操作數(shù)指令 如：ADD，SUB，MOV等 單操作數(shù)指令 如：INC，DEC等 轉(zhuǎn)移指令 如：JMP，JSR等 可編程寄存器有七個(gè)，編號(hào)如下： 通用寄存器 R0R3 000011 堆棧指針 SP 100 程序狀態(tài)字 PSW 101 程序計(jì)數(shù)器 PC 111第29頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 二、尋址方式 模型機(jī)采用按字編址，字長(zhǎng)16位，主存每個(gè)單元1

22、6位。采用定字長(zhǎng)指 令格式，指令字長(zhǎng)16位，操作數(shù)字長(zhǎng)16位 （1）立即數(shù)尋址方式；（2）寄存器尋址方式； （3）存儲(chǔ)器尋址方式： 直接尋址方式 寄存器間接尋址方式 自減型寄存器間址方式 自增型寄存器間址方式 變址方式 模型機(jī)尋址方式簡(jiǎn)表 類(lèi)型 尋址方式 匯編符號(hào) 可指定寄存器 0型 寄存器尋址 R R0R3，SP，PSW 1型 寄存器間址 (R) R0R3，SP 2型 自減型寄存器間址 - (R) R0R3，SP 3型 自增型寄存器間址 (R)+ R0R3，SP，PC 3型 立即數(shù)尋址 (R)+/PC R0R3，SP，PC 4型 直接尋址 DI PC 5型 變址尋址 X (R) R0R3，S

23、P，PC第30頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 例子 指令“ADD R0， R1”：（將R1和R2的內(nèi)容相加，結(jié)果放到R0中） 例如：MOV R1，（R3） 寄存器尋址方式 寄存器間址尋址方式 000 001 000 011 001 操作碼 目的 源 例如：立即尋址 MOV R1，（PC） PC 操作碼、尋址 PC+1 立即數(shù) MOV R1，（PC） PC+1 下條指令 第31頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 例如：MOV R1，DI 從存儲(chǔ)器取得指令，PC1PC，取操作數(shù)地址CPU存儲(chǔ)器，獲得操作數(shù)，放入R1. 例如：MOV R1，X（R2） PC 操作碼、尋址 位移量 下一條指令 （R2）

24、 位移量 操作數(shù) 獲得指令CPU；PC1 PC；按PC地址取出位移量R2；按此地址 獲得操作數(shù)。第32頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 三、操作類(lèi)型P90 1、傳送指令 MOV傳送，操作碼0000 功能：實(shí)現(xiàn)立即數(shù)R，立即數(shù)M，R R，R M，M R， M M，堆棧操作，I/O操作。 2、雙操作數(shù)算術(shù)運(yùn)算邏輯指令 ADD加，操作碼0001 SUB減，操作碼0010 AND邏輯與，操作碼0011 OR 邏輯或，操作碼0100 EOR異或，操作碼0101 3、單操作數(shù)算術(shù)邏輯指令 COM求反，操作碼0110 NEG求補(bǔ)，操作碼0111 ING加1，操作碼1000 DEC減1，操作碼1001 SL左

25、移，操作碼1010 SR右移，操作碼1011第33頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 4、程序控制類(lèi)指令 （1）轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0 操作碼 寄存器號(hào) 尋址方式 N Z V C 轉(zhuǎn)移地址 轉(zhuǎn)移條件 05全0，表示無(wú)條件轉(zhuǎn)移 000001，C0轉(zhuǎn)移 100001，C1轉(zhuǎn)移 000010，V0轉(zhuǎn)移 100010，V1轉(zhuǎn)移 000100，Z0轉(zhuǎn)移 100100，Z1轉(zhuǎn)移 001000，N0轉(zhuǎn)移 101000，N1轉(zhuǎn)移第34頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) （2）轉(zhuǎn)子指令JSR，操作碼1101 執(zhí)行JSR指令時(shí)，將返回地址壓入棧保存，然后按

26、尋址方式獲得子 程序入口地址送入PC中。 （3）返回指令RST，操作碼1100 RST的功能是從棧頂取出返回地址送入PC，因此只能使用自增型 寄存器間址，且指定寄存器為SP “JMP （SP）”指令完全等效RST的功能。 四、指令流程 一、模型機(jī)時(shí)序 三級(jí)時(shí)序：工作周期、節(jié)拍（時(shí)鐘周期）、工作脈沖 1、工作周期 取指周期FT 源周期ST 目的周期DT 用于控制指令的正常執(zhí)行 執(zhí)行周期ET 中斷周期IT DMA周期DMA 用于控制I/O傳送第35頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 設(shè)置6個(gè)觸發(fā)器，分別作為6個(gè)周期狀態(tài)標(biāo)志1，表示工作周期開(kāi)始0，表示工作周期結(jié)束在指令執(zhí)行過(guò)程中，任何時(shí)候只能有一個(gè)觸

27、發(fā)器為“1”。 FTSTDTETDMA請(qǐng)求DMATY中斷請(qǐng)求NDMAT轉(zhuǎn)移指令單操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令FT：訪存、取指令、修改PC公操作ST：按源尋址方式形成源地址，取出源操作數(shù)，存放于暫存器C中。YNDT：按目的尋址方式形成目的地址，或取目的操作數(shù)，存放于暫存器D中。ET：將操作碼完成相應(yīng)操作（傳送、運(yùn)算）按操作碼完成相應(yīng)操作（傳送、運(yùn)算）轉(zhuǎn)移地址送PC，返回地址壓棧保存。第36頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 2、時(shí)鐘周期（節(jié)拍T） 節(jié)拍時(shí)間：訪問(wèn)一次主存的時(shí)間。 （可以向存儲(chǔ)器寫(xiě)入，從存儲(chǔ)器讀出，CPU內(nèi)存儲(chǔ)器之間的傳送， CPU寄存器內(nèi)部之間的時(shí)間比向存儲(chǔ)器寫(xiě)入的時(shí)間要短，但經(jīng)常采 用

28、寄存器之間傳送的時(shí)間） 每個(gè)工作周期又劃分為若干節(jié)拍； 同樣的時(shí)鐘周期，不同的指令所需的節(jié)拍數(shù)各異； 節(jié)拍發(fā)生器由計(jì)數(shù)器T和節(jié)拍譯碼器組成；T=0開(kāi)始計(jì)數(shù)，若工作 周期要延長(zhǎng)則發(fā)T+1命令繼續(xù)計(jì)數(shù)，工作周期完成發(fā)T=0復(fù)位命令。 譯碼產(chǎn)生節(jié)拍狀態(tài)T0，T1，T2，等作為操作的時(shí)間標(biāo)志。工作周期結(jié)束時(shí)T清零 3、工作脈沖P 每個(gè)節(jié)拍結(jié)束時(shí)設(shè)置一個(gè)脈沖 節(jié)拍T 脈沖P 打入寄存器 進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換第37頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 工作脈沖 模型機(jī)在每一個(gè)節(jié)拍的末尾發(fā)一個(gè)工作脈沖，作為各種同步脈沖的來(lái)源。 脈沖的后沿作為工作周期的切換的定時(shí)信號(hào)。 指令流程 以指令執(zhí)行為線索，確定各周期每一節(jié)拍完成

29、的具體操作（寄存器之間的傳送操作） 用寄存器傳送語(yǔ)言描述（如R0MAR） 例子第38頁(yè)/共54頁(yè)3-5 組合邏輯控制器組合邏輯控制器 指令流程 P95圖3-20 取指流程圖（公共） P97圖3-21 MOV指令流程圖 P99圖3-22 雙操作數(shù)指令流程圖 P99圖3-23 單操作數(shù)指令流程圖 P100圖3-24轉(zhuǎn)移指令流程圖 P101圖3-25轉(zhuǎn)子指令流程圖第39頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 傳送類(lèi)指令流程 MOV （R0），X（R1）是一條傳送指令，源地址采用變址尋址，目的地址采用寄存器間接尋址方式。請(qǐng)擬出其指令流程。 解答： FT0 PC MAR FT1M MDR IR PC+1 PC

30、 ST0PC MAR ST1M MDR D PC+1 PC ST2D+R1 Z ST3Z MAR ST4M MAR C DT0 R0 MAR ET0C MDR ET1MDR M第40頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) 運(yùn)算類(lèi)指令流程 擬出ADD R0，R1的讀取與執(zhí)行流程。 指令功能：R1和R0的內(nèi)容相加，結(jié)果送入R0，運(yùn)算通過(guò)ALU進(jìn)行 FT0：PCMAR FT1:MMDRIR PC+1PC ST0:R1C DT0:R0D ET0:C+DZ ET1:ZR0 擬出SUB （R1），DI的讀取與執(zhí)行流程。 指令功能：將由直接尋址獲取的源操作數(shù)與由寄存器間址獲得的目的 操作數(shù)相減，結(jié)果存入目的地址中

31、。 FT0:PCMAR FT1:MMDRIR PC+1PC ST0:PCMAR第41頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) ST1:MMDRMAR PC+1PC ST2:MMDRC DT0:R1MAR DT1:MMDRD ET0:C-DZ ET1:ZMDR ET2:MDRM 堆棧類(lèi)指令流程 擬出MOV (SP),(R2)的讀取與執(zhí)行流程。 指令功能：將R2所指示的單元的內(nèi)容壓入堆棧中 FT0:PCMAR FT1:MMDRIR PC+1PC ST0:R2MAR ST1:MMDRC第42頁(yè)/共54頁(yè)35模型機(jī)的指令系統(tǒng) DT0:SP-1Z DT1:ZMAR、SP ET0:CMDR ET1:MDRM 轉(zhuǎn)移

32、類(lèi)指令流程 擬出指令JSR R1的讀取于執(zhí)行流程。 指令功能：將返回地址壓棧保存，并將R1所存放的子程序入口送入PC。 FT0:PCMAR FT1:MMDRIR PC+1PC ST0:R1C ET0:SP-1Z ET1:ZMAR、SP ET2:PCMAR ET3:MDRM ET4:CPC第43頁(yè)/共54頁(yè)組合邏輯控制器與微程序控制器 組合邏輯控制方式的基本概念與組合邏輯控制器 一、微命令 例如 模型機(jī)如何取指令 取指周期 FT0：PCMAR FT1：M MDR IR1、微命令是計(jì)算機(jī)中最基本的控制命令 （控制最基本的微操作，入打開(kāi)控制門(mén)，打入數(shù)據(jù)等）2、電位型微命令與脈沖型微命令（根據(jù)物理電信

33、號(hào)的類(lèi)型） 在模型機(jī)中電位型微命令維持一個(gè)節(jié)拍的時(shí)間，用于控制邏輯門(mén)電 路的開(kāi)門(mén)/關(guān)門(mén)。 例如：PCout為高電平時(shí)有效，16位輸出門(mén)打開(kāi)，指令地址送出到 ALU總線 脈沖型微命令用作定時(shí)控制（如寄存器的定時(shí)打入） 地址從ALU總線MAR 16位，CPMAR前沿出現(xiàn)時(shí)，將ALU總線上地址打入MAR第44頁(yè)/共54頁(yè)組合邏輯控制器與微程序控制器 二、組合邏輯控制方式及控制器原理 1、如何產(chǎn)生微命令？ PC out CPMAR PCOUTFT0MOVST0（變址尋址直接尋址立即尋址） MOVDT0（變址尋址直接尋址） 意義：在取指周期的第一拍FT0發(fā)微命令PCOUT；或者傳送指令的源采用變址、或直

34、接尋址、或立即尋址，則在源周期的第一拍ST0發(fā)微命令PCOUT ；或者傳送指令的目的采用變址、或直接尋址，則在目的周期的第一拍DT0發(fā)微命令PCOUT； 脈沖信號(hào)CPMAR是與工作脈沖同步產(chǎn)生的，脈沖P產(chǎn)生，才有CPMAR CPMARFT0PMOVST0（變址尋址直接尋址立即尋址 ）P MOVDT0（變址尋址直接尋址）P 意義：在取指周期的第一拍FT0，當(dāng)工作脈沖P到來(lái)時(shí)，發(fā)微命令CPMAR或者傳送指令的源采用變址、或直接尋址、或立即尋址等等，則在源周期的第一拍ST0當(dāng)脈沖P到來(lái)時(shí)，發(fā)微命令CPMAR ；或者傳送指令的目的采用變址、或直接尋址，則在目的周期的第一拍DT0當(dāng)工作脈沖P到來(lái)時(shí)，發(fā)微

35、命令CPMAR ；第45頁(yè)/共54頁(yè)組合邏輯控制器與微程序控制器 1、組合立即控制方式： 用組合立即電路產(chǎn)生命令的方式 2、采用組合邏輯控制方式產(chǎn)生微命令的控制器稱(chēng)為組合邏輯控制器。 那么控制器需要什么部件？部件的功能是什么？ 3、組成邏輯控制器的工作過(guò)程 4、組合邏輯控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 1）基本思想 綜合化簡(jiǎn)產(chǎn)生微命令的條件，形成邏輯式，用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。 執(zhí)行指令時(shí)，由組合邏輯電路（微命令發(fā)生器）在相應(yīng)的時(shí)間發(fā)出 所需的微命令，控制有關(guān)操作。 2）優(yōu)缺點(diǎn) 產(chǎn)生微命令的速度快 （1） 設(shè)計(jì)不規(guī)整，設(shè)計(jì)效率低（不同的命令不同） 控制器核心結(jié)果凌亂，不便于檢查和調(diào)試 （2）不易修改，擴(kuò)展指

36、令系統(tǒng)功能。 3）應(yīng)用場(chǎng)合 主要用于高速計(jì)算機(jī)，或規(guī)模較小的計(jì)算機(jī)。第46頁(yè)/共54頁(yè)3-6組合邏輯控制器與微程序控制器 微命令的綜合與產(chǎn)生在組合邏輯控制器中，微命令是由組合邏輯電路產(chǎn)生的。 由產(chǎn)生微命令的各種條件綜合分析出微命令的邏輯表達(dá)式，整理和簡(jiǎn)化； 然后用組合邏輯門(mén)電路或PLA門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)成微操作信號(hào)發(fā)生器。 小結(jié) P102 微程序控制方式的基本思想： 將機(jī)器中的指令分解為基本的微命令序列，用二進(jìn)制代碼表示這些命令，并編寫(xiě)成微指令，多條微指令再形成微程序。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，并在制造CPU時(shí)固化在CPU中的控制存儲(chǔ)器（CM）中. 執(zhí)行機(jī)器指令的時(shí)候，CPU依次從CM中取出相

37、應(yīng)的微指令，從而產(chǎn) 生微命令。 一條微指令包含的微命令能控制實(shí)現(xiàn)一步（節(jié)拍）的操作；若干條微指令組成的一小段微程序解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令。CM中的微程序能解釋執(zhí)行整個(gè)指令系統(tǒng)中的所有機(jī)器指令。（CM）中的微程序決定了該CPU的指令系統(tǒng)。第47頁(yè)/共54頁(yè)3-6組合邏輯控制器與微程序控制器 微程序控制方式的基本思想： 1、微程序控制方式的基本思想 PCOUT1010 CPMAR10001 101010001 所有操作所需微操作指令（1）若干微命令編制成一條微命令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作（2）若干微命令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令（3）微程序事先存放在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出 2、微程序控制器組成原理（1）主要部件 1、控制存儲(chǔ)器CM 功能：存放微程序 有效微