計算機原理詳解之運算器與控制器課件(1)

1、 制作制作: 錢光明錢光明 主要內(nèi)容主要內(nèi)容:1處理器處理器基本基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)及基本基本流程流程；指令節(jié)拍與流程指令節(jié)拍與流程;組合邏輯控制器組合邏輯控制器;微程序控制器微程序控制器;1.1.處理器處理器基本基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)及基本基本流程流程CPU：Central Processor Unit1.1處理器處理器基本基本功能功能: 1).正確取出正確取出;指令指令 2).依據(jù)指令產(chǎn)生各種操作信號依據(jù)指令產(chǎn)生各種操作信號; 3). 控制操作信號的發(fā)生時間控制操作信號的發(fā)生時間; 4).數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工-ALU: 算術算術/邏輯運算等邏輯運算等. 1.2CPU的組成的組成: 1). 控制器控制器l 從

2、內(nèi)存取出一條指令從內(nèi)存取出一條指令,并指出下條指令的地址并指出下條指令的地址;l 對指令進行譯碼對指令進行譯碼,產(chǎn)生相應的控制信號產(chǎn)生相應的控制信號;l指揮并控制指揮并控制CPU、內(nèi)存和、內(nèi)存和I/O設備之間的數(shù)據(jù)傳送設備之間的數(shù)據(jù)傳送. 2). 運算器運算器 加工信息加工信息.包括包括: 算術運算算術運算 邏輯運算等邏輯運算等 3). CPU中的主要寄存器中的主要寄存器: .MDR-數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 暫存暫存指令指令或或數(shù)據(jù)數(shù)據(jù). . MAR-存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器 .PC-程序計數(shù)器程序計數(shù)器 . IR-指令寄存器指令寄存器(Instruction Register)

3、 保存保存當前指令當前指令. .GR-通用寄存器通用寄存器. .PSW程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字) 多.其它其它 1.3 典型基本電路典型基本電路* 加法器加法器輸入輸入: 移位器移位器典型電路典型電路*:1.4 CPU的的基本基本操作及操作及基本基本流程流程取指流程取指流程:(R1)R2流程流程: 圖中哪些圖中哪些叫叫微操作微操作控制信號？控制信號？ 有關縮寫：有關縮寫：PC: Program Counter 程序計數(shù)器程序計數(shù)器IR: Instruction Register 指令寄存器指令寄存器LA: Latch A 鎖存器鎖存器ALB: Latch B 鎖存器鎖存器BALU: Arithme

4、tic Logic Unit 算術邏輯單元算術邏輯單元MB: Memory Block 存儲體存儲體MAR:Memory Address Register存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器MDR: Memory Data Register存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器考研真題考研真題*: (2010年年)18、下列存儲器中，匯編語言程序員可見的是 A：存儲器地址寄存器（MAR） B：程序計數(shù)器（PC） C：存儲器數(shù)據(jù)寄存器（MDR） D：指令寄存器（IR） 考研真題考研真題*: (2010年年) 43.(11分)某計算機字長為16位，主存地址空間大小為128KB，按字編址，采用字長指令格式，指

5、令名字段定義如下：注：（X）表示存儲器地址X或寄存器X的內(nèi)容，請回答下列問題： （1）該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？該計算機最多有多少個通用寄存器？存儲器地址寄存器（MAR）和存儲器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）至少各需多少位？（2）轉(zhuǎn)移指令的目標地址范圍是多少？ （3）若操作碼0010B表示加法操作（助記符為a d d），寄存器R4和R5的編號分別為100B和101B，R4的內(nèi)容為1 2 3 4 H，R5的內(nèi)容為5 6 7 8 H，地址1 2 3 4 H中的內(nèi)容為5 6 7 8 H，地址5 6 7 8 H中的內(nèi)容為1 2 3 4 H，則匯編語言為a d d（R4），（R5）+（逗號前為原操作數(shù)，逗號后

6、為目的操作數(shù)）對應的機器碼是什么（用十六進制表示）？該指令執(zhí)行后，哪些寄存器和存儲單元的內(nèi)容會改變？改變后的內(nèi)容是什么？ 2.2.指令指令節(jié)拍與流程節(jié)拍與流程2.1 基本概念基本概念 時鐘、時鐘、節(jié)拍與周期舉例：節(jié)拍與周期舉例：時鐘周期：時鐘周期：最小定時單位。最小定時單位。 一個或多個一個或多個時鐘周期時鐘周期組成一組成一 個個節(jié)拍節(jié)拍。節(jié)拍：節(jié)拍： 一個或多個節(jié)拍組成一個一個或多個節(jié)拍組成一個機器周期機器周期。取指周期取指周期：又：又稱為稱為公公操作。操作。 功能：從內(nèi)存取指令功能：從內(nèi)存取指令IR；并；并修改修改指令地址。指令地址。取操作數(shù)周期取操作數(shù)周期：它與指令的類型和尋址方式有關。

7、它與指令的類型和尋址方式有關。執(zhí)行周期執(zhí)行周期：例如，完成相加并送往目的地。例如，完成相加并送往目的地。 以上以上3類周期均屬類周期均屬機器周期機器周期。指令周期：指令周期：從從取指令取指令到到全部執(zhí)行完該條指令。全部執(zhí)行完該條指令。 一個或多個一個或多個機器周期機器周期組成一組成一 個個指令周期指令周期。如何理解平常說的微機主頻？如何理解平常說的微機主頻？ 定長定長機器周期機器周期 每個機器周期中的時鐘周期數(shù)相同。每個機器周期中的時鐘周期數(shù)相同。 不定長不定長機器周期機器周期 每個機器周期中的時鐘周期數(shù)不盡相同。每個機器周期中的時鐘周期數(shù)不盡相同。 指令周期包含的機器周期也可多可少。指令周期

8、包含的機器周期也可多可少。 簡單指令少，復雜指令多。簡單指令少，復雜指令多。2.2 指令的執(zhí)行過指令的執(zhí)行過程程舉例舉例:PDP-11指令：指令：ADD （R0), R1; 該圖總共可以表示該圖總共可以表示幾條指令？幾條指令？2.3指令的指令的微微操作序列操作序列舉例舉例: 進一步細化進一步細化. V0V3為為時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍（節(jié)拍） 考研真題考研真題*: (2009年年)11、馮諾依曼計算機中指令和數(shù)據(jù)均以二進制形式存放在存儲器中，CPU區(qū)分它們的依據(jù)是 A .指令操作碼的譯碼結(jié)果 B. 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 C. 指令周期的不同階段 D. 指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元. 考研真題考研真題

9、*: (2011年年)19、假定不采用Cache和指令預期技術，且機器處于“開中斷”狀態(tài)，則在下列有關指令執(zhí)行的敘述中，錯誤的是 A .每個指令周期中CPU至少訪問內(nèi)存一次 B. 每個指令周期一定大于或等于CPU周期 C. 空操作指令的指令周期中任何寄存器的內(nèi)容都不會被改變 D. 當前程序在每條指令執(zhí)行結(jié)束時都可能被外部中斷打斷 3.組合邏輯組合邏輯控制器控制器3.1基本原理基本原理 硬布線硬布線 把控制器看成產(chǎn)生專門固定時序控制信號的邏把控制器看成產(chǎn)生專門固定時序控制信號的邏輯電路。輯電路。 設計目標：用最少的元件，取得最高的速度。設計目標：用最少的元件，取得最高的速度。 理論基礎：布爾代數(shù)

10、。理論基礎：布爾代數(shù)。 組成器件：門電路，觸發(fā)器。組成器件：門電路，觸發(fā)器。 特點：特點： 1）組成的網(wǎng)絡復雜；）組成的網(wǎng)絡復雜； 2）無規(guī)則；）無規(guī)則； 3）設計和調(diào)試困難；）設計和調(diào)試困難； 4）不可改變指令系統(tǒng)和指令功能；）不可改變指令系統(tǒng)和指令功能； 5）適用于）適用于VLSI； 6）速度高。）速度高。設計依據(jù)：設計依據(jù)： 微操作微操作= 時鐘因素（時鐘時鐘因素（時鐘節(jié)拍節(jié)拍周期）周期）指令碼指令碼基本條件基本條件 操作碼操作碼操作碼譯碼操作碼譯碼微操作信號微操作信號發(fā)生器發(fā)生器時序時序狀態(tài)，條件狀態(tài)，條件微操作信號微操作信號部件設計：部件設計： 首先，首先，列出每條機器指令的微操作序

11、列，結(jié)合列出每條機器指令的微操作序列，結(jié)合時序信號，排出操作時間表。時序信號，排出操作時間表。 其次其次，將相同微操作的地方和條件逐個列出。，將相同微操作的地方和條件逐個列出。這里的地方和條件是指有關的指令碼、時序信這里的地方和條件是指有關的指令碼、時序信號及其它條件（結(jié)果特征與狀態(tài)）。號及其它條件（結(jié)果特征與狀態(tài)）。 其三其三，將同一微操作的全部地方和條件進行，將同一微操作的全部地方和條件進行“或或”合并、化簡，求得每個微操作的優(yōu)化邏合并、化簡，求得每個微操作的優(yōu)化邏輯函數(shù)式。輯函數(shù)式。 最后最后，根據(jù)每個邏輯的函數(shù)式得到用，根據(jù)每個邏輯的函數(shù)式得到用“與非與非”門實現(xiàn)的各自的邏輯電路，又稱

12、執(zhí)行邏輯。再門實現(xiàn)的各自的邏輯電路，又稱執(zhí)行邏輯。再將每個微操作執(zhí)行邏輯組合起來，就構(gòu)成微操將每個微操作執(zhí)行邏輯組合起來，就構(gòu)成微操作產(chǎn)生部件。作產(chǎn)生部件。 3.2設計舉例設計舉例完成完成“ALUBUS”=FETCHV1+SOFV1（間接尋址間接尋址）ADD+EXEV1ADD3.3 用用PLA實現(xiàn)組合邏輯控制器實現(xiàn)組合邏輯控制器* 考研真題考研真題*: (2009年年) 19、相對于微程序控制器，硬布線控制器的特點是A指令執(zhí)行的速度慢，指令功能的修改和擴展容易 B. 指令執(zhí)行的速度慢，指令功能的修改和擴展難 C. 指令執(zhí)行的速度快，指令功能的修改和擴展容易 D. 指令執(zhí)行的速度快，指令功能的修

13、改和擴展難. 4.4.微程序控制器微程序控制器組合邏輯組合邏輯變成了變成了存儲邏輯存儲邏輯。從而可用類似程序設。從而可用類似程序設計的方法（稱微程序設計）去設計繁雜控制邏輯。計的方法（稱微程序設計）去設計繁雜控制邏輯。以下述節(jié)拍段為例：以下述節(jié)拍段為例： V0: PCBUS, BUSMAR, CLEAR, PCLA, 1C0, ADD; V1: READ, ALUBUS, BUSPC, WAIT; V2: MDRBUS, BUSIR; V3: 1SOF。 下址下址字段字段0010024.14.1下址字段法下址字段法用于用于存放存放全部指令的全部指令的所有微程序所有微程序。它。它采用只讀采用只讀

14、存儲器存儲器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。控制存儲器的字長等于微指令的長度，控制存儲器的字長等于微指令的長度，它的容量決定于所有微程序的總長度，它的容量決定于所有微程序的總長度，它的讀出周期要求盡可能短，故一般采它的讀出周期要求盡可能短，故一般采用雙極型只讀存儲器，其存取周期稱用雙極型只讀存儲器，其存取周期稱微微周期周期。 控制存儲器控制存儲器CROM:CROM:ARAR：指：指微指令地址寄存器微指令地址寄存器。它是控制。它是控制存儲器存儲器CROMCROM中的地址寄存器，用于中的地址寄存器，用于存放存放將將要讀取的要讀取的微指令地址微指令地址，簡稱，簡稱微地址微地址。 IRIR：指：指微指令寄存器微指令寄存器。

15、它是控制存儲。它是控制存儲器中的數(shù)據(jù)寄存器，用于器中的數(shù)據(jù)寄存器，用于存放存放從控制存儲從控制存儲器取出的器取出的微指令微指令，并保存到它被執(zhí)行完畢，并保存到它被執(zhí)行完畢為止。為止。 微地址譯碼邏輯微地址譯碼邏輯PLAPLA：產(chǎn)生后繼微指令的地址（又稱產(chǎn)生后繼微指令的地址（又稱下址下址）。）。下址有下址有3 3種可能種可能：起始地址起始地址: :每條機器指令所對應的一段微程序的每條機器指令所對應的一段微程序的人口地址，它由指令操作碼經(jīng)人口地址，它由指令操作碼經(jīng)PLAPLA譯碼給出；譯碼給出；順序地址：順序地址：由微指令的下址字段給出，它不經(jīng)過由微指令的下址字段給出，它不經(jīng)過PLAPLA，在微指

16、令取出后，直接從下字址字段取得。，在微指令取出后，直接從下字址字段取得。轉(zhuǎn)移地址：轉(zhuǎn)移地址：由微指令的下址字段及由微指令的下址字段及PLAPLA中的地址中的地址修改邏輯給出的部分地址并接而成。修改邏輯給出的部分地址并接而成。轉(zhuǎn)移時用轉(zhuǎn)移時用轉(zhuǎn)移時用轉(zhuǎn)移時用4.24.2計數(shù)器法計數(shù)器法* *4.3 4.3 麓芯麓芯1 1號號一看一看整體整體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):二看二看指令編碼指令編碼:三看三看微指令編碼微指令編碼:四看四看微程序舉例微程序舉例: MOV R0,11H;五看五看CROM,且實際運行且實際運行: 0 x0000:0 x43800001/此此2行為取指令行為取指令0 x0001:0 xc401c

17、4000 x00e4:0 x000008e5 /此此6行為行為ADD R0,R1;1e110 x00e7:0 x000060e9 /微程序設計微程序設計0 x00e9:0 x000048ea0 x00ec:0 x000080ee0 x00ee:0 x228800ef0 x00ef:0 x2000a0000 x00a4:0 x000008a5/此此6行為行為MOV R0,11H; 1a08 00110 x00a7:0 x000060ae /微程序設計微程序設計0 x00a9:0 x000048aa0 x00ab:0 x438000af0 x00ae:0 x029000a90 x00af:0 x4

18、40400b00 x00b0:0 x431900b10 x00b1:0 x68000000end4.4 4.4 相關概念相關概念4.4.14.4.1微命令編碼微命令編碼: 直接表示法直接表示法-不譯碼法不譯碼法 一位表示一個微命令。一位表示一個微命令。 優(yōu)點：簡單，直觀，輸出直接用于控制。優(yōu)點：簡單，直觀，輸出直接用于控制。 缺點：微指令字較長，缺點：微指令字較長，CS容量大。容量大。 譯碼表示法譯碼表示法-字段譯碼法字段譯碼法幾個微命令組成一個小組，然后通過小組譯幾個微命令組成一個小組，然后通過小組譯碼器譯碼輸出。碼器譯碼輸出。 優(yōu)點：縮短字長。缺點：速度稍減。優(yōu)點：縮短字長。缺點：速度稍減。 混合表示法混合表示法編碼原則編碼