课件02-第二讲-计算机的基本结构与工作过程（二）.pdf

授课教师： 陆俊林 2011年秋季学期 授课教师： 陆俊林 2011年秋季学期 第二讲第二讲 1课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 主要内容主要内容 一、控制器的基本原理一、控制器的基本原理 二、硬布线控制器二、硬布线控制器 三、微程序控制器三、微程序控制器 四、微程序实例四、微程序实例 教材相关章节： 《微型计算机基本原理与应用（第二版）》 第 教材相关章节： 《微型计算机基本原理与应用（第二版）》 第2章 计算机的基本结构与工作过程章 计算机的基本结构与工作过程 2课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 主要内容主要内容 一、控制器的基本原理一、控制器的基本原理 二、硬布线控制器二、硬布线控制器 三、微程序控制器三、微程序控制器 四、微程序实例四、微程序实例 3课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 控制器控制器 控制器的基本任务 根据机器指令操作的需要，实时地发出各种微 命令信号 控制器就是“根据特定的机器指令在特定的时刻 （节拍），发出特定的微命令信号” 控制器的分类 硬布线控制器 微程序控制器 4课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 主要内容主要内容 一、控制器的基本原理一、控制器的基本原理 二、硬布线控制器二、硬布线控制器 三、微程序控制器三、微程序控制器 四、微程序实例四、微程序实例 5课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 硬布线控制器的基本结构硬布线控制器的基本结构 硬布线控制器，也称硬连线控制器或组合逻 辑控制器。

硬布线控制器的主要部件 环形脉冲发生器环形脉冲发生器：循环地产生节拍脉冲信号 指令译码器指令译码器：确定IR中存放的是哪一条指令 微命令编码器微命令编码器：在不同节拍脉冲信号的同步下 产生相应的微命令信号 6课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 硬布线控制器的原理图硬布线控制器的原理图 用用T1、、T2、、……、、Tn 依次表示对应机器周期 的节拍脉冲信号 依次表示对应机器周期 的节拍脉冲信号 用用00、、01、、10、、11依次表示 指令 依次表示 指令LOAD、、ADD、、STORE 和和JMP的操作码的操作码 环形脉冲发生器环形脉冲发生器 微命令编码器微命令编码器 指令 译码 指令 译码 IRIR T1T2Tn 微命令信号微命令信号 End LOAD (00) ADD (01) STORE (10) JMP (11) 图图2-7 7课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微命令微命令 在取指令和执行指令时，都需要控制器能针 对不同的指令在不同的机器周期内发出所需 要的各种微命令 例如，在取指令时，就需要控制器在第一个 周期内发出PCOUT、、MARIN、、M读 读、 、PC加 加共4 个微命令，在第二个周期内发出MDROUT和 IRIN两个微命令。

8课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 不同机器周期的微命令不同机器周期的微命令 对不同指令在不同机器周期内应发出的微命 令如下表所示（End代表指令执行结束的微命令） 指令名指令名T1T2T3T4T5T6T7 LOAD (00) PCOUT MARIN M读 PC加 MDROUT IRIN IROUT MARIN M读 MDROUT R1IN End ADD (01) 同上同上IROUT MARIN M读 MDROUT YIN R1OUT add ZOUT R1IN End STORE (10) 同上同上IROUT MARIN R1OUT MDRIN M写 End JMP (11) 同上同上IROUT PCIN End 表表2-2 9课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 用逻辑表达式表示微命令用逻辑表达式表示微命令 用一个逻辑表达式来表示某个微命令应在什 么时间发出、对哪些指令发出 用“·”表示“与”，用“+”表示“或” 用Ti表示第i个机器周期的节拍脉冲信号 设所有的信号都是高电平有效 10课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微命令的逻辑表达式示例微命令的逻辑表达式示例 以微命令MARIN为例 所有的四条指令在T1周期需要 LOAD、ADD、STORE三条指令在T3周期需要 其他指令和周期则不需要 描述上述关系的逻辑表达式： MARIN = T1·(LOAD+ADD+STORE+JMP) +T3·(LOAD+ADD+STORE) = T1+T3·(LOAD+ADD+STORE) 注：设Ti·(LOAD+ADD+STORE+JMP)=Ti 11课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 各个微命令的逻辑表达式各个微命令的逻辑表达式 按照上述方法，根据“表2-2”，可写出各个微 命令的逻辑表达式 PCOUT=T1MARIN=T1+T3·(LOAD+ADD+STORE) PC加加=T1M读读=T1+T3·(LOAD+ADD) IRIN=T2MDROUT=T2+T4·(LOAD+ADD) IROUT=T3PCIN=T3·JMP YIN=T4·ADDR1IN=T4·LOAD+T6·ADD MDRIN=T4·STORER1OUT=T4·STORE+T5·ADD add=T5·ADDM写写=T4·STORE ZOUT=T6·ADD End=T5·(LOAD+STORE)+T7·ADD+T4·JMP 12课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 逻辑表达式和微命令编码器内部电路逻辑表达式和微命令编码器内部电路 逻辑表达式的左端是编码器输出的微命令， 右端即为“图2-7”中微命令编码器的内部电路。

例：MARIN=T1+T3·(LOAD+ADD+STORE) 13课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 硬布线控制器的优缺点（小结）硬布线控制器的优缺点（小结） 硬布线控制器关键特征：直接由组合逻辑电 路产生微操作控制信号 优点：指令执行速度很快 缺点：控制逻辑的电路复杂，设计和验证难 度大；扩充和修改也很困难 14课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 主要内容主要内容 一、控制器的基本原理一、控制器的基本原理 二、硬布线控制器二、硬布线控制器 三、微程序控制器三、微程序控制器 四、微程序实例四、微程序实例 15课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器的起源微程序控制器的起源 微程序控制的概念 最早由英国剑桥大学的威尔克斯（M·V·Wilkes） 于1951年提出来，并在1953年的一篇文章中发 表了一个微程序控制的实例 由于缺少简单快速的微程序存储手段，当时这 一项发明并未得到广泛采用 微程序的发展 1964年，首次在当时最有影响的IBM360系列计 算机中得到了实际应用，成功地解决了不同的 计算机之间指令系统兼容性问题 16课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器的基本思想微程序控制器的基本思想 第一点第一点：计算机的每一条机器指令所代表的操作 可以被分解为一系列更基本的“微操作”，计算机中 控制实现这些微操作的命令信号，称为“微命令”。

第二点第二点：将计算机控制器所要产生的微命令，以 代码（微码）形式编成“微指令”，事先存储在一个 用只读存储器（ROM）构成的控制存储器中在 CPU执行程序时，从控制存储器中取出微指令， 由它所包含的微命令控制相关部件的操作 第三点第三点：若干条微指令组成一小段“微程序”，解 释执行一条机器指令，针对整个指令系统的需要， 编制出一套完整的微程序 17课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器的基本结构微程序控制器的基本结构 微程序控制器的主要部件： 控制存储器（CM） 微指令寄存器（μIR） 微地址寄存器（μAR） 微地址形成电路 18课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器主要部件的功能微程序控制器主要部件的功能 控制存储器控制存储器CM 用来存放微程序，每个存储单元存放一个微指 令代码 通常采用只读存储器（ROM）构成，在制造 CPU时写入微程序代码 微指令寄存器微指令寄存器μIR 用来存放从CM中读出的微指令 由两部分组成：一部分为微指令的“微操作控制 字段”；另一部分为“顺序控制字段”，它指明后 继微指令地址的形成方式 19课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器主要部件的功能微程序控制器主要部件的功能 微地址形成电路微地址形成电路 通常，可依据下述几种信息或其中一部分形成 后继微地址：微地址给定部分、现行微指令中 的顺序控制方式（如是否发生转移）、机器指 令的有关代码（如操作码）、机器运行状态等。

微地址寄存器微地址寄存器μAR 在从CM中读取微指令时，微地址寄存器中保存 着对应的微地址，指向相应的CM单元 当读出一条微指令后，微地址形成电路将后继 微地址存入μAR中，从而指向下一个CM单元 20课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 机器指令的读取与执行机器指令的读取与执行 1. 在开始执行机器指令时，先从控制存储器 中读取“取机器指令用的微指令”，它所包含 的微命令使CPU访问主存储器，读取机器 指令，送入指令寄存器IR，然后修改程序 计数器PC的内容 （注：在微程序中有一条或几条微指令，其微命令是 实现“取指”的操作，称为“取机器指令用的微指令取机器指令用的微指令”， 属于微程序的公用部分） 21课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 机器指令的读取与执行机器指令的读取与执行 2. 根据机器指令中的操作码，通过微地址形 成电路，找到与该机器指令所对应的微程 序入口地址 3. 逐条取出对应的微指令，每一条微指令提 供一个微命令序列，控制相关部件的操作 执行完一条微指令后，根据微地址形成方 法产生后继微地址，读取下一条微指令 4. 执行完对应于一条机器指令的一段微程序 后，返回到“取机器指令用的微指令”，开始 读取与执行又一条机器指令。

22课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器的主要特点（小结）微程序控制器的主要特点（小结） 与硬连线控制器相比，微程序控制器是一种 利用软件方法来设计硬件的技术，可实现复 杂指令的操作控制 缺点缺点：速度较慢速度较慢 每执行一条指令都要启动控制存储器中的一串 微指令（即一段微程序），执行速度相对于执行速度相对于“硬 布线控制器 硬 布线控制器” 要慢要慢 23课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 微程序控制器的主要特点（小结）微程序控制器的主要特点（小结） 优点优点1：规整性规整性 用程序的方法来产生和组织微命令信号（将程 序技术引入CPU） 用存储逻辑控制代替组合逻辑控制（将存储逻 辑引入CPU） 优点优点2：灵活性：灵活性 可以较方便地增加和修改指令，只要增加或修 改一部分微程序即可 24课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 主要内容主要内容 一、控制器的基本原理一、控制器的基本原理 二、硬布线控制器二、硬布线控制器 三、微程序控制器三、微程序控制器 四、微程序实例四、微程序实例 25课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 一个简单的微程序实例一个简单的微程序实例 对于前面给出的4条指令，根据对指令执行 过程的讨论，可归纳出指令周期的流程图 注：其中的DBUS→MDR表示“存储器的内容传送 到MDR”，MDR→DBUS表示“MDR的内容传送到 存储器”。

26课程：微机原理A 时间：2011年秋季学期 译码译码 JMP 00STORE 10ADD 01LOAD 00 指令周期的流程图指令周期的流程图 T1:PC → → MAR PC+n → → PC DBUS → → MDR T2:MDR → → IR T3:M3→→MAR T4:R1→→MDR MDR→→DBUS T3:M2→→MAR DBUS→→MDR T4:MDR→→Y T5:R1→→B Y+B→→Z T。