第14讲_组合逻辑设计

计算机组成原理PrinciplesofComputerOrganization广义双语教学课程青岛理工大学校级精品课程盛建伦[e-mail]2Whenthereareonlyafewaddressingmodes,theparticularaddressingmoderequiredisusuallyencodedwithintheinstructioncode(e.g.IBMSystem/390,mostRISC).Butwhentherearelotsofaddressingmodes,aspecificfieldisoftensetasideintheinstructiontospecifytheaddressingmode.第6章中央处理器Chapter6CentralProcessingUnit(4)§6.3.3微指令格式微指令的格式大体上可分成两类：HorizontalMicroinstruction水平型微指令和VerticalMicroinstruction垂直型微指令。•水平型微指令是在一条微指令中定义并执行多个可并行操作的微命令，控制尽可能多并行信息传送。•垂直型微指令是一次只能执行一个微命令的微指令。在微指令中有微操作码字段，采用最短字长编码。水平型微指令与垂直型微指令的比较：1．水平型微指令并行操作能力强、效率高、灵活性强。在一条水平型微指令中设置有控制机器中信息传送通路以及进行所有微操作的微命令。在进行微程序设计时，可以同时定义比较多的并行操作的微命令，控制尽可能多并行信息传送，使微指令效率高、灵活性强。在一条垂直型微指令中，一般只能完成1个操作，控制一、两个信息传送通路，微指令的并行操作能力低，效率低。盛建伦[e-mail]42．水平型微指令执行一条指令的时间比垂直型微指令短。水平型微指令并行操作能力强，可用比较少的微指令数来实现一条指令的功能，缩短了指令的执行时间。一条水平型微指令完成的功能相当于若干条垂直型微指令。此外，垂直型微指令必须经过完全译码，影响速度。用水平型微指令编制的微程序比较短，但微指令字比较长。3．垂直型微指令字比较短而微程序长。4．水平型微指令编程难以掌握。垂直型微指令与机器指令相似，编程比较容易。水平型微指令与机器指令差别很大，一般需要对机器的结构、数据通路、时序系统以及微命令很精通才能进行设计。盛建伦[e-mail]5微程序控制器设计方法小结1．把每条机器指令所需的微操作命令组合成若干条微指令，再将这些微指令构成一个微程序。2．将全部微程序存入一个高速的控制存储器中。3．执行机器指令就变成了执行该指令对应的一个微程序。每条机器指令对应一个微程序。Microcodewasoriginallydevelopedasasimplermethodofdevelopingthecontrollogicforacomputer.InstructionCycle-StateDiagram计算指令地址取指令Instructionfetch取操作数Operandfetch保存操作数OperandStoreInstructionaddresscalculating指令操作译码InstructionoperationdecodingDataOperationOperandaddresscalculating计算操作数地址OperandaddresscalculatingReturnforStringorVectorDataInstructionCompleteFetchNextInstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期状态图盛建伦[e-mail]7§6.4硬布线控制的计算机“组合逻辑控制”又称硬布线控制（HardwiredControl）或“硬连逻辑控制”。组合逻辑控制器的设计方法是：1．列出全部微操作2．建立操作时间表4．作组合逻辑框图3．求微操作命令的逻辑函数表达式盛建伦[e-mail]8组合逻辑控制器的设计方法1．列出全部微操作分析并列出各条指令在取指、分析、执行中所需的全部微操作。（根据给定的CPU数据通路和指令功能）根据各条指令所需的全部微操作，按执行的先后顺序，再加上必要的控制条件，列出全部指令所需的微操作的操作时间表。确定机器的状态周期、节拍与工作脉冲。2．建立操作时间表§6.4硬布线控制的计算机盛建伦[e-mail]9安排微操作节拍时需注意：微操作的先后顺序，能在1个节拍内执行的微操作应尽可能安排在同一个节拍内。假设机器采用同步控制，每个机器周期包含3个节拍。微操作的节拍安排机器周期节拍T0T1T2M0M1M2盛建伦[e-mail]101．取指周期微操作的节拍安排T0节拍可安排两个微操作。PC→MAR，1→R微操作的节拍安排T1节拍可安排两个微操作。M(MAR)→MDR，(PC)+1→PCT2节拍MDR→IR，指令一取到IR就开始进行译码2．间址周期微操作的节拍安排T0节拍Ad(IR)→MAR，1→RT1节拍M(MAR)→MDRT2节拍MDR→MAR盛建伦[e-mail]11（1）非访存指令①清除累加器指令CLAT03．执行周期微操作的节拍安排T1T20→ACC②累加器取反指令COMT0T1T2ACCACC盛建伦[e-mail]12（1）非访存指令③算术右移1位指令SHRT0执行周期微操作的节拍安排T1T2R(ACC)→ACC，ACC0→ACC0④循环左移1位指令CSLT0T1T2L(ACC)→ACC，ACC0→ACCn⑤停机指令STPT0T1T20→G盛建伦[e-mail]13（2）访存指令①加法指令ADDXT0Ad(IR)→MAR，1→R执行周期微操作的节拍安排T1M(MAR)→MDRT2(ACC)+(MDR)→ACC②存数指令STAXT0Ad(IR)→MAR，1→WT1ACC→MDRT2MDR→M(MAR)盛建伦[e-mail]14（2）访存指令③取数指令LDAXT0Ad(IR)→MAR，1→R执行周期微操作的节拍安排T1M(MAR)→MDRT2MDR→ACC盛建伦[e-mail]15（3）转移类指令①无条件转移指令JMPXT03．执行周期微操作的节拍安排T1T2Ad(IR)→PC②零转移指令JZXT0T1T2PCPCZIRAdZ)())((盛建伦[e-mail]16CPU响应中断，执行中断隐指令把PC内容压栈，关中断T0SP→MAR，0→中断允许触发器4．中断周期微操作的节拍安排T1PC→MDR，1→WT2MDR→M(MAR)，向量地址→PC操作时间表AccAcc清除累加器累加器取反算术右移1位循环左移1位停机加法存数取数无条件转移工作周期节拍微操作命令CLACOMSHRCSLSTPADDSTALDAJMPPC→MAR111111111T01→R111111111T1M(MAR)→MDR111111111PC+1111111111取指T2MDR→IR111111111Ad(IR)→MAR1T01→R1T1分析取数T2M(MAR)→MDRAd(IR)→MAR111→R1Acc→MDR1T01→W1T1M(MAR)→MDR1(Acc)+(MDR)→Acc1MDR→M(MAR)1MDR→Acc10→Acc11R(AC)→AC,AC0→AC01L(AC)→AC，AC0→ACn10→G1执行T2Ad(IR)→PC1盛建伦[e-mail]184．作组合逻辑框图根据求出的组合逻辑函数表达式，画出产生微操作命令序列的组合逻辑框图。组合逻辑控制器的设计方法3．求微操作命令的逻辑函数表达式根据微操作时间表，对各条指令中的同一种操作（公操作）进行集中、合并、化简，求出每一个操作的组合逻辑函数表达式。“微程序控制”与“硬布线控制”的比较硬布线控制器与微程序控制器，除了操作控制信号的形成方法和原理有差别外，其余的组成部分没有本质上的差别。微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存储器和存放当前正在执行的微指令的微指令寄存器直接控制下实现的。电路比较规整，各条指令的控制信号的差别反映在控制存储器的内容上。增加或修改指令只要增加或修改控存内容即可。有利于降低设计成本和实现指令兼容。硬布线控制由逻辑门组合实现，电路比较零乱、复杂。修改和增加指令极其困难。在同样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比硬布线控制的速度低。因为执行每条微指令都要从控存中读取，影响了速度。而硬布线控制逻辑的速度主要取决于电路延迟，比访问存储器的时间短。所以，RISC机和一些追求高速的CISC机都采用或部分采用硬布线控制。20Homework6-11,18,CommonlogicstylesusedinCPUdesigninclude:•Unstructuredrandomlogic•Finite-statemachines•Microprogramming(commonfrom1965to1985,nolongercommonexceptforx86RISC-likeCPUs)•Programmablelogicarray(commoninthe1980s,nolongercommon).CPUsdesignedforhigh-performancemarketsmightrequirecustomdesignsforeachoftheseitemstoachievefrequency,power-dissipation,andchip-areagoals.盛建伦[e-mail]21测验2请写好自己的姓名、学号、班级22测验2一、（20分）某计算机的指令字长为16位，用指令操作码扩展技术设计指令系统，要求有零地址指令16条，一地址指令31条，两地址指令14条及三地址指令15条。每个地址码字段为4位。二．（共20分）某计算机能完成78种操作，指令字长为16位。（1）一地址格式的指令地址码可取几位？（2）要想使指令的寻址范围扩大到216，可采用哪些方法？三．（共20分）某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。请不要抄题，只写题号23测验2四．（共20分）某机指令字长16位，每个操作数的地址码长6位，设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三种格式。（1）若零地址指令有M条，一地址指令有N条，问二地址指令最多可能有多少条？（2）若操作码位数可变，则二地址指令最多允许有多少条？三．（共20分）某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。请不要抄题，只写题号24五、（共10分）判断题（请在正确的句子前写T，错误的句子前写F）请不要抄题，只写题号（）1．哈佛结构的计算机都有输入输出指令。（）2．CPU通过输入/输出指令在磁盘上读写数据。（）4．程序计数器PC的位数与指令寄存器的位数相同。（）5．型计算机的总线由地址总线、数据总线和控制总线组成，所以是三总线结构。（）3．累加器的位数与机器字长相同。（）7．堆栈寻址方式，操作数的位置在堆栈指示器SP中。（）6．计算机的字长与指令字长不一定相同。25五、（共10分）判断题（请在正确的句子前写T，错误的句子前写F）请不要抄题，只写题号（）8．一地址指令就是单操作数指令。（）9．立即寻址方式的指令的地址码就是操作数的地址。（）5．微型计算机的总线由地址总线、数据总线和控制总线组