1計算機組成原理與匯編語言程序設(shè)計（第2版）第3章微體系結(jié)構(gòu) —CPU組織(2)1計算機組成原理與匯編語言程序設(shè)計第3章微體系結(jié)構(gòu) 2第3節(jié)CPU模型機的組成及其數(shù)據(jù)通路3.3.1基本組成 P98模型機數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)圖2第3節(jié)CPU模型機的組成及其數(shù)據(jù)通路3.3.1基本33.3.1基本組成1．寄存器（1）可編程寄存器通用寄存器有4個：R0、R1、R2、R3；堆棧指針為SP；程序狀態(tài)字寄存器為PSW；程序計數(shù)器為PC。（2）暫存器暫存器有3個：C、D、Z。（3）指令寄存器IR指令寄存器IR用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。（4）與主存接口的寄存器MAR、MDR

CPU對主存的控制信號有兩個：讀信號RD控制對主存的讀操作；寫信號WR控制對主存的寫操作。P9833.3.1基本組成1．寄存器（1）可編程寄存器42．運算部件

ALU的輸入A來自暫存器D，輸入B來自ALU總線，運算結(jié)果輸出到Z?？刂艫LU運算的控制信號有：ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、NEG、A+1、A-1、B+1、B-1，它們分別控制ALU完成加、減、與、或、異或、求負(fù)、求反等運算。

3．總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)（1）ALU總線

CPU內(nèi)部采用單總線結(jié)構(gòu)，即設(shè)置一組ALU總線（也稱為CPU內(nèi)總線），由16根雙向數(shù)據(jù)傳送線組成，ALU和所有寄存器通過這組公共總線連接起來。

（2）系統(tǒng)總線模型機的CPU、存儲器及I/O設(shè)備分別掛接在一組系統(tǒng)總線上。系統(tǒng)總線包括：16根地址總線、16根數(shù)據(jù)總線，以及控制總線。為簡單起見，模型機采用同步控制方式。P9942．運算部件ALU的輸入A來自暫存器D，輸入B來54．控制器及微命令的基本形式（1）微命令的基本形式在模型機中，微命令有兩種形式。①電位型微命令各寄存器輸出到ALU總線的控制信號：R0OUT、R1OUT、PCOUT、SPOUT、MDROUT等。ALU運算控制信號：ADD、SUB、AND、OR、XOR等。暫存器D的左移/右移控制信號：SAL、SAR。程序計數(shù)器PC的計數(shù)控制信號：PC+1。MAR和MDR輸出到系統(tǒng)總線的控制信號:EMAR,EMDR。寄存器置入控制信號有：SMDR、SPSW。主存的讀/寫信號有：RD、WR。②脈沖型微命令脈沖型微命令(寄存器打入脈沖）：CPR0、CPR1、CPPC、CPIR、CPSP、CPMAR、CPMDR等。P10054．控制器及微命令的基本形式（1）微命令的基本形式在模型6（2）控制器傳統(tǒng)控制器的主要部件包括：指令寄存器IR、指令譯碼器、程序計數(shù)器PC、狀態(tài)字寄存器PSW、時序系統(tǒng)和微操作信號發(fā)生器。定義：控制器是整機的指揮中心，其基本功能就是執(zhí)行指令，即根據(jù)指令產(chǎn)生控制信號序列以控制相應(yīng)部件分步完成指定的操作。P1006（2）控制器傳統(tǒng)控制器的主要部件包括：指令寄存器I73.3.2數(shù)據(jù)傳送1．寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送

在模型機中，寄存器之間可直接通過ALU總線傳送數(shù)據(jù)，具體傳送由輸出門和打入脈沖控制。例如：把寄存器R1的內(nèi)容傳送到寄存器R3，即實現(xiàn)傳送操作R1→R3所需控制信號為R1OUT、CPR3

P10173.3.2數(shù)據(jù)傳送1．寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送在模82．主存數(shù)據(jù)傳送到CPU（讀）

主存與CPU之間通過系統(tǒng)總線傳送數(shù)據(jù)。①PC→MAR；PC(指令地址)送存儲器地址寄存器實現(xiàn)PC→MAR的控制信號：PCOUT、CPMAR。

實現(xiàn)讀操作M→MDR的控制信號：EMAR、RD、SMDR；實現(xiàn)MDR→IR的控制信號：MDROUT、CPIR。例如：要從存儲器中取指令到指令寄存器IR，通過以下操作序列即可實現(xiàn)：

②M→MDR→IR；從選中存儲器中讀指令到IR82．主存數(shù)據(jù)傳送到CPU（讀）主存與CPU之間通過系93．CPU數(shù)據(jù)傳送到主存（寫）①R1→MAR；地址送MAR例如：在R2中存放需寫入主存的數(shù)據(jù)，存儲單元地址在R1中，則寫一個數(shù)據(jù)到存儲器可通過以下操作序列實現(xiàn)：實現(xiàn)寫操作MDR→M的控制信號為EMAR、EMDR、WR

③MDR→M；數(shù)據(jù)寫入選中的主存②R2→MDR；數(shù)據(jù)送MDR實現(xiàn)R1→MAR的控制信號：R1OUT、CPMAR。實現(xiàn)R2→MDR的控制信號為R2OUT、CPMDR。93．CPU數(shù)據(jù)傳送到主存（寫）①R1→MAR；地址送104．執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作

①R1→D；把R1的內(nèi)容先送到寄存器D例如：完成“把寄存器R1和R2的內(nèi)容相加，結(jié)果送到R3”這個功能，需要分成3步執(zhí)行：實現(xiàn)Z→R3的控制信號：ZOUT、CPR3。

P102②D+R2→Z；R2內(nèi)容送到ALU的B端與D內(nèi)容通過ALU相加，結(jié)果送Z③Z→R3；將存放在Z中的相加結(jié)果送入R3中實現(xiàn)R1→D的控制信號：R1OUT、CPD。實現(xiàn)D+R2→MDR的控制信號：R2OUT、ADD、CPZ。104．執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作①R1→D；把R1的內(nèi)容先送到寄11第四節(jié)組合邏輯控制器原理 P102

組合邏輯控制器是指產(chǎn)生控制信號（即微命令）的部件，是用組合邏輯線路來實現(xiàn)。在模型機中有幾十個微命令，則每個微命令都需要一組邏輯門電路，根據(jù)相應(yīng)的邏輯條件（如指令的操作碼、尋址方式、時序信號等）產(chǎn)生該微命令。

本節(jié)先介紹模型機的指令系統(tǒng)，然后假設(shè)模型機采用的是組合邏輯控制器，討論其時序系統(tǒng)、指令執(zhí)行流程及微命令的產(chǎn)生與綜合。

組合邏輯控制器一旦制造后，邏輯電路之間的關(guān)系就固定了，不易改動，所以組合邏輯控制器又稱為硬連邏輯控制器。

11第四節(jié)組合邏輯控制器原理 P102123.4.1模型機的指令系統(tǒng)1．指令格式（16位）（1）雙操作數(shù)指令：其格式如下圖所示第12～15位表示操作碼，第6～11位為源操作數(shù)地址段，第0～5位為目的操作數(shù)地址段，在每個地址段字段中又分為兩部分，其中3位表明尋址方式類型，另外3位給出所指定的寄存器編號。

123.4.1模型機的指令系統(tǒng)1．指令格式（16位）（113（1）雙操作數(shù)指令格式可編程寄存器有7個（留有一種編碼未用，留作擴展），地址段編號如下：·通用寄存器R0～R3000～011·堆棧指針SP100·程序狀態(tài)字PSW101·程序計數(shù)器PC11113（1）雙操作數(shù)指令格式可編程寄存器有7個（留有一種編碼未14（2）單操作數(shù)指令

第0～5位為地址字段，第6～11位空閑不用，也可供擴展操作碼用。14（2）單操作數(shù)指令第0～5位為地址字段，第6～115（3）轉(zhuǎn)移指令第12～15位為操作碼，第6～11位給出轉(zhuǎn)移地址字段（也分為尋址方式與寄存器號兩部分）。第0～5位則為轉(zhuǎn)移條件字段。其中，第0～3位中有一位為1，表明轉(zhuǎn)移條件——進位C、溢出V、結(jié)果為零Z、結(jié)果為負(fù)N。第5位表明轉(zhuǎn)移方式，若為0，表示相關(guān)標(biāo)志位為0轉(zhuǎn)移；若為1，表示相關(guān)標(biāo)志位為1轉(zhuǎn)移。若第0～5位全為0，表示無條件轉(zhuǎn)移。15（3）轉(zhuǎn)移指令第12～15位為操作碼，第6～11162．尋址方式模型機的編址為按字編址，字長16位，即主存每個單元16位。采用簡單變字長指令格式，指令長度可為16位、32位（指令中含立即數(shù)或一個操作數(shù)地址）或48位（含2個操作數(shù)地址），操作數(shù)字長16位。模型機尋址方式

如下表：類型尋址方式匯編符號可指定寄存器定義簡述0寄存器尋址

R

R0～R3，SP，PSW

數(shù)在指定寄存器中

1寄存器間址

(R)R0～R3，SP

地址在指定寄存器中

2自減型寄存器間址

-(R)

R0～R3，SP

寄存器內(nèi)容減1后為操作數(shù)地址

3立即/自增型寄存器間址

(R)+

R0～R3，SP，PC

寄存器內(nèi)容為操作數(shù)地址，操作后加1

4直接尋址

DI

PC操作數(shù)地址緊跟著指令

5變址尋址

X(R)

R0～R3，SP，PC

變址寄存器內(nèi)容與緊跟指令的位移量相加，為操作數(shù)地址

P103162．尋址方式模型機的編址為按字編址，字長16位，173．操作類型操作碼共4位，現(xiàn)設(shè)置14種指令，余下兩種操作碼組合可供擴展。（1）傳送指令MOV——傳送，操作碼0000。（2）雙操作數(shù)算術(shù)邏輯指令A(yù)DD——加，操作碼0001（帶進位）。SUB——減，操作碼0010（帶進位）。AND——邏輯與，操作碼0011。OR——邏輯或，操作碼0100。EOR——邏輯異或，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，操作碼0111。INC——加1，操作碼1000。DEC——減1，操作碼1001。SL——左移，操作碼1010。SR——右移，操作碼1011。173．操作類型操作碼共4位，現(xiàn)設(shè)置14種指令，余下兩種操18（4）程序控制類指令①轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100（結(jié)合標(biāo)志位）。

IR5

IR3

IR2

IR1

IR0

說明

0

0

0

0

1

進位C=0轉(zhuǎn)

1

0

0

0

1

進位C=1轉(zhuǎn)

0

0

0

1

0

溢出V=0轉(zhuǎn)

1

0

0

1

0

溢出V=1轉(zhuǎn)

0

0

1

0

0

結(jié)果為零Z=1轉(zhuǎn)

1

0

1

0

0

結(jié)果不為零Z=0轉(zhuǎn)

0

1

0

0

0

結(jié)果為負(fù)N=1轉(zhuǎn)

1

1

0

0

0

結(jié)果為正N=0轉(zhuǎn)

0

0

0

0

0

無條件轉(zhuǎn)移

如上表所示，JMP指令第3～0位選擇一位為1，表明以PSW中的某一特征作為轉(zhuǎn)移條件。因此，JMP指令第3～0位的含義與PSW第3～0位含義分別相對應(yīng)。例如PSW第0位是進位位C，而轉(zhuǎn)移指令第0位若為1，則表明以進位狀態(tài)為轉(zhuǎn)移條件。JMP指令第5位（IR5）決定轉(zhuǎn)移條件為0轉(zhuǎn)，還是為1轉(zhuǎn)。若JMP指令第5～0位全為0，則表示無條件轉(zhuǎn)移。18（4）程序控制類指令①轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100（19②返回指令RST，操作碼1100。

RST指令與JMP指令的操作碼相同，可視為一條指令。RST指令只能采用自增型寄存器間址表明轉(zhuǎn)移地址，并指定寄存器為SP，即尋址方式為（SP）+。它從堆棧中取出返回地址，然后修改堆棧指針SP+1。實際上，“JMP（SP）+”指令就是一條RST指令。③轉(zhuǎn)子指令JSR，操作碼1101。執(zhí)行JSR指令時，先將返回地址壓棧保存，然后按尋址方式找到轉(zhuǎn)移地址（即子程序入口地址），將它送入PC中。19②返回指令RST，操作碼1100。RST指令與203.4.2模型機的時序系統(tǒng) P106組合邏輯控制器依靠不同的時間標(biāo)志，使CPU分步工作。模型機采用前述的三級時序系統(tǒng)，即將時序信號分為工作周期、節(jié)拍（時鐘周期）和工作脈沖。1．工作周期劃分（1）取指周期FT

在取指周期FT中完成取指所需的操作

（2）源周期ST

如果需要從主存中讀取源操作數(shù)，則進入ST。

（3）目的周期DT如果需要從主存中讀取目的地址或目的操作，則進入DT。（4）執(zhí)行周期ET

在取得操作數(shù)后，則進入ET，在ET中將依據(jù)IR中操作碼執(zhí)行相應(yīng)操作，如傳送、算術(shù)運算、邏輯運算、獲得轉(zhuǎn)移地址等

（5）中斷響應(yīng)周期IT

（6）DMA傳送周期DMAT

203.4.2模型機的時序系統(tǒng) P106組合21中斷響應(yīng)周期IT

DMA傳送周期DMAT

中斷方式：由于某些異常情況或特殊請求，引起CPU暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理子程序，以處理這些情況或請求，等處理完后又返回原程序斷點繼續(xù)執(zhí)行，這一過程就稱為中斷。

CPU在響應(yīng)中斷請求之后，進入中斷響應(yīng)周期IT。在IT中將直接依靠硬件進行關(guān)中斷、保存斷點、轉(zhuǎn)處理程序入口等操作。IT結(jié)束后，進入取指周期FT，開始執(zhí)行中斷處理程序。

DMA（DirectMemoryAccess）即直接訪存方式：其基本思想是在主存儲器和I/O設(shè)備之間建立直接的數(shù)據(jù)傳送通路，由專門的DMA控制器控制主存和I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，在傳送時不需CPU干預(yù)。由于傳送過程完全由硬件實現(xiàn)，所花費的時間短，因此能滿足高速數(shù)據(jù)傳送的需要。CPU響應(yīng)DMA請求之后，進入DMAT。在DMAT中，CPU交出系統(tǒng)總線的控制權(quán)，即MAR、MDR與系統(tǒng)總線脫鉤（呈高阻態(tài)）。改由DMA控制器控制系統(tǒng)總線，實現(xiàn)主存與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)直接傳送，因此對CPU來說，DMAT是一個空操作周期。21中斷響應(yīng)周期ITDMA傳送周期DMAT22FTSTDTITETDMATDMA請求？中斷？YYNNCPU控制流程例.雙操作數(shù)指令的兩個操作數(shù)均在主存中,工作周期變化為:FT→ST→DT→ET→（FT……）例.單操作數(shù)指令的操作數(shù)在主存中,工作周期變化為:

FT→DT→ET→（FT……）例.雙操作數(shù)指令的操作數(shù)均在CPU寄存器中,工作周期變化為:

FT→ET→（FT……）左圖描述了指令執(zhí)行時工作周期狀態(tài)變化流程。

P10722FTSTDTITETDMATDMA請求？中斷？YYNNC232．節(jié)拍（時鐘周期）T

每個工作周期的操作一般需要分成若干步完成，為此將工作周期劃分成若干節(jié)拍。在模型機中，為了簡化時序控制，將CPU內(nèi)部操作與訪問主存的操作統(tǒng)一考慮。節(jié)拍寬度為最長微操作所需的時間，即訪問主存操作所需的時間。

3．工作脈沖P在節(jié)拍中執(zhí)行的有些操作需要同步定時脈沖，如將穩(wěn)定的運算結(jié)果打入寄存器、周期狀態(tài)切換等。為此，模型機在每個節(jié)拍的末尾發(fā)一個工作脈沖P，作為各種同步脈沖的來源，如左圖。工作脈沖P的前沿：作為打入寄存器的定時信號，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)通路操作的完成。P的后沿：作為節(jié)拍、工作周期切換的定時信號，在此刻對節(jié)拍計數(shù)器T計數(shù)、打入新的工作周期狀態(tài)。232．節(jié)拍（時鐘周期）T每個工作周期的操243.4.3指令流程 P108分析指令流程是為了在寄存器這一層次分析指令的讀取與執(zhí)行過程，也就是討論CPU的工作機制。1．取指周期FT（1）進入FT的條件初始化時置入FT，程序正常運行時同步打入FT。FTSRDCQQ總清11FTCPFT取指周期狀態(tài)觸發(fā)器

產(chǎn)生控制信號1→FT的邏輯條件如下：

1→FT=ET（1→IT·1→DMAT）+IT+DMAT（1→IT·1→DMAT）243.4.3指令流程 P108分析指令25（2）取指流程PC→MARM→MDR→IRPC+1→PCFT0FT1（3）微操作時間表FT工作周期狀態(tài)與節(jié)拍序號本拍中應(yīng)發(fā)的電平型微命令本拍中應(yīng)發(fā)的脈沖型微命令FT0PCOUTT+1PCPMARCPT(-P)FT1EMAR、RD、SMDRMDROUTPC+1T=01→ST[邏輯式1]1→DT[邏輯式2]1→ET[邏輯式3]PCPIRCPPCCPT(-P)CPST(-P)CPDT(-P)CPET(-P)

P10925（2）取指流程PC→MARM→MDR→IRFT0FT1（262．MOV指令1)取指令周期和取源操作數(shù)周期流程圖FTST0ST1ST2ST3ST4R(R)-(R)I/(R)+DIX(R)P111262．MOV指令1)取指令周期和取源操作數(shù)周期流程圖FTS272)取目的地址和執(zhí)行周期流程圖DT0DT1DT2DT3ET0ET1R(R)-(R)I/(R)+DIX(R)272)取目的地址和執(zhí)行周期流程圖DT0DT1DT2DT3E283．雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令共有5條：加ADD、減SUB、與AND、或OR、異或EOR，其指令流程圖：STFTDT0DT1DT2DT3DT4ET0ET1ET2與MOV相同P113283．雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令共有5條：加ADD、減294．單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令共有6條：求反COM、求補NEG、加“1”INC、減“1”DEC、左移SL、右移SR，其指令流程圖如圖：FTSTDTET0ET1ET2與雙操作數(shù)指令相同P113294．單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令共有6條：求反CO305．轉(zhuǎn)移指令JMP/返回指令RSTNJPJP,RSTPCPC

R(R)(R)+/RSTX(PC)FTET1ET2ET3ET4P114305．轉(zhuǎn)移指令JMP/返回指令RSTNJPJP,RSTPC316．轉(zhuǎn)子指令JSRST0FTET0ET1ET2ST1ST2ST3ET4流程圖如下：ET3P115316．轉(zhuǎn)子指令JSRST0FTET0ET1ET2ST1ST328．DMA周期在實際機器中，CPU可在一個系統(tǒng)總線周期結(jié)束時響應(yīng)DMA請求。9．鍵盤操作3.4.4微命令的綜合與產(chǎn)生微命令的邏輯表達式都是“與-或”式的邏輯形態(tài)，各邏輯條件包括：指令操作碼譯碼信號、尋址字段譯碼信號、工作周期狀態(tài)、節(jié)拍、工作脈沖等。例如：PCOUT=FT·T0+MOV··ST·T0+…CPMAR=FT·T0·P+MOV··ST·T0·P+…T+1=FT·T0+MOV·ST·T0·+…CPT=328．DMA周期在實際機器中，CPU可在一個系統(tǒng)總33第五節(jié)微程序控制器原理 P116有些CPU采用微程序控制方式來產(chǎn)生微命令，相應(yīng)的控制器稱為微程序控制器。

1．微程序控制方式的基本思想（1）將機器指令分解為基本的微命令序列，用二進制代碼表示這些微命令，并編成微指令，多條微指令再形成微程序。（2）一條微指令包含的微命令，控制實現(xiàn)一步（一個節(jié)拍）操作；若干條微指令組成的一小段微程序解釋執(zhí)行一條機器指令。

控制存儲器（CM）中的微程序能解釋執(zhí)行整個指令系統(tǒng)的所有機器指令。CM是微程序控制器的核心。33第五節(jié)微程序控制器原理 P116有些CPU34指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

控制存儲器CM功能：存放微程序。CM屬于CPU，不屬于主存儲器。微指令寄存器μIR功能：存放現(xiàn)行微指令。微操作控制字段：提供一步操作所需的微命令。 指明后續(xù)微地址的形成方式。順序控制字段：

提供微地址的給定部分P11734指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序35指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

2．微程序執(zhí)行過程的描述（1）取指指令對應(yīng)的微程序CM取指微指令μIR微命令字段譯碼器微命令機器指令I(lǐng)R主存35指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序36指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

（2）轉(zhuǎn)微程序入口（3）執(zhí)行首條微指令I(lǐng)R操作碼微地址形成電路入口μARCMμIR微命令字段μIR譯碼器微命令操作部件36指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序37指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

（4）取后續(xù)微指令微地址字段現(xiàn)行微地址運行狀態(tài)微地址形成電路后續(xù)微地址μARCM后續(xù)微指令μIR37指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序38（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）（6）返回微程序執(zhí)行完，返回CM(存放取指微指令的固定單元)。指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

38（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）（6）返回微程序執(zhí)行完，返回393．基本概念和術(shù)語（1）微命令與微操作微命令微操作——構(gòu)成控制信號序列的最小單位。

——由微命令控制實現(xiàn)的最基本操作。

注意，在組合邏輯控制器中也存在微命令、微操作這兩個概念，它們并非只是微程序控制方式的專用概念。（2）微指令與微周期微指令微周期——若干微命令的組合，以編碼形式存放在控制存儲器的一個單元中，控制實現(xiàn)一步操作?！ǔＶ笍目刂拼鎯ζ髦凶x取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時間。P118393．基本概念和術(shù)語（1）微命令與微操作微命令微操作—40（3）微程序與微程序設(shè)計微程序

微程序設(shè)計——一系列微指令的有序集合。

——是將傳統(tǒng)的程序設(shè)計方法運用到控制邏輯的設(shè)計中，在微程序中也可以有微子程序、循環(huán)、分支等形態(tài)。（4）工作程序與微程序、主存儲器與控制存儲器3.5.2微指令編碼方式微指令編碼的實質(zhì)是解決在微指令中如何組織微命令的問題。一條偽指令分為兩大部分：微操作控制字段和順序控制字段

P11840（3）微程序與微程序設(shè)計微程序微程序設(shè)計——一系列微411．直接控制編碼（不譯碼法）例.某微指令微命令按位給出。不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；信息的表示效率低。

C0RW111C0=0進位初值為01進位初值為1R=0不讀1讀微操作控制字段編碼方法411．直接控制編碼（不譯碼法）例.某微指令微命令按位給出42例.某微指令微命令按小段給出。

P1P0100P1P0=00ADD01ADC10SUB11SBB2．分段直接編譯法功能小段42例.某微指令微命令按小段給出。43操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段;B輸入端的控制命令放BI字段。

加法器

A

BR、CD、ER、CD、F000不發(fā)命令010CA100EA001RA011DACDAIBI33010CA000不發(fā)命令010CB100FB001RB011DB011DBAI：BI：一條微指令能同時提供若干微命令，便于組織各種操作。編碼較簡單；43操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段;443．分段間接編譯法例.微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。C=

CA1)設(shè)置解釋位或解釋字段解釋位1

A為某類命令0

A為常數(shù)2)分類編譯按功能類型將微指令分類，分別安排各類微指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。443．分段間接編譯法例.微命令由本字段編碼和其他字段解釋454．常數(shù)源字段E的設(shè)置微操作控制字段E順序控制字段

在微指令中，一般設(shè)有一個常數(shù)源字段E，就如同機器指令中的立即操作數(shù)一樣，用來提供微指令所使用的常數(shù)（由設(shè)計者填寫），如提供計數(shù)器初值，通用寄存器地址，轉(zhuǎn)移地址等。字段E也可用來參與其他控制字段的間接編碼，以減少微指令字長，增加微指令的靈活性。字段E在微指令中的形式為:除上述幾種基本的編碼方法外，另外還有一些常見的編碼技術(shù)，如可采用微指令譯碼與部分機器指令譯碼的復(fù)合控制、微地址參與解釋微指令譯碼。454．常數(shù)源字段E的設(shè)置微操作控制字段E463.5.3微程序的順序控制 P1201．微程序入口地址的形成每一條機器指令對應(yīng)著一段微程序，其入口就是初始微地址。常用以下幾種方式形成入口地址：（1）當(dāng)機器指令操作碼的位數(shù)與位置固定時，可直接使操作碼與入口地址碼的部分相對應(yīng)。

（2）當(dāng)每類指令中的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指令之間的操作碼與位置不固定時，可采用分級轉(zhuǎn)移的方式。（3）當(dāng)機器指令的操作碼位數(shù)和位置都不固定時，通常可以采用PLA電路將每條指令的操作碼翻譯成對應(yīng)的微程序入口地址，也可以采用PROM（可編程只讀存儲器）實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，將指令操作碼作為PROM的地址輸入，其對應(yīng)的PROM單元內(nèi)容即為該機器指令的微程序入口地址。463.5.3微程序的順序控制 P1201．微程序入472．后繼微地址的形成每條微指令執(zhí)行完畢時，需根據(jù)其中的順序控制字段的要求形成后繼微指令地址。

形成后繼地址的兩類方法：（1）增量方式（順序-轉(zhuǎn)移型微地址） 采用這種方式的微指令的順序控制字段通常分成兩部分：轉(zhuǎn)移方式控制字段和轉(zhuǎn)移地址字段，其一般格式如下：微操作控制字段轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移方式增量方式：①順序執(zhí)行②無條件轉(zhuǎn)移③條件轉(zhuǎn)移④轉(zhuǎn)微子程序⑤微子程序返回現(xiàn)行微地址+1現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址和轉(zhuǎn)移條件現(xiàn)行微指令給出微子程序入口?，F(xiàn)行微指令給出寄存器號。472．后繼微地址的形成每條微指令執(zhí)行完畢時，需根據(jù)48（2）斷定方式

由直接給定和測試斷定相結(jié)合形成微地址。微操作控制字段非測試段測試段指令格式：非測試段可由設(shè)計者直接給定，通常是后繼微地址的高位部分，用以指定后繼微指令在某個區(qū)域內(nèi)。

測試段根據(jù)有關(guān)狀態(tài)的測試結(jié)果確定其地址值，占后繼微地址的低位部分。這相當(dāng)于在指定區(qū)域內(nèi)斷定具體的分支。所依據(jù)的測試狀態(tài)可能是指定的開關(guān)狀態(tài)、指令操作碼、狀態(tài)字等。48（2）斷定方式由直接給定和測試斷定相493.5.4微指令格式微指令的編碼方式是決定微指令格式的主要因素1．水平型微指令特征如下：（1）微指令較長（2）微指令中的微操作具有高度并行性（3）微指令編碼簡單2．垂直型微指令優(yōu)點：微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。缺點：微程序長，執(zhí)行速度慢；工作效率低。一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。493.5.4微指令格式微指令的編碼方式是決定微指令格式503.5.5典型微指令舉例模型機的微指令字長為26位，分為8個字段，其格式如下：

FOUTFALUFCPFPCFEMARFR/WFSTJC45521225（1）基本數(shù)據(jù)通路控制字段

FOUT

FALU

FCP

FPC寄存器的輸出控制字段ALU的操作與Z的移位控制字段寄存器的同步打入控制字段PC的操作控制字段（2）訪存控制字段?FEMAR?FR/W（3）輔助控制字段?FSTMAR輸出控制字段。主存讀寫與MDR操作控制字段。輔助操作控制字段（4）順序控制字段JC

轉(zhuǎn)移方式字段，用以選擇后繼微指令地址的形成方式503.5.5典型微指令舉例模型機的微指令字長為2651第六節(jié)精簡指令集計算機（RISC）P123

1．RISC與CISC

傳統(tǒng)的CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機）設(shè)計思想并不利于提高計算機的速度。而且復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加硬件實現(xiàn)的復(fù)雜性，從而使計算機的研制周期長、投資大。2．RISC的特點（1）大多數(shù)指令在一個機器周期內(nèi)完成（2）采用LOAD/STORE結(jié)構(gòu)（3）較少的指令數(shù)和尋址方式（4）固定的指令格式（5）面向寄存器的結(jié)構(gòu)（6）硬布線控制邏輯（7）注重編譯的優(yōu)化P12451第六節(jié)精簡指令集計算機（RISC）P1231．R523．超標(biāo)量與超流水線概念將RISC設(shè)計成具有多個執(zhí)行部件的結(jié)構(gòu)，同時在每一個周期內(nèi)允許發(fā)出多條指令，并調(diào)度多條指令在不同的執(zhí)行部件中并行執(zhí)行操作，這就是所謂。將流水線的每個節(jié)拍分成3個或4個小節(jié)拍，每個小節(jié)拍執(zhí)行一個操作，便有可能在取出第i條指令后，相隔一個小節(jié)拍，就取出第i+1條指令，這樣就可能在一個流水線的節(jié)拍內(nèi)，取出3條或4條指令，送入流水線去執(zhí)行，從而使CPI小于l，這就是所謂。超標(biāo)量結(jié)構(gòu)超流水線結(jié)構(gòu)P125523．超標(biāo)量與超流水線概念將RISC設(shè)計成具有多個533.6.2UltraSPARCCPU的微體系結(jié)構(gòu)1．UltraSPARCⅡ概況UltraSPARCⅡ的微體系結(jié)構(gòu)框圖：533.6.2UltraSPARCCPU的微體系結(jié)構(gòu)1542．UltraSPARCⅡ的流水線如圖：整數(shù)流水線浮點數(shù)/圖形流水線3．UltraSPARCⅡ指令系統(tǒng)

UltraSPARCⅡ有兩組寄存器：32個64位的通用寄存器和32個浮點寄存器。R0～R31是通用寄存器，它們在特定的上下文中使用其他的名字。542．UltraSPARCⅡ的流水線如圖：整數(shù)流水線浮點數(shù)55UltraSPARCⅡ的通用寄存器55UltraSPARCⅡ的通用寄存器56作業(yè)P1293-13-33-43-63-93-113-1556作業(yè)P12957計算機組成原理與匯編語言程序設(shè)計（第2版）第3章微體系結(jié)構(gòu) —CPU組織(2)1計算機組成原理與匯編語言程序設(shè)計第3章微體系結(jié)構(gòu) 58第3節(jié)CPU模型機的組成及其數(shù)據(jù)通路3.3.1基本組成 P98模型機數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)圖2第3節(jié)CPU模型機的組成及其數(shù)據(jù)通路3.3.1基本593.3.1基本組成1．寄存器（1）可編程寄存器通用寄存器有4個：R0、R1、R2、R3；堆棧指針為SP；程序狀態(tài)字寄存器為PSW；程序計數(shù)器為PC。（2）暫存器暫存器有3個：C、D、Z。（3）指令寄存器IR指令寄存器IR用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。（4）與主存接口的寄存器MAR、MDR

CPU對主存的控制信號有兩個：讀信號RD控制對主存的讀操作；寫信號WR控制對主存的寫操作。P9833.3.1基本組成1．寄存器（1）可編程寄存器602．運算部件

ALU的輸入A來自暫存器D，輸入B來自ALU總線，運算結(jié)果輸出到Z?？刂艫LU運算的控制信號有：ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、NEG、A+1、A-1、B+1、B-1，它們分別控制ALU完成加、減、與、或、異或、求負(fù)、求反等運算。

3．總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)（1）ALU總線

CPU內(nèi)部采用單總線結(jié)構(gòu)，即設(shè)置一組ALU總線（也稱為CPU內(nèi)總線），由16根雙向數(shù)據(jù)傳送線組成，ALU和所有寄存器通過這組公共總線連接起來。

（2）系統(tǒng)總線模型機的CPU、存儲器及I/O設(shè)備分別掛接在一組系統(tǒng)總線上。系統(tǒng)總線包括：16根地址總線、16根數(shù)據(jù)總線，以及控制總線。為簡單起見，模型機采用同步控制方式。P9942．運算部件ALU的輸入A來自暫存器D，輸入B來614．控制器及微命令的基本形式（1）微命令的基本形式在模型機中，微命令有兩種形式。①電位型微命令各寄存器輸出到ALU總線的控制信號：R0OUT、R1OUT、PCOUT、SPOUT、MDROUT等。ALU運算控制信號：ADD、SUB、AND、OR、XOR等。暫存器D的左移/右移控制信號：SAL、SAR。程序計數(shù)器PC的計數(shù)控制信號：PC+1。MAR和MDR輸出到系統(tǒng)總線的控制信號:EMAR,EMDR。寄存器置入控制信號有：SMDR、SPSW。主存的讀/寫信號有：RD、WR。②脈沖型微命令脈沖型微命令(寄存器打入脈沖）：CPR0、CPR1、CPPC、CPIR、CPSP、CPMAR、CPMDR等。P10054．控制器及微命令的基本形式（1）微命令的基本形式在模型62（2）控制器傳統(tǒng)控制器的主要部件包括：指令寄存器IR、指令譯碼器、程序計數(shù)器PC、狀態(tài)字寄存器PSW、時序系統(tǒng)和微操作信號發(fā)生器。定義：控制器是整機的指揮中心，其基本功能就是執(zhí)行指令，即根據(jù)指令產(chǎn)生控制信號序列以控制相應(yīng)部件分步完成指定的操作。P1006（2）控制器傳統(tǒng)控制器的主要部件包括：指令寄存器I633.3.2數(shù)據(jù)傳送1．寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送

在模型機中，寄存器之間可直接通過ALU總線傳送數(shù)據(jù)，具體傳送由輸出門和打入脈沖控制。例如：把寄存器R1的內(nèi)容傳送到寄存器R3，即實現(xiàn)傳送操作R1→R3所需控制信號為R1OUT、CPR3

P10173.3.2數(shù)據(jù)傳送1．寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送在模642．主存數(shù)據(jù)傳送到CPU（讀）

主存與CPU之間通過系統(tǒng)總線傳送數(shù)據(jù)。①PC→MAR；PC(指令地址)送存儲器地址寄存器實現(xiàn)PC→MAR的控制信號：PCOUT、CPMAR。

實現(xiàn)讀操作M→MDR的控制信號：EMAR、RD、SMDR；實現(xiàn)MDR→IR的控制信號：MDROUT、CPIR。例如：要從存儲器中取指令到指令寄存器IR，通過以下操作序列即可實現(xiàn)：

②M→MDR→IR；從選中存儲器中讀指令到IR82．主存數(shù)據(jù)傳送到CPU（讀）主存與CPU之間通過系653．CPU數(shù)據(jù)傳送到主存（寫）①R1→MAR；地址送MAR例如：在R2中存放需寫入主存的數(shù)據(jù)，存儲單元地址在R1中，則寫一個數(shù)據(jù)到存儲器可通過以下操作序列實現(xiàn)：實現(xiàn)寫操作MDR→M的控制信號為EMAR、EMDR、WR

③MDR→M；數(shù)據(jù)寫入選中的主存②R2→MDR；數(shù)據(jù)送MDR實現(xiàn)R1→MAR的控制信號：R1OUT、CPMAR。實現(xiàn)R2→MDR的控制信號為R2OUT、CPMDR。93．CPU數(shù)據(jù)傳送到主存（寫）①R1→MAR；地址送664．執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作

①R1→D；把R1的內(nèi)容先送到寄存器D例如：完成“把寄存器R1和R2的內(nèi)容相加，結(jié)果送到R3”這個功能，需要分成3步執(zhí)行：實現(xiàn)Z→R3的控制信號：ZOUT、CPR3。

P102②D+R2→Z；R2內(nèi)容送到ALU的B端與D內(nèi)容通過ALU相加，結(jié)果送Z③Z→R3；將存放在Z中的相加結(jié)果送入R3中實現(xiàn)R1→D的控制信號：R1OUT、CPD。實現(xiàn)D+R2→MDR的控制信號：R2OUT、ADD、CPZ。104．執(zhí)行算術(shù)或邏輯操作①R1→D；把R1的內(nèi)容先送到寄67第四節(jié)組合邏輯控制器原理 P102

組合邏輯控制器是指產(chǎn)生控制信號（即微命令）的部件，是用組合邏輯線路來實現(xiàn)。在模型機中有幾十個微命令，則每個微命令都需要一組邏輯門電路，根據(jù)相應(yīng)的邏輯條件（如指令的操作碼、尋址方式、時序信號等）產(chǎn)生該微命令。

本節(jié)先介紹模型機的指令系統(tǒng)，然后假設(shè)模型機采用的是組合邏輯控制器，討論其時序系統(tǒng)、指令執(zhí)行流程及微命令的產(chǎn)生與綜合。

組合邏輯控制器一旦制造后，邏輯電路之間的關(guān)系就固定了，不易改動，所以組合邏輯控制器又稱為硬連邏輯控制器。

11第四節(jié)組合邏輯控制器原理 P102683.4.1模型機的指令系統(tǒng)1．指令格式（16位）（1）雙操作數(shù)指令：其格式如下圖所示第12～15位表示操作碼，第6～11位為源操作數(shù)地址段，第0～5位為目的操作數(shù)地址段，在每個地址段字段中又分為兩部分，其中3位表明尋址方式類型，另外3位給出所指定的寄存器編號。

123.4.1模型機的指令系統(tǒng)1．指令格式（16位）（169（1）雙操作數(shù)指令格式可編程寄存器有7個（留有一種編碼未用，留作擴展），地址段編號如下：·通用寄存器R0～R3000～011·堆棧指針SP100·程序狀態(tài)字PSW101·程序計數(shù)器PC11113（1）雙操作數(shù)指令格式可編程寄存器有7個（留有一種編碼未70（2）單操作數(shù)指令

第0～5位為地址字段，第6～11位空閑不用，也可供擴展操作碼用。14（2）單操作數(shù)指令第0～5位為地址字段，第6～171（3）轉(zhuǎn)移指令第12～15位為操作碼，第6～11位給出轉(zhuǎn)移地址字段（也分為尋址方式與寄存器號兩部分）。第0～5位則為轉(zhuǎn)移條件字段。其中，第0～3位中有一位為1，表明轉(zhuǎn)移條件——進位C、溢出V、結(jié)果為零Z、結(jié)果為負(fù)N。第5位表明轉(zhuǎn)移方式，若為0，表示相關(guān)標(biāo)志位為0轉(zhuǎn)移；若為1，表示相關(guān)標(biāo)志位為1轉(zhuǎn)移。若第0～5位全為0，表示無條件轉(zhuǎn)移。15（3）轉(zhuǎn)移指令第12～15位為操作碼，第6～11722．尋址方式模型機的編址為按字編址，字長16位，即主存每個單元16位。采用簡單變字長指令格式，指令長度可為16位、32位（指令中含立即數(shù)或一個操作數(shù)地址）或48位（含2個操作數(shù)地址），操作數(shù)字長16位。模型機尋址方式

如下表：類型尋址方式匯編符號可指定寄存器定義簡述0寄存器尋址

R

R0～R3，SP，PSW

數(shù)在指定寄存器中

1寄存器間址

(R)R0～R3，SP

地址在指定寄存器中

2自減型寄存器間址

-(R)

R0～R3，SP

寄存器內(nèi)容減1后為操作數(shù)地址

3立即/自增型寄存器間址

(R)+

R0～R3，SP，PC

寄存器內(nèi)容為操作數(shù)地址，操作后加1

4直接尋址

DI

PC操作數(shù)地址緊跟著指令

5變址尋址

X(R)

R0～R3，SP，PC

變址寄存器內(nèi)容與緊跟指令的位移量相加，為操作數(shù)地址

P103162．尋址方式模型機的編址為按字編址，字長16位，733．操作類型操作碼共4位，現(xiàn)設(shè)置14種指令，余下兩種操作碼組合可供擴展。（1）傳送指令MOV——傳送，操作碼0000。（2）雙操作數(shù)算術(shù)邏輯指令A(yù)DD——加，操作碼0001（帶進位）。SUB——減，操作碼0010（帶進位）。AND——邏輯與，操作碼0011。OR——邏輯或，操作碼0100。EOR——邏輯異或，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，操作碼0111。INC——加1，操作碼1000。DEC——減1，操作碼1001。SL——左移，操作碼1010。SR——右移，操作碼1011。173．操作類型操作碼共4位，現(xiàn)設(shè)置14種指令，余下兩種操74（4）程序控制類指令①轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100（結(jié)合標(biāo)志位）。

IR5

IR3

IR2

IR1

IR0

說明

0

0

0

0

1

進位C=0轉(zhuǎn)

1

0

0

0

1

進位C=1轉(zhuǎn)

0

0

0

1

0

溢出V=0轉(zhuǎn)

1

0

0

1

0

溢出V=1轉(zhuǎn)

0

0

1

0

0

結(jié)果為零Z=1轉(zhuǎn)

1

0

1

0

0

結(jié)果不為零Z=0轉(zhuǎn)

0

1

0

0

0

結(jié)果為負(fù)N=1轉(zhuǎn)

1

1

0

0

0

結(jié)果為正N=0轉(zhuǎn)

0

0

0

0

0

無條件轉(zhuǎn)移

如上表所示，JMP指令第3～0位選擇一位為1，表明以PSW中的某一特征作為轉(zhuǎn)移條件。因此，JMP指令第3～0位的含義與PSW第3～0位含義分別相對應(yīng)。例如PSW第0位是進位位C，而轉(zhuǎn)移指令第0位若為1，則表明以進位狀態(tài)為轉(zhuǎn)移條件。JMP指令第5位（IR5）決定轉(zhuǎn)移條件為0轉(zhuǎn)，還是為1轉(zhuǎn)。若JMP指令第5～0位全為0，則表示無條件轉(zhuǎn)移。18（4）程序控制類指令①轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100（75②返回指令RST，操作碼1100。

RST指令與JMP指令的操作碼相同，可視為一條指令。RST指令只能采用自增型寄存器間址表明轉(zhuǎn)移地址，并指定寄存器為SP，即尋址方式為（SP）+。它從堆棧中取出返回地址，然后修改堆棧指針SP+1。實際上，“JMP（SP）+”指令就是一條RST指令。③轉(zhuǎn)子指令JSR，操作碼1101。執(zhí)行JSR指令時，先將返回地址壓棧保存，然后按尋址方式找到轉(zhuǎn)移地址（即子程序入口地址），將它送入PC中。19②返回指令RST，操作碼1100。RST指令與763.4.2模型機的時序系統(tǒng) P106組合邏輯控制器依靠不同的時間標(biāo)志，使CPU分步工作。模型機采用前述的三級時序系統(tǒng)，即將時序信號分為工作周期、節(jié)拍（時鐘周期）和工作脈沖。1．工作周期劃分（1）取指周期FT

在取指周期FT中完成取指所需的操作

（2）源周期ST

如果需要從主存中讀取源操作數(shù)，則進入ST。

（3）目的周期DT如果需要從主存中讀取目的地址或目的操作，則進入DT。（4）執(zhí)行周期ET

在取得操作數(shù)后，則進入ET，在ET中將依據(jù)IR中操作碼執(zhí)行相應(yīng)操作，如傳送、算術(shù)運算、邏輯運算、獲得轉(zhuǎn)移地址等

（5）中斷響應(yīng)周期IT

（6）DMA傳送周期DMAT

203.4.2模型機的時序系統(tǒng) P106組合77中斷響應(yīng)周期IT

DMA傳送周期DMAT

中斷方式：由于某些異常情況或特殊請求，引起CPU暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理子程序，以處理這些情況或請求，等處理完后又返回原程序斷點繼續(xù)執(zhí)行，這一過程就稱為中斷。

CPU在響應(yīng)中斷請求之后，進入中斷響應(yīng)周期IT。在IT中將直接依靠硬件進行關(guān)中斷、保存斷點、轉(zhuǎn)處理程序入口等操作。IT結(jié)束后，進入取指周期FT，開始執(zhí)行中斷處理程序。

DMA（DirectMemoryAccess）即直接訪存方式：其基本思想是在主存儲器和I/O設(shè)備之間建立直接的數(shù)據(jù)傳送通路，由專門的DMA控制器控制主存和I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，在傳送時不需CPU干預(yù)。由于傳送過程完全由硬件實現(xiàn)，所花費的時間短，因此能滿足高速數(shù)據(jù)傳送的需要。CPU響應(yīng)DMA請求之后，進入DMAT。在DMAT中，CPU交出系統(tǒng)總線的控制權(quán)，即MAR、MDR與系統(tǒng)總線脫鉤（呈高阻態(tài)）。改由DMA控制器控制系統(tǒng)總線，實現(xiàn)主存與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)直接傳送，因此對CPU來說，DMAT是一個空操作周期。21中斷響應(yīng)周期ITDMA傳送周期DMAT78FTSTDTITETDMATDMA請求？中斷？YYNNCPU控制流程例.雙操作數(shù)指令的兩個操作數(shù)均在主存中,工作周期變化為:FT→ST→DT→ET→（FT……）例.單操作數(shù)指令的操作數(shù)在主存中,工作周期變化為:

FT→DT→ET→（FT……）例.雙操作數(shù)指令的操作數(shù)均在CPU寄存器中,工作周期變化為:

FT→ET→（FT……）左圖描述了指令執(zhí)行時工作周期狀態(tài)變化流程。

P10722FTSTDTITETDMATDMA請求？中斷？YYNNC792．節(jié)拍（時鐘周期）T

每個工作周期的操作一般需要分成若干步完成，為此將工作周期劃分成若干節(jié)拍。在模型機中，為了簡化時序控制，將CPU內(nèi)部操作與訪問主存的操作統(tǒng)一考慮。節(jié)拍寬度為最長微操作所需的時間，即訪問主存操作所需的時間。

3．工作脈沖P在節(jié)拍中執(zhí)行的有些操作需要同步定時脈沖，如將穩(wěn)定的運算結(jié)果打入寄存器、周期狀態(tài)切換等。為此，模型機在每個節(jié)拍的末尾發(fā)一個工作脈沖P，作為各種同步脈沖的來源，如左圖。工作脈沖P的前沿：作為打入寄存器的定時信號，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)通路操作的完成。P的后沿：作為節(jié)拍、工作周期切換的定時信號，在此刻對節(jié)拍計數(shù)器T計數(shù)、打入新的工作周期狀態(tài)。232．節(jié)拍（時鐘周期）T每個工作周期的操803.4.3指令流程 P108分析指令流程是為了在寄存器這一層次分析指令的讀取與執(zhí)行過程，也就是討論CPU的工作機制。1．取指周期FT（1）進入FT的條件初始化時置入FT，程序正常運行時同步打入FT。FTSRDCQQ總清11FTCPFT取指周期狀態(tài)觸發(fā)器

產(chǎn)生控制信號1→FT的邏輯條件如下：

1→FT=ET（1→IT·1→DMAT）+IT+DMAT（1→IT·1→DMAT）243.4.3指令流程 P108分析指令81（2）取指流程PC→MARM→MDR→IRPC+1→PCFT0FT1（3）微操作時間表FT工作周期狀態(tài)與節(jié)拍序號本拍中應(yīng)發(fā)的電平型微命令本拍中應(yīng)發(fā)的脈沖型微命令FT0PCOUTT+1PCPMARCPT(-P)FT1EMAR、RD、SMDRMDROUTPC+1T=01→ST[邏輯式1]1→DT[邏輯式2]1→ET[邏輯式3]PCPIRCPPCCPT(-P)CPST(-P)CPDT(-P)CPET(-P)

P10925（2）取指流程PC→MARM→MDR→IRFT0FT1（822．MOV指令1)取指令周期和取源操作數(shù)周期流程圖FTST0ST1ST2ST3ST4R(R)-(R)I/(R)+DIX(R)P111262．MOV指令1)取指令周期和取源操作數(shù)周期流程圖FTS832)取目的地址和執(zhí)行周期流程圖DT0DT1DT2DT3ET0ET1R(R)-(R)I/(R)+DIX(R)272)取目的地址和執(zhí)行周期流程圖DT0DT1DT2DT3E843．雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令共有5條：加ADD、減SUB、與AND、或OR、異或EOR，其指令流程圖：STFTDT0DT1DT2DT3DT4ET0ET1ET2與MOV相同P113283．雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令共有5條：加ADD、減854．單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令共有6條：求反COM、求補NEG、加“1”INC、減“1”DEC、左移SL、右移SR，其指令流程圖如圖：FTSTDTET0ET1ET2與雙操作數(shù)指令相同P113294．單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令共有6條：求反CO865．轉(zhuǎn)移指令JMP/返回指令RSTNJPJP,RSTPCPC

R(R)(R)+/RSTX(PC)FTET1ET2ET3ET4P114305．轉(zhuǎn)移指令JMP/返回指令RSTNJPJP,RSTPC876．轉(zhuǎn)子指令JSRST0FTET0ET1ET2ST1ST2ST3ET4流程圖如下：ET3P115316．轉(zhuǎn)子指令JSRST0FTET0ET1ET2ST1ST888．DMA周期在實際機器中，CPU可在一個系統(tǒng)總線周期結(jié)束時響應(yīng)DMA請求。9．鍵盤操作3.4.4微命令的綜合與產(chǎn)生微命令的邏輯表達式都是“與-或”式的邏輯形態(tài)，各邏輯條件包括：指令操作碼譯碼信號、尋址字段譯碼信號、工作周期狀態(tài)、節(jié)拍、工作脈沖等。例如：PCOUT=FT·T0+MOV··ST·T0+…CPMAR=FT·T0·P+MOV··ST·T0·P+…T+1=FT·T0+MOV·ST·T0·+…CPT=328．DMA周期在實際機器中，CPU可在一個系統(tǒng)總89第五節(jié)微程序控制器原理 P116有些CPU采用微程序控制方式來產(chǎn)生微命令，相應(yīng)的控制器稱為微程序控制器。

1．微程序控制方式的基本思想（1）將機器指令分解為基本的微命令序列，用二進制代碼表示這些微命令，并編成微指令，多條微指令再形成微程序。（2）一條微指令包含的微命令，控制實現(xiàn)一步（一個節(jié)拍）操作；若干條微指令組成的一小段微程序解釋執(zhí)行一條機器指令。

控制存儲器（CM）中的微程序能解釋執(zhí)行整個指令系統(tǒng)的所有機器指令。CM是微程序控制器的核心。33第五節(jié)微程序控制器原理 P116有些CPU90指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

控制存儲器CM功能：存放微程序。CM屬于CPU，不屬于主存儲器。微指令寄存器μIR功能：存放現(xiàn)行微指令。微操作控制字段：提供一步操作所需的微命令。 指明后續(xù)微地址的形成方式。順序控制字段：

提供微地址的給定部分P11734指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序91指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

2．微程序執(zhí)行過程的描述（1）取指指令對應(yīng)的微程序CM取指微指令μIR微命令字段譯碼器微命令機器指令I(lǐng)R主存35指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序92指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

（2）轉(zhuǎn)微程序入口（3）執(zhí)行首條微指令I(lǐng)R操作碼微地址形成電路入口μARCMμIR微命令字段μIR譯碼器微命令操作部件36指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序93指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

（4）取后續(xù)微指令微地址字段現(xiàn)行微地址運行狀態(tài)微地址形成電路后續(xù)微地址μARCM后續(xù)微指令μIR37指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序94（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）（6）返回微程序執(zhí)行完，返回CM(存放取指微指令的固定單元)。指令代碼運行狀態(tài)控制存貯器CM微命令存儲器μIR微命令序列微程序控制器原理框圖：

38（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）（6）返回微程序執(zhí)行完，返回953．基本概念和術(shù)語（1）微命令與微操作微命令微操作——構(gòu)成控制信號序列的最小單位。

——由微命令控制實現(xiàn)的最基本操作。

注意，在組合邏輯控制器中也存在微命令、微操作這兩個概念，它們并非只是微程序控制方式的專用概念。（2）微指令與微周期微指令微周期——若干微命令的組合，以編碼形式存放在控制存儲器的一個單元中，控制實現(xiàn)一步操作。——通常指從控制存儲器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時間。P118393．基本概念和術(shù)語（1）微命令與微操作微命令微操作—96（3）微程序與微程序設(shè)計微程序

微程序設(shè)計——一系列微指令的有序集合。

——是將傳統(tǒng)的程序設(shè)計方法運用到控制邏輯的設(shè)計中，在微程序中也可以有微子程序、循環(huán)、分支等形態(tài)。（4）工作程序與微程序、主存儲器與控制存儲器3.5.2微指令編碼方式微指令編碼的實質(zhì)是解決在微指令中如何組織微命令的問題。一條偽指令分為兩大部分：微操作控制字段和順序控制字段

P11840（3）微程序與微程序設(shè)計微程序微程序設(shè)計——一系列微971．直接控制編碼（不譯碼法）例.某微指令微命令按位給出。不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；信息的表示效率低。

C0RW111C0=0進位初值為01進位初值為1R=0不讀1讀微操作控制字段編碼方法411．直接控制編碼（不譯碼法）例.某微指令微命令按位給出98例.某微指令微命令按小段給出。

P1P0100P1P0=00ADD01ADC10SUB11SBB2．分段直接編譯法功能小段42例.某微指令微命令按小段給出。99操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段;B輸入端的控制命令放BI字段。

加法器

A

BR、CD、ER、CD、F000不發(fā)命令010CA100EA001RA011DACDAIBI33010CA000不發(fā)命令010CB100FB001RB011DB011DBAI：BI：一條微指令能同時提供若干微命令，便于組織各種操作。編碼較簡單；43操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段;1003．分段間接編譯法例.微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。C=

CA1)設(shè)置解釋位或解釋字段解釋位1

A為某類命令0

A為常數(shù)2)分類編譯按功能類型將微指令分類，分別安排各類微指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。443．分段間接編譯法例.微命令由本字段編碼和其他字段解釋1014．常數(shù)源字段E的設(shè)置微操作控制字段E順序控制字段

在微指令中，一般設(shè)有一個常數(shù)