計算機系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu).ppt

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第2篇計算機系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu),在本篇用3章分三個層次，即微體系結(jié)構(gòu)層、指令系統(tǒng)層和匯編語言層討論計算機系統(tǒng)的組成。微體系結(jié)構(gòu)層是具體的硬件層次，可看作是指令系統(tǒng)的解釋器。指令系統(tǒng)層是一個抽象的層次，其指令系統(tǒng)是一種硬件和編譯器都可識別的機器語言。匯編語言層提供的語言，是將機器語言“符號化”以便于人們理解。用匯編語言編寫的程序先由匯編器翻譯成機器語言程序，再由微體系結(jié)構(gòu)層解釋執(zhí)行。,1.4~系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),★,★,面向問題語言層,匯編語言層,操作系統(tǒng)層,指令系統(tǒng)層,微體系結(jié)構(gòu)層,5層,4層,3層,2層,1層,硬件---機器語言,機器與人的界面,符號化的機器語言,面向用戶的語言,,,硬件/固件(微程序),,,,翻譯(編譯器),翻譯(匯編器),部分解釋(操作系統(tǒng)),直接執(zhí)行/解釋(微程序),,,,,,,第3章微體系結(jié)構(gòu)層—CPU組織,在微體系結(jié)構(gòu)層，是從寄存器級分析CPU的結(jié)構(gòu)和功能。本章主要內(nèi)容：CPU的基本組成和功能算術(shù)邏輯部件ALU和運算方法CPU模型機組合邏輯控制器原理微程序控制器原理,第5章CPU,.學習目的和要求：認識CPU在計算機中的位置；要求掌握CPU與各個部分的協(xié)調(diào)工作原理；.重點：整機構(gòu)成,三級時序,兩類控制器；.難點：運算器,微程序控制和設計。,3.1CPU（CentralProcessUnit）的組成和功能計算機的工作就是不斷執(zhí)行指令序列的過程。CPU的主要功能是從主存儲器中取出指令、分析指令和執(zhí)行指令，即按指令控制計算機各部件操作，并對數(shù)據(jù)進行處理。CPU是計算機的核心組成部分,3.1.CPU的組成和功能,由算術(shù)邏輯部件ALU、控制器、各種寄存器（寄存器群）和CPU內(nèi)部總線（連接部件）另：Cache,3.1.1CPU的組成,,1．ALU部件,ALU的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運算,兩個輸入端口，參加運算的兩個操作數(shù)，通常來自CPU中的通用寄存器或ALU總線。控制信號：ADD,SUB,OR,AND等輸出：運算結(jié)果,CPU中的寄存器包括存放控制信息的寄存器，如指令寄存器(IR)、程序計數(shù)器(PC)和狀態(tài)字寄存器(FR)；以及存放所處理數(shù)據(jù)的寄存器，如通用寄存器和暫存器。,2.寄存器,(1)通用寄存器本身在邏輯上只具有接收信息、存儲信息和發(fā)送信息的功能。可為ALU提供操作數(shù)并存放運算結(jié)果(MUL,DIV)，也可用作變址寄存器(SI,DI)、地址指針和計數(shù)器(CX)等。,(2)暫存器暫存從主存儲器讀出的數(shù)據(jù),暫存器沒有寄存器號，因此不能直接編程訪問它們，是透明的。（ALU的兩個輸入）,用來存放當前正在執(zhí)行的一條指令。執(zhí)行指令時，需根據(jù)PC中的指令地址從主存讀取指令送到IR中。,（3）指令寄存器IR（InstructionRegister）,存放當前或下一條指令在主存中的地址，因此又稱為指令計數(shù)器或指令指針I(yè)P（InstructionPointer）。,（4）程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）,（5）狀態(tài)寄存器存放當前程序的運行狀態(tài)和工作方式，其內(nèi)容稱為程序狀態(tài)字PSW（ProgramStateWord），PSW是參與控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)。(P144),標志位的值,3．總線,所謂總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路，它分時接收各部件送來的信息，并發(fā)送信息到有關(guān)部件。,由于多個部件連接在一組公共總線上，可能會出現(xiàn)多個部件爭用總線，因此需設置總線控制邏輯以解決總線控制權(quán)的有關(guān)問題。,?CPU內(nèi)部總線用來連接CPU內(nèi)的各寄存器與ALU;,總線分類:,?系統(tǒng)總線用來連接CPU、主存儲器與I/O接口，它通常包括三組：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。,按總線傳送的方向可將總線分為單向總線和雙向總線。,4．CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路,CPU內(nèi)部寄存器及ALU之間通常用總線方式傳送數(shù)據(jù)信息。介紹兩種常見的結(jié)構(gòu)。,（1）單總線數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)（雙向）,采用單總線結(jié)構(gòu)的CPU數(shù)據(jù)通路,CPU數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)只采用一組內(nèi)總線，它是雙向總線。通用寄存器組、其他寄存器和ALU均連在這組內(nèi)總線上。,CPU內(nèi)各寄存器間的數(shù)據(jù)傳送必須通過內(nèi)總線進行，ALU通過內(nèi)總線得到操作數(shù)，其運算結(jié)果也經(jīng)內(nèi)總線輸出。,（2）多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)（單向）,采用三總線結(jié)構(gòu)的CPU數(shù)據(jù)通路,為了提高CPU的工作速度，一種方法是在CPU內(nèi)部設置多組內(nèi)總線，使幾個數(shù)據(jù)傳送操作能夠同時進行，即實現(xiàn)部分并行操作。,,,,AC,Y,,Memory,PC,,ALU,Rn,R0,IR,CU,,PSW,DR,,AR,,,clock,,,,IRin,PCin,ADD,SUB,AND,OR,,,,,,R0in,移位器,,,,,,R0out,,R1in,,R1out,,Rnin,,Rnout,,DRin,DRout,,ARin,ARout,,,,,,,,,,,,,,,,,A碼,C碼,,PCout,,,,,,ACin,,Yin,IRout,,,,,,,微命令序列(微指令),時序,CPU內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖,R1,BUS（總線）,紅色箭頭是微命令,,3.1.2指令執(zhí)行過程,CPU的主要功能就是執(zhí)行存放在存儲器中的指令序列，即程序。,1．指令的分段執(zhí)行過程,任何一條指令的執(zhí)行都要經(jīng)過讀取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個階段。,執(zhí)行階段還可細分為:,（1）取指令,（2）分析指令,（3）執(zhí)行指令,①取操作數(shù),②執(zhí)行操作,③形成下一條指令地址,此外，CPU還應該對運行過程中出現(xiàn)的某些異常情況或輸入/輸出請求進行處理。,,模型機數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)圖,2．指令之間的銜接方式,指令之間的銜接方式有兩種：串行的順序安排方式與并行的重疊處理方式。,3.1.3時序控制方式,執(zhí)行一條指令的過程可分為幾個階段，而每一階段又分為若干步基本操作，每一步操作則由控制器產(chǎn)生一些相應的控制信號實現(xiàn)。因此，每條指令都可分解為一個控制信號序列，指令的執(zhí)行過程就是依次執(zhí)行一個確定的控制信號序列的過程。,時序控制方式就是指微操作與時序信號之間采取何種關(guān)系，它不僅直接決定時序信號的產(chǎn)生，也影響到控制器及其他部件的組成，以及指令的執(zhí)行速度。,1．同步控制方式,同步控制方式是指各項操作由統(tǒng)一的時序信號進行同步控制。,同步控制的基本特征是將操作時間分為若干長度相同的時鐘周期（也稱為節(jié)拍），要求在一個或幾個時鐘周期內(nèi)完成各個微操作。在CPU內(nèi)部通常是采用同步控制方式。,同步控制方式的優(yōu)點是時序關(guān)系簡單，結(jié)構(gòu)上易于集中，相應的設計和實現(xiàn)比較方便。,2．同步控制方式的多級時序系統(tǒng),（1）多級時序的概念,在同步控制方式中，通常將時序信號劃分為幾級（其中包括指令周期），稱為多級時序。,①機器周期,②節(jié)拍（時鐘周期）,③時鐘脈沖信號,（2）多級時序信號之間的關(guān)系,三級時序信號之間的關(guān)系,（3）時序系統(tǒng)的組成,時序系統(tǒng)框圖,3.1.4指令流水線,兩段指令流水線,為獲得進一步的加速，流水線可以分成更多的階段。,取指令,計算操作數(shù)地址,譯碼指令,寫操作數(shù),取操作數(shù),執(zhí)行指令,指令流水線操作時序圖,影響流水線性能主要有以下幾個因素：（1）若各個階段不全是相等的時間（2）流水線中的相關(guān)問題（3）當遇到條件轉(zhuǎn)移指令時（4）當I/O設備有中斷請求或機器有故障時,第二節(jié)算術(shù)邏輯部件ALU和運算方法,算術(shù)邏輯部件ALU主要完成對二進制代碼的定點算術(shù)運算和邏輯運算。,3.2.1算術(shù)邏輯部件ALU,算術(shù)邏輯部件ALU的硬件實現(xiàn)涉及三個問題：,（1）如何構(gòu)成一位二進制加法單元，即全加器。（2）n位全加器連同進位信號傳送邏輯，構(gòu)成一個n位并行加法器。（3）以加法器為核心，通過輸入選擇邏輯擴展為具有多種算術(shù)和邏輯運算功能的ALU。,1．全加器,用半加器構(gòu)成的全加器,,,和,進位,目前，廣泛采用半加器構(gòu)成全加器。,通常邏輯門電路都存在延遲時間，全加器電路就是一個延遲部件，正是這個延遲特性將影響全加器的速度。,2．并行加法器與進位鏈結(jié)構(gòu),用n位全加器實現(xiàn)兩個n位操作數(shù)各位同時相加，這種加法器稱為并行加法器。并行加法器中全加器的位數(shù)與操作數(shù)的位數(shù)相同。,（1）基本進位公式,設相加的兩個n位操作數(shù)為:,進位信號的邏輯式,,,,,,可以看出C由兩部分組成：,,,我們定義兩個輔助函數(shù)：,,,進位產(chǎn)生函數(shù),進位傳遞函數(shù),因此有：,,（2）并行加法器的串行進位,采用串行進位的并行加法器，是將n個全加器串接起來，就可進行兩個n位數(shù)相加。,,由于串行進位的延遲時間較長，所以在ALU中很少采用純串行進位的方式。但這種方式可節(jié)省器件，成本低，在分組進位方式中局部采用有時也是可取的。,3．并行進位（先行進位、同時進位）,為了提高并行加法器的運算速度，就必須解決進位傳遞的問題。方法是讓各級進位信號同時形成，而不是串行形成。,,這種同時形成各位進位的方法稱為并行進位或先行進位，又稱為同時進位。,雖然并行進位加法器的運算速度快，但這是以增加硬件邏輯線路為代價的。兩種常用的分組進位結(jié)構(gòu)是：,組內(nèi)并行、組間串行的進位鏈。組內(nèi)并行、組間并行的進位鏈。,4．ALU舉例,SN74181框圖,（1）SN74181外特性,實驗1算術(shù)邏輯運算實驗,兩個SN74181組成8位片內(nèi)并行進位,片間串行進位的運算器,16位并行進位ALU結(jié)構(gòu),P87圖3-13,3.2.2定點數(shù)運算方法,數(shù)值運算的核心是指加、減、乘、除四則算術(shù)。由于計算機中的數(shù)有定點和浮點兩種表示形式，因此相應有定點數(shù)的運算和浮點數(shù)的運算。,1．定點加減運算,（1）原碼加減運算(不用),例如，加法指令指示做（+A）+（-B），由于一個操作數(shù)為負，實際操作是做減法（+A）-（+B），結(jié)果符號與絕對值大的符號相同。同理，在減法指令中指示做（+A）-（-B），實際操作是做加法（+A）+（+B），結(jié)果與被減數(shù)符號相同。,（2）補碼加減運算,①補碼加法運算,[X]+[Y]=[X+Y],,②補碼減法運算,[X–Y]=[X+(-Y)]=[X]+[-Y],③補碼運算規(guī)則根據(jù)以上討論，可將補碼加減規(guī)則歸納如下：?參加運算的操作數(shù)用補碼表示。?符號位參加運算。?若指令操作碼為加，則兩數(shù)直接相加；若操作碼為減，則將減數(shù)連同符號位一起變反加1后再與被減數(shù)相加。?運算結(jié)果用補碼表示。,【例3-3】[X]=00110110，[Y]=11001101，求[X+Y]，[X-Y]。,由[y]補怎么求[-y]補?,（3）溢出判別,在什么情況下可能產(chǎn)生溢出?,例：設定點整數(shù)字長8位，補碼表示（最高位為符號位），表示范圍為-128?127，運算結(jié)果超出此范圍就發(fā)生溢出。,0001111100001101,（1）31+13=44,00101100,,,,（2）-31+（-12）=-43,0111111101000001,（3）63+66=129,10000001,,,,1100000110111110,（4）-63+（-66）=-129,01111111,,,,正溢,負溢,1110000111110100,11010101,,,,①采用一個符號位判斷,溢出=S+AB,,,,,②采用最高有效位的進位判斷,溢出=C+C=CC,,,,,,,,③采用變形補碼判斷(雙符號位),用S、Sn分別表示結(jié)果最高符號位和第2符號位,,,溢出=SS,,,2．移位,移位操作按移位性質(zhì)可分為3種類型：邏輯移位、循環(huán)移位和算術(shù)移位。,移位示意圖,3.定點數(shù)乘除法,（１）軟件實現(xiàn)（２）邏輯電路（３）專用乘除法器,【例3-10】11011011的運算過程如圖所示。,無符號數(shù)乘法,除法不做要求(P92--94),3.2.3浮點數(shù)運算方法,1．浮點數(shù)加減運算,設有兩個浮點數(shù)：X=Mx，Y=My。要實現(xiàn)X+Y的運算，需要以下4個步驟才能完成。,,,①對階操作對階的規(guī)則是：階碼小的數(shù)向階碼大的數(shù)對齊,②實現(xiàn)尾數(shù)的加（減）運算,③結(jié)果規(guī)格化和判溢出,a．左規(guī),b．右規(guī),若運算結(jié)果是非規(guī)格化的數(shù)，例如尾數(shù)是11.1x…x或00.0 x…x形式，就需要將尾數(shù)左移，每左移一位，階碼減1，直至滿足規(guī)格化條件為止（即尾數(shù)最高有效位的真值為1，或尾數(shù)符與最高有效位不等），這個過程稱為左規(guī)。在左規(guī)的同時應判斷結(jié)果是否會下溢，即階碼小于所能表示的最小負數(shù)。,若運算結(jié)果尾數(shù)發(fā)生溢出，例如尾數(shù)為10.xx…x或01.xx…x形式，這并不表明浮點結(jié)果會溢出，此時需調(diào)整階碼，將尾數(shù)右移一位，階碼加1，稱為右規(guī)。右規(guī)時，應判斷結(jié)果是否會上溢，即階碼大于所能表示的最大正數(shù)。,④舍入操作,下面舉一個浮點加的實例?！纠?-12】設有兩個浮點數(shù)X=2?0.1101012，Y=2?(-0.101011)2。,,,階碼尾數(shù)[X]浮=-10；00.110101[Y]浮=-01；11.010101,①對階,階碼取大的，即-01,,的尾數(shù)為00.011011（0舍1入）,②尾數(shù)求和,00.011011+11.01010111.110000,,③規(guī)格化及判溢出,左規(guī)得,[X+Y]浮=1110；11.10000,④舍入由于是左規(guī)，結(jié)果不需要舍入。,最后運算結(jié)果的真值為X+Y=2?（-0.100000）2。,小數(shù)點右移即左規(guī),2．浮點數(shù)乘除運算,（1）浮點數(shù)乘法運算,①階碼相加并判溢出,②尾數(shù)相乘,③規(guī)格化處理,（2）浮點數(shù)除法運算,③求階差,④尾數(shù)相除(都已經(jīng)規(guī)格化),①預置檢測被除數(shù)是否為0，若為0則置商為0。如果除數(shù)為0，則置0除數(shù)標志，轉(zhuǎn)中斷處理。,②尾數(shù)調(diào)整,3.2.4十進制數(shù)加減運算,1．進制轉(zhuǎn)換(十----二----十),2．BCD碼(二-十進制數(shù)),機器內(nèi)部采用二-十進制數(shù)（BCD碼），由BCD碼運算指令完成運算。實現(xiàn)BCD碼運算的方法有兩種：,①專用進行BCD碼加、減、乘、除的運算指令。,②先用二進制數(shù)的加、減、乘、除指令進行運算，緊接著用BCD碼校正指令對運算結(jié)果進行校正。,3．BCD碼校正,0---9不用校正,大于9則+6即+110校正,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,,模型機數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)圖,3.3.1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。,2．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。控制ALU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、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。,4．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總線的控制信號有：R0OUT、R1OUT、PCOUT、SPOUT、MDROUT等。ALU運算控制信號有：ADD、SUB、AND、OR、XOR等。暫存器D的左移/右移控制信號有：SAL、SAR。程序計數(shù)器PC的計數(shù)控制信號有：PC+1。MAR和MDR輸出到系統(tǒng)總線的控制信號有：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,脈沖型微命令有：CPR0、CPR1、CPPC、CPIR、CPSP、CPMAR、CPMDR等。,（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。,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部件分步完成指定的操作。,3.3.2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、CPR3,2．主存數(shù)據(jù)傳送到CPU,主存與CPU之間通過系統(tǒng)總線傳送數(shù)據(jù)。,①PC→MAR；PC中的指令地址送存儲器地址寄存器②M→MDR→IR；從存儲器中讀指令到IR,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)：,3．CPU數(shù)據(jù)傳送到主存,①R1→MAR；地址送MAR②R2→MDR；數(shù)據(jù)送MDR③MDR→M；數(shù)據(jù)寫入主存,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)R1→MAR的控制信號：R1OUT、CPMAR。實現(xiàn)R2→MDR的控制信號為R2OUT、CPMDR。實現(xiàn)寫操作MDR→M的控制信號為EMAR、EMDR、WR,4．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D②D+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,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)R1→D的控制信號：R1OUT、CPD。實現(xiàn)D+R2→MDR的控制信號：R2OUT、ADD、CPZ。實現(xiàn)Z→R3的控制信號：ZOUT、CPR3。,第四節(jié)組合邏輯控制器原理,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。,3.4.1模型機的指令系統(tǒng),1．指令格式,（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。,（1）雙操作數(shù)指令格式,可編程寄存器有7個，編號如下（留有一種編碼110未用，可擴展）：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PC111,（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。,（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N。第5位表明轉(zhuǎn)移方式，若為0，表示相關(guān)標志位為0轉(zhuǎn)移；若為1，表示相關(guān)標志位為1轉(zhuǎn)移。若第0～5位全為0，表示無條件轉(zhuǎn)移。,2．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：,3．操作類型,操作碼共4位，現(xiàn)設置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。不設堆棧操作指令、I/O指令,（2）雙操作數(shù)算術(shù)邏輯指令,ADD——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。,（4）程序控制類指令,①轉(zhuǎn)移指令JMP，操作碼1100。,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。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。,②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。,3.4.2模型機的時序系統(tǒng),組合邏輯控制器依靠不同的時間標志，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）中斷響應周期IT,（6）DMA傳送周期DMAT,（5）中斷響應周期IT,（6）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在響應中斷請求之后，進入中斷響應周期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設備間的數(shù)據(jù)傳送，在傳送時不需CPU干預。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。,FT,ST,DT,IT,ET,DMAT,DMA請求？,中斷？,Y,Y,N,N,CPU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。,2．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,3．工作脈沖,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)。,3.4.3指令流程（重點）,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(Fetch),（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。,1,CPFT,,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→IT1→DMAT）+IT+DMAT（1→IT1→DMAT）,,,,,（2）取指流程,PC→MAR,M→MDR→IRPC+1→PC,FT0,FT1,,,（3）微操作時間表,2．MOV指令,1)取指令周期和取源操作數(shù)周期流程圖,FT,ST0,ST1,ST2,ST3,ST4,R,(R),-(R),I/(R)+,DI,X(R),MOVE指令,2)取目的地址和執(zhí)行周期流程圖,DT0,DT1,DT2,DT3,ET0,ET1,R,(R),-(R),I/(R)+,DI,X(R),3．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：,ST,FT,DT0,DT1,DT2,DT3,DT4,ET0,ET1,ET2,與MOV相同,4．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：,FT,ST(無),DT,ET0,ET1,ET2,與雙操作數(shù)指令相同,5．轉(zhuǎn)移指令JMP/返回指令RST,NJP,JP,RST,PC,PC,R,(R),(R)+/RST,X(PC),FT,ET1,ET2,ET3,ET4,6．轉(zhuǎn)子指令JSR,ST0,FT,ET0,ET1,ET2,ST1,ST2,ST3,ET4,流程圖如下：,8．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“與”項通常包括：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=FTT0+MOV,STT0+…,CPMAR=FTT0P+MOV,STT0P+…,T+1=FTT0+MOVSTT0,+…,CPT=,第五節(jié)微程序控制器原理,有些CPU采用微程序控制方式來產(chǎn)生微命令，相應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。,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。,指令代碼,運行狀態(tài),控制存貯器CM,微命令存儲器IR,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IR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,,指令代碼,運行狀態(tài),控制存貯器CM,微命令存儲器IR,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）取機器指令,CM,取指微指令,,IR,,微命令字段,譯碼器,微命令,,,,機器指令,IR,主存,指令代碼,運行狀態(tài),控制存貯器CM,微命令存儲器IR,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,IR,操作碼,,微地址形成電路,,入口,AR,,CM,,IR,微命令字段,IR,,譯碼器,微命令,,操作部件,指令代碼,運行狀態(tài),控制存貯器CM,微命令存儲器IR,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,AR,,CM,后續(xù)微指令,,IR,（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IR,微命令序列,微程序控制器原理框圖：,3．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)行相應的微操作所需的時間。,（3）微程序與微程序設計,微程序,微程序設計,——一系列微指令的有序集合。,——是將傳統(tǒng)的程序設計方法運用到控制邏輯的設計中，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。,1．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。,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。,C,D,AI：,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；,2．分段直接編譯法,3．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=,1)設置解釋位或解釋字段,,解釋位,,1A為某類命令0A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，并設置區(qū)分標志。,4．常數(shù)源字段E的設置,微操作控制字段E順序控制字段,在微指令中，一般設有一個常數(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合控制、微地址參與解釋微指令譯碼。,3.5.3微程序的順序控制,1．微程序入口地址的形成,每一條機器指令對應著一段微程序，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。,（2）當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）當機器指令的操作碼位數(shù)和位置都不固定時，通?？梢圆捎肞LA電路將每條指令的操作碼翻譯成對應的微程序入口地址，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，其對應的PROM單元內(nèi)容即為該機器指令的微程序入口地址。,2．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。,現(xiàn)行微指令給出寄存器號。,（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。,3.5.4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。,3.5.5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/WFSTJC,,,,,,,,45521225,（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,?FST,MAR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,3.6RISCCISC功能強大,編程容易,程序簡潔易懂,一直在軟件界一統(tǒng)天下，但隨著硬件技術(shù)的發(fā)展CISC的地位動搖了，為什么？因為：CISC指令越來越多，功能越來越復雜。90%以上的指令在程序中只用到有10%,編譯復雜煩瑣，運算耗時，目標程序臃腫，……，人們變得難以承受，于是RISC應運而生。,3.6RISC技術(shù)（P123）RISC的特點：RISC的巨大優(yōu)勢是程序執(zhí)行和編譯時間短，占用內(nèi)存少。主要缺點是對編程人員要求很高。,,超標量多個執(zhí)行部件，一個周期內(nèi)發(fā)出多條指令，多條指令在不同的執(zhí)行部件中并行執(zhí)行操作。,超流水線將流水線的每個節(jié)拍分成3個或4個小節(jié)拍.,典型的RISC:UltraSPARCⅡ指令系統(tǒng),3.6.2UltraSPARCCPU的微體系結(jié)構(gòu),1．UltraSPARCⅡ概況,UltraSPARCⅡ的微體系結(jié)構(gòu)框圖：,2．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。,UltraSPARCⅡ的通用寄存器,