计算机组成原理第05章 中央处理器(2硬布线控制器与PLA控制器)

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REG间接寻址
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(3)加法指令(ADD)执行过程
─需求细化
*取指令阶段：取指令＋分析指令，(PC)=12H 上条指令结果
取指令操作步骤— 同取数指令(①～④,仅PC值不同)
分析指令的结果— ADD指令，R0←(R0)+(R3)
主存
②＋“1”
10H 00100100
R0 17H ⑥
R1 73H
15H 10000000
16H 00010000
17H 01110011
*执行指令阶段：实现当前指令功能 ，设(R0)=17H
操作步骤— R0-⑥→MAR-⑦→MEM读-⑧→MDR-⑨→R1
REG间接寻址
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(2)存数指令(ST)执行过程
─需求细化
*取指令阶段：取指令＋分析指令，(PC)=11H 上条指令结果
*CPU功能与组成部件： 指令控制— PC、IR、ID 操作控制 时间控制 —时序系统、控制信号形成电路 数据加工— ALU及状态REG、REG组 中断处理— 中断机构
*CPU基本结构：运算器，CU、BIU、中断机构，数据通路
CPU …
…
REG0
REG(n-1)
内 部
数
ALU
据
通
状态REG
路
MAR MDR
需求细化—有序的操作串-→CPU基本操作序列-→原子操作序列
需求实现—CU实现原子操作及序列
*CPU基本操作：
部件复用→降低成本
定义—CPU内部的实现基本功能的操作 分步骤保存
要求—提供及接收操作数据的须为时序部件或MEM
*CPU基本操作的类型： REG间传送— R源→R目标 存 储 器 读 — MAR→MEM(读)→MDR 存 储 器 写 — MAR及MDR→MEM(写) 算 逻 运 算 — R源1及R源2→ALU(运算)→R结果

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主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第五章 中央处理器
5）地址寄存器(AR，Address Register) 地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地 址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别， 所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的 读／写操作完成为止。当CPU和内存进行信息交换，即 CPU向主存储器存／取数据时，或者CPU从主存中读出 指令时，都要使用地址寄存器和缓冲寄存器。同样若将 外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待， 则当CPU和外围设备交换信息时可同样使用地址寄存器 和缓冲寄存器。地址寄存器的结构和缓冲寄存器、指令 寄存器一样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入 一般采用电位—脉冲式，电位输入端对应数据信息位， 脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地 将信息打入寄存器。
1）程序计数器(PC，Program Counter) 程序计数器(PC)就是能够具体指出下一条指令的地址的部件，又称作 指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条 指令所在的内存单元地址(程序入口)送入PC，此时PC的内容即是从内存 提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容， 以便使其保持总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按 顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单地对PC加1。但是，当遇到 转移指令时，后继指令的地址(即PC的内容)必须从指令寄存器中的地址字 段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定。
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主编 薛胜军教授
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第五章 中央处理器
4)状态标志寄存器 状态标志寄存器用来保存由算术指令和逻辑指令运行 或测试的结果而建立的各种条件码内容，如运算结果进位 标志(C)，运算结果溢出标志(V)，运算结果为零标志(Z)， 运算结果为负标志(N)，等等。这些标志位通常分别由1位 触发器保存。除此之外，状态标志寄存器还用来保存中断 和系统工作状态等信息，以便CPU和系统能及时了解机 器运行状态和程序运行状态。 运算器的主要作用是：

节拍 电位
若干个 节拍脉 冲
图5.29 硬布线控制器的指令周期流程图
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5.5 硬布线控制器
（3）微操作控制信号的产生
• 在硬布线控制器中，某一微操作控制信号由布 尔代数表达式描述的输出函数产生。
• 设计微操作控制信号的方法和过程是，根据所 有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作 信号的所有条件，并与适当的节拍电位和节拍 脉冲组合，从而写出其布尔代数表达式并进行 简化，然后用门电路或可编程器件来实现。
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9
5.5 硬布线控制器
（4）设计步骤
• ①画出指令流程图 • ②列出微操作时间表
将指令流程图中的微操作合理地安排到各个机器周 期的相应节拍和脉冲中去；
微操作时间表形象地表明：什么时间、根据什么条 件发出哪些微操作信号。
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5.5 硬布线控制器
③进行微操作信号的综合
当列出所有指令的微操作时间表之后，需 要对它们进行综合分析，把凡是要执行某一微 操作的所有条件(哪条指令、哪个机器周期、哪 个节拍和脉冲等)都考虑在内，加以分类组合， 列出各微操作产生的逻辑表达式，然后加以简 化，使逻辑表达式更为合理。
• 组合逻辑控制器除了节拍脉冲信号外，还需要 节拍电位信号。
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5.5 硬布线控制器
工作原理
• 当机器加电工作时，某一操作控制信号C在某 条特定指令和状态条件下，在某一时序信号的 特定节拍电位和节拍脉冲时间间隔中起作用， 从而激活这条控制信号线，对执行部件实施控 制。
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5.5 硬布线控制器
P167 图5.29
硬布线控制器
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整体概述
概况一
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几种典型指令周期分析（ STA）
STA 40 指令的功能：把累加器内容送存储单元（40） 。这 是一条访内存存数指令。 取指令 执行指令： 将操作数的地址送往地址寄存器； 累加器的内容送到数据缓冲寄存器DR； 把地址寄存器的内容（40）送到地址总线； 把数据缓冲寄存器的内容送到数据总线； 数据总线上的数写入选中的存储单元（40）。 具体过程描述如图 小结：它由三个CPU周期组成。
两部分。
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四、 微程序设计举例
设计思想：
一条机器指令是由若干条微指令组成的序列实现的。一 条机器指令对应一个微程序，而微程序的总和可实现整
个指令系统。
微指令又是“一个CPU周期中一组实现一定操作功能的 微命令的组合”。 分析指令系统的每条指令的微命令及如何组合为微指令 是很重要的。
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举例：设计“十进制
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STA指令的指令周期
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几种典型指令周期分析（ NOP和JMP）
NOP：空操作指令。在第二CPU周期中不发出任何 ห้องสมุดไป่ตู้制信号。
JMP指令是一个程序控制指令，在执行周期中只是
改变了PC的内容。
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几种典型指令周期分析
小结：
指令周期分取指令周期、执行指令周期两大部分；
执行指令时间的长短不同，可能包括一～三个CPU周期；
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8086内部结构图
通用 寄存 器 AH BH CH DH AL BL CL DL SP BP SI DI
16位
地址 加法 器
∑
20位
CS DS SS ES IP 内部暂存器
16位
输入/输出 控制电路 外 部 总 线