组合逻辑设计幻灯片.ppt

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1、组合逻辑设计盛建伦1第1页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦2When there are only a few addressing modes,the particular addressing mode required is usually encoded within the instruction code(e.g.IBM System/390,most RISC).But when there are lots of addressing modes,a specific field is often set aside in the instruction to spe

2、cify the addressing mode.第第6章章 中央处理器中央处理器Chapter 6 Central Processing Unit(4)第2页，共26页，编辑于2022年，星期一6.3.3 微指令格式微指令格式 微指令的格式大体上可分成两类：Horizontal Microinstruction水平型水平型微指令微指令和Vertical Microinstruction垂直型微指令垂直型微指令。水平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在一条微指令中定义并执行多个可并行操作的微命令令，控制尽可能多并行信息传送控制尽可能多并行信息传送。垂直型微指令垂

3、直型微指令是一次只能执行一个微命令的微指令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。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。第3页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦42水平型微指令执

4、行一条指令的时间比垂直型微指令短。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。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。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

5、以及微命令很精通才能进行设计。第4页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦5微程序控制器设计方法小结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。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。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。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。每条机器指令对应一个微程序。Microcode was originally developed a

6、s a simpler method of developing the control logic for a computer.第5页，共26页，编辑于2022年，星期一Instruction Cycle-State Diagram计算指计算指令地址令地址取指令取指令Instructionfetch取操作数取操作数 Operand fetch保存操保存操作数作数 Operand Store Instruction address calculating指令操指令操作译码作译码Instruction operation decoding Data Operation Operand addr

7、ess calculating计算操作计算操作数地址数地址 Operand address calculatingReturn for String or Vector DataInstruction Complete Fetch Next InstructionMultipleOperandsMultipleResults指令周期状态图指令周期状态图第6页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦76.4 硬布线控制的计算机硬布线控制的计算机 “组合逻辑控制组合逻辑控制”又称硬布线控制又称硬布线控制（Hardwired Control）或或“硬硬连逻辑控制连逻辑控制”。组合逻辑控制器的设计方

8、法是：1列出全部微操作列出全部微操作2建立操作时间表建立操作时间表4作组合逻辑框图作组合逻辑框图3求微操作命令的逻辑函数表达式求微操作命令的逻辑函数表达式第7页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦8组合逻辑控制器的设计方法组合逻辑控制器的设计方法1列出全部微操作列出全部微操作 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。（根据给定的给定的CPU数据通路和指令功能）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

9、部指令所需的微操作的操作时间表。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。确定机器的状态周期、节拍与工作脉冲。2建立操作时间表建立操作时间表6.4 硬布线控制的计算机硬布线控制的计算机第8页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦9 安排微操作节拍时需注意：微操作的先后顺序，能在安排微操作节拍时需注意：微操作的先后顺序，能在1个节拍内执行个节拍内执行的微操作应尽可能安排在同一个节拍内。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，每个机器周期包含假设机器采用同步控制，每个机器周期包含3个节拍。个节拍。微操作的节拍安排微操作的节拍安排机器

10、周期节拍T0T1T2M0M1M2第9页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦101取指周期微操作的节拍安排取指周期微操作的节拍安排T0节拍可安排两个微操作。节拍可安排两个微操作。PCMAR，1R微操作的节拍安排T1节拍可安排两个微操作。节拍可安排两个微操作。M(MAR)MDR，(PC)+1 PCT2节拍节拍 MDR IR，指令一取到指令一取到IR就开始进行译码就开始进行译码2间址周期微操作的节拍安排间址周期微操作的节拍安排T0节拍节拍 Ad(IR)MAR，1RT1节拍节拍 M(MAR)MDR T2节拍节拍 MDR MAR第10页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦11（1）非访存指令

11、非访存指令 清除累加器指令清除累加器指令CLAT03 执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1T2 0ACC 累加器取反指令累加器取反指令COMT0T1T2 第11页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦12（1）非访存指令）非访存指令 算术右移算术右移1位指令位指令SHRT0执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1T2 R(ACC)ACC，ACC0ACC0 循环左移循环左移1位指令位指令CSLT0T1T2 L(ACC)ACC，ACC0ACCn 停机指令停机指令STPT0T1T2 0G第12页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦13（2）访存指令访存指令 加法

12、指令加法指令ADD XT0 Ad(IR)MAR，1R执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1 M(MAR)MDR T2 (ACC)+(MDR)ACC 存数指令存数指令STA XT0 Ad(IR)MAR，1WT1 ACC MDRT2 MDR M(MAR)第13页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦14（2）访存指令访存指令 取数指令取数指令LDA XT0 Ad(IR)MAR，1R执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1 M(MAR)MDR T2 MDRACC第14页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦15（3）转移类转移类指令指令 无条件无条件转移转移指令指令

13、JMP XT03 执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排T1T2 Ad(IR)PC 零零转移转移指令指令JZ XT0T1T2 第15页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦16CPU响应中断，执行中断隐指令响应中断，执行中断隐指令把把PC内容压栈，关中断内容压栈，关中断T0 SPMAR，0 中断允许触发器中断允许触发器4 中断周期微操作的节拍安排中断周期微操作的节拍安排T1 PC MDR，1WT2 MDR M(MAR)，向量地址向量地址 PC第16页，共26页，编辑于2022年，星期一操操作作时时间间表表第17页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦184作组合逻辑框图作组合

14、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。框图。组合逻辑控制器的设计方法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。中、合并、化简，求出每一个操作的组合逻辑函数表达式。第18页，共26页，编辑于2022年，星期一“微程序控制微程序控制”与与“硬布线控制硬布线控制”的比较的比较 硬布线控制器与微

15、程序控制器，除了操作控制信号的形成方法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。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

16、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。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。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。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，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

17、一些追机和一些追求高速的求高速的CISC机都采用或部分采用硬布线控制。机都采用或部分采用硬布线控制。第19页，共26页，编辑于2022年，星期一Homework6-11,18,Common logic styles used in CPU design include:Unstructured random logic Finite-state machines Microprogramming(common from 1965 to 1985,no longer common except for x86 RISC-like CPUs)Programmable logic array(com

18、mon in the 1980s,no longer common).CPUs designed for high-performance markets might require custom designs for each of these items to achieve frequency,power-dissipation,and chip-area goals.20第20页，共26页，编辑于2022年，星期一盛建伦21测验 2请写好自己的姓名、学号、班级第21页，共26页，编辑于2022年，星期一测验2一一、（20分分）某某计计算算机机的的指指令令字字长长为为16位位，用用指指

19、令令操操作作码码扩扩展展技技术术设设计计指指令令系系统统，要要求求有有零零地地址址指指令令16条条，一一地地址址指指令令31条条，两两地地址址指指令令14条条及及三三地地址址指令指令15条。每个地址码字段为条。每个地址码字段为4位。位。二二（共共20分分）某某计计算算机机能能完完成成78种种操操作作，指指令令字字长长为为16位位。（1）一一地地址址格格式式的的指指令令地地址址码码可可取取几几位位？（2）要要想想使使指指令令的的寻寻址址范围扩大到范围扩大到216，可采用哪些方法？，可采用哪些方法？三三（共共20分分）某某指指令令系系统统字字长长为为16位位，地地址址码码取取4位位，试试提提出出一

20、一种种方方案案，使使该该指指令令系系统统有有8条条三三地地址址指指令令、16条条二二地地址址指指令令、100条一地址指令。条一地址指令。请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 22第22页，共26页，编辑于2022年，星期一测验2四四（共共20分分）某某机机指指令令字字长长16位位，每每个个操操作作数数的的地地址址码码长长6位位，设设操操作作码码长长度度固固定定，指指令令分分为为零零地地址址、一一地地址址和和二二地地址址三三种种格格式式。（1）若若零零地地址址指指令令有有M条条，一一地地址址指指令令有有N条条，问问二二地地址址指指令令最最多多可可能能有有多多少少条条？（2）若操作码位数可变，

21、则二地址指令最多允许有多少条？若操作码位数可变，则二地址指令最多允许有多少条？三三（共共20分分）某某指指令令系系统统字字长长为为16位位，地地址址码码取取4位位，试试提提出出一一种种方方案案，使使该该指指令令系系统统有有8条条三三地地址址指指令令、16条条二二地地址址指指令令、100条一地址指令。条一地址指令。请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 23第23页，共26页，编辑于2022年，星期一五、（共（共10分）分）判断题判断题（请在正确的句子前写（请在正确的句子前写T，错误的句子前写，错误的句子前写F）请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 （）1哈佛结构的计算机都有输入输出指令。

22、哈佛结构的计算机都有输入输出指令。（）2CPU通过输入通过输入/输出指令在磁盘上读写数据。输出指令在磁盘上读写数据。（）4程序计数器程序计数器PC的位数与指令寄存器的位数相同。的位数与指令寄存器的位数相同。（）5型型计计算算机机的的总总线线由由地地址址总总线线、数数据据总总线线和和控控制制总总线线组组成成，所以是三总线结构。所以是三总线结构。（）3累加器的位数与机器字长相同。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堆栈寻址方式，操作数的位置在堆栈指示器SP中。中。（）6计算机的字长与指令字长不一定相同。计算机的字长与指令字长不一定相同。24第24页，共26页，编

23、辑于2022年，星期一五、（共（共10分）分）判断题判断题（请在正确的句子前写（请在正确的句子前写T，错误的句子前写，错误的句子前写F）请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 （）8一地址指令就是单操作数指令。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。立即寻址方式的指令的地址码就是操作数的地址。（）5微微型型计计算算机机的的总总线线由由地地址址总总线线、数数据据总总线线和和控控制制总总线线组组成成，所所以以是是三总线结构。三总线结构。（）10间接寻址方式的操作数和操作数有效地址都在间接寻址方式的操作数和操作数有效地址都在 内存中。内存中。（）7堆栈寻址方式

24、，操作数的位置在堆栈指示器堆栈寻址方式，操作数的位置在堆栈指示器SP中。中。（）6计算机的字长与指令字长不一定相同。计算机的字长与指令字长不一定相同。25第25页，共26页，编辑于2022年，星期一六、（共（共10分）填空题分）填空题1程程序序是是指指令令的的 。程程序序一一般般是是 执执行行的的，指指令令地地址址也也是是 安排的。安排的。CPU是根据是根据 中的指令地址去取指令的中的指令地址去取指令的。2采用固定长度操作码有利于简化采用固定长度操作码有利于简化 ，减少，减少 。固定长度操作码是指操作码的固定长度操作码是指操作码的 ，且，且 。3采采用用可可变变长长度度操操作作码码将将增增加加 的的难难度度，使使 的的设设计计复复杂化。杂化。请不要抄题，只写题号请不要抄题，只写题号 26第26页，共26页，编辑于2022年，星期一