【正文】 中，指令周期流程圖包括取指令階段和執(zhí)行指令階段兩部分 (為簡(jiǎn)單起見 ，省去了“ → ” 號(hào)左邊各寄存器代碼上應(yīng)加的括號(hào) )。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)通路圖，“ ADD R2， R0”指令的詳細(xì)指令周期流程圖如圖 (a)所示。 PCAR MDR DRIR R2Y R0X R0+R2R0 取指 PCO， G， ARi R/W=R DRO， G， IRi +， G， R0i R0O， G， Xi R2O， G， Yi PCAR MDR DRIR R3Y R1X R3 R1R3 取指 PCO， G， ARi R/W=R DRO， G， IRi ， G， R3i R1O， G， Xi R3O， G， Yi 圖的右邊部分標(biāo)注了每一個(gè)機(jī)器周期中用到的微操作控制信號(hào)序列。 (2)“SUB R1， R3”指令是一條減法指令，其指令周期流程圖如圖（ b)所示。與 ADD指令不同的是：在執(zhí)行指令階段，微操作控 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 時(shí)序信號(hào)的作用和體制 時(shí)序信號(hào) CPU中一個(gè)類似“ 作息時(shí)間 ”的東西，使計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確、迅速、有條不紊地工作。機(jī)器一旦被啟動(dòng)，即 CPU開始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器就利用定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器的動(dòng)作，規(guī)定在這個(gè)脈沖到來時(shí)做什么，在那個(gè)脈沖到來時(shí)又做什么， 給計(jì)算機(jī) 各部分提供工作所需的時(shí)間標(biāo)志 。為此，需要采用 多級(jí)時(shí)序 [思考 ] 用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那 么 CPU是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢 ? 從 時(shí)間 上來說，取指令事件發(fā)生在指令周期的第一個(gè) CPU周期中，即發(fā)生在“ 取指令 ”階段，而取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在指令周期的后 面幾個(gè) CPU周期中，即發(fā)生在“ 執(zhí)行指令 ”階段。 從 空間 上來說，如果取出的代碼是指令，那么一定送往指令寄存器 (IR)，如果取 出的代碼是數(shù)據(jù)，那么一定送往運(yùn)算器 (DR)。由 總之，計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用 時(shí)序信號(hào) 來體現(xiàn)的。 硬布線控制器 中，時(shí)序信號(hào)往往采用 主狀態(tài)周期 節(jié)拍電位 節(jié)拍脈沖 三級(jí)體制 。一個(gè)節(jié)拍電位表示一個(gè) CPU周期的時(shí)間，它包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖，一個(gè)主狀態(tài)周期又可包含若干個(gè)節(jié)拍電位。 在 微程序控制器 中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用 節(jié)拍電位 節(jié)拍脈沖 二級(jí)體制 。同樣，一個(gè)節(jié)拍電位表示一個(gè) CPU周期的時(shí)間，它包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖 (時(shí)鐘周期 )，節(jié)拍脈沖把一個(gè) CPU周期分成幾個(gè)較小的時(shí)間隔，這時(shí)間間隔可是相等，也可以不相等。 作用： 是產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過譯碼電路來產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖。 組成： 循環(huán)移位寄存器或計(jì)數(shù)器 結(jié)構(gòu)隨機(jī)型的不同異，微程序控制器中使用的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器最簡(jiǎn)單，其組成包括： 時(shí)鐘源、 環(huán)形脈沖發(fā)生器、 節(jié)拍脈沖和 讀寫時(shí)序譯碼邏輯 啟?？刂七壿? 作用： 產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)，供環(huán)形脈沖發(fā)生器。 組成： 石英 晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路。 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器 3. 節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序的譯碼 T1o=C1C2 T2o=C2C3 T3o=C3 T4o=C1 一個(gè) CPU周期產(chǎn)生四個(gè)等間隔節(jié)拍脈沖 讀寫時(shí)序的譯碼邏輯表達(dá)式： RDo=C2RD’ WEo=C3WE’ 4. 起?？刂七壿? 一旦接通電源，就會(huì)產(chǎn)生原始的節(jié)拍電位信號(hào) T1o~ T4o，然而只有在啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行的情況下，才允許時(shí)序產(chǎn)生器發(fā)出 CPU工作所需的節(jié)拍脈沖，為此需要由啟?？刂七壿媮砜刂?T1o~ T4o的發(fā)送。 T1o T2o T4o T3o T1 T2 T4 T3 RD WE RDo WEo Q Q D ^ Cr R T4o 啟動(dòng) 停機(jī) CLR 啟停控制邏輯的核心是一個(gè)運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器 Cr,當(dāng)運(yùn)行觸發(fā)器 Cr為“ 1”時(shí)，送出時(shí)序，為“ 0”時(shí)，阻斷時(shí)序。 注意： 由于啟停是隨機(jī)的，所以必須確保時(shí)序從 T1開始，到 T4才結(jié)束。故在 Cr輸入端引入一個(gè) RS觸發(fā)器，用 T4作 Cr的時(shí)鐘控制端。 低電平觸 發(fā) 控制方式 即控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法。常用的有 同步控制、異步控制、聯(lián)合控制 三種方式，其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí) 在任何情況下，已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。根據(jù)不同情況，同步控制方式可選取如下方案： (1)采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。 (2)采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。 (3)中央控制與局部控制結(jié)合。 控制方式 其特點(diǎn)是：每條指令、每個(gè)操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。這意味著每條指令的指令周期可由多少不等的機(jī)器周期數(shù)組成；也可以是當(dāng)控制器發(fā)出某一操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)“回答”信號(hào)，再開始新的操作。顯然，用這種方式形成的操作控制序列沒有固定的 CPU周期數(shù) (節(jié)拍電位 )或嚴(yán)格的時(shí)鐘周期 (節(jié)拍脈沖 ) 此為同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。 情況（ 1） 大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，對(duì)某些時(shí)間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束； 情況（ 2） 機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定，但是各條指令周期的機(jī)器周期數(shù)不固定。 微程序控制器 微程序控制器的優(yōu)點(diǎn)： 具有規(guī)整性，靈活性，可維護(hù)性 。 微程序控制器的基本思想： 仿照通常的解題程序方法，把操作控制信號(hào)編成所謂的“微指令”存放在只讀存儲(chǔ)器里，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，逐條地讀出這些“微指令”，從而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種微操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)定的操作。 微命令和微操作 計(jì)算機(jī) 控制部件 —控制器 —通過控制線發(fā)出控制命令 執(zhí)行部件 運(yùn)算器 存儲(chǔ)器 外設(shè) 執(zhí)行控制命令并通過反饋線反饋狀態(tài)信息 控制部件 執(zhí)行部件 控制線 反饋線 微命令 控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令。 微操作 執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。 狀態(tài)測(cè)試 執(zhí)行部件通過反饋線向控制部件反映操作情況，以便使控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的狀態(tài)下達(dá)新的命令。 微操作類型 — 相容性 在同時(shí)或同一 CPU周期內(nèi)可并行執(zhí)行的操作 相斥性 不能在在同時(shí)或同一 CPU周期內(nèi)可并行執(zhí)行的操作 控制部件與執(zhí)行部件通過 控制線 和 反饋信息 進(jìn)行聯(lián)系。 相斥 相斥 簡(jiǎn)單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)通路 3相容 4 、 6 、 8與 9也是相容的 微指令 在機(jī)器的一個(gè) CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命 令的組合。 微程序 實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令功能的許多條微指令組成的序列。 控制部件與執(zhí)行部件通過 控制線 和 反饋信息 進(jìn)行聯(lián)系。 微指令的構(gòu)成： 操作控制字段 + 順序控制字段 ’ ’ ’ 微指令和微程序 由 控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器 和 地址轉(zhuǎn)移邏輯 三大部分組成。 微程序控制器原理框圖 CS 作用 ：用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序 操作 ：只讀 要求 ：是速度快，讀出周期要短。 μIR 作用 ：用來存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息。 組成 ：微命令寄存器 +微地址寄存器 μAR 作用：當(dāng)需要轉(zhuǎn)移時(shí)，根據(jù)機(jī)器指令的操作碼字段 OP和狀態(tài)條件及 P字段實(shí)現(xiàn)對(duì) μAR的修改。 微指令由控制存儲(chǔ)器讀出后直接給出下一條微指令的地址，即微地址 ，這個(gè)微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出現(xiàn)分支，那么下一條微指令的地址就直接由微地址寄存器給出。 一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，而微程序的總和便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)指令系統(tǒng)。 以“十進(jìn)制”指令為例：數(shù)據(jù)通路和微指令流程圖如下： PCARABUS DBUSDRIR PC+1 P1 R1+R2R2 R2+R3R2 P2 R2R3R2 RD 0000 0000 1010 1001 0000 0001 0000 Cy0 Cy=0 微程序舉例 設(shè)數(shù) a和 b已存放在上圖的 R1和 R2寄存器中，數(shù) 6存放在 R3中，則完成十進(jìn)制加法的微程序流程圖如上圖，算法要求先進(jìn)行 a+b+6 運(yùn)算，然后判斷結(jié)果有無進(jìn)位，當(dāng)進(jìn)位標(biāo)志 Cy=1，則說明結(jié)果是正確的，當(dāng) Cy=0，則說明本不需加 6，所以應(yīng)減去 6，從而得到正確的結(jié)果。 從流程圖可見，“十進(jìn)制加法”指令對(duì)應(yīng)的微程序由四條微指令組成，每一條微指令用一個(gè)方框表示。 微指令格式如下： (1) 第一條微指令是取指周期，有三個(gè)任務(wù)： 從內(nèi)存取指令到 IR，對(duì)應(yīng)的微命令有 對(duì)程序計(jì)數(shù)器 PC加 1 根據(jù) OP進(jìn)行判別測(cè)試，轉(zhuǎn)十進(jìn)制的加法微程序 LDAR RD LDDR LDIR PC+1 所以第一條微指令的二進(jìn)制代碼是 000 000 000 000 11111 10 0000 設(shè)十進(jìn)制加法的 OP為 1010，在 P1有效時(shí)，修改 μAR的內(nèi)容為 1010，則第二條指令從 1010處開始執(zhí)行。 (2) 第二條微指令的工作是完成 a+b，即 R1+R2R2， 對(duì)應(yīng)的微命令為： 所以第二條微指令的二進(jìn)制編碼是 010 100 100 100 00000 00 1001 因此時(shí) P1P2均為 0，所以下一條微指令的地址由下址字段決定即1001。 (3) 第三條指令的工作是完成加 6修正，即 R2+R3R3，對(duì)應(yīng)的微命 R1X R2Y ＋ LDR2 令為： R2X R3Y ＋ LDR2 所以第三條微指令的二進(jìn)制編碼是 010 001 001 100 00000 01 0000 若 Cy=1，則加 6修正正確，下次執(zhí)行新的一條指令，即微程序又進(jìn)入取指令周期開始取下一條指令。 若 Cy=0，則不應(yīng)該加 6，故由 P2對(duì)下址字段進(jìn)行修改，改為0001，將不該加的 6重新減去，所以要執(zhí)行第四條指令。 (4) 第四條微指令的工作是完成減 6操作，即 R2+R3R2，對(duì)應(yīng)的微命令為： R2X R3Y － LDR2 所以第四條微指令的二制編碼是 010 001 001 001 0000 00 0000 執(zhí)行完第四條指令后，應(yīng)轉(zhuǎn)取指令操作，所以下址字段為 0000，即重新開始取出下一條指令。 四條微指令的編碼如下： 在串行方式的微程序控制器中 : 微指令周期 = 讀出微指令的時(shí)間 + 執(zhí)行該條微指令的時(shí)間 下圖示出了某小型機(jī)中 CPU周期與微指令周期的時(shí)間關(guān)系： 一個(gè) CPU周期為 ，它包含四個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖 T1—T4，每個(gè)脈沖寬度為 200ns。 用 T4作為讀取微指令的時(shí)間，用 T1+T2+T3時(shí)間作為執(zhí)行微指令的時(shí)間。可用 T4上升沿將運(yùn)算結(jié)果打入某個(gè)寄存器。與此同時(shí)可用 T4間隔讀取下條微指令，經(jīng) 200ns時(shí)間延遲，下條微指令又從只讀存儲(chǔ)器讀出，并用 T1上升沿打入到微指令寄存器。 如忽略觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)延遲，那么下條微指令的微命令信號(hào)就從 T1上升沿起就開始有效，直到下一條微指令讀出后打入微指令寄存器為止。因此一條微指令的時(shí)間恰好是 ，一個(gè) CPU周期的時(shí)間。 CPU周期與微指令周期的關(guān)系 【 問 】 一會(huì)兒取機(jī)器指令，一會(huì)兒取微指令，它們之間到底是什么關(guān)系 ? 【 解 】 ， 這個(gè)微程序是由若干條微指令序列組成的。因此，一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的序列來實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之， 一條機(jī)器指令所完成的 操作劃分成若干條微指令來完成，由微 指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址 的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來看，前者與 內(nèi)存儲(chǔ)器 有關(guān)，后者與 控制存儲(chǔ)器 有關(guān)。與此相關(guān)，也有相對(duì)應(yīng)的硬設(shè)備，請(qǐng)參見 CAI演示。 ，曾講述了指令與機(jī)器周期概念，并歸納了五條典型指令的指令周期 ,并演示了這五條指令的微程序流程圖， 每一個(gè) CPU周期就對(duì)應(yīng)一條微指令。 這就告訴我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)微程序，也將使我們進(jìn)一步體驗(yàn)到機(jī)器指令與微指令的關(guān)系。 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系 【 例 2】 設(shè)某計(jì)算機(jī)運(yùn)算器框圖如圖 (a)所示，其中 ALU為 16位的加法器 (高電平工作 )， SA,SB為 16位暫存器。