【正文】 序。當(dāng)然，我們此處所舉的轉(zhuǎn)移地址 21是隨意的，僅僅用來(lái)說(shuō)明轉(zhuǎn)移指令能夠改變程序的執(zhí)行順序而已。 方框 代表一個(gè) CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。 用方框圖語(yǔ)言表示指令周期 【 例 1】 教材圖 ， IR為指令寄存器， PC為程序計(jì)數(shù)器 (具有自增功能 )， M為主存 (受 R/W信號(hào)控制 )， AR為地址寄存器， DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器， ALU由加、減控制信號(hào)決定完成何種操作，控制信號(hào) G控制的是一個(gè)門電路。 (1)“ADD R2， R0”指令完成(R0)+(R2)→R0 的功能操作，畫出其指令周期流程圖，假設(shè)該指令的地址已放入 PC中。 (2)“SUB R1， R3”指令完成 (R3)(R1)→R3 的操作，畫出其指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。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。 (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。機(jī)器一旦被啟動(dòng)，即 CPU開(kāi)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(lái)時(shí)做什么，在那個(gè)脈沖到來(lái)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 。 從 空間 上來(lái)說(shuō)，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)。 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 。 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 。 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(guò)譯碼電路來(lái)產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖。 組成： 石英 晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路。 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?？刂七壿嫷暮诵氖且粋€(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。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。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。 (2)采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。 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。顯然，用這種方式形成的操作控制序列沒(méi)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。 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 。 微命令和微操作 計(jì)算機(jī) 控制部件 —控制器 —通過(guò)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(guò)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(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令。 狀態(tài)測(cè)試 執(zhí)行部件通過(guò)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。 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。 控制部件與執(zhí)行部件通過(guò) 控制線 和 反饋信息 進(jìn)行聯(lián)系。 微程序控制器原理框圖 CS 作用 ：用來(lái)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。 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。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。 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(wú)進(jìn)位，當(dāng)進(jìn)位標(biāo)志 Cy=1，則說(shuō)明結(jié)果是正確的，當(dāng) Cy=0，則說(shuō)明本不需加 6，所以應(yīng)減去 6，從而得到正確的結(jié)果。 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(kāi)始執(zhí)行。 (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(kāi)始取下一條指令。 (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(kāi)始取出下一條指令。 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。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。因此一條微指令的時(shí)間恰好是 ，一個(gè) CPU周期的時(shí)間。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(lái)實(shí)現(xiàn)的。與此相關(guān)，也有相對(duì)應(yīng)的硬設(shè)備，請(qǐng)參見(jiàn) CAI演示。 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。 4個(gè)通用寄存器由 D觸發(fā)器組成， Q 機(jī)器采用串行微程序控制方式，其微指令周期見(jiàn)圖（ b)。 微指令字長(zhǎng) 12位，微指令格式如下 (未考慮順序控制字段 )： SBALU：傳送 SB的控制信號(hào) ,并使加法器最低位加 1. Reset：清暫存器 SB ~：一段微程序結(jié)束，轉(zhuǎn)入取機(jī)器指令的控制信號(hào) (1)“ ADD R0， R1 ”指令，即 (R0)+(R1)→R1 (2)“ SUB R2， R3 ”指令，即 (R3)(R2)→R3 (3)“ MOV R2， R3 ”指令，即 (R2)→(R3) RA0RA1：讀 R0R3的選擇控制 WA 0WA 1：寫 R0R3的選擇控制 R W LDSA：打入 SA LDSB：打入 SB SBALU：傳送 SB的控制信號(hào) 【 解 】 先畫出三條指令的微指令的微程序流程圖，如下圖所示。每一框表示一條微指令。用二進(jìn)制代碼寫出的三條指令的微程序列于下表中，其中 *表示代碼隨意設(shè)置 (0或 1均可 )。有三種： 操作控制字段中的 每一位代表一個(gè)微命令。 缺點(diǎn) : 把一組相斥性的微命令信號(hào)組成一個(gè)小組 (即一個(gè)字段 ) ，然后通過(guò)小組 (字段）譯碼器對(duì)每一個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼 ，譯碼輸出作為操作控制信號(hào)，其微指令結(jié)構(gòu)如下圖所示。例如 3位二進(jìn)位譯碼后可表示 7個(gè)微命令， 4位二進(jìn)制位譯碼后可表示 15個(gè)微命令。 目前在微程序控制器設(shè)計(jì)中，字段直接譯碼法使用較普遍。該常數(shù)可作為操作數(shù)送入 ALU運(yùn)算，也可作為計(jì)數(shù)器初值用來(lái)控制微程序循環(huán)次數(shù)。通常，產(chǎn)生后繼微地址有兩種方法： 將 μAR改為 μPC。 非順序執(zhí)行時(shí)，通過(guò)將新微地址更新 μPC達(dá)到轉(zhuǎn)去新的目標(biāo) 計(jì)數(shù)器方式的基本特點(diǎn)是 ：微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。 一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移?！盃顟B(tài)條件”有 n位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)微程序 2n路轉(zhuǎn)移，涉及微地址寄存器的 n位 ?，F(xiàn)有三種情況： (1)執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按 IR的 OP字段 (IR3IR0)進(jìn)行 16路分支； (2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時(shí)，按進(jìn)位標(biāo)志 C的狀態(tài)進(jìn)行 2路分支； (3)執(zhí)行控制臺(tái)指令微程序時(shí)，按 IR4， IR5的狀態(tài)進(jìn)行 4路分支。 由于修改 μA5 ~μA0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下： (1)用 P1和 IR3IR0修改 μA3μA0； (2)用 P2和 C修改 μA0； (3)用 P3和 IR5， IR4修改 μA5， μA4。IR5IR4IR3IR2IR1IR0C 下圖僅畫出了 μA μA μA0觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖 。 其一般格式如下： 控 制 字 段 判別測(cè)試字段 下地址字段 按照控制字段的編碼方法不同，水平型微指令又分為三種： 全水平型 (不譯法 )微指令，字段譯碼法水平型微指令，以及直接和譯碼相混合的水平型微指令 。其 結(jié)構(gòu)類似于機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)。 它是采用較長(zhǎng)的微程序結(jié)構(gòu)去換取較短的微指令結(jié)構(gòu)。設(shè)微指令字長(zhǎng)為16位，微操作碼 3位。左、右輸入源編址可指定 31 (3)訪問(wèn)主存微指令 其功能是將主存中一個(gè)單元的信息送入寄存器或者將寄存器的數(shù)據(jù)送往主存。第 1， 2位指定讀操作或?qū)懖僮?(取其之一 ) 其功能是把源寄存器數(shù)據(jù)送目標(biāo)寄存器。 (4)條件轉(zhuǎn)移微指令 其功能是根據(jù)測(cè)試對(duì)象的狀態(tài)決定是轉(zhuǎn)移到 D所指定的微地址單元，還是順序執(zhí)行下一條微指令。 測(cè)試條件字段有 4位，可規(guī)定 16種測(cè)試條件。 (3)由水平型微指令解釋指令的微程序，有微指令字較長(zhǎng)而微程序短的特點(diǎn)。 (4)水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較容易掌握。 對(duì)應(yīng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令只有一組微程序，而且這一組微程序設(shè)計(jì)好之后，一般無(wú)須改變而且也不好改變，這種微程序設(shè)計(jì)技術(shù)稱為靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)。采用動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)時(shí)，微指令和微程序可以根據(jù)需要加以改變，因而可在一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)不同類型的指令系統(tǒng)。 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì) 硬布線控制器是早期設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的一種方法。一旦控制部件構(gòu)成后，除非重新設(shè)計(jì)和物理上對(duì)它重新布線，否則要 想增加新的控制功能是不可能的。 硬聯(lián)線控制器結(jié)構(gòu)如圖： 硬布線控制器 邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)來(lái)源有三個(gè) ： (1)來(lái)自指令操碼譯碼器的輸出 Im； (2)來(lái)自執(zhí)行部件的反饋信息 Bj； (3)來(lái)自時(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信號(hào)，包括節(jié)拍電位信號(hào) M和節(jié)拍脈沖信號(hào) T。 硬布線控制器的基本原理 ： C=f(Im,Mi,Tk,Bj) 規(guī)納起來(lái)可敘述為： 某一微操作控制信號(hào) C是指令譯碼器輸入出 Im、時(shí)序信號(hào)(節(jié)拍電位 Mi、節(jié)拍脈沖 Tk)和狀態(tài)條件信號(hào) Bj的邏輯函數(shù)。 在用硬聯(lián)線實(shí)現(xiàn)的操作控制器中，通常，時(shí)序產(chǎn)生器除了產(chǎn)生節(jié)拍脈沖信號(hào)外，還應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生 節(jié)拍電位 信號(hào)。例如前面提到的五條指令的指令周期，其指令流程可用下圖來(lái)表示 。 由于采用同步工作方式，長(zhǎng)指令和短指令對(duì)節(jié)拍時(shí)間的利用都是一樣的。為了改變這種情況，在設(shè)計(jì)短指令流程時(shí)可以跳過(guò)某些節(jié)拍。 在微程序控制器中，微操作控制信號(hào)由微指令產(chǎn)生，并且可以 在硬聯(lián)線控制器中，某一微操作控制信號(hào)由布爾代數(shù)表達(dá)式描述的輸出函數(shù)產(chǎn)生。要特別注意控制信號(hào)是電位有效還是脈沖有效，如果是脈沖有效，必須加入節(jié)拍脈沖信號(hào)進(jìn)行相“與”。 LDAR = M1T2 LDDR = M1T3 LDIR = M1ADD WE = M3 傳統(tǒng)的 CPU Intel 8088 CPU Intel 8088