计算机组成原理第十讲组合逻辑控制器

计算机组成原理计算机组成原理第十讲：组合逻辑控制器设计第十讲：组合逻辑控制器设计时序系统时序系统工作周期工作周期取指周期取指周期取指周期取指周期FTFT源周期源周期源周期源周期ST ST 目的周期目的周期目的周期目的周期DT DT 执行周期执行周期执行周期执行周期ET ET 中断周期中断周期中断周期中断周期IT IT DMADMA周期周期周期周期DMATDMAT用于指令正常执行用于指令正常执行用于用于I/OI/O传送控制传送控制设置设置6 6个触发器分别个触发器分别作为各作为各周期状态标志周期状态标志1 1 工作周期开始工作周期开始0 0 工作周期结束工作周期结束时序系统时序系统工作周期工作周期 在整个指令周期中，任何时候必须、且只能在整个指令周期中，任何时候必须、且只能在整个指令周期中，任何时候必须、且只能在整个指令周期中，任何时候必须、且只能有一个工作周期状态标志为有一个工作周期状态标志为有一个工作周期状态标志为有一个工作周期状态标志为“1”“1”取指周期（取指周期（取指周期（取指周期（FTFT）从从从从MM中取出指令并译码中取出指令并译码中取出指令并译码中取出指令并译码修改修改修改修改PCPC取指结束时，按照操作码和寻址方式（取指结束时，按照操作码和寻址方式（取指结束时，按照操作码和寻址方式（取指结束时，按照操作码和寻址方式（R R和非和非和非和非R R寻址）转相应工作周期寻址）转相应工作周期寻址）转相应工作周期寻址）转相应工作周期公操作公操作时序系统时序系统工作周期工作周期源周期源周期源周期源周期STST按寻址方式（非按寻址方式（非按寻址方式（非按寻址方式（非R R寻址）形成源地址寻址）形成源地址寻址）形成源地址寻址）形成源地址从从从从MM取出源操作数，暂存于暂存器取出源操作数，暂存于暂存器取出源操作数，暂存于暂存器取出源操作数，暂存于暂存器C C目的周期目的周期目的周期目的周期DTDT按寻址方式（非按寻址方式（非按寻址方式（非按寻址方式（非R R寻址）形成目的地址寻址）形成目的地址寻址）形成目的地址寻址）形成目的地址或从或从或从或从MM取出目的操作数，暂存于暂存器取出目的操作数，暂存于暂存器取出目的操作数，暂存于暂存器取出目的操作数，暂存于暂存器D D执行周期执行周期执行周期执行周期ETET按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作(传送、运算、取转传送、运算、取转传送、运算、取转传送、运算、取转移地址送入移地址送入移地址送入移地址送入PCPC、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存)时序系统时序系统工作周期工作周期执行周期执行周期执行周期执行周期ETET后续指令地址送入后续指令地址送入后续指令地址送入后续指令地址送入MARMAR中断周期中断周期中断周期中断周期ITITITIT指指指指CPUCPU响应中断请求后，到执行中断服响应中断请求后，到执行中断服响应中断请求后，到执行中断服响应中断请求后，到执行中断服务程序前务程序前务程序前务程序前关中断关中断关中断关中断保存断点和保存断点和保存断点和保存断点和PSWPSW转服务程序入口转服务程序入口转服务程序入口转服务程序入口由软件完成由软件完成时序系统时序系统工作周期工作周期DMADMA周期周期周期周期DMATDMATDMATDMAT指指指指CPUCPU响应响应响应响应DMADMA请求后，到传送请求后，到传送请求后，到传送请求后，到传送完一次数据完一次数据完一次数据完一次数据DMADMA控制器接管总线权，控制直传控制器接管总线权，控制直传控制器接管总线权，控制直传控制器接管总线权，控制直传由硬件完成由硬件完成时序系统时序系统时钟周期（节拍）时钟周期（节拍）时钟周期时间：微秒完成一步操作时钟周期时间：微秒完成一步操作时钟周期时间：微秒完成一步操作时钟周期时间：微秒完成一步操作一次从读出，并经数据通路传送的操作一次从读出，并经数据通路传送的操作一次从读出，并经数据通路传送的操作一次从读出，并经数据通路传送的操作一次数据通路传送操作一次数据通路传送操作一次数据通路传送操作一次数据通路传送操作一次向写入的操作一次向写入的操作一次向写入的操作一次向写入的操作模型机以访存时间作为一步操作时间模型机以访存时间作为一步操作时间模型机以访存时间作为一步操作时间模型机以访存时间作为一步操作时间一个总线周期等于一个时钟周期，可根据一个总线周期等于一个时钟周期，可根据一个总线周期等于一个时钟周期，可根据一个总线周期等于一个时钟周期，可根据需要扩展需要扩展需要扩展需要扩展时序系统时序系统时钟周期（节拍）时钟周期（节拍）时钟周期数时钟周期数时钟周期数时钟周期数一个工作周期中的时钟周期数可变一个工作周期中的时钟周期数可变一个工作周期中的时钟周期数可变一个工作周期中的时钟周期数可变每个工作周期第一拍每个工作周期第一拍T=0T=0，每开始一个新节拍每开始一个新节拍T T计数计数，工作周期结束时工作周期结束时T T清清0 0。用用计数器计数器T T控制节拍数控制节拍数将计数值译码，可产生节拍电位将计数值译码，可产生节拍电位(T(T0 0T T1 1T T2 2)。时序系统时序系统工作脉冲工作脉冲每个时钟结束时设置一个脉冲。每个时钟结束时设置一个脉冲。1ST TP P打入寄存器打入寄存器进行时序转换进行时序转换（周期状态设置（周期状态设置/清除清除时钟时钟T T计数计数/清除）清除）FTFT双双单单转转SRSR ST STDRDR DTDT ET ET DMATDMATDMADMA请求？请求？中断请求？中断请求？ITITSRSRDRDRY YN NY YN N控控制制流流程程（工工作作周周期期转转换换）指令流程图与操作时间表指令流程图与操作时间表拟定指令流程：确定各工作周期中每拍拟定指令流程：确定各工作周期中每拍完成的具体操作（寄存器传送级）完成的具体操作（寄存器传送级）列操作时间表：列出每一步操作所需的列操作时间表：列出每一步操作所需的微命令及产生条件微命令及产生条件取指周期取指周期进入进入进入进入FTFT的方式和条件的方式和条件的方式和条件的方式和条件初始化时置入初始化时置入初始化时置入初始化时置入FTFT程序运行时同步打入程序运行时同步打入程序运行时同步打入程序运行时同步打入FTFT取指周期取指周期FTFTS SR RD DC CQ QQ Q总清总清1 11 FT1 FTCPFT(PCPFT(P)1 FT1 FT=ET(1 DMAT 1 IT)ET(1 DMAT 1 IT)DMAT(1 DMAT 1 IT)DMAT(1 DMAT 1 IT)+IT +IT +取指周期取指周期指令流程指令流程指令流程指令流程FT0FT0：PC+1 PCPC+1 PCM IRM IRPC MAR PC MAR 在在ETET注：注：操作时间表操作时间表操作时间表操作时间表1 ST1 STFT0FT0：电位型微命令电位型微命令脉冲型微命令脉冲型微命令M IRM IREMAR,EMAR,R,R,SIRSIRPC+1PC+1 PC PCPC APC ACPPCCPPC1 DT1 DT1 ET1 ET或或 或或 CPFT(P)CPFT(P)CPST(P)CPST(P)CPDT(P)CPDT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0MCMC0 0DMDM转换转换 工作周期工作周期中，每拍结束时发中，每拍结束时发CPTCPT；工作周期结束时，；工作周期结束时，5 5个时序打入命令都发。个时序打入命令都发。u时序关系时序关系FT0FT0：EMAREMARPC APC AS3S3DMDMS2S2S1S1S0S0M MC0C01 ST1 STCPPCCPPCCPFT(P)CPFT(P)CPST(P)CPST(P)CPDT(P)CPDT(P)CPET(P)CPET(P)T+1T+1FT0FT0：1 FT1 FTCPT(P)CPT(P)Ri=MARRi=MARM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CM=MDR=CRi-1=Ri,MARRi-1=Ri,MARM=IR,PC+1=PCM=IR,PC+1=PCPC+1=PCPC+1=PCM=MDR=DM=MDR=DPC+1=PCPC+1=PCC+Ri=MARC+Ri=MARM=MDR=CM=MDR=CMOVMOV指令指令C=MDRC=MDRPC=MARPC=MARM=MDR=CM=MDR=CD+Rj=MDRD+Rj=MDRI/(R)+I/(R)+Ri=MARRi=MARRi=MARRi=MARPC=MARPC=MARSRSR DRDRPC=MARPC=MARRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiC=MARC=MARRj-1=Rj,MARRj-1=Rj,MARRj=MARRj=MARRj=MARRj=MARRj=MARRj=MARRj+1=RjRj+1=RjRj+1=RjRj+1=RjM=MDR=MARM=MDR=MARMDR=MMDR=MC=RjC=RjRi=MDRRi=MDRMDR=MMDR=MRi=RjRi=RjR R-(R)-(R)(R)(R)(R)+(R)+X(R)X(R)R R(R)(R)-(R)-(R)I/(R)+I/(R)+(R)+(R)+X(R)X(R)SRSR DRDRSRSR DRDRSRSR DRDRFT0FT0ST0ST0ST1ST1ST2ST2ST3ST3ST4ST4DT0DT0DT1DT1DT2DT2DT3DT3ET0ET0ET1ET1ET2ET2MOV MOV DST,SRC SRC；(SRC)=DST(SRC)=DSTMOV指令指令流程图流程图流程图流程图FT0FT0：M IRM IR，例例1 1：MOV R1MOV R1，R0R0；源数源数ET0ET0：R0 R1R0 R1PC MARPC MARET1ET1：例例2 2：MOV(R1),(R0)MOV(R1),(R0)；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCST0ST0：R0 MARR0 MARST1ST1：M MDR CM MDR CDT0DT0：R1 MARR1 MAR目的地址目的地址ET0ET0：C MDRC MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PC形地形地取源操作数，取源操作数，暂存于暂存于C C，需需5 5步。步。PC+1PC+1 PC PCST0ST0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR M MDR C CDT0DT0：C MDRC MDR源数源数ET0ET0：C+R0 C+R0 MAR MARET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PC例例3 3：MOV X(R1),X(R0)MOV X(R1),X(R0)；FT0FT0：M IRM IRM MDR M MDR C CST1ST1：ST2ST2：ST3ST3：ST4ST4：PC MARPC MARM MDR M MDR D D形地形地PC+1PC+1 PC PCDT2DT2：DT3DT3：D+R1 D+R1 MAR MAR目的地址目的地址取目的地址，取目的地址，暂存于暂存于MARMAR，需需4 4步。步。源数送存储器，源数送存储器，需需3 3步。步。FT0FT0：M IRM IR操作时间表操作时间表例：例：MOV(R1),(SP)+MOV(R1),(SP)+；SP MARSP MARM MDR CM MDR CPC+1 PCPC+1 PCCPPCCPPCST0ST0：SP+1 SPSP+1 SPEMAREMARR R SMDRSMDRMDR BMDR B 输出输出B BDMDMCPCCPCSP ASP AA+1A+1DMDMCPSPCPSPEMAREMARPC APC A A+1A+1R RSIRSIRDMDM1 ST1 STCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)DMDMCPMARCPMAR输出输出A ASP ASP AT+1T+1CPT(P)CPT(P)T+1T+1CPT(P)CPT(P)ST1ST1：ST2ST2：1 DT1 DTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)DT0DT0：R1 MARR1 MARDMDMCPMARCPMAR输出输出A AR1 AR1 ACPT(P)CPT(P)1 ET1 ETCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)ET1ET1：MDR MMDR MPC MARPC MARET2ET2：EMAREMARW WT+1T+1CPT(P)CPT(P)DMDMCPMARCPMAR输出输出A APC APC A1 FT1 FTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)T+1T+1DT0DT0：R1 MARR1 MARDMDMCPMARCPMAR输出输出A AR1 AR1 ACPT(P)CPT(P)1 ET1 ETCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)ET0ET0：C MDRC MDRC BC B 输出输出B BDMDM CPMDRCPMDRCPT(P)CPT(P)Ri=MARRi=MARM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DRi-1=Ri,MARRi-1=Ri,MAR取指取指PC+1=PCPC+1=PCD+Ri=MARD+Ri=MARM=MDR=DM=MDR=D双操作数指令双操作数指令COPD=MDRCOPD=MDRM=MDR=DM=MDR=DI/(R)+I/(R)+Ri=MARRi=MARRi=MARRi=MARPC=MARPC=MARSRSR DRDRPC=MARPC=MARRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiD=MARD=MARMDR=MMDR=MCOPRj=RjCOPRj=RjRiOPD=MDRRiOPD=MDRMDR=MMDR=MRiOPRj=RjRiOPRj=RjR R-(R)-(R)(R)(R)(R)+(R)+X(R)X(R)SRSR DRDRSRSR DRDRSRSR DRDRFTFTSTSTDT0DT0DT1DT1DT2DT2DT3DT3DT4DT4ET0ET0ET1ET1ET2ET2取源操作数取源操作数ADD ADD DST,SRC ；(SRC)+(DST)=DST(SRC)+(DST)=DSTSUB SUB DST,SRC；(SRC)-(DST)=DST(SRC)-(DST)=DSTAND AND DST,SRC；(SRC)(SRC)(DST)=DST(DST)=DSTOR OR DST,SRC；(SRC)(SRC)(DST)=DST(DST)=DSTEOR EOR DST,SRC；(SRC)(SRC)(DST)=DST(DST)=DST与与MOVMOV指令相同指令相同双操作数指令双操作数指令取目的数，暂存于取目的数，暂存于取目的数，暂存于取目的数，暂存于D D例：例：ADD X(R1),ADD X(R1),(PC)+；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PC立即数立即数ST0ST0：PC MARPC MARST1ST1：M MDR CM MDR CST2ST2：PC+1 PCPC+1 PCDT0DT0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR DM MDR D形式地址形式地址DT2DT2：PC+1 PCPC+1 PCDT3DT3：D+R1 MARD+R1 MARDT4DT4：M MDR DM MDR D目的数目的数ET0ET0：C+D MDRC+D MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MAR单操作数指令单操作数指令FT0FT0：M IRM IR，例：例：COM-(R0)COM-(R0)；DT0DT0：R0-1 R0R0-1 R0、MARMARDT1DT1：M MDR DM MDR DET0ET0：ET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PCD MDRD MDRRi=MARRi=MARM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DM=MDR=DRi-1=Ri,MARRi-1=Ri,MAR取指取指PC+1=PCPC+1=PCD+Ri=MARD+Ri=MARM=MDR=DM=MDR=D单操作数指令单操作数指令OPD=MDROPD=MDRM=MDR=DM=MDR=DI/(R)+I/(R)+Ri=MARRi=MARRi=MARRi=MARPC=MARPC=MARPC=MARPC=MARRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiRi+1=RiD=MARD=MARMDR=MMDR=MOPRj=RjOPRj=RjR R-(R)-(R)(R)(R)(R)+(R)+X(R)X(R)DRDRDRDRFTFTSTSTDT0DT0DT1DT1DT2DT2DT3DT3DT4DT4ET0ET0ET1ET1ET2ET2COM DST COM DST；(DST)=DST(DST)=DSTNEG DST NEG DST；(DST)+1=DST(DST)+1=DSTINC DST INC DST；(DST)(DST)+1+1=DST=DSTDEC DST DEC DST；(DST)(DST)-1-1=DST=DSTSL DST SL DST ；(DST)(DST)2=DST2=DSTSR DST SR DST ；(DST)(DST)2=DST2=DST与双操作数指令相同与双操作数指令相同转移转移JMP/返回指令返回指令RST无条件无条件转移转移SKPSKPR R（R R）（R)+R)+按按R R指示从指示从M M取转移地址取转移地址,修改修改R R。（SP)+SP)+X(PC)X(PC)执行再下条指令。执行再下条指令。从从R R取转移地址。取转移地址。按按R R指示从指示从M M取转移地址。取转移地址。从堆栈取返回地址从堆栈取返回地址,修改修改SPSP。以以PCPC內容为基准转移。內容为基准转移。（RSTRST）PC=MARPC=MARPC+1=PC,MARPC+1=PC,MARRj=PC,MARRj=PC,MARRj=MARRj=MARPC=MARPC=MAR取指取指M=MDRM=MDR=C=CJMP,RSTJMP,RSTR RRi+1=RiRi+1=RiM=MDR=M=MDR=PC,MARPC,MARPCPCSKPSKPPCPC(R)(R)RST(R)+RST(R)+X(PC)X(PC)FTFTET0ET0ET1ET1ET2ET2PC=MARPC=MARM=MDR=M=MDR=PC,MARPC,MARPC+C=PC+C=PC,MARPC,MARJP,RSTJP,RSTNJPNJPFT0FT0：M IRM IR，例例1 1：JMP R0JMP R0；SP+1 SPSP+1 SP、MARMARM MDR PCM MDR PCET0ET0：ET1ET1：SP MARSP MARET2ET2：R0 PCR0 PCPC+1 PCPC+1 PC例例2 2：RST(SP)+RST(SP)+；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：、MARMAR例例3 3：JMP X(PC)JMP X(PC)；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：PC MARPC MARET1ET1：M MDR CM MDR C位移量位移量ET2ET2：PC+C PCPC+C PC、MARMAR转子指令转子指令JSR无条件转子无条件转子无条件转子无条件转子在在在在STST形成子程序入口形成子程序入口形成子程序入口形成子程序入口在在在在ETET保存返回地址，并转子程序入口保存返回地址，并转子程序入口保存返回地址，并转子程序入口保存返回地址，并转子程序入口R R（R R）（R)+R)+（PC)+PC)+（SP)+SP)+入口在入口在R R中中入口在入口在M M中中 入口在堆栈中入口在堆栈中SP-1 SPSP-1 SPMDR MMDR MST1ST1：PC MDRPC MDRST0ST0：、MARMAR例：例：JSRJSR（R2R2）；）；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：R2 MARR2 MARET1ET1：M MDR CM MDR C子程序子程序入口入口C PCC PC、MARMAR返回地返回地址压栈址压栈ET2ET2：ET3ET3：微命令的综合与产生微命令的综合与产生微命令逻辑条件的综合化简微命令逻辑条件的综合化简微命令逻辑条件的综合化简微命令逻辑条件的综合化简归纳微命令归纳微命令归纳微命令归纳微命令综合化简条件综合化简条件综合化简条件综合化简条件用组合逻辑电路实现用组合逻辑电路实现用组合逻辑电路实现用组合逻辑电路实现例：例：读命令读命令R=R=FT0FT0+MOV(ST1+ST4+)+MOV(ST1+ST4+)+CPPC=CPPC=FT0FT0P P+MOV(ST2+DT2)X P+MOV(ST2+DT2)X P+微命令的综合与产生微命令的综合与产生逻辑实现逻辑实现逻辑实现逻辑实现微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译译码码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCOPOPD寻址寻址来自来自M送送M或或ALU+1送送M优缺点及应用优缺点及应用组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式综合综合综合综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，化简产生微命令的条件，形成逻辑式，化简产生微命令的条件，形成逻辑式，化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现用组合逻辑电路实现用组合逻辑电路实现用组合逻辑电路实现执行指令时，由组合逻辑电路执行指令时，由组合逻辑电路执行指令时，由组合逻辑电路执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发生微命令发生微命令发生微命令发生器器器器)在相应时间发出所需微命令，控制有关在相应时间发出所需微命令，控制有关在相应时间发出所需微命令，控制有关在相应时间发出所需微命令，控制有关操作操作操作操作优点优点产生微命令速度快产生微命令速度快产生微命令速度快产生微命令速度快优缺点及应用优缺点及应用缺点缺点设计不规整，设计效率低设计不规整，设计效率低设计不规整，设计效率低设计不规整，设计效率低控制器核心结构零乱，不便于检查和调试控制器核心结构零乱，不便于检查和调试控制器核心结构零乱，不便于检查和调试控制器核心结构零乱，不便于检查和调试不易修改、扩展指令系统功能不易修改、扩展指令系统功能不易修改、扩展指令系统功能不易修改、扩展指令系统功能应用场合应用场合用于高速计算机用于高速计算机用于高速计算机用于高速计算机小规模计算机小规模计算机小规模计算机小规模计算机