计算机系统组成与结构PPT第5章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,5-,*,5.1,微操作和寄存器传送语言,5.2,用,RTL,表示数字系统,5.3,复杂数字系统和,RTL,5.4,实例：,VHDLVHSIC,硬件描述语言,第五章 寄存器传送语言,计算机组成与结构,1,湖南大学计算机与通信学院,微操作,：,大部分时序数字系统的基础。,是更简单的行为。,数据从一个寄存器、存储器单元或者,I/O,设备,到另一个的传送,执行算术或逻辑功能,修改已存储的值,计算机组成与结构,2,湖南大学计算机与通信学院,确定时序数字系统：,确定正确的微操作传送及其条件。,（这些条件保证微操作按正确的顺序执行）,硬件描述语言,（,hardware description language，HDL）,电路分析和设计,（,circuit analysis and design，CAD）,软件,计算机组成与结构,3,湖南大学计算机与通信学院,设计时序数字系统：,51 微操作和寄存器传送语言,首先用微操作表述系统的行为,设计硬件来匹配这些表述,一、微操作的格式,考虑有两个,1位,寄存器,X,和,Y,的一个数字系统。,拷贝寄存器,Y,的内容到寄存器,X,中的微操作：,XY,(,有时也可以表示为,YX,),计算机组成与结构,4,湖南大学计算机与通信学院,两种实现：,由直接连接实现,通过总线连接实现,X,计算机组成与结构,5,湖南大学计算机与通信学院,二、传送发生的条件,1.,假定传送应发生在输入控制,为高时，,则传送过程可以写为,IF THEN XY,2.,表示微操作和它们发生的条件：,条件：微操作,当所有冒号左边的条件满足时，执行微操作,（可以是多个）规定的数据传送。,3.,上面的传送可以写为,：XY,计算机组成与结构,6,湖南大学计算机与通信学院,4.,具有控制信号的数据传送,：XY,的实现,(,a),用直接通路,(,b),用总线,X,计算机组成与结构,7,湖南大学计算机与通信学院,三、提高系统性能的一种方法,同时执行两个或多个微操作。,1.,如果某系统在,=1,时执行,XY,和,YZ,的传,送，则这种情况可以表示成,:XY，YZ,或者,:YZ，XY,计算机组成与结构,8,湖南大学计算机与通信学院,数据传送,:XY,YZ,的实现,D,Q,计算机组成与结构,9,湖南大学计算机与通信学院,2,同时拷贝相同的数据到多个目的地。,考虑,：XY，ZY,实现数据传送,:XY，ZY,计算机组成与结构,10,湖南大学计算机与通信学院,3,数字系统不能同时往同一寄存器中写入两个不同的值。,例如,：表示,:XY，XZ,无效,四、传送常量的有效条件和微操作,:X0,:X1,实现这两个传送的三种不同方法：,通过两个传送通路装载数据来设置,X,的值。,装载数据与第一个完全相同，但它的数据直接由,信号,产生。,为简化硬件可使用寄存器的清除输入功能。,计算机组成与结构,11,湖南大学计算机与通信学院,数据传送,:X0,与,:X1,的三种实现：,(,a),用一个多路选择器来选择输入的数据,(,b),用,作为数据输入,(,c),用,CLR,信号,计算机组成与结构,12,湖南大学计算机与通信学院,问题：,当,和,同时为,1,时，怎么办？,两种解决方法：,产生,和,的硬件能保证它们决不会被同时置为,1,修改条件使它们,互斥,:X0 :X0 :X0,:X1 :X1 :X1,五.寄存器之间的多位数据传送,1.,同样大小寄存器对应位之间传送数据,例如:,当,1,时，从,4,位寄存器,Y,传送数据到,4,位寄存器,X,用符号表示,：XY,计算机组成与结构,13,湖南大学计算机与通信学院,4比特,数据传送,：XY,的实现：,(,a),用直接连接,(,b),用总线,X,计算机组成与结构,14,湖南大学计算机与通信学院,2.,访问一个寄存器的某一位或位组。,表示每一位：如,X,3,或,Y,2,。,3.,表示位组（用一个域表示）,如,X,3,、X,2,和,X,1,可以写成,X(3-1),或,X(3:1),:X(3-1)Y(2-0),:X,3,X,2,:X(3-0)X(2-0),X,3,或,X(2-0,3),（,或,X,3,X,2,，X,2,X,1,，X,1,X,0,，X,0,X,3,）,计算机组成与结构,15,湖南大学计算机与通信学院,六、执行数据的算术运算、逻辑运算和移位运算的微操作,1,一些常用的算术运算和逻辑运算的微操作,操 作,示 例,Add,XX+Y,Subtract,XX Y,或,XX+Y+1,Increment,XX+1,Decrement,XX1,And,XX Y,或,XXY,OR,XX Y,XOR,XX Y,NOT,X/X,或,XX,计算机组成与结构,16,湖南大学计算机与通信学院,2,移位微操作,线性移位,：每一位的值依次向左（或右）移位。,最后,1,位被丢弃，空位补入,0,值。,例如：,X1011,左移一位：,0110,右移一位：,0101,循环移位,：将在线性移位中被丢弃的位循环回来,替代补入的,0,值。,计算机组成与结构,17,湖南大学计算机与通信学院,例如,：,X1011,循环左移：,0111,循环右移：,1101,算术移位,：用于带符号数的移位。,运算规则：,符号位在移位操作中保持不变，工作原理,与线性移位相似。,例如,：,X1011,算术左移：,1110,算术右移：,1101,计算机组成与结构,18,湖南大学计算机与通信学院,十进制移位,：专门用于,BCD,表示。十进制移位与线性,移位很相似，但它移动,1,个数字或,4,位，,而不是移动,1,位。,例如,：,X1001 0111,十进制左移：,0111 0000,十进制右移：,0000 1001,计算机组成与结构,19,湖南大学计算机与通信学院,操 作,示 例,线性左移,shl,(X),线性右移,shr,(X),循环左移,cil,(X),循环右移,cir(X),算术左移,ashl,(X),算术右移,ashr,(X),十进制左移,dshl,(X),十进制右移,dshr,(X),移位操作和它们的表示法,计算机组成与结构,20,湖南大学计算机与通信学院,例如,：,X,shl,(X),和,shl,(X),是等价的。,Y,shl,(X),两个寄存器均需指定,七、寄存器与存储器之间的数据传送,例如,：,M55AC,和,ACM55,寄存器,AC,与存储器中,55,号单元之间的数据传送,更好的方法：,把地址存入寄存器中，然后由寄存器提供,存储器的访问地址。,（地址寄存器，标示为,AR,）,AR55,MARAC,或者,ACMAR（MAC,和,ACM）,计算机组成与结构,21,湖南大学计算机与通信学院,5.2.1 数字元件表示,一、第一个例子（,D,触发器,）,1.,无清,0,输入端（图(,a)）,用,RTL,描述：,LD：QD,D,触发器：(,a),无清,0,输入端(,b),有清,0,输入端,52 用,RTL,表示数字系统,计算机组成与结构,22,湖南大学计算机与通信学院,2.,有一同步清,0,输入端的,D,触发器（图(,b)）,LD：QD,CLR：Q0,当,D、LD,和,CLR,都等于,1,时，系统会失败。,解决方法：,改变条件使得两者互斥。,CLRLD：QD LD：QD,CLR：Q0 LDCLR：Q0,计算机组成与结构,23,湖南大学计算机与通信学院,二,、第二个例子（一个没有,CLR,输入端的,JK,触发器）,用,RTL,描述：,JK：Q0,JK：Q1,JK：QQ,三、最后一个例子（一个,n,位的移位寄存器）,Q,n,-1,是最高位，,Q,0,是最低位。,当,SHL,信号为高时，它将其中的数据左移一位。,输入,S,in,移进最低位。,移位寄存器：,SHL：QQ(n-2:0),S,in,计算机组成与结构,24,湖南大学计算机与通信学院,5.2.2 简单系统的表示与实现,例如：,一个有,4,个,1,位触发器的系统,用,RTL,代码表示传送,（假设条件,j，o，h,和,n,是,互斥,的）,j:MA,o:AY,h:RM,n:YR,MR,几种不同的方法实现,计算机组成与结构,25,湖南大学计算机与通信学院,1用直接连接实现系统的数据通路,用直接连接实现的该,RTL,代码的系统的数据通路,计算机组成与结构,26,湖南大学计算机与通信学院,用直接连接实现该,RT,L,代码的系统的完整设计,在合适的时间激励触发器的,LD,信号来装载数,据，从而完成传送。,当,j=1（MA）,或,n=1(MR),时，触发器,M,装载数据。,在满足单个条件,o、h,和,n,时，触发器,A、R,和,Y,装载数据。,计算机组成与结构,27,湖南大学计算机与通信学院,计算机组成与结构,28,湖南大学计算机与通信学院,2用总线和三态门实现,计算机组成与结构,29,湖南大学计算机与通信学院,3.用总线和多路选择器实现,Y,R,n,h,计算机组成与结构,30,湖南大学计算机与通信学院,531 模6计数器,目的:,设计一个,模6计数器,步骤：,模6计数器：,000001010011100101000,(0123450),53 更复杂数字系统和,RTL,用,RTL,表示计数器的功能,用数字逻辑实现,RTL,的代码,计算机组成与结构,31,湖南大学计算机与通信学院,假设：,输入端,U,：,控制计数,当,U1,时，计数器在时钟的上升沿增加它的值。,当,U0,时，不管时钟的值如何，它都保持当前值不变。,输出,V,2,V,1,V,0,：,计数器的值,进位输出：,C,状态：,S,0,S,1,S,2,S,3,S,4,S,5,S,0,（,两个另外状态,S,6,和,S,7,）,模6计数器,的状态表和状态图,计算机组成与结构,32,湖南大学计算机与通信学院,当前状态,U,下一状态,C,V,2,V,1,V,0,S,0,0,S,0,1,000,S,0,1,S,1,0,001,S,1,0,S,1,0,001,S,1,1,S,2,0,010,S,2,0,S,2,0,010,S,2,1,S,3,0,011,S,3,0,S,3,0,011,S,3,1,S,4,0,100,S,4,0,S,4,0,100,S,4,1,S,5,0,101,S,5,0,S,5,0,101,S,5,1,S,0,1,000,S,6,S,0,1,000,S,7,S,0,1,000,计算机组成与结构,33,湖南大学计算机与通信学院,0,计算机组成与结构,34,湖南大学计算机与通信学院,一、用,RTL,表示系统,（,S,0,+S,1,+S,2,+S,3,+S,4,）U：VV+1,C0,S,5,U：V0，C1,S,6,+S,7,：V0,C1,在条件,（,S,0,+S,1,+S,2,+S,3,+S,4,+S,5,）U,下，计数器保持当,前值与,C,值不变。,可以用两条,RTL,语句表示：（,S,5,U,和,S,6,+S,7,触发相同,的微操作）,（,S,0,+S,1,+S,2,+S,3,+S,4,）U：VV+1，C0,S,5,US,6,S,7,：V0，C1,计算机组成与结构,35,湖南大学计算机与通信学院,二、模,6,计数器,RTL,代码的两种实现,用一个寄存器,实现,VV+1,计算机组成与结构,36,湖南大学计算机与通信学院,用一个计数器（简单）,实现,C0,或,C1,计算机组成与结构,37,湖南大学计算机与通信学院,532 收费站控制器,两个外部传感器,C,显示车辆是否在收费站中,当车在时，,C1,，,否则,C0,。,显示硬币是否已经投到收费站的收集篮中以及,硬币的价值。,没有硬币投入,I,1,I,0,00,投入五分硬币,I,1,I,0,01,投入一角硬币,I,1,I,0,10,投入25分硬币,I,1,I,0,11,计算机组成与结构,38,湖南大学计算机与通信学院,两个输出指示灯和一个警报灯,当一辆汽车驶入收费站时，,红灯,（,R）,亮，,直到司机投入,35,分硬币，此时,红灯,