《计算机组成原理》 课件 第8章 控制器的组成与实现.pptx

第8章控制器的组成与实现;8.1.1微操作命令的分析

微操作命令就是对CPU中某一个逻辑部件进行某项操作的控制信号。

在CPU指令系统中，一条复杂指令它的指令周期可能包括4个周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。

在这4个周期中，每条指令功能的差别主要体现在执行周期的微操作不一样，而取指周期、间址周期、中断周期的微操作都是一样或者说相似的。

本小节主要分析指令系统中的每一条指令在它的取指周期、间址周期（如果有间址）、执行周期中需要哪些微操作命令才能最后完成其相应的指令功能。

1.取指周期微操作命令分析

取指令周期的微操作如图8.1所示。

如根据图8.1所示，在取指周期中要完成取指令功能，必须包括如下几个微操作：;

①现行指令地址送到存储器地址寄存器，记作：PC→MAR。

②把MAR中的地址送到地址总线上。（如果MAR直接连在地址总线上，就不需要这一步）

③向主存发送读命令，启动主存储器读操作，记作：1→R。;④将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（指令）经过数据总线读至MDR内，记作：M（MAR）→MDR。

⑤将MDR的内容送至IR，记作：MDR→IR。

⑥形成下一条指令的地址，记作：（PC）+1→PC。

⑦指令的操作码送至CU中的ID进行译码，记作OP（IR）→CU（或OP（IR）→ID）。

共计7个微操作命令。

需要特别说明的是：（PC）+1→PC，这个微操作可以放在第1个微操作后的任意一步，也就是说只要执行完PC→MAR这个微操作后，PC内容就可以加1了。

;2.间址周期微操作命令分析

如果指令存在间接寻址，则指令周期中会有间址周期。图8.2为间址周期微操作图。

;①将指令的地址码部分（形式地址）送至存储器地址寄存器，记作：Ad（IR）→MAR。

注意：在取指周期中可以看到，MDR和IR的内容是一样的，所以图8.2中画出的是MDR中的内容送MAR。

②把MAR中的地址送到地址总线上。（如果MAR直接连在地址总线上，就不需要这一步）

③向主存发送读命令，启动主存储器读操作，记作：1→R。

④将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（有效地址EA）经过数据总线读至MDR内，记作：M(MAR)→MDR。

⑤将有效地址EA送至指令寄存器的地址字段，记作MDR→Ad（IR）。

共计5个微操作命令。;3.执行周期

不同的指令，由于指令的功能不同，其执行周期的微操作也不同。

下面分别讨论8条指令的执行周期。（非访存指令3条，访存指令3条，转移类指令2条）

（1）非访存指令（3条）

这类指令在执行期间不需要访问主存储器，在CPU内部就能完成指令的功能，执行速度快。

①清除累加器指令CLA

该指令在执行阶段只是完成清除累加器操作。记作：0→AC。

②累加器取反指令CPL

该指令在执行阶段只是完成累加器取反操作。记作：→AC。

③算术右移一位指令SHR

该指令在执行阶段完成累加器算术右移一位操作。这条指令需要２个微操作。记作：

?L（AC）→R（AC）

?AC0→AC0（AC符号不变）;（2）访存指令（3条）

这类指令都需要访问主存储器，增加了访问存储器的时间，所以指令执行速度就会慢一些。

①加法指令ADDAC，X

该指令在执行阶段需要完成累加器AC和对应于主存X地址单元的内容相加，结果送累加器AC，具体操作如下：

?将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作：Ad（IR）→MAR。

?向主存发读命令，启动主存作读操作，记作：1→R。

?将MAR（通过地址总线）所指的主存单元的内容（操作数）经数据总线读至MDR内，

记作：M(MAR)→MDR。

?给ALU发做加法的命令，将AC的内容和MDR的内容相加，结果存于AC，记作：（AC）+（MDR）→AC。

共计4个微操作命令。;②存数指令STAX

该指令在执行阶段需要将AC的内容存于主存X的地址单元中，具体操作如下：

?将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作：Ad（IR）→MAR。

?将累加器的内容送至MDR，记作：AC→MDR。

?向主存发写命令，启动主存作写操作，记作：1→W。

?将MDR的内容（通过数据总线）写入到MAR（通过地址总线）所指的主存单元中，

记作：MDR→M（MAR）。

共计4个微操作命令。

;③取数指令LDAX

该指令在执行阶段需要将主存X地址单元的内容取至累加器AC中，具体操作如下：

?将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作：Ad（IR）→MAR。

?向主存发读命令，启动主存作读操