页数：59页文件大小：991.0 KB来源： 计算机组成原理ppt课件
本课件综合讲解教学计算机指令系统、控制器应提供的控制信号、微程序与硬布线两种控制器的组成与运行原理，以及节拍发生器与时序控制信号形成部件的设计与实现过程，并给出控制器教学实验的做法。
单字指令仅用一个指令字，第一个指令字分为三个部分
最高8位是操作码。从这个意义上讲,教学机的基本指令是固定长度的操作码结构,最多支持256条基本指令。
最低的8位有多种用法：给出1或2个寄存器的编号，或入/出端口的地址，或用于给出相对转移指令的偏移量。双字指令要用两个指令字,第二个指令字的内容可能是立即数、一个直接地址或一个变址位移量。
操作码目的寄存器源寄存器I/O端口地址相对转移指令的偏移量直接数/内存地址/指令中变址偏移量8位4位4位TEC-2000教学机的指令格式。
| 指令格式 | 汇编语句 | 操作数个数 | CZVS | 指令分组 | 功能说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 00000000 DRSR | ADD DR，SR | 2 | **** | A | DR ←DR+SR |
| 00000001 DRSR | SUB DR，SR | 2 | **** | A | DR ←DR-SR |
| 00000010 DRSR | AND DR，SR | 2 | **** | A | DR ←DR and SR |
| 00000011 DRSR | CMP DR，SR | 2 | **** | A | DR-SR |
| 00000100 DRSR | XOR DR，SR | 2 | *••• | A | DR ←DR xor SR |
| 00000101 DRSR | TEST DR，SR | 2 | **** | A | DR and SR |
| 00000110 DRSR | OR DR，SR | 2 | *••• | A | DR ←DR or SR |
| 00000111 DRSR | MVRR DR, SR | 2 | •••• | A | DR ←SR |
| 0000 | DEC DR | 1 | **** | A | DR ←DR-100001001 DR |
| 0000 | INC DR | 1 | **** | A | DR ←DR+100001010 DR |
| 0000 | SHL DR | 1 | *••• | A | DR,C ←DR*200001011 DR |
| 0000 | SHR DR | 1 | *••• | A | DR,C ←DR /201000001 OFFSET JR ADR 1 • • • • A 无条件跳转 |
| 指令格式 | 汇编语句 | 操作数个数 | CZVS | 指令分组 | 功能说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 10000000 0000000 | JMPA ADR | 1 | •••• | B | 无条件跳到ADRADR（16位） |
| 10000001 DRSR | LDRR DR，[SR] | 2 | •••• | B | DR ←[SR] |
| 10000010 I/O PORT | IN I/O PORT | 1 | •••• | B | R0 ←[I/O PORT] |
| 10000011 DRSR | STRR [DR]，SR | 2 | •••• | B | [DR] ←SR |
| 00000000 | PSHF | 0 | •••• | B | FLAG入栈 |
| 10000101 0000SR | PUSH SR | 1 | •••• | B | SR入栈 |
| 10000110 I/O PORT | OUT I/O PORT | 1 | •••• | B | [I/O PORT] ←R010000111 DR POP DR 1 • • • • B 出栈到DR |
| 0000 | MVRD DR, DATA | 2 | •••• | B | DR ←DATADATA（16位） |
| 00000000 | POPF | 1 | **** | B | FLAG ←出栈 |
| 00000000 | RET | 1 | •••• | B | 子程序返回 |
| 00000000 | CALA ADR | 1 | •••• | D | 调用子程序ADR（16位） |
指令执行步骤概述划分与设计指令执行步骤，是控制器部件重要的教学内容，这一设计要依据指令的格式和功能、控制器部件的组成、被控制对象运行方式以及它们彼此之间的连接关系等多个方面的实际情况共同决定，就是说，它解决的是信息随着时间在这些部件之间的流动关系，与指令系统、计算机整机和它的各个部件都有关系，因此也就比较难以全面理解与掌握。下面分成两个步骤，从3个角度来介绍上述内容。
1.准备性知识：指令执行步骤简介；教学计算机组成框图。2.典型指令执行步骤介绍：（1）指令执行步骤简单的文字描述；（2）指令执行步骤与信息流动的时间空间对应关系；（3）教学计算机的典型指令执行步骤，和每一步骤中对各个部件的控制作用。
每条指令的执行步骤
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
读取指令①ARPC②读主存
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现程序直接控制、中断、DMA与通道等输入输出方式的差别。
寄存器内容传送指令
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现程序直接控制、中断、DMA与通道等输入输出方式的差别。
写寄存器内容到主存
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输入指令
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现输入输出系统的作用、功能、组成与需要解决的主要问题。
相对转移指令JR C
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现程序直接控制、中断、DMA与通道等输入输出方式的差别。
子程序返回指令
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Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
控制器的功能
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
控制器的功能计算机的功能是执行程序程序
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
指令的执行过程冯.诺依曼结构的计算机即存储程序的计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前存入。执行程序：正确从程序首地址开始；正确分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令的地址；正确并自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令。
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
.控制器的组成①程序计数器PC：存放指令地址，有+1或接收新值功能
②指令寄存器IR：存放指令内容：操作码与操作数地址。主脉冲源与启停控制线路，按需要给出主脉冲信号。
③指令执行步骤标记线路：指明每条指令的执行步骤。④控制信号记忆或产生线路：给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。
运算器部件主存储器部件总线及输入/输出接口(输入/输出设备)控制器部件各部件包括也包括设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制。
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
时序控制信号形成部件译码
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
指令执行流程
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令取指、分析、执行各步骤的接续关系与流程走向。
Am2901位片运算器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现4位位片结构运算器Am2901的内部组成与数据通路。
| 控制码（/MIO REQ /WE） | 操作 |
|---|---|
| 000 | 写内存 |
| 001 | 读内存 |
| 010 | 写串口 |
| 011 | 读串口 |
| 1XX | 无内存和串口的读写操作 |
| 编码 | 信号名称 | 说明 |
|---|---|---|
| /SWTOIB | /SWTOIB | 来自开关 |
| /RTOIBALU | /RTOIBALU | 的输出 |
| /FTOIB | /FTOIB | 状态位输出 |
| /STOIB | /STOIB | 符号扩展8位 |
| /INTVH | /INTVH | 中断向量的 |
| /INTVL | /INTVL | 高、低8位 |
| NC | NC | 不用 |
| /RIR | /RIR | 指令寄存器 |
| /GARL | /GARL | 地址寄存器低位 |
| /GARH | /GARH | 地址寄存器高位 |
| /INTR | /INTR | 取原中断优先级 |
| /INTN | /INTN | 置新中断优先级 |
| /EI | /EI | 开中断 |
| /DI | /DI | 关中断 |
控制器功能与组成
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
.组合逻辑控制器的组成与运行原理在讲解过微程序的控制器之后，再来讨论组合逻辑控制器的组成和运行原理就变得容易了,因为二者有很多共同点。它们都用于控制指令的执行过程,并且使用几乎相同的执行步骤和几乎完全相同的控制信号，来完成对控制器之外的其他各功能部件的控制作用，因此可以简化对这些内容设计原理和方法的论述。
两种控制器实质性的差别，表现在处理指令各执行步骤的接续关系的方案和给出时序控制信号的办法完全不同，从而造成控制器的具体组成和运行原理、运行性能上的一些差异。比较它们的逻辑图可看出两种控制器组成的主要差异：微程序控制器中的控存变成这里的时序信号产生部件，还取消了微指令寄存器；原来的下地址部件变成了这里的节拍发生器；原来的微地址映射部件变成这里的操作码译码器；一些信号连接关系也有某些变化。
组合逻辑控制器的组成与运行原理（1）组合逻辑控制器用节拍发生器（Timing，几个触发器构成的时序逻辑电路）不同的状态组合来区分一条指令不同的执行步骤，指令执行步骤的接续是通过变换节拍发生器的状态组合完成的，不同于微程序控制器中通过下地址部件给出不同的微指令地址来实现。这里用节拍发生器取代了原来的下地址部件。
（2）组合逻辑控制器是通过由“与—或”两级逻辑关系构成的时序控制信号产生部件来直接给出全部的时序控制信号。送到第一级各“与门”的输入信号是指令操作码和节拍发生器的节拍状态(可能还有控制条件)，每个与门产生一个与项输出，相关的与项输出信号送到第二级的“或门”，每个或门输出的就是一个时序控制信号。
全部的时序控制信号由许多个“与—或”逻辑门给出。与用控制存储器存放全部控制信号的微程序控制方案不同，这里用时序控制信号产生部件取代了原来的控制存储器，还取消了那里的微指令寄存器线路，把控制信号直接送到被控制的部件。
时序控制信号形成部件译码
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
教学机的组合逻辑控制器8或16位的指令寄存器，1片100引脚的MACH，5片8输出引脚的GAL，二者互斥运行，构成时序控制信号形成部件，提供35位的控制信号。2片GAL与GAL3共同提供运算器A、B口信号。
节拍发生器(1片GAL)，产生4位节拍状态信号。2片GAL用于启动、停止等控制电路。
GAL1~GAL7公用于组合和微程序两种控制器。
2. TEC-2000 16位机指令与执行流程设计TEC-2000是原有型号的基础上，经过较大的改进与完善重新设计的，分为16位和8位字长的两种型号。16位机与8位机，从其指令格式、指令系统和运行的软件来看，是完全不同的两种机型，但是从整体硬件组成和使用的器件来看，又有相当多的类似之处。
再从设计与实现的基本原理来看，二者同样有许多类似或相同之处，例如各自对组合逻辑和微程序两种控制器使用几乎完全相同的执行步骤。关于16位机组合逻辑控制器设计过程中，可以直接跳过对指令执行步骤的划分和功能确定，对使用的控制信号的选择等内容的详细讨论，直接引用微程序控制器的设计结果即可；针对两种控制器的区别，重点讲解节拍发生器的设计与实现，时序控制信号产生部件的设计与实现，并强调设计中有关的原理性知识，顺便提到一些实现中对所用电路的选择原则。
指令执行流程
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令取指、分析、执行各步骤的接续关系与流程走向。
加电启动时
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。
(1)节拍发生器的设计原理TEC-2000 16位机实现了29条指令，使用了8个节拍（不含响应中断的步骤），为此，节拍发生器至少要使用4位触发器，可以产生最多24个节拍；使用4个触发器（分别命名为T3T2T1T0）不同的状态组合来区分每一个节拍，例如，用T3T2T1T0=1000来标识最顶上一行的那个节拍，如此等等，正象前页一图所示。如何为每个节拍分配4个触发器的状态组合，需要遵循的原则是：尽量做到从当前节拍切换到下一个节拍时，只有一个触发器的状态发生变化，办不到时，也要尽量使状态发生变化的触发器数目最少。
此外，还要考虑有利于对写出的节拍发生器的逻辑表达式的逻辑化简。前一页给出的设计结果已经较好地体现了上述设计要求。
接下来的工作是按上图给出的设计结果，写出设计与实现这一节拍发生器的线路所依据的逻辑表达式。
节拍发生器的设计原理按照节拍状态转换图（有限状态图）的结果
指令执行流程
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令取指、分析、执行各步骤的接续关系与流程走向。
用VHDL语言描述节拍发生器
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现用触发器状态组合区分指令各执行步骤的节拍发生器设计原理。
数值数据表示
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。
教学机指令系统与控制器设计
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令系统、控制信号与两类控制器的设计实现。
(2)时序控制信号形成部件的设计与实现时序控制信号形成部件用于提供计算机各功能部件运行所要求的每一位控制信号。设计与实现的过程是：1.设计指令执行流程表；2.按流程表写出每一位控制信号的逻辑表达式；用一个与项表示一位控制信号在流程表的一个横行中为1的情形；用一个或项汇总这位控制信号在流程表中所有横行中为1的全部情形；按前两步方法依次写出每一个控制信号的逻辑表达式，若可能，适当化减。
3.编译得到的逻辑表达式，并写入现场可编程芯片中4.对设计结果进行调试、改错，直到全部正确。5.把新设计的指令与原有指令用在同一程序中并运行，检查设计结果的正确性。
指令执行流程
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令取指、分析、执行各步骤的接续关系与流程走向。
按流程表写出每一位控制信号的逻辑表达式:用一个与项表示一位控制信号在流程表的一个横行中为1的情形；用一个或项汇总这位控制信号在流程表中所有横行中为1的全部情形；按前两步方法依次写出每一个控制信号的逻辑表达式,若可能适当化简。例如：MRW字段中的:R = /T3*T2*/T1*/T0*IR15*/IR14*/IR13*/IR12*/IR11*/IR10*IR9*/IR8I2~I0字段中的:I2 = /T3*/T2*T1* T0*/IR15*/IR14*/IR13*/IR12*/IR11* IR10*IR9* IR8+ /T3* T2* T1*/T0* IR15*/IR14*/IR13*/IR12*/IR11*/IR10*IR9*/IR8+ /T3* T2*/T1*/T0* IR15*/IR14*/IR13*/IR12*/IR11*/IR10*IR9*/IR8+ /T3* T2*/T1*/T0* IR15*/IR14*/IR13*/IR12*/IR11*/IR10*IR9*/IR8/I0 = /T3*/T2*T1*/T0+ /T3*/T2*T1* T0*/IR15*/IR14*/IR13*/IR12*/IR11* IR10*IR9* IR8+ /T3*T2*/T1* T0* IR15* IR14*/IR13*/IR12* IR11* IR10*IR9*/IR83.编译得到的逻辑表达式，并写入现场可编程芯片中4.把新设计的指令与原有指令用在同一程序中并运行，检查设计结果的正确性。
5.对设计结果进行调试、改错，直到全部正确;。
教学机指令系统与控制器设计
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令系统、控制信号与两类控制器的设计实现。
教学机指令系统与控制器设计
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令系统、控制信号与两类控制器的设计实现。
教学机指令系统与控制器设计
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令系统、控制信号与两类控制器的设计实现。
教学机指令系统与控制器设计
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令系统、控制信号与两类控制器的设计实现。
教学机指令系统与控制器设计
本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现指令系统、控制信号与两类控制器的设计实现。
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