三、微程序原理
四、微程序控制器设计
1.1 CPU的结构与功能
CPU的功能
取指令：具备从存储器中取出指令的功能
地址部件：解决指令地址的产生 指令部件：保存从存储器中取来的指令 分析指令：分析指令的操作性质，计算指令操作对象的位置（地 址） 译码部件：对指令进行译码 执行指令：实现指令的操作功能
指令周期
指令周期 取指周期：从存储器取出指令送指令寄存器 取数周期：计算操作数有效地址，取出操作数； 执行周期：执行指令的功能
指令周期与机器周期、节拍周期的关系
同步控制方式下，指令周期包括多个（不一定固定）机器周期； 每个机器周期包括固定个数的节拍周期
2.1 控制方式与时序系统
计算机组成原理与汇编语言
（组成原理部分） 2000级
北航计算机学院 刘旭东
Tel ：82316285，82317634 Mail：liuxd@
第五部分
CPU与控制单元设计
一、CPU的结构与功能
二、指令流程与组合逻辑控制器
三、微程序原理
四、微程序控制器设计
一、CPU的结构与功能 二、指令流程与组合逻辑控制器
M3.T1 M3.T2 M3.T3 M3.T4
IB Z
AB MAR, RD, W/B
MDR DB
CPMDR
2.2 指令流程与微操作时间表
结构图
时间节拍 M4.T1 执 行 周 期 M4.T2 M4.T3 M4.T4
完成功能 源操作数送AX
需要的微操作信号
IB MDR, WRGR, W/B
需要的控制脉冲 AX的地址
2.2 指令流程与微操作时间表
MOV 1000H[BX], AX 指令执行的微操作流程
指令长度：32位，分两次读取（指令代码：89870010H） 读取指令周期：机器周期M1内完成（读第一个16位） 读变址值周期：机器周期M2内完成
指令寄存器IR
指令译码器ID（Instruction Decoder）
时序部件：提供各种时序信号 控制信号生成部件：产生计算机其他部件所需要的所有微操作控 制信号。
中断系统
检查中断信号，中断CPU的正常程序执行，处理异常事务。
1.2 模型机结构
Control Bus Data Bus Address Bus
控制与状态寄存器：一般用户不可见，为系统控制专用，用户不 可直接使用。 MAR（Memory Address Register）：存储器地址寄存器 MBR/MDR（Memory Buffer Register，Memory Data Register）：存储器数据缓冲寄存器
PC（Program Counter）：程序计数器，存放下一条指令的 地址
2.2 指令流程与微操作时间表
取指周期的微操作流程
取指流程需要4个节拍 指令地址送MAR
结构图
存储器读出指令 指令送MDR，并调整PC 指令送IR 每条指令执行过程的第一个机器周期M1都是取指周期（取到指令核心部分）
时间节拍 M1.T1 M1.T2 M1.T3 调整PC M1.T4 MDR（指令）送IR PC+1 IB MDR CPPC CPIR 完成功能 指令地址送MAR Read Memory 指令送MDR 需要的微操作信号 IB PC
CPMDR
CPPC CPIR CPC, BX地址 AX地址
执 行 周 期
M2.T1 M2.T2 M2.T3 M2.T4
2.2 指令流程与微操作时间表
MOV AX，1000H[BX] 指令执行的微操作流程
指令长度：32位，分两次读取（指令代码：8B870010H） 读取指令周期：机器周期M1内完成（读第一个16位） 读变址值周期：机器周期M2内完成
取数：计算操作数地址，读取操作数，要根据操作数的来源与寻址 方式才能确定具体的操作过程。
执行：执行并送结果。
取指周期
指令的核心部分占16Bits，机器字长16Bits，每一次从存储器能读 取16Bits 指令编码长度有2个字节（16位），4个字节（32位），甚至6个字 节，但指令核心部分长度为16位。 取指周期特指读取指令核心部分（16Bits）的周期，所以在这种前 题下，所有指令的取指周期是完全一样的。
结构图
取操作数周期：机器周期M3内完成 执行周期：机器周期M4内完成
时间节拍 完成功能 需要的微操作信号 需要的控制脉冲
M1.T1
取 指 周 期 M1.T2 M1.T3
指令地址送MAR
Read Memory
IB PC
AB MAR, RD, W/B
CPMAR
指令送MDR
调整PC M1.T4 MDR（指令）送IR
译码部件：指令译码器（ID）
控制部件：微操作控制信号产生部件 时序部件：产生时序信号 中断系统：处理异常事务 内部总线：CPU内部数据通路（Internal Bus）
1.1 CPU的结构与功能
CPU内部结构 执行单元 控制单元 寄存器单元
ALU 控制信号
中断系统 CU
微操作控制信号
IR（Instruction Register）：指令寄存器，存放当前执行的指 令编码
1.1 CPU的结构与功能
执行单元（EU－Execution Unit）
执行单元的核心：算术逻辑运算单元（ALU），完成算术运算、 逻辑运算、移位运算等操作；
寄存器：提供数据缓冲；
控制单元（CU－Control Unit）
MDR DB
PC+1 IB MDR
CPMDR
CPPC CPIR
2.2 指令流程与微操作时间表
时间节拍 M2.T1
取 变 址 值
结构图
完成功能 PC送MAR
从存储器读取1000H
1000H送MDR
需要的微操作信号 IB PC
AB MAR, RD, W/B
需要的控制脉冲 CPMAR
M2.T2
AB MAR, RD, W/B
需要的控制脉冲 CPMAR
MDR DB
CPMDR
2.2 指令流程与微操作时间表
MOV AX，BX 指令执行的微操作流程
指令长度：16位，一次可读取完毕（指令代码：89DBH) 读取指令周期：机器周期M1内完成 执行周期：机器周期M2内完成
时间节拍 完成功能 需要的微操作信号
控制信号：根据指令的操作性质和操作对象的地址，产生一 系列的微操作控制信号，从而控制计算机的运算器、存储器 或输入输出接口等部件，实现指令所表示的功能。
1.1 CPU的结构与功能
CPU的结构
运算器：算术逻辑运算单元（ALU） 寄存器：通用计算机（GR），标志寄存器（FR，又称程序状态字 PSW） 控制单元（CU）： 指令部件：指令寄存器（IR）
结构图
需要的控制脉冲
M1.T1
取 指 周 期 M1.T2 M1.T3
指令地址送MAR
Read Memory
IB PC
AB MAR, RD, W/B
CPMAR
指令送MDR
调整PC M1.T4 MDR（指令）送IR BX送暂存器C 暂存器C送AX 无操作 无操作
MDR DB
PC+1 IB MDR IB GR, RDGR, W/B IB C, WRGR, W/B
MDR->DB W/B DB->MDR
返回
微操作信号 C
CPC C->IB R W W/ D R B
MAR -> AB
MAR
CPMAR
MDR
CPMDR MDR->IB
MEMORY
控制 部件
Internal Bus
D->IB SAL SAR RDGR WRGR W/B CPZ Z -> IB
GR -> IB
PC->IB
AH BH CH DH SP BP SI DI
AL BL CL DL
D
A
CPD
PC
B
CPPC
时序 部件
译码电路
ADD SUB B-1
ALU
PC+1 CLPC
Z FR
IR
FR->IB
CPIR
GR Add
1.2 模型机结构
简化的8086／8088结构
16位系统
通用寄存器部件 主存地址寄存器MAR 主存数据寄存器MDR 暂存器C,D,Z 程序计数器PC 指令寄存器IR
M2.T3
MDR DB
CPMDR
调整PC
M2.T4 MDR（1000H）送D (BX)+1000H 送 Z 源操作数地址 Z 送MAR 读取源操作数 源操作数送MDR
PC+1
IB MDR
IB GR, RDGR, W/B, ADD
CPPC
CPD BX地址, CPZ CPMAR
取 数 周 期
Q D
Q
1
Q D
CLK
2.2 指令流程与微操作时间表
指令周期分析（针对模型计算机及其指令系统 而言）
取指周期的微操作流程 MOV指令的微操作流程 单操作数指令的微操作流程 双操作数指令的微操作流程
其他指令的微操作流程
2.2 指令流程与微操作时间表
指令的执行过程
取指：从存取器读取当前指令送到指令寄存器（IR），要根据指令 编码的长度才能确定读取指令的详细流程。
REG 000 001 010 011 100 101 110 111
W=1 AX CX DX BX SP BP SI DI
W=0 AL CL DL BL AH CH DH BH
1.3 模型机的指令系统
双操作数指令格式