CPU2模型機(jī)的設(shè)計(jì)

1、第六節(jié) 模型機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：擬定指令系統(tǒng)確定總體結(jié)構(gòu)安排時(shí)序擬定指令流程和微命令序列。形成控制邏輯3.6.1 指令系統(tǒng)1.指令格式格式、尋址方式、指令類(lèi)型設(shè)置寄存器、ALU、數(shù)據(jù)通路設(shè)置畫(huà)流程圖(寄存器傳送級(jí))列操作時(shí)間表組：列邏輯式，形成邏輯電路微：按微指令格式編寫(xiě)微程序指令字長(zhǎng)16位，采用寄存器型尋址，指令中給出寄存器號(hào)。（主存容量為64K16位）雙操作數(shù)指令格式：4 6 3 3操作碼 寄存器號(hào) 尋址方式 寄存器號(hào) 尋址方式目的地址源地址單操作數(shù)指令格式：操作碼 （可擴(kuò)展） 寄存器號(hào) 尋址方式4 3 3 3 3目的地址轉(zhuǎn)移指令格式：15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0轉(zhuǎn)移地

2、址轉(zhuǎn)移條件操作碼 寄存器號(hào) 尋址方式 方式 NZVCCPU可編程訪(fǎng)問(wèn)的寄存器：尋址方式 編碼 助記符 定義2.尋址方式寄存器尋址通用寄存器R、指令計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針SP、程序狀態(tài)字PSW000R（R）為操作數(shù)寄存器間址001（R）（R）為操作數(shù)地址自減型寄存器間址010-(R)-(SP)(R)-1為操作數(shù)地址(SP)-1為棧頂?shù)刂穼ぶ贩绞?編碼 助記符 定義101(PC)+(R)+d為有效地址（R）為操作數(shù)地址，立即/自增型寄存器間址011(R)+訪(fǎng)問(wèn)后(R)+1(SP)+(SP)為棧頂?shù)刂?，出棧?SP)+1(PC)為立即數(shù)地址，取數(shù)后(PC)+1變址X(R)X(PC)(PC)+d為有效地

3、址跳步110SKP跳過(guò)下條指令執(zhí)行操作碼 助記符 含義3.指令類(lèi)型用于數(shù)傳、堆棧、I/O操作0000MOV傳送0001ADD加0101EOR異或雙操作數(shù)指令0110COM求反1011SR右移單操作數(shù)指令1100JMP轉(zhuǎn)移1100RST返回1101JSR轉(zhuǎn)子0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 0轉(zhuǎn)移地址無(wú)條件轉(zhuǎn)JMP 寄 尋 方式 NZVC0 0 0 0 1 無(wú)進(jìn)位轉(zhuǎn)(C=0)0 0 0 1 0 無(wú)溢出轉(zhuǎn)(V=0)0 0 1 0 0 數(shù)非零轉(zhuǎn)(Z=0)0 1 0 0 0 數(shù)為正轉(zhuǎn)(N=0)1 0 0 0 1 有進(jìn)位轉(zhuǎn)(C=1)1 0 0 1 0 有溢出轉(zhuǎn)(V=1)1 0 1 0 0 數(shù)為零轉(zhuǎn)

4、(Z=1)1 1 0 0 0 數(shù)為負(fù)轉(zhuǎn)(N=1)條件滿(mǎn)足，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移地址；條件不滿(mǎn)足，順序執(zhí)行。隱含約定：轉(zhuǎn)子時(shí)返回地址壓棧保存。15 12 11 9 8 6 5 0子程序入口 RST SP （SP）+ JSR 寄 尋 方式 NZVC 5 4 3 2 1 03.6.2 CPU總體結(jié)構(gòu)1.寄存器設(shè)置（1）可編程寄存器（16位）通用寄存器：R0(000)、R1(001)R2(010)、R3(011)允許中斷（開(kāi)中斷） （可擴(kuò)展） I N Z V C 4 3 2 1 0暫存器C（2）非編程寄存器（16位）堆棧指針：SP(100)指令計(jì)數(shù)器：PC(111)程序狀態(tài)字：PSW(101):暫存來(lái)自主存的源地址

5、或源數(shù)據(jù)。暫存器D:暫存來(lái)自主存的目的地址或目的數(shù)。指令寄存器IR地址寄存器MAR數(shù)據(jù)寄存器MDR:存放現(xiàn)行指令。實(shí)現(xiàn)CPU與主存的接口SN74181 4片SN74182 1片2.算邏部件設(shè)置ALU選擇數(shù)據(jù)來(lái)源選擇器A選擇器B移位器:實(shí)現(xiàn)直送、左移、右移、字節(jié)交換3.數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)為了使數(shù)據(jù)傳送控制簡(jiǎn)單、集中，采用以ALU為中心的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。（1）組成包括四個(gè)部分：ALU部件、寄存器組、內(nèi)總線(xiàn)、CPU與系統(tǒng)總線(xiàn)的連接（16位） R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWA

6、BDB控制邏輯 （2）特點(diǎn)ALU為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送通路的中心；寄存器采用內(nèi)總線(xiàn)采用單向數(shù)據(jù)總線(xiàn)(16位)；分立結(jié)構(gòu)；與系統(tǒng)總線(xiàn)的連接通過(guò)MAR、MDR實(shí)現(xiàn)。MDR輸入輸出至DB輸出至ALU的B門(mén)輸出從內(nèi)總線(xiàn)輸入從DB輸入(打入)(置入) R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 4.各類(lèi)信息傳送途徑M（1）指令信息置入DBIR（2）地址信息 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB

7、內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 1）指令地址2）指令地址加1PC打入AALU移內(nèi)MARPCAALU移內(nèi)PCC0打入 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 3）轉(zhuǎn)移地址寄存器尋址：R0打入BALU移內(nèi)PC寄存器間址：R0打入BALU移內(nèi)MARABMDB置入MDRB移、內(nèi)PCALU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R

8、3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 4）操作數(shù)地址寄存器間址：R0打入BALU移內(nèi)MAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 變址：R0PCAALU移內(nèi)MARABMDB移內(nèi)CMMDRBALUALUCAB移內(nèi)MAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 （3）數(shù)據(jù)信息1）RR

9、：R0打入BALU移內(nèi)R1DBMDBMDRB移、內(nèi)R2ALU2）RM：R0打入BALU內(nèi)MDR3）MR：M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 4）MM：M(源)R0MDRDB內(nèi)I/OALU5）RI/O：打入DBMDR內(nèi)CALU(計(jì)算目的地址)DBMCALU內(nèi)MDR(目的) R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWA

10、BDB控制邏輯 DBDBDMA方式：I/O6）I/OR打入I/OMDR內(nèi)R0ALU7）I/OMM R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 5.微命令設(shè)置(1)數(shù)據(jù)通路 操作：ALU功能選擇：ALU輸入選擇：輸出移位選擇：結(jié)果分配：R0A、R0B、S3S2S1S0、M、C0不移、左移、CPR0、CPC、CPMAR、 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DM

11、ARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 (2)訪(fǎng)M、I/O 操作：讀 R地址使能 EMAR寫(xiě) W置入MDR SMDR，1MAR向AB送地址000 MDR與DB斷開(kāi),MAR與AB斷開(kāi)R=1讀 W=1寫(xiě)置入IR SIR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線(xiàn) C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制邏輯 3.6.3 組合邏輯控制器設(shè)計(jì)1.時(shí)序系統(tǒng)（1）工作周期取指周期FT用于指令正常執(zhí)行設(shè)置6個(gè)觸發(fā)器分別作為各周期狀態(tài)標(biāo)志源周期ST目的周期DT執(zhí)行周期ET中斷周期ITDMA周期DMAT

12、用于I/O傳送控制1 工作周期開(kāi)始0 工作周期結(jié)束在整個(gè)指令周期中，任何時(shí)候必須、且只能有一個(gè)工作周期狀態(tài)標(biāo)志為“1”。1）取指周期FT從M取出指令并譯碼；公操作修改PC。3）目的周期DT4）執(zhí)行周期ET取指結(jié)束時(shí)，按操作碼和尋址方式(R/非R尋址)轉(zhuǎn)相應(yīng)工作周期。按尋址方式(非R尋址)形成源地址，從M取出源操作數(shù)，暫存于C。2）源周期ST按尋址方式(非R尋址)形成目的地址，或從M取出目的操作數(shù)，暫存于D。按操作碼完成相應(yīng)操作(傳送、運(yùn)算、取轉(zhuǎn)移地址送入PC、返回地址壓棧保存)；后續(xù)指令地址送入MAR。5）中斷周期IT關(guān)中斷、保存斷點(diǎn)和PSW、轉(zhuǎn)服務(wù)程序入口。由硬件完成1）時(shí)鐘周期時(shí)間：IT指

13、CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，到執(zhí)行中斷服務(wù)程序前。6）DMA周期DMAT一次從M讀出，并經(jīng)數(shù)據(jù)通路傳送的操作；或一次數(shù)據(jù)通路傳送操作；或一次向M寫(xiě)入的操作DMAT指CPU響應(yīng)DMA請(qǐng)求后，到傳送完一次數(shù)據(jù)。DMA控制器接管總線(xiàn)權(quán)，控制直傳。（2）時(shí)鐘周期(節(jié)拍)T1微秒完成一步操作：模型機(jī)以訪(fǎng)存時(shí)間作為一步操作時(shí)間。 一個(gè)總線(xiàn)周期等于一個(gè)時(shí)鐘周期，可根據(jù)需要擴(kuò)展。由硬件完成2）時(shí)鐘周期數(shù)：每個(gè)工作周期第一拍T=0，每開(kāi)始一個(gè)新節(jié)拍T計(jì)數(shù)，工作周期結(jié)束時(shí)T清0。一個(gè)工作周期中的時(shí)鐘數(shù)可變。用計(jì)數(shù)器T控制節(jié)拍數(shù)每個(gè)時(shí)鐘結(jié)束時(shí)設(shè)置一個(gè)脈沖。（3）工作脈沖P1STP打入寄存器進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換（周期狀態(tài)設(shè)置/清除

14、時(shí)鐘T計(jì)數(shù)/清除）將計(jì)數(shù)值譯碼，可產(chǎn)生節(jié)拍電位。2.控制流程(工作周期轉(zhuǎn)換) FT雙單轉(zhuǎn)SR STDR DT ET DMATDMA請(qǐng)求？中斷請(qǐng)求？ ITSRDRYNYN3.指令流程圖與操作時(shí)間表（1）取指周期FT擬定指令流程：初始化時(shí)置入FT，確定各工作周期中每拍完成的具體操作（寄存器傳送級(jí)）。列操作時(shí)間表：列出每一步操作所需的微命令及產(chǎn)生條件。1）進(jìn)入FT的方式FTSRDCQQ總清1程序正常運(yùn)行時(shí)同步打入FT。1 FTCPFT2）流程圖1 STFT0：PC+1 PCM IR3）操作時(shí)間表FT0：電位型微命令脈沖型微命令M IREMAR,R,SIRPC+1 PCPC A,A+1,DMCPPC1

15、 DT1 ET或 或 CPFT( P)CPST( P)CPDT( P)CPET( P)CPT ( P)工作周期中，每拍結(jié)束時(shí)發(fā)CPT；工作周期結(jié)束時(shí)，5個(gè)時(shí)序打入命令都發(fā)。轉(zhuǎn)換 （2）傳送指令FT0：PC+1 PCM IR，1）流程圖例1：MOV R0，R1；源數(shù)ET0：R1 R0PC MARET1：例2：MOV(R0),(R1)；FT0：M IR，PC+1 PCST0：R1 MARST1：M MDR CDT0：R0 MAR目的地址ET0：C MDRET1：MDR MET2：PC MAR例3：MOV X(R0),X(R1)；FT0：M IRPC+1 PC形地取源操作數(shù)，暫存于C，需5步。PC+

16、1 PCST0：PC MARDT1：M MDR CDT0：C MDR源數(shù)ET0：C+R1 MARET1：MDR MET2：PC MARPC+1 PC例3：MOV X(R0),X(R1)；FT0：M IRM MDR CST1：ST2：ST3：ST4：PC MARM MDR D形地PC+1 PCDT2：DT3：D+R0 MAR目的地址取目的地址，暫存于MAR，需4步。源數(shù)送存儲(chǔ)器，需3步。FT0：M IR2）操作時(shí)間表例：MOV (R1)，(SP)+；SP MARM MDR CPC+1 PCCPPCST0：SP+1 SPEMARRSMDRMDR B輸出BDMCPCSP AA+1DMCPSPEMAR

17、PC AA+1RSIRDM1 STCPFT(P)CPET(P)CPT(P)DMCPMAR輸出ASP AT+1CPT(P)T+1CPT(P)ST1：ST2：1 DTCPFT(P)CPET(P)CPT(P)ET1：MDR MPC MARET2：EMARWT+1CPT(P)DMCPMAR輸出APC A1 FTCPFT(P)CPET(P)CPT(P)DT0：R1 MARDMCPMAR輸出AR1 AT+1CPT(P)1 ETCPFT(P)CPET(P)ET0：C MDRC B輸出BDMCPMDRCPT(P)（3）雙操作數(shù)指令取目的數(shù)，暫存于D。例：ADD X(R1),(PC)+ ；FT0：M IR，PC

18、+1 PC立即數(shù)ST0：PC MARST1：M MDR CST2：PC+1 PCDT0：PC MARDT1：M MDR DDT2：PC+1 PC形式地址DT3：D+R1 MARDT4：M MDR D目的數(shù)ET0：C+D MDRET1：MDR MET2：PC MAR（4）單操作數(shù)指令FT0：M IR，例：COM -(R0)；DT0：R0-1 R0、MARDT1：M MDR DET0：ET1：MDR MET2：PC MARPC+1 PCD MDR（5）轉(zhuǎn)移-返回指令無(wú)條件轉(zhuǎn)移SKPR（R）（R)+按R指示從M取轉(zhuǎn)移地址,修改R。（SP)+X(PC)執(zhí)行再下條指令。從R取轉(zhuǎn)移地址。按R指示從M取轉(zhuǎn)移

19、地址。從堆棧取返回地址,修改SP。以PC內(nèi)容為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。（RST）FT0：M IR，例1：JMP R0；SP+1 SP、MARM MDR PCET0：ET1：SP MARET2：R0 PCPC+1 PC無(wú)條件轉(zhuǎn)子：R（R）（R)+（SP)+（PC)+入口在R中例2：RST (SP)+；FT0：M IR，PC+1 PCET0：、MAR例3：JMP X(PC)；FT0：M IR，PC+1 PCET0：PC MARET1：M MDR C位移量ET2：PC+C PC、MAR（5）轉(zhuǎn)子指令入口在M中入口在堆棧中SP-1 SPMDR MST1：PC MDR歸納微命令,綜合化簡(jiǎn)條件,用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。讀令

20、R=在ST形成子程序入口；在ET保存返回地址，并轉(zhuǎn)子程序入口。ST0：、MAR例：JSR（R2）；FT0：M IR，PC+1 PCET0：R2 MARET1：M MDR C子程序入口C PC、MAR返回地址壓棧ET2：ET3：4.控制邏輯例：FT0+MOV(ST1+ST4+)CPPC =FT0+P+MOV(ST2+DT2) X P+3.6.4 微程序控制器設(shè)計(jì)1.時(shí)序系統(tǒng)P 微指令周期 微指令打入 IR二級(jí)時(shí)序：控制數(shù)據(jù)通路操作 結(jié)果打入目的地，讀取后續(xù)微指令后續(xù)微地址打入 AR2.微指令格式按數(shù)據(jù)通路各段操作劃分字段，同類(lèi)操作中互斥的微命令放同一字段。 （1）格式數(shù)據(jù)通路操作 輔助操作 AI

21、 BI SM C0 S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4順序控制 訪(fǎng)存操作 （2）各字段功能1）數(shù)據(jù)通路操作AI： A輸入選擇 000 無(wú)輸入 001 Ri A010 C A011 D A100 PC AR0R3、SP、PC AI BI SM C0 S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4BI： B輸入選擇 000 無(wú)輸入 001 Ri B010 C B011 D B100 MDR BSM： ALU功能選擇S3S2S1S0M C0： 初始進(jìn)位選擇S： 移位選擇ZO： 結(jié)果分配001 CPRi R0R3、PS

22、W R0R3、SP、PC、PSW 2）訪(fǎng)存操作EMAR、R、W 3）輔助操作00 無(wú)操作 01 開(kāi)中斷 10 關(guān)中斷 11 SIR AI BI SM C0 S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 44）順序控制增量斷定 0000 順序執(zhí)行 9種 指明微地址形成方式 SC： 0001 無(wú)條件轉(zhuǎn)移 0010 按操作碼分支 0111 轉(zhuǎn)微子程序 1000 返回微主程序 增量 斷定 增量 3.微程序的編制（1）編寫(xiě)順序按指令執(zhí)行順序編寫(xiě)：取機(jī)器指令 SC=0000功能轉(zhuǎn)移 執(zhí)行 按操作碼編碼順序，逐級(jí)分類(lèi)編寫(xiě)：MOV指令、 雙操作數(shù)指令、 單操作數(shù)指令、 轉(zhuǎn)移指

23、令 （2）實(shí)現(xiàn)分支將同類(lèi)斷定依據(jù)所對(duì)應(yīng)的微地址放在相應(yīng)的微地址形成表中，用SC字段選取。（見(jiàn)教材P161P163） 順序執(zhí)行現(xiàn)行微地址+1SC=0001無(wú)條件轉(zhuǎn)現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址SC=0111轉(zhuǎn)微子程序現(xiàn)行微指令給出微子程序入口SC=1000返回微主程序從寄存器取返回微地址微地址形成表：SC=0010按操作碼分支（4路）表內(nèi)單元地址SC=0011（斷定依據(jù)）：MOV執(zhí)行規(guī)定操作后轉(zhuǎn)取指入口雙單元內(nèi)容（微地址）單JMP/JSR03H取源數(shù)、目的地0CH取源數(shù)、目的數(shù)24H取目的數(shù)按J、PC分支3FH按操作碼 DR分支（24路）進(jìn)入執(zhí)行DRMOV06HDRMOV0AH雙單3DHSC=0100

24、SC=01101）取指微指令代真從60H開(kāi)始按J、PC分支（4路）40H46H順序/轉(zhuǎn)移地址 PC SC=0101按源尋址方式分支（7路）4DH5EH按目的尋址方式分支（3）微指令實(shí)例 AI BI SM C0 S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4M IR：微地址00000 000 00000 00 00 000 1 1 0 11 0000 AI BI SM C0 S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 400 微地址01100 00010010 01 00 111 0 0 0 00 0000PC+1 PC：按操作碼分支：微地址02000 00000000 00 00 000 0 0 0 00 00102）機(jī)器指令的微程序?qū)崿F(xiàn)例：MOV R1，（R0）；按流程寫(xiě)出微地址01 02 03 4C 4E 4F 04 60 05 0A 0B 08 09 00 本章小結(jié)1、建立CPU整機(jī)概念邏輯組成工作機(jī)制（1）邏輯組成寄存器、ALU設(shè)置，數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)（舊5.4.2，新3.4.3 ）（2）工作機(jī)制寄存器傳送級(jí)：微操作控制級(jí)：各類(lèi)指令的流程微命令