計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn) 3.1 微程序版CPU 賴曉錚

1、 QQ: 68046508 掌握基于微程序控制器的掌握基于微程序控制器的CPUCPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，了解，了解CPUCPU中斷工作機(jī)制。中斷工作機(jī)制。 熟悉熟悉CPUCPU微指令設(shè)計(jì)，掌握機(jī)器指令的微程序?qū)崿F(xiàn)方法。微指令設(shè)計(jì)，掌握機(jī)器指令的微程序?qū)崿F(xiàn)方法。 OP碼碼 ( I7 I6 I5 I4 ) 指令助記符指令助記符OP碼碼 ( I7 I6 I5 I4 ) 指令助記符指令助記符 0111IRET1111OR/ORI 0110MOV1110AND/ANDI 0101OUT/OUTA1101ADD/ADDI 0100IN1100SUB/SUBI 0011SET1011XOR/XORI 0010SOP

2、(INC/DEC/NOT/THR) 1010SHT (RLC/ LLC/ RRC/ LRC) 0001JMP/JMPR/Jx/JxR1001STO/PUSH 0000NOP/HLT1000LAD/POP 一、系統(tǒng)指令：一、系統(tǒng)指令： 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言功能功能I7 I6 I5 I4 I3 I2I1 I0 NOP;無(wú)操作（延時(shí)無(wú)操作（延時(shí)4個(gè)個(gè)T）00000/0 x/0 HLT;停機(jī)（斷點(diǎn)）停機(jī)（斷點(diǎn)）00000/0 x/1 IRET;中斷返回中斷返回 BP_PCPC；BP_PSWPSW 01110/0 x/x 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言注釋注釋I7 I6 I5 I4 I3 I2I1 I0 MOV RA,

3、RB;(RB)RA0110RARB SET RA, IMM;IMMRA0011RAx/x IMM 二、二、寄存器及寄存器及I/O操作操作指令：指令： 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言功能功能I7 I6 I5 I4 I3 I2I1 I0 IN RA, PORTx;(PORTx)RA0100RAPORTx OUT RA, PORTx;(RA)PORTx0101RA0/PORTx OUTA RA, PORTx;(RA)PORTx0101RA1/PORTx 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 LAD RA, ADDR;ADDRRA1000RA0/0 ADDR POP RA, RB;RB

4、RA1000RARB STO RA, ADDR;(RA)ADDR1001RA0/0 ADDR PUSH RA, RB;(RA)RB1001RARB 三、三、存儲(chǔ)器及堆棧操作指令存儲(chǔ)器及堆棧操作指令： 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 JMP ADDR;ADDRPC00010/00/0 ADDR JMPR RB;(RB)PC00010/0RB JC ADDR;IF CF=1, ADDRPC 00010/10/0 ADDR JCR RB;IF CF=1, (RB)PC00010/1RB JZ ADDR;IF ZF=1, ADDRPC 00011/00/0 ADDR

5、 JZR RB;IF ZF=1, (RB)PC00011/0RB JS ADDR;IF SF=1, ADDRPC 00011/10/0 ADDR JSR RB;IF SF=1, (RB)PC00011/1RB 四、四、跳轉(zhuǎn)系列指跳轉(zhuǎn)系列指令：令： 五、五、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令算術(shù)邏輯運(yùn)算指令： 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2 I1 I0 RLC RA;(RA)右邏輯移位右邏輯移位1010RA0/0 LLC RA;(RA)左邏輯移位左邏輯移位1010RA1/0 RRC RA;(RA)右循環(huán)移位右循環(huán)移位1010RA0/1 LRC RA;(RA)左循環(huán)移位左循環(huán)移位1010R

6、A1/1 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 INC RA;(RA)1RA0010RA0/0 DEC RA;(RA)1RA0010RA0/1 NOT RA;#(RA)RA0010RA1/0 THR RA;(RA)RA0010RA1/1 五、五、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令算術(shù)邏輯運(yùn)算指令： 匯編語(yǔ)言格式匯編語(yǔ)言格式功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 ADD RA, RB;(RA) (RB)RA1101RARB ADDI RA, IMM; (RA) IMMRA 1101RA0/0 IMM SUB RA, RB;(RA)(RB)RA1100RARB SUBI R

7、A, IMM;(RA)IMMRA1100RA0/0 IMM AND RA, RB;(RA)(RB)RA1110RARB ANDI RA, IMM;(RA)IMMRA1110RA0/0 IMM OR RA. RB;(RA)(RB)RA1111RARB ORI RA, IMM;(RA)IMMRA1111RA0/0 IMM XOR RA, RB;(RA) (RB)RA1011RARB XORI RA, IMM;(RA) IMMRA1011RA0/0 IMM 注：跳出注：跳出“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”后后，CPUCPU進(jìn)入進(jìn)入HLTHLT指令指令的的 后續(xù)下一條指令的取指周期后續(xù)下一條指令的取指周期。 匯編助記符匯

8、編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 03H 00H:00110000 01H:00000011 SET R1, 30H 02H:00110100 03H:00110000 SET R2, F0H 04H:00111000 05H:11110000 ADD R0, R106H:11010001 ADD R2, R107H:11011001 HLT08H:00000001 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 04H 00H:00110000 01H:00000100 SET R1, 03H 02H:00110100 03H:0000001

9、1 HLT04H:00000001 SUB R0, R105H:11000001 JS 0CH 06H:00011100 07H:00001100 ADD R0, R108H:11010001 OUT R0, PORT009H:01010000 JMP 0DH 0AH:00010000 0BH:00001101 OUT R1, PORT00CH:01010100 HLT0DH:00000001 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 0 00H:00110000 01H:00000000 SET R1, 0 02H:00110100 03H:00000000 A

10、DD R0, R104H:11010001 JC 0CH 05H:00010100 06H:00001100 OUT R0, PORT007H:01010000 SUB R0, R108H:11000001 JC 0CH 09H:00010100 0AH:00001100 OUT R0, PORT00BH:01010000 HLT0CH:00000001 1 1） 單操作數(shù)運(yùn)算指令驗(yàn)證程序單操作數(shù)運(yùn)算指令驗(yàn)證程序SOP_JZSOP_JZ是典型的循環(huán)結(jié)構(gòu)程序，是典型的循環(huán)結(jié)構(gòu)程序， 其功能類似于匯編語(yǔ)言的其功能類似于匯編語(yǔ)言的“LOOP”“LOOP”語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)了“1+2+ “1+2+

11、 +9+10”+9+10”的連續(xù)十次相加求和的連續(xù)十次相加求和，代碼如后頁(yè)所示，代碼如后頁(yè)所示。 2 2） 編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行程序程序SOP_JZSOP_JZ。觀察自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中。觀察自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中 的的“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，寄存器暫停時(shí)刻，寄存器R0R0、R1R1和和R2R2的數(shù)據(jù)變化。的數(shù)據(jù)變化。 3 3） 請(qǐng)問(wèn)請(qǐng)問(wèn)R0R0和和R1R1總共循環(huán)相加了幾次？為何統(tǒng)計(jì)次數(shù)的總共循環(huán)相加了幾次？為何統(tǒng)計(jì)次數(shù)的R2=09R2=09？ 最后最后R0R0輸出的結(jié)果是多少？輸出的結(jié)果是多少？“THR R2” “THR R2” 指令執(zhí)行的意義是指令執(zhí)行的意義是 什么？能否只使用兩個(gè)通

12、用寄存器完成連續(xù)相加求和的任什么？能否只使用兩個(gè)通用寄存器完成連續(xù)相加求和的任 務(wù)？如果可以，程序要如何修改？務(wù)？如果可以，程序要如何修改？ 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 01H 00H:00110000 01H:00000001 SET R1, 02H 02H:00110100 03H:00000010 SET R2, 09H 04H:00111000 05H:00001001 HLT06H:00000001 ADD R0, R107H:11010001 DEC R208H:00101001 INC R109H:00100100 匯編助記符匯編助記符

13、(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) THR R20AH:00101011 JZ 0FH 0BH:00011000 0CH:00001111 JMP 07H 0DH:00010000 0EH:00000111 OUT R0, PORT00FH:01010000 HLT10H:00000001 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) JMP 08H 00H:00010000 01H:00001000 ;vector02H:00000011 HLT; sub03H:00000001 OUT R0, PORT004H:01010000 SET R0, 005H:00110000 06H

14、:00000000 IRET07H:01110000 SET R0, 02H; main 08H:00110000 09H:00000010 ADDI R0, 02H 0AH:11010000 0BH:00000010 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) JMP 0AH 0CH:00010000 0DH:00001010 HLT0EH:00000001 中斷返回指令中斷返回指令I(lǐng)RETIRET只能在中斷子程序出現(xiàn)，不允許在主程只能在中斷子程序出現(xiàn)，不允許在主程 序使用序使用。請(qǐng)請(qǐng)說(shuō)明原因，并且說(shuō)明原因，并且設(shè)計(jì)一個(gè)硬件電路的保護(hù)機(jī)制：設(shè)計(jì)一個(gè)硬件電路的保護(hù)機(jī)制： 若在主程序

15、中出現(xiàn)若在主程序中出現(xiàn)IRETIRET指令，則指令，則CPUCPU不執(zhí)行打入不執(zhí)行打入PCPC的操作，的操作， 避免系統(tǒng)崩潰？避免系統(tǒng)崩潰？ 可否修改硬件電路和微指令列表，只用一個(gè)可否修改硬件電路和微指令列表，只用一個(gè)CPUCPU周期實(shí)現(xiàn)周期實(shí)現(xiàn)微微 程序版程序版CPUCPU的取指周期和中斷處理周期的取指周期和中斷處理周期？ （提示：拆分獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ROM/RAM和程序存儲(chǔ)器PROGRAM， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址寄存器仍為AR，程序計(jì)數(shù)器PC則作為程 序存儲(chǔ)器的地址寄存器，不再直連到總線BUS。注意，因?yàn)?取指周期只有一個(gè)CPU周期，需要謹(jǐn)慎考慮取指周期末尾 PC+1的問(wèn)題，以及取指周期開頭把

16、IR寄存器輸出的OP碼清 零，從而避免影響微地址P1跳轉(zhuǎn)的問(wèn)題。） 在在上述上述思考題思考題的的基礎(chǔ)上，可否利用節(jié)省出來(lái)的空閑微指令基礎(chǔ)上，可否利用節(jié)省出來(lái)的空閑微指令 地址安排新的微指令或增加指令功能？例如使地址安排新的微指令或增加指令功能？例如使OUT/OUTAOUT/OUTA指指 令既令既可以可以輸出通用寄存器輸出通用寄存器RxRx內(nèi)容（單字節(jié)指令），也內(nèi)容（單字節(jié)指令），也可以可以 輸出立即數(shù)輸出立即數(shù)IMMIMM（雙字節(jié)指令）（雙字節(jié)指令），從而，從而在在I/OI/O端口端口的操作中的操作中 減少對(duì)寄存器資源的占用。減少對(duì)寄存器資源的占用。 取指周期、中斷處理周期及系統(tǒng)指令取指周期、

17、中斷處理周期及系統(tǒng)指令 寄存器及寄存器及I/OI/O操作指令操作指令 存儲(chǔ)器及堆棧操作指令存儲(chǔ)器及堆棧操作指令 跳轉(zhuǎn)系列指令跳轉(zhuǎn)系列指令 算術(shù)邏輯運(yùn)算系列指令算術(shù)邏輯運(yùn)算系列指令 狀態(tài)狀態(tài)微程序控制器通路微程序控制器通路數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路 T1T1使能當(dāng)使能當(dāng)前微指令的微命令信號(hào)有效前微指令的微命令信號(hào)有效信息從源部件輸出到總線信息從源部件輸出到總線BUSBUS T2T2微指令下址取址；根據(jù)微指令下址取址；根據(jù)OPOP碼決定微指碼決定微指 令下址令下址0I0I7 7I I6 6I I5 5I I4 4 （?。ㄈ≈肝⒅噶睿┲肝⒅噶睿?信息從總線信息從總線BUSBUS打入目的部件；打入目的部件； 程

18、序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC+1PC+1（?。ㄈ≈肝⒅噶睿┲肝⒅噶睿?狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路 T1T1信息從源部件輸出到信息從源部件輸出到 總線總線BUSBUS T2T2信息從總線信息從總線BUSBUS打入打入 目的部件；目的部件； 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC+1PC+1（?。ㄈ?指微指令）指微指令） 微命令字段中每一位表示一個(gè)微命令：微命令字段中每一位表示一個(gè)微命令： 第第N位位= 1 有有微操作微操作 0 無(wú)微操作無(wú)微操作 微指令結(jié)構(gòu)圖微指令結(jié)構(gòu)圖 2423 22 21 20 19 18 17 1615141312111098 7 65 4 32 INTR PC_INC JMP_ CLR P2

19、uA4 uA3 uA2 uA1 uA0 微命令字段微命令字段下址字段下址字段 1 BUS P字段字段 S3 S2 S1 S0 M SOP_EN SHT_EN BUS P1 P3 “BUS”字段“BUS”字段 151413微命令121110微命令 000000 100PC_BUS100LDAR 010MEM_OE010LDIR 110IO_R110LDD 001RA_BUS001LDR 101RB_BUS101RAM_WE 011ALU_BUS011IO_W 111IRET111LDPC 狀態(tài)狀態(tài)微程序控制器微程序控制器 通路通路 T1T1使能當(dāng)使能當(dāng)前微指前微指 令的微命令信令的微命令信 號(hào)有

20、效號(hào)有效 T2T2微指令下址取微指令下址取 址；根據(jù)址；根據(jù)OPOP碼碼 決定微指令下決定微指令下 址址0I0I7 7I I6 6I I5 5I I4 4 （?。ㄈ≈肝⒅噶睿┲肝⒅噶睿?Addr24232221201918171615-1312-10987654321 00000000000000100100000010101 10101000000011010010010000000 10000000000010000100000011110 11110000000001010111001000000 00111000000001111111001000000 微指令代碼表微指令代碼表 微指

21、令代碼表微指令代碼表 Addr24232221201918171615-1312-10987654321 00110000000000101001001000000 00011000000000100100000010010 10010000000001010001001000000 00100000000000110001001000000 00101000000000001011001000000 存儲(chǔ)器及堆棧操作指令存儲(chǔ)器及堆棧操作指令 微指令代碼表微指令代碼表 Addr24232221201918171615-1312-10987654321 01000000000000100100000111010 11010000000001010100000011101 11011000000000101100000011101 11101000000000010001001000000 01001000000000100100000110110 10110000000001010100000010001 10111000000000101100000010001 10001000000000001101001000000 跳轉(zhuǎn)系列指令的微指令代碼表跳轉(zhuǎn)系列指令的微指令代碼表