計(jì)算機(jī)組成原理JLP_3.3

1、3.3 CPU3.3 CPU模型模型一、一、CPU設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟1. 擬定指令系統(tǒng)擬定指令系統(tǒng)2. 確定總體結(jié)構(gòu)確定總體結(jié)構(gòu)3. 安排時(shí)序安排時(shí)序4. 擬定指令流程和微命令序列。擬定指令流程和微命令序列。5. 形成控制邏輯形成控制邏輯格式、尋址方式、格式、尋址方式、指令類型設(shè)置指令類型設(shè)置寄存器、寄存器、ALUALU、數(shù)、數(shù)據(jù)通路設(shè)置據(jù)通路設(shè)置畫流程圖畫流程圖( (寄存器傳送級(jí)寄存器傳送級(jí)) )列操作時(shí)間表列操作時(shí)間表組合控制：列邏輯式，形成邏輯電路組合控制：列邏輯式，形成邏輯電路微程序控制：按微指令格式編寫微程序微程序控制：按微指令格式編寫微程序3.3 CPU3.3 CPU模型模型二、模型

2、機(jī)的指令系統(tǒng)二、模型機(jī)的指令系統(tǒng)1.1.指令格式指令格式 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng)1616位，采用寄存器型尋址，指位，采用寄存器型尋址，指令中給出寄存器號(hào)。令中給出寄存器號(hào)。 （主存容量為（主存容量為64K64K1616位）位） 三種指令格式：三種指令格式：(2)(2)單操作數(shù)指令格式單操作數(shù)指令格式(3)(3)轉(zhuǎn)移指令格式轉(zhuǎn)移指令格式(1)(1)雙操作數(shù)指令格式雙操作數(shù)指令格式(1)(1)雙操作數(shù)指令格式：雙操作數(shù)指令格式：4 6 3 34 6 3 3操作碼操作碼 寄存器號(hào)寄存器號(hào) 尋址方式尋址方式 寄存器號(hào)寄存器號(hào) 尋址方式尋址方式目的地址目的地址源地址源地址(2)(2)單操作數(shù)指令格式：?jiǎn)尾僮鲾?shù)

3、指令格式：操作碼操作碼 （可擴(kuò)展）（可擴(kuò)展） 寄存器號(hào)寄存器號(hào) 尋址方式尋址方式4 3 3 3 34 3 3 3 3目的地址目的地址(3)(3)轉(zhuǎn)移指令格式：轉(zhuǎn)移指令格式：15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 015 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移條件操作碼操作碼 寄存器號(hào)寄存器號(hào) 尋址方式尋址方式 方式方式 NZVCNZVCCPUCPU可編程訪問(wèn)的寄存器：可編程訪問(wèn)的寄存器：尋址方式尋址方式 編碼編碼 助記符助記符 定義定義2.2.尋址方式尋址方式寄存器尋址寄存器尋址通用寄存器通用寄存器R R、指令計(jì)數(shù)器、指令計(jì)數(shù)器PCPC、堆棧指針、

4、堆棧指針SPSP、程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSWPSW000000R R（R R）為操作數(shù)）為操作數(shù)寄存器間址寄存器間址001001（R R）（R R）為操作數(shù)地址）為操作數(shù)地址自減型寄存自減型寄存器間址器間址010010-(R)-(R)-(SP)-(SP)(R)-1(R)-1為操作數(shù)地址為操作數(shù)地址(SP)-1(SP)-1為棧頂?shù)刂窞闂ｍ數(shù)刂妨⒓戳⒓? /自增型自增型寄存器間址寄存器間址011011(R)+(R)+（R R）為操作數(shù)地址，）為操作數(shù)地址，訪問(wèn)后訪問(wèn)后(R)+1(R)+1(SP)+(SP)+(SP)(SP)為棧頂?shù)刂?，為棧頂?shù)刂?，出棧后出棧?SP)+1(SP)+1尋址方式尋址方式

5、 編碼編碼 助記符助記符 定義定義100100（R R）為間接地址，）為間接地址，直接直接/ /自增型自增型雙間址雙間址101101 (R)+(R)+(PC)+(PC)+PCPC指向有效地址，指向有效地址，(R)+d(R)+d為有效地址為有效地址（R R）為操作數(shù)地址，）為操作數(shù)地址，立即立即/ /自增型自增型寄存器間址寄存器間址011011(R)+(R)+訪問(wèn)后訪問(wèn)后(R)+1(R)+1(SP)+(SP)+(SP)(SP)為棧頂?shù)刂?，為棧頂?shù)刂?，出棧后出棧?SP)+1(SP)+1(PC)(PC)為立即數(shù)地址，為立即數(shù)地址，取數(shù)后取數(shù)后(PC)+1(PC)+1訪問(wèn)后訪問(wèn)后(R)+1(R)+1

6、 (PC)+(PC)+訪問(wèn)后訪問(wèn)后(PC)+1(PC)+1變址變址/ /相對(duì)相對(duì)尋址尋址X(R)X(R)X(PC)X(PC)(PC)+d(PC)+d為有效地址為有效地址跳步跳步110110SKPSKP跳過(guò)下條指令執(zhí)行跳過(guò)下條指令執(zhí)行上述尋址方式中，上述尋址方式中， （1 1）哪一種執(zhí)行時(shí)間最短？哪一種執(zhí)行時(shí)間最短？ 寄存器尋址寄存器尋址（2 2）哪一種執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)？哪一種執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)？ 自增型雙間址、變址自增型雙間址、變址/ /相對(duì)尋址相對(duì)尋址（3 3）哪一種便于程序浮動(dòng)？哪一種便于程序浮動(dòng)？ 相對(duì)尋址相對(duì)尋址（4 4）哪一種便于提供常數(shù)？范圍哪一種便于提供常數(shù)？范圍是多少是多少？ 立即尋址、

7、立即尋址、-2-215 15 +2 +21515-1-1（5 5）指令中采用直接尋址其地址最大范圍）指令中采用直接尋址其地址最大范圍？ 0 +2 0 +21616-1-1（或或0000H0000HFFFFHFFFFH）操作碼操作碼 助記符助記符 含義含義3.3.指令類型指令類型用于數(shù)傳、堆棧、用于數(shù)傳、堆棧、I/OI/O操作操作00000000MOVMOV傳送傳送00010001ADDADD加加01010101EOREOR異或異或雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令01100110COMCOM求反求反10111011SRSR右移右移單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令11001100JMPJMP轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移1100110

8、0RSTRST返回返回11011101JSRJSR轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子問(wèn)題：采用擴(kuò)展問(wèn)題：采用擴(kuò)展操作碼方案單操操作碼方案單操作數(shù)指令可以增作數(shù)指令可以增加多少條？加多少條？0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址無(wú)條件轉(zhuǎn)無(wú)條件轉(zhuǎn)JMP JMP 寄寄 尋尋 方式方式 NZVCNZVC0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 無(wú)進(jìn)位無(wú)進(jìn)位轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(C=(C=0 0) )0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 無(wú)溢出無(wú)溢出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(V=(V=0 0) )0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 數(shù)非零轉(zhuǎn)數(shù)非零轉(zhuǎn)(Z=(Z=0 0) )0 0 1 1 0 0 0

9、 0 0 0 數(shù)為正轉(zhuǎn)數(shù)為正轉(zhuǎn)(N=(N=0 0) )1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 有進(jìn)位有進(jìn)位轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(C=(C=1 1) )1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 有溢出有溢出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(V=(V=1 1) )1 1 0 0 1 1 0 00 0 數(shù)為零轉(zhuǎn)數(shù)為零轉(zhuǎn)(Z=(Z=1 1) )1 1 1 1 0 0 00 0 0 數(shù)為負(fù)轉(zhuǎn)數(shù)為負(fù)轉(zhuǎn)(N=(N=1 1) )條件滿足，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移地址；條件不滿足，順序執(zhí)行。條件滿足，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移地址；條件不滿足，順序執(zhí)行。隱含約定：轉(zhuǎn)子時(shí)返回地址壓棧保存。隱含約定：轉(zhuǎn)子時(shí)返回地址壓棧保存。15 12 11 9 8 6 5 015 12 11 9 8 6 5 0子

10、程序入口子程序入口 RST RST SPSP （SPSP）+ + JSR JSR 寄寄 尋尋 方式方式 NZVCNZVC 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0三、模型機(jī)的組成與數(shù)據(jù)通道三、模型機(jī)的組成與數(shù)據(jù)通道 1.1.部件設(shè)置部件設(shè)置 1 1）可編程寄存器（）可編程寄存器（1616位）位）通用寄存器通用寄存器：R R0 0(000)(000)、R R1 1(001)(001)R R2 2(010)(010)、R R3 3(011)(011)3.3 CPU3.3 CPU模型模型(1) (1) 寄存器設(shè)置寄存器設(shè)置允許中斷（開(kāi)中斷）允許中斷（開(kāi)中斷） （可擴(kuò)展）（可擴(kuò)展） I N Z

11、V CI N Z V C 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0暫存器暫存器C C 2 2）非編程寄存器（）非編程寄存器（1616位）位）堆棧指針堆棧指針：SPSP(100)(100)指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器：PCPC(111)(111)程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字：PSWPSW(101)(101): :暫存來(lái)自主存的暫存來(lái)自主存的源地址源地址或或源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)。暫存器暫存器D D: :暫存來(lái)自主存的暫存來(lái)自主存的目的地址目的地址或或目的數(shù)目的數(shù)。指令寄存器指令寄存器IRIR地址寄存器地址寄存器MARMAR數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器MDRMDR: :存放現(xiàn)行指令。存放現(xiàn)行指令。實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)CPUCPU與主存的接口與主

12、存的接口SN74181 4SN74181 4片片 M M、C C0 0、S S0 0、S S1 1、S S2 2、S S3 3SN74182 1SN74182 1片片(2)(2)算邏部件設(shè)置算邏部件設(shè)置ALUALU選擇數(shù)據(jù)來(lái)源選擇數(shù)據(jù)來(lái)源( (八選一八選一) )選擇器選擇器A A選擇器選擇器B B移位器移位器: :實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)直送直送、左移左移、右移右移、字節(jié)交換字節(jié)交換2.2.總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)總線與數(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，采用為了使數(shù)據(jù)傳送控制簡(jiǎn)單、集中，采用以以ALUALU為中心的總線結(jié)構(gòu)為中心的總線結(jié)構(gòu)。 CPU CPU組成包括四個(gè)部分：組成包括四個(gè)部分：ALUALU部

13、件、寄存部件、寄存器組、內(nèi)總線、器組、內(nèi)總線、CPUCPU與系統(tǒng)總線的連接與系統(tǒng)總線的連接（1616位）位） R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 （1 1）內(nèi)總線）內(nèi)總線ALUALU為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送通路的中心；為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送通路的中心； 寄存器寄存器采用采用內(nèi)總線內(nèi)總線采用單向數(shù)據(jù)總線采用單向數(shù)據(jù)總線(16(16位位) )；分立結(jié)構(gòu)；分立結(jié)構(gòu)； R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BA

14、LUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 (2)(2)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線ABAB、DBDB、CBCB CPU CPU通過(guò)它與外部通過(guò)它與外部連接，與它的連接連接，與它的連接通過(guò)通過(guò)MARMAR、MDRMDR實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。MDRMDR輸出輸出輸出至輸出至DBDB輸出至輸出至ALUALU的的B B門門輸入輸入從內(nèi)總線輸入從內(nèi)總線輸入從從DBDB輸入輸入( (打入打入) )( (置入置入) ) R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線

15、C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 3.3.各類信息傳送途徑各類信息傳送途徑M M（1 1）指令信息）指令信息置入置入DBDBIRIR MDB IR（2 2）地址信息）地址信息 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 1 1）指令地址）指令地址2 2）指令地址加）指令地址加1 1（順序執(zhí)行）（順序執(zhí)行） PC PC AALU移位器移位器內(nèi)總線內(nèi)總線MARPCPC打入打入A AALUALU移移內(nèi)

16、內(nèi)MARMARPCPCA AALUALU移移內(nèi)內(nèi)PCPCC C0 0C C0 0打入打入 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 3 3）轉(zhuǎn)移地址）轉(zhuǎn)移地址 M IR寄存器尋址：寄存器尋址： R0 R0 BALU移位器移位器內(nèi)總線內(nèi)總線 PCRiRi打入打入B BALUALU移移內(nèi)內(nèi)PCPC寄存器間址：寄存器間址：RiRi打入打入B BALUALU移移內(nèi)內(nèi)MARMARABABM MDBDB置入置入MDRMDRB BMARMDRMD

17、R移、移、 內(nèi)內(nèi)PCPCALUALU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 IR R0 R0 BALU移位器移位器內(nèi)總線內(nèi)總線4 4）操作數(shù)地址）操作數(shù)地址寄存器尋址：寄存器尋址：RiRi寄存器間址：寄存器間址：RiRi打入打入B BALUALU移移內(nèi)內(nèi)MARMARMAR R1 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARM

18、DR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 變址變址:EA=(R)+:EA=(R)+位移量位移量 PC AALU移位器移位器內(nèi)總線內(nèi)總線MARRiRiPCPCA AALUALU移移內(nèi)內(nèi)MARMARABABM MDBDB移移內(nèi)內(nèi)C C PC MM MMDRMDR B CMDRMDRB BALUALU R0 R0 CALUALUC CA AB B移移內(nèi)內(nèi)MARMAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 （3 3）數(shù)據(jù)信息

19、的傳送）數(shù)據(jù)信息的傳送 M IR R0 R0 BALU移位器移位器內(nèi)總線內(nèi)總線1 1）R RR R： RiRi打入打入B BALUALU移移內(nèi)內(nèi)RjRjDBDBM MDBDBMDRMDRB BMDRMDR移、移、 內(nèi)內(nèi)RiRiALUALU R12 2）R RM M： RiRi打入打入B BALUALU內(nèi)內(nèi)MDRMDR3 3）M MR R：R2M M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 M IR R0 R0 BALU移位器移位器

20、內(nèi)總線內(nèi)總線6 6）M MM M： M M( (源源) )RiRiMDRMDRMDRMDRDBDB內(nèi)內(nèi)I/OI/OALUALU4 4）R RI/OI/O： C打入打入DBDBMDRMDR內(nèi)內(nèi)C CALUALU( (計(jì)算目的地址計(jì)算目的地址) )DBDBM MC CALUALU內(nèi)內(nèi)MDRMDR( (目的目的) ) C AI/O R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB內(nèi)總線內(nèi)總線 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制邏輯邏輯 M IR R0 BALU移位器移位器內(nèi)總線內(nèi)總線DBDBMDRMDRDBDBDMADMA方式：方式：I/OI/O5 5）I/OI/OR R打入打入I/OI/OMDRMDR內(nèi)內(nèi)RiRiALUALUI/O7 7）I/OI/OM MM M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0