罗克露计算机组成原理课件-3CPU-5设计模型机优秀PPT.ppt

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1、第六节第六节 模型机设计模型机设计设计步骤：设计步骤：拟定指令系统拟定指令系统确定总体结构确定总体结构支配时序支配时序拟定指令流程和微吩咐序列。拟定指令流程和微吩咐序列。形成限制逻辑形成限制逻辑3.6.1 3.6.1 指令系统指令系统1.1.指令格式指令格式格式、寻址方式、格式、寻址方式、指令类型设置指令类型设置寄存器、寄存器、ALUALU、数、数据通路设置据通路设置画流程图画流程图(寄存器传送级寄存器传送级)列操作时辰表列操作时辰表组：列逻辑式，形组：列逻辑式，形成逻辑电路成逻辑电路微：按微指令格式微：按微指令格式编写微程序编写微程序指令字长指令字长1616位，接受寄存器型寻址，指令中位，接

2、受寄存器型寻址，指令中给出寄存器号。给出寄存器号。（主存容量为（主存容量为64K1664K16位）位）双操作数指令格式：双操作数指令格式：4 6 3 34 6 3 3操作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式目的地址目的地址源地址源地址单操作数指令格式：单操作数指令格式：操作码操作码 （可扩展）（可扩展）寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式4 3 3 3 34 3 3 3 3目的地址目的地址转移指令格式：转移指令格式：15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 015 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0转移地址转移地址转移条件转移条件操

3、作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 方式方式 NZVC NZVCCPUCPU可编程访问的寄存器：可编程访问的寄存器：寻址方式寻址方式 编码编码 助记符助记符 定义定义2.2.寻址方式寻址方式寄存器寻址寄存器寻址通用寄存器通用寄存器R R、指令计数器、指令计数器PCPC、堆栈指针、堆栈指针SPSP、程序状态字程序状态字PSWPSW000000R R（R R）为操作数）为操作数寄存器间址寄存器间址001001（R R）（R R）为操作数地址）为操作数地址自减型寄存自减型寄存器间址器间址010010-(R)-(R)-(SP)-(SP)(R)-1(R)-1为操作数地址为操作数地址(SP)-

4、1(SP)-1为栈顶地址为栈顶地址寻址方式寻址方式 编码编码 助记符助记符 定义定义101101(PC)+(PC)+(R)+d(R)+d为有效地址为有效地址（R R）为操作数地址，）为操作数地址，马上马上/自增型自增型寄存器间址寄存器间址011011(R)+(R)+访问后访问后(R)+1(R)+1(SP)+(SP)+(SP)(SP)为栈顶地址，为栈顶地址，出栈后出栈后(SP)+1(SP)+1(PC)(PC)为马上数地址，为马上数地址，取数后取数后(PC)+1(PC)+1变址变址X(R)X(R)X(PC)X(PC)(PC)+d(PC)+d为有效地址为有效地址跳步跳步110110SKPSKP跳过下

5、条指令执行跳过下条指令执行操作码操作码 助记符助记符 含义含义3.3.指令类型指令类型用于数传、堆栈、用于数传、堆栈、I/OI/O操作操作00000000MOVMOV传送传送00010001ADDADD加加01010101EOREOR异或异或双操作数指令双操作数指令01100110COMCOM求反求反10111011SRSR右移右移单操作数指令单操作数指令11001100JMPJMP转移转移11001100RSTRST返回返回11011101JSRJSR转子转子0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0转移地址转移地址无条件转无条件转JMP JMP

6、寄寄 寻寻 方式方式 NZVC NZVC0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 无进位无进位转转(C=(C=0 0)0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 无溢出无溢出转转(V=(V=0 0)0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 数非零转数非零转(Z=(Z=0 0)0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 数为正转数为正转(N=(N=0 0)1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 有进位有进位转转(C=(C=1 1)1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 有溢出有溢出转转(V=(V=1 1)1 1 0 0 1 1 0 00 0 数为零转数为零转(Z=(Z=1 1)1 1 1 1 0 0 00

7、0 0 数为负转数为负转(N=(N=1 1)条件满足，转转移地址；条件不满足，依次执行。条件满足，转转移地址；条件不满足，依次执行。隐含约定：转子时返回地址压栈保存。隐含约定：转子时返回地址压栈保存。15 12 11 9 8 6 5 015 12 11 9 8 6 5 0子程序入口子程序入口 RSTRST SPSP （SPSP）+JSR JSR 寄寄 寻寻 方式方式 NZVC NZVC 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 03.6.2 CPU3.6.2 CPU总体结构总体结构1.1.寄存器设置寄存器设置（1 1）可编程寄存器（）可编程寄存器（1616位）位）通用寄存器通用寄存器：R R

8、0 0(000)(000)、R R1 1(001)(001)R R2 2(010)(010)、R R3 3(011)(011)允许中断（开中断）允许中断（开中断）（可扩展）（可扩展）I N Z V C I N Z V C 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0暂存器暂存器C C（2 2）非编程寄存器（）非编程寄存器（1616位）位）堆栈指针堆栈指针：SPSP(100)(100)指令计数器指令计数器：PCPC(111)(111)程序状态字程序状态字：PSWPSW(101)(101):暂存来自主存的暂存来自主存的源地址源地址或或源数据源数据。暂存器暂存器D D:暂存来自主存的暂存来自主存的目的地址

9、目的地址或或目的数目的数。指令寄存器指令寄存器IRIR地址寄存器地址寄存器MARMAR数据寄存器数据寄存器MDRMDR:存放现行指令。存放现行指令。实现实现CPUCPU与主存的接口与主存的接口SN74181 4SN74181 4片片SN74182 1SN74182 1片片2.2.算逻部件设置算逻部件设置ALUALU选择数据来源选择数据来源选择器选择器A A选择器选择器B B移位器移位器:实现实现直送直送、左移左移、右移右移、字节交换字节交换3.3.数据通路结构数据通路结构为了使数据传送限制简洁、集中，接受以为了使数据传送限制简洁、集中，接受以ALUALU为中心的总线结构。为中心的总线结构。（1

10、 1）组成）组成包括四个部分：包括四个部分：ALUALU部件、寄存器组、内总线、部件、寄存器组、内总线、CPUCPU与系统总与系统总线的连接线的连接（1616位）位）R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑（2 2）特点）特点ALUALU为内部数据传送通路的中心；为内部数据传送通路的中心；寄存器接受寄存器接受内总线接受单向数据总线内总线接受单向数据总线(16(16位位)；分立结构；分立结构；与系统总线与系统总线的连接通过的连接通过

11、MARMAR、MDRMDR实现。实现。MDRMDR输入输入输出至输出至DBDB输出至输出至ALUALU的的B B门门输出输出从内总线输入从内总线输入从从DBDB输入输入(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 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 4.4.各类信息传送途径各类信息传送途径M M（1 1）指令信息）指令信息置入置入DBDBIRIR（2 2）地址信息）地址信息 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器

12、移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 1 1）指令地址）指令地址2 2）指令地址加）指令地址加1 1PCPC打入打入A AALUALU移移内内MARMARPCPCA AALUALU移移内内PCPCC C0 0打入打入 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3 3）转移地址）转移地址寄存器寻址：寄存器寻址：R0R0打入打入B BAL

13、UALU移移内内PCPC寄存器间址：寄存器间址：R0R0打入打入B BALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB置入置入MDRMDRB B移、移、内内PCPCALUALU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 4 4）操作数地址）操作数地址寄存器间址：寄存器间址：R0R0打入打入B BALUALU移移内内MARMAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R

14、0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 变址：变址：R0R0PCPCA AALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB移移内内C CM MMDRMDRB BALUALUALUALUC CA AB B移移内内MARMAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑（3 3）数据信息）数据信息1 1）R RR R：R0R0打入打入B BALUALU移移内内R

15、1R1DBDBM MDBDBMDRMDRB B移、移、内内R2R2ALUALU2 2）R RM M：R0R0打入打入B BALUALU内内MDRMDR3 3）M MR R：M M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 4 4）M MM M：M M(源源)R0R0MDRMDRDBDB内内I/OI/OALUALU5 5）R RI/OI/O：打入打入DBDBMDRMDR内内C CALUALU(计算目的地址计算目的地址)DBDBM M

16、C CALUALU内内MDRMDR(目的目的)R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 DBDBDBDBDMADMA方式：方式：I/OI/O6 6）I/OI/OR R打入打入I/OI/OMDRMDR内内R0R0ALUALU7 7）I/OI/OM MM M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPP

17、SWABDB控制控制逻辑逻辑 5.5.微吩咐设置微吩咐设置(1)(1)数据通路数据通路 操作：操作：ALUALU功能选择：功能选择：ALUALU输入选择：输入选择：输出移位选择：输出移位选择：结果安排：结果安排：R0R0A A、R0R0B B、S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0、M M、C0C0不移、左移、不移、左移、CPR0CPR0、CPCCPC、CPMARCPMAR、R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑(2)

18、(2)访访M M、I/OI/O 操作：操作：读读 R R地址使能地址使能 EMAREMAR写写 W W置入置入MDRMDR SMDR SMDR，1 1 MARMAR向向ABAB送地址送地址0 000 00 MDRMDR与与DBDB断开断开,MARMAR与与ABAB断开断开R=1R=1读读 W=1 W=1写写置入置入IRIR SIR SIR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3.6.3 3.6.3 组合逻辑限制器设计组合逻辑

19、限制器设计1.1.时序系统时序系统（1 1）工作周期）工作周期取指周期取指周期FTFT用于指令正常执行用于指令正常执行设置设置6 6个触发器分别个触发器分别作为各周期状态标记作为各周期状态标记源周期源周期STST目的周期目的周期DTDT执行周期执行周期ETET中断周期中断周期ITITDMADMA周期周期DMATDMAT用于用于I/OI/O传送限制传送限制1 1 工作周期起先工作周期起先0 0 工作周期结束工作周期结束在整个指令周期中，任何时候必需、且只能有一在整个指令周期中，任何时候必需、且只能有一个工作周期状态标记为个工作周期状态标记为“1”“1”。1 1）取指周期）取指周期FTFT从从M

20、M取出指令并译码；取出指令并译码；公操作公操作修改修改PCPC。3 3）目的周期）目的周期DTDT4 4）执行周期）执行周期ETET取指结束时，按操作码和寻址方式取指结束时，按操作码和寻址方式(R/(R/非非R R寻址寻址)转相应工作周期。转相应工作周期。按寻址方式按寻址方式(非非R R寻址寻址)形成源地址，从形成源地址，从M M取出源操取出源操作数，暂存于作数，暂存于C C。2 2）源周期）源周期STST按寻址方式按寻址方式(非非R R寻址寻址)形成目的地址，或从形成目的地址，或从M M取出取出目的操作数，暂存于目的操作数，暂存于D D。按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作(传送、运算、

21、取转移地址传送、运算、取转移地址送入送入PCPC、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存)；后续指令地址送入后续指令地址送入MARMAR。5 5）中断周期）中断周期ITIT关中断、保存断点和关中断、保存断点和PSWPSW、转服务程序入口。、转服务程序入口。由硬件完成由硬件完成1 1）时钟周期时间：）时钟周期时间：ITIT指指CPUCPU响应中断恳求后，到执行中断服务程序前。响应中断恳求后，到执行中断服务程序前。6 6）DMADMA周期周期DMATDMAT一次从一次从M M读出，并经数据通路传送的操作；读出，并经数据通路传送的操作；或或一次数据通路传送操作；一次数据通路传送操作；或或一次向一次向M

22、M写入的操作写入的操作DMATDMAT指指CPUCPU响应响应DMADMA恳求后，到传送完一次数据。恳求后，到传送完一次数据。DMADMA限制器接管总线权，限制直传。限制器接管总线权，限制直传。（2 2）时钟周期）时钟周期(节拍节拍)T T1 1微秒微秒完成一步操作：完成一步操作：模型机以模型机以访存时间访存时间作为作为一步操作时间一步操作时间。一个总线一个总线周期等于一个时钟周期，可依据须要扩展。周期等于一个时钟周期，可依据须要扩展。由硬件完成由硬件完成2 2）时钟周期数：）时钟周期数：每个工作周期第一拍每个工作周期第一拍T=0T=0，每起先一个新节拍每起先一个新节拍T T计数，计数，工作周

23、期结束时工作周期结束时T T清清0 0。一个工作周期中的时钟数一个工作周期中的时钟数可变可变。用计数器用计数器T T限制节拍数限制节拍数每个时钟结束时设置一个脉冲。每个时钟结束时设置一个脉冲。（3 3）工作脉冲）工作脉冲P P1ST TP P打入寄存器打入寄存器进行时序转换进行时序转换（周期状态设置（周期状态设置/清除清除时钟时钟T T计数计数/清除）清除）将计数值译码，可产生节拍电位。将计数值译码，可产生节拍电位。2.2.限制流程限制流程(工作周期转换工作周期转换)FT FT双双单单转转SRSR ST STDRDR DT DT ET ET DMAT DMATDMADMA请求？请求？中断请求？

24、中断请求？IT ITSRSRDRDRY YN NY YN N3.3.指令流程图与操作时辰表指令流程图与操作时辰表（1 1）取指周期）取指周期FTFT拟定指令流程：拟定指令流程：初始化时置入初始化时置入FTFT，确定各工作周期中每拍完成的具体确定各工作周期中每拍完成的具体操作（寄存器传送级）。操作（寄存器传送级）。列操作时辰表：列操作时辰表：列出每一步操作所需的微吩咐及产列出每一步操作所需的微吩咐及产生条件。生条件。1 1）进入）进入FTFT的方式的方式FTFTS SR RD DC CQ QQ Q总清总清1 1程序正常运行时程序正常运行时同步打入同步打入FTFT。1 FT1 FTCPFTCPFT

25、2 2）流程图）流程图1 ST1 STFT0FT0：PC+1 PCPC+1 PCM IRM IR3 3）操作时辰表）操作时辰表FT0FT0：电位型微吩咐电位型微吩咐脉冲型微吩咐脉冲型微吩咐M IRM IREMAR,EMAR,R,R,SIRSIRPC+1 PCPC+1 PCPC A,PC A,A+1,A+1,DMDMCPPCCPPC1 DT1 DT1 ET1 ET或或 或或 CPFT(P)CPFT(P)CPST(P)CPST(P)CPDT(P)CPDT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)工作周期中，每拍结束时发工作周期中，每拍结束时发CPTCPT；工作周期结束时，；工作周期

26、结束时，5 5个时序打入吩咐都发。个时序打入吩咐都发。转换转换 （2 2）传送指令）传送指令FT0FT0：PC+1 PCPC+1 PCM IRM IR，1 1）流程图）流程图例例1 1：MOV R0MOV R0，R1R1；源数源数ET0ET0：R1 R0R1 R0PC MARPC MARET1ET1：例例2 2：MOV(R0),(R1)MOV(R0),(R1)；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCST0ST0：R1 MARR1 MARST1ST1：M MDR CM MDR CDT0DT0：R0 MARR0 MAR目的地址目的地址ET0ET0：C MDRC MDRET1E

27、T1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MAR例例3 3：MOV X(R0),X(R1)MOV X(R0),X(R1)；FT0FT0：M IRM IRPC+1 PCPC+1 PC形地形地取源操作数，取源操作数，暂存于暂存于C C，需需5 5步。步。PC+1 PCPC+1 PCST0ST0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR CM MDR CDT0DT0：C MDRC MDR源数源数ET0ET0：C+R1 MARC+R1 MARET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PC例例3 3：MOV X(R0),X(R

28、1)MOV X(R0),X(R1)；FT0FT0：M IRM IRM MDR CM MDR CST1ST1：ST2ST2：ST3ST3：ST4ST4：PC MARPC MARM MDR DM MDR D形地形地PC+1 PCPC+1 PCDT2DT2：DT3DT3：D+R0 MARD+R0 MAR目的地址目的地址取目的地址，取目的地址，暂存于暂存于MARMAR，需需4 4步。步。源数送存储器，源数送存储器，需需3 3步。步。FT0FT0：M IRM IR2 2）操作时辰表）操作时辰表例：例：MOV(R1)MOV(R1)，(SP)+(SP)+；SP MARSP MARM MDR CM MDR C

29、PC+1 PCPC+1 PCCPPCCPPCST0ST0：SP+1 SPSP+1 SPEMAREMAR R R SMDRSMDR MDR BMDR B 输出输出B B DMDMCPCCPCSP ASP AA+1A+1 DMDM CPSPCPSPEMAREMARPC APC A A+1A+1R RSIRSIRDMDM1 ST1 STCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)DMDM CPMARCPMAR输出输出A ASP ASP AT+1T+1CPT(P)CPT(P)T+1T+1 CPT(P)CPT(P)ST1ST1：ST2ST2：1 DT1 DTCPFT(

30、P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)ET1ET1：MDR MMDR MPC MARPC MARET2ET2：EMAREMARW WT+1T+1 CPT(P)CPT(P)DMDM CPMARCPMAR输出输出A APC APC A1 FT1 FTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)DT0DT0：R1 MARR1 MARDMDM CPMARCPMAR输出输出A AR1 AR1 AT+1T+1CPT(P)CPT(P)1 ET1 ETCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)ET0ET0：C MDRC MDRC

31、 BC B 输出输出B B DMDM CPMDRCPMDRCPT(P)CPT(P)（3 3）双操作数指令）双操作数指令取目的数，暂存于取目的数，暂存于D D。例：例：ADD X(R1),(PC)+ADD X(R1),(PC)+；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PC马上数马上数ST0ST0：PC MARPC MARST1ST1：M MDR CM MDR CST2ST2：PC+1 PCPC+1 PCDT0DT0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR DM MDR DDT2DT2：PC+1 PCPC+1 PC形式地址形式地址DT3DT3：D+R1 MARD+R1

32、MARDT4DT4：M MDR DM MDR D目的数目的数ET0ET0：C+D MDRC+D MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MAR（4 4）单操作数指令）单操作数指令FT0FT0：M IRM IR，例：例：COM-(R0)COM-(R0)；DT0DT0：R0-1 R0R0-1 R0、MARMARDT1DT1：M MDR DM MDR DET0ET0：ET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PCD MDRD MDR（5 5）转移）转移-返回指令返回指令无条件无条件转移转移SKPSKPR R（R R

33、）（R)+R)+按按R R指示从指示从M M取转移地址取转移地址,修改修改R R。（SP)+SP)+X(PC)X(PC)执行再下条指令。执行再下条指令。从从R R取转移地址。取转移地址。按按R R指示从指示从M M取转移地址。取转移地址。从堆栈取返回地址从堆栈取返回地址,修改修改SPSP。以以PCPC內容为基准转移。內容为基准转移。（RSTRST）FT0FT0：M IRM IR，例例1 1：JMP R0JMP R0；SP+1 SPSP+1 SP、MARMARM MDR PCM MDR PCET0ET0：ET1ET1：SP MARSP MARET2ET2：R0 PCR0 PCPC+1 PCPC+

34、1 PC无条件转子：无条件转子：R R（R R）（R)+R)+（SP)+SP)+（PC)+PC)+入口在入口在R R中中例例2 2：RST(SP)+RST(SP)+；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：、MARMAR例例3 3：JMP X(PC)JMP X(PC)；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：PC MARPC MARET1ET1：M MDR CM MDR C位移量位移量ET2ET2：PC+C PCPC+C PC、MARMAR（5 5）转子指令）转子指令入口在入口在M M中中入口在堆栈中入口在堆栈中SP-1 SP

35、SP-1 SPMDR MMDR MST1ST1：PC MDRPC MDR归纳微吩咐归纳微吩咐,综合化简条件综合化简条件,用组合逻辑电路实现。用组合逻辑电路实现。读令读令R R=在在STST形成子程序入口；在形成子程序入口；在ETET保存返回地址，并转保存返回地址，并转子程序入口。子程序入口。ST0ST0：、MARMAR例：例：JSRJSR（R2R2）；）；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：R2 MARR2 MARET1ET1：M MDR CM MDR C子程序子程序入口入口C PCC PC、MARMAR返回地返回地址压栈址压栈ET2ET2：ET3ET3：

36、4.4.限制逻辑限制逻辑例：例：FT0FT0+MOV(ST1+ST4+)+MOV(ST1+ST4+)CPPC CPPC=FT0FT0+P P+MOV(ST2+DT2)X P+MOV(ST2+DT2)X P+3.6.4 3.6.4 微程序限制器设计微程序限制器设计1.1.时序系统时序系统P P 微指令周期微指令周期 微指令微指令打入打入 IR二级时序：二级时序：限制数限制数据通路据通路操作操作 结果打结果打入目的入目的地，地，读取后续读取后续微指令微指令后续微后续微地址打地址打入入 AR2.2.微指令格式微指令格式按数据通路各段操作划分字段，同类操作中互斥按数据通路各段操作划分字段，同类操作中互

37、斥的微吩咐放同一字段。的微吩咐放同一字段。（1）格式）格式数据通路操作数据通路操作 协助操作协助操作 AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4依次限制依次限制 访存操作访存操作（2）各字段功能）各字段功能1）数据通路操作）数据通路操作AIAI：A输入选择输入选择 000 无输入无输入 001 Ri ARi A010 C AC A011 D AD A100 PC APC AR0R0R3R3、SPSP、PC PC AI BI SM C AI BI SM C0 0 S

38、ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4BIBI：B输入选择输入选择 000 无输入无输入 001 Ri BRi B010 C BC B011 D BD B100 MDR BMDR BSMSM：ALUALU功能选择功能选择 S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0M M C C0 0：初始进位选择初始进位选择S S：移位选择移位选择ZOZO：结果安排结果安排001 CPRi CPRi R0R0R3R3、PSW PSW R0R0R3R3、SPSP、PCPC、PSW PSW 2）访存操作）访存操作EMAREMAR

39、、R R、W W 3）协助操作）协助操作00 无操作无操作 01 开中断开中断 10 关中断关中断 11 SIR SIR AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 44）依次限制）依次限制增量增量断定断定 0000 依次执行依次执行 9种种 指明微地址形成方式指明微地址形成方式 SCSC：0001 无条件转移无条件转移 0010 按操作码分支按操作码分支 0111 转微子程序转微子程序 1000 返回微主程序返回微主程序 增量增量 断定断定 增量增量 3.3.微程序的

40、编制微程序的编制（1）编写依次）编写依次按指令执行依次编写：按指令执行依次编写：取机器指令取机器指令 SC=0000SC=0000功能转移功能转移 执行执行 按操作码编码依次，逐级分类编写：按操作码编码依次，逐级分类编写：MOVMOV指令、指令、双操作数指令、双操作数指令、单操作数指令、单操作数指令、转移指令转移指令 （2）实现分支）实现分支将同类断定依据所对应的微地址放在相应的将同类断定依据所对应的微地址放在相应的微地址微地址形成表形成表中，用中，用SCSC字段选取。（见教材字段选取。（见教材P161P161P163P163）依次执行依次执行现行微地址现行微地址+1+1SC=0001SC=0

41、001 无条件转无条件转现行微指令给出转移微地址现行微指令给出转移微地址SC=0111SC=0111 转微子程序转微子程序现行微指令给出微子程序现行微指令给出微子程序入口入口SC=1000SC=1000 返回微主程序返回微主程序 从寄存器取返回微地址从寄存器取返回微地址微地址形成表：微地址形成表：SC=0010SC=0010按操作码分支（按操作码分支（4 4路）路）表内单元地址表内单元地址SC=0011SC=0011（断定依据）（断定依据）：MOVMOV执行规定操作执行规定操作后转取指入口后转取指入口双双单元内容单元内容（微地址）（微地址）单单JMP/JSRJMP/JSR03H03H 取源数、

42、目的地取源数、目的地0CH0CH 取源数、目的数取源数、目的数24H24H 取目的数取目的数按按J J、PCPC分支分支3FH3FH按操作码按操作码 DR DR分支（分支（2424路）进入执行路）进入执行DRDRMOVMOV06H06HDRDRMOVMOV0AH0AH双双单单3DH3DHSC=0100SC=0100SC=0110SC=01101 1）取指微指令代真）取指微指令代真从从60H60H起先起先按按J J、PCPC分支（分支（4 4路）路）40H40H46H46H 顺序顺序/转移地址转移地址 PC PC SC=0101SC=0101按源寻址方式分支（按源寻址方式分支（7 7路）路）4D

43、H4DH5EH5EH按目的寻址方式分支按目的寻址方式分支（3）微指令实例）微指令实例 AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4M IRM IR：微地址微地址00000 000 000 000 00000 00000 00 00 000 1 1 0 11 000000 00 000 1 1 0 11 0000 AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1

44、1 1 2 400 00 微地址微地址01100 000100 00010010 10010 01 00 111 0 0 0 00 000001 00 111 0 0 0 00 0000PC+1 PCPC+1 PC：按操作码分支：按操作码分支：微地址微地址02000 000000 00000000 00000 00 00 000 0 0 0 00 00 00 000 0 0 0 00 001000102 2）机器指令的微程序实现）机器指令的微程序实现例：例：MOV R1MOV R1，（，（R0R0）；按流程写出微地址）；按流程写出微地址01 01 02 02 03 03 4C 4C 4E 4E

45、 4F 4F 04 04 60 60 05 05 0A 0A 0B 0B 08 08 09 09 00 00 本章小结本章小结1、建立建立CPUCPU整机概念整机概念逻辑组成逻辑组成工作机制工作机制（1）逻辑组成逻辑组成寄存器、寄存器、ALU设置，数据通路结构设置，数据通路结构（旧（旧5.4.2，新，新3.4.3）（2）工作机制工作机制寄存器传送级：寄存器传送级：微操作控制级：微操作控制级：各类指令的流程各类指令的流程微命令序列微命令序列指令的执指令的执行过程行过程（旧（旧5.5.2，新，新3.5.2）拟定流程的关键：清楚了解数据通路结构拟定流程的关键：清楚了解数据通路结构 熟练掌握基本寻址方

46、式熟练掌握基本寻址方式基本寻址方式基本寻址方式（模型机）：（模型机）：寄存器寄存器寻址寻址：R自减型寄存器间自减型寄存器间址址：（R）自增型寄存器间自增型寄存器间址址：（R）+立即寻立即寻址址：（PC）+相对寻相对寻址址：(PC)（SP）（用于入栈操作）（用于入栈操作）（SP）+（用于出栈操作）（用于出栈操作）（旧（旧5.4.1，新，新3.4.2）寄存器寄存器间址间址：（R）变址变址：(R)（1）微命令的产生方式微命令的产生方式2、有关的基本概念有关的基本概念组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式：基本思想基本思想、优缺点、应用场合、优缺点、应用场合微程序控制方式微程序控制方式：基本思想基本思想、优

47、缺点、应用场合、优缺点、应用场合（旧（旧5.5.4，新，新3.1.3、3.5.3）（旧（旧5.6.1、5.8.1，新，新3.1.3、3.6.4）（3）主机与外设的信息传送限制方式主机与外设的信息传送限制方式中断方式中断方式：DMADMA方式方式：（旧（旧5.2.2，新，新3.1.4）定义定义、流程、应用场合、流程、应用场合定义定义、流程、应用场合、流程、应用场合（2）时序控制方式时序控制方式定义、特点、应用场合定义、特点、应用场合同步控制方式同步控制方式：异步控制方式异步控制方式：定义、特点、应用场合定义、特点、应用场合（旧（旧5.3.1，新，新3.1.2）主设备、从设备主设备、从设备 第三章

48、复习提纲第三章复习提纲3.3.CPUCPU组成（重在数据通路结构）。组成（重在数据通路结构）。4.4.指令流程指令流程(寄存器传送级寄存器传送级),),操作时间表操作时间表(微命令序列微命令序列)。5.微指令设计方法微指令设计方法(分段原则、各段功能、编码方法分段原则、各段功能、编码方法)。6.基本概念：基本概念：溢出及判断方法，数的补码表示及变补，溢出及判断方法，数的补码表示及变补，对阶，规格化，对阶，规格化，同步控制与异步控制同步控制与异步控制(含义、应用场合含义、应用场合)，组合逻辑控制与微程序控制组合逻辑控制与微程序控制(基本思想、优缺点、应用场基本思想、优缺点、应用场合合)，I/O传

49、送控制方式传送控制方式(定义、应用场合定义、应用场合)，控制字，状态，控制字，状态字，程序状态字，主设备，从设备字，程序状态字，主设备，从设备等。等。1.1.四种运算方法四种运算方法(原码一位乘、补码一位乘、原码原码一位乘、补码一位乘、原码加减交替除法、补码加减交替除法加减交替除法、补码加减交替除法)的算法、规则。的算法、规则。2.2.浮点加减运算流程。浮点加减运算流程。1、分别写出下述指令流程：、分别写出下述指令流程：（1）MOV R2，(SP)+；（2）ADD X(PC)，R1；（3）JMP(R0)；2、列出指令、列出指令JMP(R0)；的取指周期和；的取指周期和执行周期的操作时辰表。假定执行周期执行周期的操作时辰表。假定执行周期结束后将进入新的取指周期。结束后将进入新的取指周期。第三章作业（二）第三章作业（二）