《计算机组成原理》第3章+CPU系统-05.ppt

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1、第三章第三章CPU系统系统3.5 组合逻辑控组合逻辑控制方式制方式第三章第三章CPU系统系统3.5.1 组合逻辑控制器的时序系统组合逻辑控制器的时序系统CPU的工作是在严格的时序控制下进行的，的工作是在严格的时序控制下进行的，通常采用通常采用3 3级时序有：级时序有：工作周期工作周期：由若干个时钟周期构成；：由若干个时钟周期构成；时钟周期时钟周期：由若干个工作脉冲构成；：由若干个工作脉冲构成；工作脉冲工作脉冲：最小的计时单位；：最小的计时单位；第三章第三章CPU系统系统1.1.工作周期工作周期模型机中设置了模型机中设置了6 6种工作状态：种工作状态：取指周期取指周期FTFT源周期源周期STST

2、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用于指令的正常执行用于指令的正常执行用于用于I/OI/O传送控制传送控制6 6种工作种工作状态状态第三章第三章CPU系统系统在模型机中设置在模型机中设置6 6个触发器分别作为周期个触发器分别作为周期的状态标志，当触发器的某位为的状态标志，当触发器的某位为1 1时，表示时，表示当前处于该位所对应的周期。显然在一个时当前处于该位所对应的周期。显然在一个时刻刻有且仅有一个有且仅有一个触发器为触发器为1 1，其余的为，其余的为0 0。取指周期取指周期(FT)(FT)从从M M中取出指令并译码，修

3、改中取出指令并译码，修改PCPC。源周期源周期(ST)(ST)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取出取出源操作数，暂存于源操作数，暂存于C C。第三章第三章CPU系统系统目的周期目的周期(DT)(DT)按寻址方式按寻址方式(非非R寻址寻址)形成目的地址，或从形成目的地址，或从M取出目的操作数，暂存于取出目的操作数，暂存于D。执行周期执行周期(ET)(ET)按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作(传送、运算、取转移传送、运算、取转移地址送入地址送入PC、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存)；后续指令地；后续指令地址送入址送入MAR。第三章第三章CPU系

4、统系统中断周期中断周期(IT)(IT)关中断、保存断点和关中断、保存断点和PSW、转服务程序入口。、转服务程序入口。IT指指CPU响应中断请求后，到执行中断服响应中断请求后，到执行中断服务程序前。务程序前。DMADMA周期周期(DMAT)(DMAT)DMAT指指CPU响应响应DMA请求后，到完成一次请求后，到完成一次数据传送的时间。数据传送的时间。DMA控制器接管总线权，控制数据直传。控制器接管总线权，控制数据直传。第三章第三章CPU系统系统2.2.时钟周期时钟周期(节拍节拍)在模型机中定义为在模型机中定义为1 1微秒微秒。3.3.工作脉冲工作脉冲模型机在每个时钟周期结束时发一个工作脉模型机在

5、每个时钟周期结束时发一个工作脉冲冲P P，作为各种同步脉冲的来源。，作为各种同步脉冲的来源。时钟周期时钟周期T T工作脉冲工作脉冲P P打入寄存器打入寄存器时序转换时序转换第三章第三章CPU系统系统3.5.2 3.5.2 指令流程与操作时间表指令流程与操作时间表FT单单DMA请求请求STDTET双双转转DMATY中断请求中断请求NITYN第三章第三章CPU系统系统控制器设计的核心是控制器设计的核心是拟定指令流程拟定指令流程与与形成形成微命令序列微命令序列。拟定指令流程拟定指令流程确定各工作周期中每拍完成的具体操作确定各工作周期中每拍完成的具体操作(寄寄存器传送级存器传送级)。微命令序列微命令序

6、列每步操作所需的微命令序列、产生条件及每步操作所需的微命令序列、产生条件及操作时序。操作时序。第三章第三章CPU系统系统1.1.取指周期取指周期FTFT初始化置入初始化置入FTFT上电初始化上电初始化复位初始化复位初始化FTDCQFTS1运行过程中同步打入运行过程中同步打入FTFT1FT(1)(1)进入进入FTFT的方式和条件的方式和条件第三章第三章CPU系统系统(2)(2)取指流程取指流程MIRPC+1PC在一个时钟周期在一个时钟周期(节节拍拍)内完成内完成第三章第三章CPU系统系统(3)(3)操作时间表操作时间表FT0电位型微命令电位型微命令脉冲型微命令脉冲型微命令M IRPC+1 PC

7、PCEMAR，R，SIRPCAA，A+1,DMA+1,DM1ST 1ST 或或1DT 1DT 或或1ET1ETCPPCCPFT()CPST()CPDT()CPET()CPT()工作周期中，每拍结束时发工作周期中，每拍结束时发CPT；工作周期结束；工作周期结束时，时，5个时序打入命令都发。个时序打入命令都发。第三章第三章CPU系统系统表中各微命令的含义：表中各微命令的含义：与访存相关的微命令与访存相关的微命令EMAREMAR：地址使能，：地址使能，MARMAR内容送入地址总线内容送入地址总线R R：读命令：读命令SIRSIR：IRIR置入命令，将数据总线上的数据送置入命令，将数据总线上的数据送入

8、入IRIR寄存器寄存器DMDM：直传命令：直传命令第三章第三章CPU系统系统控制控制CPUCPU内部数据通路操作微命令内部数据通路操作微命令PCAPCA：使：使PCPC的内容经选择器的内容经选择器A A送入送入ALUALUS S3 3S S2 2S S1 1S S0 0MCMC0 0：Page95Page95控制时序切换微命令控制时序切换微命令1ST/DT/ET1ST/DT/ET：CPFT/CPST/CPDT/CPET/CPTCPFT/CPST/CPDT/CPET/CPT：第三章第三章CPU系统系统2.MOV(2.MOV(传送传送)指令指令MOVMOV指令流程图（指令流程图（Page 132P

9、age 132）FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PC例例1 1：MOV R0MOV R0，R1R1ET0ET0：R1 R0R1 R0ET1ET1：PC MARPC MAR第三章第三章CPU系统系统FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PC例例2 2：MOV MOV（R0R0），（），（R1R1）ST0ST0：R1 MARR1 MARST1ST1：M MDR CM MDR CDT0DT0：R0 MARR0 MARET0ET0：C MDRC MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MAR源数源数目的目的地址地址第三章第三章C

10、PU系统系统FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PC例例3 3：MOV X(R0)MOV X(R0)，X(R1)X(R1)ST0ST0：PC MARPC MARST1ST1：M MDR CM MDR CST2ST2：PC+1 PCPC+1 PCST3ST3：C+R1 MARC+R1 MARST4ST4：M MDR CM MDR C;取指取指取源操作取源操作数放入数放入C C形式形式地址地址源操源操作数作数第三章第三章CPU系统系统DT0DT0：PC MARPC MARDT1DT1：PC+1 PCPC+1 PC DT2DT2：M MDR DM MDR DDT3DT3：D+R0

11、 MARD+R0 MAR取目的地址取目的地址放入放入MARMARET0ET0：C MDRC MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MAR执行执行第三章第三章CPU系统系统操作时间表操作时间表操作时间表操作时间表例例4 4：MOV(R1)MOV(R1)，(SP)+(SP)+FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCPC+1PCPC+1PCPC+1PCEMAR R SIREMAR R SIRPCA A+1 DMPCA A+1 DMCPPCCPPC 1ST 1STST0ST0：SPMARSPMARSPA DM CPMAR SPA DM CPMAR T+1T+1第三章第

12、三章CPU系统系统ST1ST1：MMDRCMMDRCEMAR R SMDREMAR R SMDRMDRB DM CPCMDRB DM CPCT+1T+1ST2ST2：SP+1SPSP+1SPSPA A+1 DM CPSPSPA A+1 DM CPSP1DT1DTDT0DT0：R1MARR1MARR1A DM CPMARR1A DM CPMAR1ET1ET第三章第三章CPU系统系统ET0ET0：CMDRCMDRCB DM CPMDRCB DM CPMDRT+1T+1ET1ET1：MDRMMDRMEMAR W EMAR W T+1T+1ET2ET2：PCMARPCMARPCA DM CPMARPC

13、A DM CPMAR1FT1FT第三章第三章CPU系统系统3.3.双操作数指令双操作数指令双操作数指令流程如图双操作数指令流程如图3-403-40所示，目的操所示，目的操作数暂存于作数暂存于D D。例：例：ADD X(R1)ADD X(R1)，(PC)+(PC)+FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCPC+1PCST0ST0：PCMARPCMARST1ST1：MMDRCMMDRC源数源数第三章第三章CPU系统系统ST2ST2：PC+1PCPC+1PCDT0DT0：PCMARPCMARDT1DT1：MMDRDMMDRD DT2DT2：PC+1PCPC+1PC DT3DT3：D+R1MARD+R

14、1MARDT4DT4：MMDRDMMDRD目的地址目的地址ET0ET0：C+DMDRC+DMDRET1ET1：MDRMMDRMET2ET2：PCMARPCMAR目的数目的数第三章第三章CPU系统系统4.4.单操作数指令单操作数指令单操作数指令流程如图单操作数指令流程如图3-413-41所示。所示。例：例：求反指令：求反指令：COM-(R0)COM-(R0)FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCPC+1PCDT0DT0：R0-1R0R0-1R0、MARMARDT1DT1：MMDRDMMDRDET0ET0：DMDRDMDRET1ET1：MDRMMDRMET2ET2：PCMARPCMAR第三章第三

15、章CPU系统系统5.5.转移指令转移指令JMP/JMP/返回指令返回指令RSTRST转移指令格式转移指令格式操作码操作码寄存器号寄存器号寻址方式寻址方式NZVC15 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说明说明：(转移条件为转移条件为1 1时时)C:进位进位 V:V:溢出溢出 Z:结果为结果为0 0 N:负负第三章第三章CPU系统系统例例1 1：JMP R0JMP R0FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCPC+1PCET0ET0：R0PCR0PC，MARMAR例例2 2：JMP X(PC)JMP X(PC)FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCP

16、C+1PCET0ET0：PCMARPCMARET1ET1：MMDRCMMDRCET2ET2：PC+CPCPC+CPC、MARMAR第三章第三章CPU系统系统例例3 3：RST(SP)+RST(SP)+FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCPC+1PCET0ET0：SPMARSPMARET2ET2：SP+1SPSP+1SPET1ET1：MMDRMMDR PCPC、MARMAR第三章第三章CPU系统系统6.6.转子指令转子指令JSRJSR例：例：JSR(R2)JSR(R2)FT0FT0：MIRMIR，PC+1PCPC+1PCST0ST0：R2MARR2MARST1ST1：MMDRCMMDRC转移地址转移地址ET0ET0：SP-1SPSP-1SP、MARMARET1ET1：PCMDRPCMDRET2ET2：MDRMMDRMET3ET3：CPCCPC、MARMAR保存返回地址保存返回地址第三章第三章CPU系统系统3.5.3 3.5.3 微命令的综合与产生微命令的综合与产生1.1.微命令逻辑条件的综合化简微命令逻辑条件的综合化简例如：例如：2.2.逻辑实现逻辑实现用门电路或用门电路或PLAPLA门阵列实现。门阵列实现。第三章第三章CPU系统系统（1 1）设计不规整）设计不规整组合逻辑方式的缺点：组合逻辑方式的缺点：（2 2）不容易修改或扩展）不容易修改或扩展