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1、3.4 CPU模型,主要内容:, 设计CPU的步骤 通过一台模型机的设计, 深入了解和掌握CPU如何执行指令、如何产生微操作命令。,3.4.1 CPU设计的步骤,1、拟定指令系统,指令系统是CPU设计的基础。 包括拟定:,指令类型、指令功能、指令格式、寻址方式等,2、确定总体结构,主要包括:, 设置那些寄存器, 设置多少寄存器;, 采用什么运算部件;,以确定提供什么控制信号, 确定信息传送的数据通路或者采用什么样的数据通路,3、安排CPU的工作时序,规定所有的操作完成的时间和时机。,比如: 总线周期的长度、包含多少个节拍; 每条指令需要多少个总线周期、每个总线周期每个节拍包含多少工作脉冲。,规
2、定CPU的哪一步骤的工作在哪个工作周期完成等。,4、规定指令流程和微命令序列,第一步: 将指令每一步的操作(信息在寄存器之间的传送, 也称为寄存器传送级)以流程图的方式描述出来; 第二步: 结合时序, 拟定每一步操作所需要的微操作命令, 并以操作时间表的形式将微命令以及微命令产生的条件列出来。,第4步是CPU设计过程的关键步骤。,5、形成控制逻辑, 如果采用组合逻辑设计方法: 根据第4步的工作, 将微命令产生的条件进行综合、简化以后, 形成逻辑表达式, 用逻辑电路予以实现。, 如果采用微程序设计方法: 根据第4步的工作, 将对微命令进行编码, 形成微指令, 并存入到控制存储器ROM, 作为控制
3、的核心。,上述步骤中第1步和第2步与产生微命令的控制方式无关(组合逻辑控制或微程序控制) 。,3.4.2 模型机指令系统,1. 指令格式,模型机采用定长指令格式，每条指令字长16位, 占据一个存储单元。采用寄存器型寻址, 指令中给出寄存器号。,(主存容量为64K16位), 双操作数指令格式:,目的地址,源地址,单操作数指令格式:,目的地址,转移指令格式:,转移地址,转移条件,转移方式: 为“1”转移还是为“0”转移; 当第0到5位均为“0”, 表示无条件转移。,CPU可编程访问的寄存器:,寻址方式 编码 助记符 定义,2. 寻址方式,寄存器寻址,通用寄存器R、指令计数器PC、堆栈指针SP、程序
4、状态字PSW,寄存器间址,自减型寄存器间址,寻址方式 编码 助记符 定义,(PC)+,(R)为操作数地址,立即/自增型寄存器间址,011,(R)+,访问后(R)+1,(SP)+,(SP)为栈顶地址,出栈后(SP)+1,(PC)为立即数地址,取数后(PC)+1,100,(R)为间接地址,直接/自增型双间址,(R)+,PC指向有效地址,访问后(R)+1,(PC)+,访问后(PC)+1,如果指定寄存器为PC,直接/自增型双间址寻址过程示意:,寻址方式字段 Ri,Addr1,Addr2,Addr2,Data,操作数,且 (Ri)+1Ri 对字节操作,或 (Ri)+2Ri 对字操作,101,(R)+d为
5、有效地址,变址,X(R),X(PC),(PC)+d为有效地址,跳步,110,SKP,跳过下条指令执行,寻址方式 编码 助记符 定义,注: 移位量d存放在现行指令单元的下一个单元, 因此需要根据PC值来读取该移位量。,变址寻址流程的依据,操作码 助记符 含义,3. 指令类型,数据传送类指令,双操作数指令,单操作数指令,程序控制类指令,完成数据传送、堆栈、I/O操作等,说明:,包括：,采用统一编址方式, 不需要专用I/O指令, 数据传送类指令, 转移指令,指令指明转移条件和转移地址,如下图所示:,0 0 0 0 0,无条件转,0 0 0 0 1,无进位转,(C=0),0 0 0 1 0,无溢出转,
6、(V=0),0 0 1 0 0,数非零转,(Z=0),0 1 0 0 0,数为正转,(N=0),1 0 0 0 1,有进位转,(C=1),1 0 0 1 0,有溢出转,(V=1),1 0 1 0 0,数为零转,(Z=1),1 1 0 0 0,数为负转,(N=1),转移地址,寄存器号,寻址方式,转移指令的低4位中, 某一位位1, 表示对它所对应的标志位进行判断。,为1, 表示对N标志进行判断,条件满足, 转转移地址; 条件不满足, 顺序执行。,隐含约定: 转子时返回地址压堆栈保存。, 转子指令, 返回指令,采用自增型寄存器间接寻址 (SP)+,指明间址寄存器,指明自增型寄存器间址,3.4.3 模
7、型机的组成与数据通路,图3-33 模型机数据通路结构,1、部件的组成,为了使数据传送控制简单和集中, 采用: 以ALU为中心的总线结构,包括四个部分:, ALU部件, CPU与系统总线的连接, 寄存器组, 内总线, ALU为内部数据传送通路的中心;, 寄存器采用独立结构;, 内总线采用单向数据总线(16位);, 与系统总线的连接通过MAR、MDR实现。, 采用同步控制方式;,(1) 寄存器, 可编程寄存器:, 通用寄存器:,R0(000)、R1(001),R2(010)、R3(011), 堆栈指针:,SP(100), 指令计数器:,PC(111), 程序状态字:,PSW(101),条件码: C
8、=1(有进位); V=1(有溢出); Z=1(结果为0); N=1 结果为负。,中断允许标志I: 为“1”开中断,为“0”关中断。, 暂存器 C、D,从主存读取源操作数或源操作数地址, 使用暂存器C; 从主存读取目的操作数或目的操作数地址, 或者暂存运算结果,使用暂存器D;, 指令寄存器IR,存放现行指令, 指令码经数据总线直接置入IR。, 地址寄存器MAR, 数据寄存器MDR,实现CPU与主存的接口,MDR,输出时,输出至DB,输出至ALU的B选择器,输入时,从内总线输入,从DB输入(置入),上述寄存器所需控制信号设置:, R0、R1、R2、R3 : 打入脉冲CPRi, 暂存器C、D : 打
9、入脉冲CPC、CPD, MAR :,打入脉冲CPMAR, 有效时, 接收地址; 开门信号EMAR, 有效时, 输出到AB, MDR :,打入脉冲CPMDR, 上升沿将内部总线数据打入MDR; 置入信号SMDR, 将外部总线数据置入MDR; 开门信号W: 有效时, MDR输出到DB, PC、SP、PSW:,打入脉冲CPPC、CPSP、CPPSW, IR: 置入信号SIR,(2) 运算部件(16位),SN74181 4片 SN74182 1片,ALU,选择数据来源 (八选一),选择器A 选择器B,移位器(作为输出逻辑):,实现直送、左移、右移。,2. 信息通路结构及信息传输途径,控制信号:,M、S
10、0、S1、S2、S3、+1(控制初始进位C0),模型机的信息通路采用总线结构:, CPU内部总线: 采用单向数据总线, CPU外部总线(系统总线): AB、DB、CB,均采用同步控制。,M,(1) 指令信息,DB,IR,M,DB,IR,置入,(2) 地址信息,1) 指令地址,2) 指令地址加1,PC,打入,A,ALU,移,内,MAR,PC,A,ALU,移,内,PC,C0,打入,PC,PC,A,移位器,内总线,MAR,C0,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,
11、SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,3) 转移地址,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,PC,MAR,MDR,MDR,寄存器寻址:,R0,打入,B,ALU,移,内,PC,寄存器内容作为转移地址,(目标: 转移地址PC),寄存器间址:,R0,打入,B,ALU,移位器,内总线,MAR,AB,M,DB,置入,MDR,B,移位器,内部总线,PC,ALU,以寄存器内容作为地址访存, 从存储器中读出的数据作为转移地址,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,S
12、P,PSW,AB,DB,控制逻辑,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,4) 操作数地址,寄存器间址:,R0,打入,B,ALU,移,内,MAR,MAR,R1,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,变址寻址:,PC,A,ALU,移位器,内总线,MAR,PC,M,MDR,MDR,B,C,R0,R0,C,R0为变址寄存器, 取指后PC+1, 以PC值为地址读取位移量, 上图是变址流程:,R0,PC,A,ALU,移位器,内总
13、线,MAR,AB,DB,移,内总线,C,M,MDR,B,ALU,ALU,C,A,B,移位器,内总线,MAR,变址流程:,(到此, 完成了位移量送C寄存器),R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,(3) 数据信息传送,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,打入,R1,R0,B,ALU,移,内,R1,DB,M,DB,MDR,B,移位器,内总线,R2,ALU,R0,打入,B,ALU,内总线,MDR,M,R0R3 R0R3
14、C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,M(源),R0,MDR,MDR,MDR,DB,内,I/O,ALU,C,打入,DB,MDR,内,C,ALU,(计算目的地址),DB,M,C,ALU,内,MDR,(目的),C,A,I/O, 关于存储器之间的数据传送(M-M)的说明:,问题: 为什么要将从单元中取出的数据暂存到C寄存器, 然后再存入存储单元？,以下数据传送通路是否可行：,由于目的单元的寻址可能是存储器间接寻址, 从存储单元中读出的内容作为目标地址, 而该内容读出后需要存入MDR(发生覆盖), 再传送到MAR。 因此, 需要将源单元内容存入另外一个寄存器(比如C), 待目标地址计算完成存入MAR后, 再将C中的内容通过MDR存入目标单元。,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,
