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1、本资料来源,2,计算机组成原理与汇编语言程序设计 （第2版）,第 3 章 微体系结构 CPU组织 (2),3,第3节 CPU模型机的组成及其数据通路,3.3.1 基本组成 P98,模型机数据通路结构图,4,3.3.1 基本组成,1寄存器,（1）可编程寄存器,通用寄存器有4个：R0、R1、R2、R3；堆栈指针为SP；程序状态字寄存器为PSW；程序计数器为PC。,（2）暂存器,暂存器有3个：C、D、Z 。,（3）指令寄存器IR,指令寄存器IR用来存放当前正在执行的一条指令。,（4）与主存接口的寄存器MAR、MDR,CPU对主存的控制信号有两个：读信号RD控制对主存的读操作；写信号WR控制对主存的写
2、操作。,P98,5,2运算部件,ALU的输入A来自暂存器D，输入B来自ALU总线，运算结果输出到Z 。控制ALU运算的控制信号有：ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、NEG、A+1、A-1、B+1、B-1，它们分别控制ALU完成加、减、与、或、异或、求负、求反等运算。,3总线与数据通路结构,（1）ALU 总线,CPU内部采用单总线结构，即设置一组ALU总线（也称为CPU内总线），由16根双向数据传送线组成，ALU和所有寄存器通过这组公共总线连接起来。,（2）系统总线,模型机的CPU、存储器及I/O设备分别挂接在一组系统总线上。系统总线包括：16根地址总线、16根数据总线，以及控制总线
3、。为简单起见，模型机采用同步控制方式。,P99,6,4控制器及微命令的基本形式,（1）微命令的基本形式,在模型机中，微命令有两种形式。, 电位型微命令,各寄存器输出到ALU总线的控制信号：R0OUT、R1OUT、 PCOUT、SPOUT、MDROUT等。 ALU运算控制信号：ADD、SUB、AND、OR、XOR等。 暂存器D的左移/右移控制信号：SAL、SAR。 程序计数器PC的计数控制信号：PC+1。 MAR和MDR输出到系统总线的控制信号:EMAR,EMDR。 寄存器置入控制信号有：SMDR、SPSW。 主存的读/写信号有：RD、WR。, 脉冲型微命令,脉冲型微命令(寄存器打入脉冲）：CP
4、R0、CPR1、CPPC、CPIR、CPSP、CPMAR、CPMDR等。,P100,7,（2）控制器,传统控制器的主要部件包括：指令寄存器IR、指令译码器、程序计数器PC、状态字寄存器PSW、时序系统和微操作信号发生器。,定义：控制器是整机的指挥中心，其基本功能就是执行指令，即根据指令产生控制信号序列以控制相应部件分步完成指定的操作。,P100,8,3.3.2 数据传送,1寄存器之间的数据传送,在模型机中，寄存器之间可直接通过ALU总线传送数据，具体传送由输出门和打入脉冲控制。,例如 ：把寄存器R1的内容传送到寄存器R3，即实现传送操作R1R3所需控制信号为R1OUT、CPR3,P101,9,
5、2主存数据传送到CPU（读）,主存与CPU之间通过系统总线传送数据。, PCMAR；PC(指令地址)送存储器地址寄存器,实现PCMAR的控制信号：PCOUT、CPMAR。,实现读操作MMDR的控制信号：EMAR、RD、SMDR； 实现MDRIR的控制信号：MDROUT、CPIR。,例如：要从存储器中取指令到指令寄存器IR，通过以下操作序列即可实现：, MMDRIR ；从选中存储器中读指令到IR,10,3CPU数据传送到主存（写）, R1MAR ；地址送MAR,例如：在R2中存放需写入主存的数据，存储单元地址在 R1中，则写一个数据到存储器可通过以下操作序列实现：,实现写操作MDRM的控制信号为
6、EMAR、EMDR、WR, MDRM ；数据写入选中的主存, R2MDR ；数据送MDR,实现R1MAR的控制信号：R1OUT、CPMAR。,实现R2MDR的控制信号为R2OUT、CPMDR。,11,4执行算术或逻辑操作,R1D；把R1的内容先送到寄存器D,例如：完成“把寄存器R1和R2的内容相加，结果送到R3”这个功能，需要分成3步执行：,实现ZR3的控制信号：ZOUT、CPR3。,P102, D+ R2Z；R2内容送到ALU的B端与D内容通过ALU 相加，结果送Z, ZR3；将存放在Z中的相加结果送入R3中,实现R1D的控制信号：R1OUT、CPD。,实现D + R2MDR的控制信号：R2
7、OUT、ADD 、CPZ。,12,第四节 组合逻辑控制器原理 P102,组合逻辑控制器是指产生控制信号（即微命令）的部件，是用组合逻辑线路来实现。在模型机中有几十个微命令，则每个微命令都需要一组逻辑门电路，根据相应的逻辑条件（如指令的操作码、寻址方式、时序信号等）产生该微命令。,本节先介绍模型机的指令系统，然后假设模型机采用的是组合逻辑控制器，讨论其时序系统、指令执行流程及微命令的产生与综合。,组合逻辑控制器一旦制造后，逻辑电路之间的关系就固定了，不易改动，所以组合逻辑控制器又称为硬连逻辑控制器。,13,3.4.1 模型机的指令系统,1指令格式（16位）,（1）双操作数指令：其格式如下图所示,
8、第1215位表示操作码，第611位为源操作数地址段，第05位为目的操作数地址段，在每个地址段字段中又分为两部分，其中3位表明寻址方式类型，另外3位给出所指定的寄存器编号。,14,（1）双操作数指令格式,可编程寄存器有7个（留有一种编码未用，留作扩展） ，地址段编号如下： 通用寄存器R0R3 000011 堆栈指针SP 100 程序状态字PSW 101 程序计数器PC 111,15,（2）单操作数指令,第05位为地址字段，第611位空闲不用， 也可供扩展操作码用。,16,（3）转移指令,第1215位为操作码，第611位给出转移地址字段（也分为寻址方式与寄存器号两部分）。 第05位则为转移条件字段
9、。其中，第03位中有一位为1，表明转移条件进位C、溢出V、结果为零Z、结果为负N。第5位表明转移方式，若为0，表示相关标志位为0转移；若为1，表示相关标志位为1转移。若第05位全为0，表示无条件转移。,17,2寻址方式,模型机的编址为按字编址，字长16位，即主存每个单元16位。采用简单变字长指令格式，指令长度可为16位、32位（指令中含立即数或一个操作数地址）或48位（含2个操作数地址），操作数字长16位。模型机寻址方式 如下表：,P103,18,3操作类型,操作码共4位，现设置14种指令，余下两种操作码组合可供扩展。,（1）传送指令,MOV传送，操作码0000。,（2）双操作数算术逻辑指令,
10、ADD加，操作码0001（带进位）。 SUB减，操作码0010（带进位）。 AND逻辑与，操作码0011。 OR 逻辑或，操作码0100。 EOR逻辑异或，操作码0101。,（3）单操作数算术逻辑指令,COM求反，操作码0110。 NEG求补，操作码0111。 INC加1，操作码1000。 DEC减1，操作码1001。 SL 左移，操作码1010。 SR 右移，操作码1011。,19,（4）程序控制类指令, 转移指令JMP，操作码1100（结合标志位）。,如上表所示，JMP指令第30位选择一位为1，表明以PSW中的某一特征作为转移条件。因此，JMP指令第30位的含义与PSW第30位含义分别相对
11、应。例如PSW第0位是进位位C，而转移指令第0位若为1，则表明以进位状态为转移条件。JMP指令第5位（IR5）决定转移条件为0转，还是为1转。若JMP指令第50位全为0，则表示无条件转移。,20, 返回指令RST，操作码1100。,RST指令与JMP指令的操作码相同，可视为一条指令。RST指令只能采用自增型寄存器间址表明转移地址，并指定寄存器为SP，即寻址方式为（SP）+。它从堆栈中取出返回地址，然后修改堆栈指针SP+1。实际上，“JMP（SP）+”指令就是一条RST指令。, 转子指令JSR，操作码1101。,执行JSR指令时，先将返回地址压栈保存，然后按寻址方式找到转移地址（即子程序入口地址
12、），将它送入PC中。,21,3.4.2 模型机的时序系统 P106,组合逻辑控制器依靠不同的时间标志，使CPU分步工作。模型机采用前述的三级时序系统，即将时序信号分为工作周期、节拍（时钟周期）和工作脉冲。,1工作周期划分,（1）取指周期FT,在取指周期FT中完成取指所需的操作,（2）源周期ST,如果需要从主存中读取源操作数，则进入ST。,（3）目的周期DT,如果需要从主存中读取目的地址或目的操作，则进入DT。,（4）执行周期ET,在取得操作数后，则进入ET，在ET中将依据IR中操作码执行相应操作，如传送、算术运算、逻辑运算、获得转移地址等,（5）中断响应周期IT,（6）DMA传送周期DMAT,
13、22,中断响应周期IT,DMA传送周期DMAT,中断方式：由于某些异常情况或特殊请求，引起CPU暂停执行当前程序，转去执行中断处理子程序，以处理这些情况或请求，等处理完后又返回原程序断点继续执行，这一过程就称为中断。,CPU在响应中断请求之后，进入中断响应周期IT。在IT中将直接依靠硬件进行关中断、保存断点、转处理程序入口等操作。IT结束后，进入取指周期FT，开始执行中断处理程序。,DMA（Direct Memory Access）即直接访存方式：其基本思想是在主存储器和I/O设备之间建立直接的数据传送通路，由专门的DMA控制器控制主存和I/O设备间的数据传送，在传送时不需CPU干预。由于传送
14、过程完全由硬件实现，所花费的时间短，因此能满足高速数据传送的需要。,CPU响应DMA请求之后，进入DMAT。在DMAT中，CPU交出系统总线的控制权，即MAR、MDR与系统总线脱钩（呈高阻态）。改由DMA控制器控制系统总线，实现主存与外围设备间的数据直接传送，因此对CPU来说，DMAT是一个空操作周期。,23,FT,ST,DT,IT,ET,DMAT,DMA请求？,中断？,Y,Y,N,N,CPU控制流程,例. 双操作数指令的两个操作数均在主存中,工作周期变化为:,FTSTDTET（FT）,例. 单操作数指令的操作数在主存中,工作周期变化为:,FTDTET（FT）,例. 双操作数指令的操作数均在C
15、PU寄存器中,工作周期变化为:,FTET（FT）,左图描述了指令执行时工作周期状态变化流程。,P107,24,2节拍（时钟周期）T,每个工作周期的操作一般需要分成若干步完成，为此将工作周期划分成若干节拍。,在模型机中，为了简化时序控制，将CPU内部操作与访问主存的操作统一考虑。节拍宽度为最长微操作所需的时间，即访问主存操作所需的时间。,3工作脉冲 P,在节拍中执行的有些操作需要同步定时脉冲，如将稳定的运算结果打入寄存器、周期状态切换等。为此，模型机在每个节拍的末尾发一个工作脉冲P，作为各种同步脉冲的来源，如左图。,工作脉冲P的前沿：作为打入寄存器的定时信号，它标志着一次数据通路操作的完成。 P
16、的后沿：作为节拍、工作周期切换的定时信号，在此刻对节拍计数器T计数、打入新的工作周期状态。,25,3.4.3 指令流程 P108,分析指令流程是为了在寄存器这一层次分析指令的读取与执行过程，也就是讨论CPU的工作机制。,1取指周期FT,（1）进入FT的条件,初始化时置入FT，,程序正常运行时同步打入FT。,1,CPFT,取指周期状态触发器,产生控制信号1FT的逻辑条件如下：,1FT= ET（1IT1DMAT）+ IT + DMAT（1IT1DMAT）,26,（2）取指流程,PCMAR,MMDRIR PC+1PC,FT0,FT1,（3）微操作时间表,P109,27,2MOV指令,1)取指令周期和取源操作数周期流程图,FT,ST0,ST1,ST2,ST3,ST4,R,(R
