计算机组成原理和结构图式（第三章 CPU子系统—CPU模型的设计）

计算机组成原理和结构图式（第三章 CPU子系统—CPU模型的设计）

 CPU设计步骤

1、拟定指令系统

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•  字长16位，寄存器型寻址方式一个地址码6位（寻址方式3位+寄存器类3位）
  • 地址码位由寄存器种类决定：R成对、SP、PC、PSW，2^2<5<2^3
  • 最多2地址
  • 操作码最短4位，最长16位

2、确定总体结构

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各类信息传送途径

（1）指令信息　　

（2）地址信息

1)指令地址　　

　　　　　　　　

2)指令地址加一　　

　　　　　　　　

3)转移地址　　

　　　　　　　　

4)操作数地址　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　变址指令比其他指令(1内存)多1个内存单位,共2内存单位

　　　　　　　　常数值不适用立即寻址(不便更改),使用直接寻址(M中)

(3)数据信息　　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　

PS：

• 微命令控制器EMAR，使……输出有效
• 微命令
  • 打入—内总线CP
  • 置入—系统总线S
  • CPMDR、CPMAR、CPR
  • SMDR、SIR
• 内总线都是单向的
• 系统总线呈广播态

3、（组合逻辑）安排时序——组合逻辑控制

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一、组合逻辑控制器的时序系统 

三级时序：工作周期、时钟周期、工作脉冲

工作周期>节拍>脉冲

（1）工作周期划分

在整个指令周期中，任何时候必须、且只能有一 个工作周期状态标志为“1”。

1. 取指周期(FT)
   • 从M取出指令并译码，修改PC。　　——公共操作

   • 取指结束时，按操作码和寻址方式(R/非R寻址) 转相应工作周期。

2. 源周期(ST)

   • 按寻址方式(非R寻址)形成源地址，从M取出源操 作数，暂存于C。

3. 目的周期(DT)

   • 按寻址方式(非R寻址)形成目的地址，或从M取出 目的操作数，暂存于D。

4. 执行周期(ET)

   • 按操作码完成相应操作(传送、运算、取转移地址 送入PC、返回地址压栈保存)；

   • 后续指令地址送入MAR。

5. 中断周期(IT)

   • IT指CPU响应中断请求后，到执行中断服务程序前.

   • 关中断、保存断点和PSW、转服务程序入口。

6. DMA周期(DMAT)

   • DMAT指CPU响应DMA请求后，到完成一次数据传送的时间。

   • DMA控制器接管总线权，控制数据直传。（由硬件完成）

（2）时钟周期（节拍）

灵魂之文1：

⭐⭐⭐⭐⭐

==》M->MDR->C不可以拆成两个节拍

==》C->MDR, MDR->M不可以合成两个节拍

设置一个总线周期的长度等于一个时钟周期，可根据需要扩展。

2）时钟周期数：一个工作周期中的时钟数可变。为工作周期划分单位。

用计数器T控制节拍数，将计数值译码，可产生节拍电位。

• 每个工作周期第一拍 T=0
• 每开始一个新节拍T计数
• 工作周期结束时T清零

（3）工作脉冲P

每个时钟周期结束时设置一个脉冲。

二、CPU控制流程

三、指令流程图与操作时间表

拟定指令流程：确定各工作周期中每拍完成的具体操作（寄存器传送级）。

列操作时间表：列出每一步操作所需的微命令及产生条件。

（1）取指周期FT

1）进入FT的方式

• 初始化时置入FT

• 程序正常运行时同步打入FT

2）流程图

3）操作时间表

灵魂之文2：工作周期中，每拍结束时发CPT；工作周期结束时，5个时序打入命令都发。 

（2）传送指令

1）流程图

易忘：PC—>MAR

2）操作时间表

（3）双操作数指令

取目的数，暂存于D。

（4）单操作数指令

例：COM — (R0)

（5）转移-返回指令

例1：JMP R0；

例2：RST (SP)+；

例3：JMP X(PC)；

（5）转子指令

4、控制器原理

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（1）组合逻辑控制器原理

1）组合逻辑控制方式的基本思想

综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式， 用组合逻辑电路实现；

执行指令时，由组合逻辑电路在相应时间发 出所需微命令，控制有关操作。

2）控制器组成（不用记）

1. 微命令发生器

   • 功能：产生全机所需的各种微命令

     • 电位型

     • 脉冲型

2. 指令计数器PC
   • 功能：指示指令在M中的位置。
   • 
3. 指令寄存器IR
   • 功能：存放现行指令
   • 
4. 状态寄存器PSW

   • 指示程序运行方式，反映程序运行结果。

   • （不用记）
5. 时序电路
   • 功能：控制操作时间和操作时刻
   • 

3）控制器工作过程

1. 取指令
   • 
2. 取数：按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器取数。
3. 执行：按操作码对数据进行运算处理。

4）组合逻辑控制方式的优缺点及应用

优缺点

• 产生微命令的速度较快。

• 设计不规整，设计效率较低；

• 不易修改、扩展指令系统功能。

应用场合：用于高速计算机，或小规模计算机。

（2）微程序控制器原理

1）基本思想：

• 一条机器指令（MOV、MAL）对应一段微程序
  • 一段微程序由若干微指令构成
• 一个（一步）操作（M->MDR->C）对应一条微指令
  • 一条微指令由若干微命令（EMAR、R、STR）组成

• 微程序事先存放在控制存储器中，执行 机器指令时再取出。

2）组成原理

• 易考
  • CM只存放微命令，不存放机器指令，机器指令存放于主存
  • CM在CPU，不再M　
  • 取指是微命令　
• 主要部件
  • 控制存储器　CM
    • 功能：存放微命令
  • 微指令寄存器　μIR
    • 功能：存放现行微指令
    • 微命令字段
    • 微地址字段（与PC不同）

  • 微地址形成电路

    • 功能：提供两类微地址

    • 微程序入口地址：由机器指令操作码形成。

    • 后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。

3)工作过程

提去公因式----公共操作

"首条微指令"----实际上是第二条

返回----回到公共操作--取址上

• 微程序执行过程

  • (1) 取机器指令->IR

  • (2) 转微程序入口 取首条微指令到uIR

  • (3) 执行首条微指令

  • (4) 取后续微指令到uIR

  • (5) 执行后续微指令

  • (6) 微程序执行完, 返回CM

  • 

4)微程序控制方式优缺点及应用

• 优点

  • 设计规整，设计效率高；

  • 易于修改、扩展指令系统功能；

  • 结构规整、简洁，可靠性高；

  • 性价比高。

• 缺点
  • 速度慢----访存频繁,转移较多

  • 执行效率不高----未充分发挥数据 通路本身具有的 并行能力

• 应用范围

  • 用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。

5、微程序控制

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（1）基本原理

• 微命令的产生方式

• 微程序与机器指令的对应关系

(2)机器指令的微程序实现

• 查表,根据表的指示取地址和操作
• 若没有,写......写上一层指令中的下一条指令
• 目的操作中MOV.DR为寄存器型,MOV.DR非为非寄存器型

1.时序系统（了解即可）

2.微指令格式

• 同类操作中互斥的微命令放同一字段

1）格式（格式不计，各字段功能要记）

2）各字段功能

1》数据通路操作

AI（3位）：A输入选择 例（自己编）：000 R1-》A

BI（3位）

SM（5位）：ALU功能选择 S3S2S1oM

S：移位选择

ZO：结果分配

2》访存操作：EMAR、R、W

3》辅助操作 ST

• 00 无操作
• 01 开中断
• 10 关中断
• 11 SIR

4》顺序控制：指明微地址形成方式

• SC：
  • 0000 顺序执行（增量）
  • 0001 无条件转移（增量）
  • 0010 按操作码分支（断定）
  • ……（断定）
  • 0111 转微子程序（增量）
  • 1000 返回微主程序（增量）

3.微程序编制（不要求）