计算机组成原理JLP_3.3

1、3.3 CPU3.3 CPU模型模型一、一、CPU设计步骤设计步骤1. 拟定指令系统拟定指令系统2. 确定总体结构确定总体结构3. 安排时序安排时序4. 拟定指令流程和微命令序列。拟定指令流程和微命令序列。5. 形成控制逻辑形成控制逻辑格式、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) )列操作时间表列操作时间表组合控制：列逻辑式，形成逻辑电路组合控制：列逻辑式，形成逻辑电路微程序控制：按微指令格式编写微程序微程序控制：按微指令格式编写微程序3.3 CPU3.3 CPU模型模型二、模型

2、机的指令系统二、模型机的指令系统1.1.指令格式指令格式 指令字长指令字长1616位，采用寄存器型寻址，指位，采用寄存器型寻址，指令中给出寄存器号。令中给出寄存器号。 （主存容量为（主存容量为64K64K1616位）位） 三种指令格式：三种指令格式：(2)(2)单操作数指令格式单操作数指令格式(3)(3)转移指令格式转移指令格式(1)(1)双操作数指令格式双操作数指令格式(1)(1)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(2)(2)单操作数指令格式：单操作数

3、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(3)(3)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 NZVCNZVCCPUCPU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、

4、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)-1(SP)-1为栈顶地址为栈顶地址立即立即/ /自增型自增型寄存器间址寄存器间址011011(R)+(R)+（R R）为操作数地址，）为操作数地址，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寻址方式寻址方式

5、 编码编码 助记符助记符 定义定义100100（R R）为间接地址，）为间接地址，直接直接/ /自增型自增型双间址双间址101101 (R)+(R)+(PC)+(PC)+PCPC指向有效地址，指向有效地址，(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，立即立即/ /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)为立即数地址，为立即数地址，取数后取数后(PC)+1(PC)+1访问后访问后(R)+1(R)+1

6、 (PC)+(PC)+访问后访问后(PC)+1(PC)+1变址变址/ /相对相对寻址寻址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跳过下条指令执行跳过下条指令执行上述寻址方式中，上述寻址方式中， （1 1）哪一种执行时间最短？哪一种执行时间最短？ 寄存器寻址寄存器寻址（2 2）哪一种执行时间最长？哪一种执行时间最长？ 自增型双间址、变址自增型双间址、变址/ /相对寻址相对寻址（3 3）哪一种便于程序浮动？哪一种便于程序浮动？ 相对寻址相对寻址（4 4）哪一种便于提供常数？范围哪一种便于提供常数？范围是多少是多少？ 立即寻址、

7、立即寻址、-2-215 15 +2 +21515-1-1（5 5）指令中采用直接寻址其地址最大范围）指令中采用直接寻址其地址最大范围？ 0 +2 0 +21616-1-1（或或0000H0000HFFFFHFFFFH）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1100110

8、0RSTRST返回返回11011101JSRJSR转子转子问题：采用扩展问题：采用扩展操作码方案单操操作码方案单操作数指令可以增作数指令可以增加多少条？加多少条？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 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC0 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

9、 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 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，顺序执行。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

10、程序入口子程序入口 RST RST SPSP （SPSP）+ + JSR JSR 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0三、模型机的组成与数据通道三、模型机的组成与数据通道 1.1.部件设置部件设置 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 R0 0(000)(000)、R R1 1(001)(001)R R2 2(010)(010)、R R3 3(011)(011)3.3 CPU3.3 CPU模型模型(1) (1) 寄存器设置寄存器设置允许中断（开中断）允许中断（开中断） （可扩展）（可扩展） I N Z

11、V CI 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

12、存的接口SN74181 4SN74181 4片片 M M、C C0 0、S S0 0、S S1 1、S S2 2、S S3 3SN74182 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( (八选一八选一) )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2.2.总线与数据通路结构总线与数据通路结构 为了使数据传送控制简单、集中，采用为了使数据传送控制简单、集中，采用以以ALUALU为中心的总线结构为中心的总线结构。 CPU CPU组成包括四个部分：组成包括四个部分：ALUALU部

13、件、寄存部件、寄存器组、内总线、器组、内总线、CPUCPU与系统总线的连接与系统总线的连接（1616位）位） R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 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）内总线）内总线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； 寄存器寄存器采用采用内总线内总线采用单向数据总线采用单向数据总线(16(16位位) )；分立结构；分立结构； R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BA

14、LUR2 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)系统总线系统总线ABAB、DBDB、CBCB CPU CPU通过它与外部通过它与外部连接，与它的连接连接，与它的连接通过通过MARMAR、MDRMDR实现。实现。MDRMDR输出输出输出至输出至DBDB输出至输出至ALUALU的的B B门门输入输入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 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线

15、C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3.3.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 MDB IR（2 2）地址信息）地址信息 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 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 1（顺序执行）（顺序执行） PC PC AALU移位器移位器内总线内总线MARPCPC打入打入A AALUALU移移内

16、内MARMARPCPCA AALUALU移移内内PCPCC C0 0C C0 0打入打入 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 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 M IR寄存器寻址：寄存器寻址： R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线 PCRiRi打入打入B BALUALU移移内内PCPC寄存器间址：寄存器间址：RiRi打入打入B BALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB置入置入MDRMDRB BMARMDRMD

17、R移、移、 内内PCPCALUALU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线4 4）操作数地址）操作数地址寄存器寻址：寄存器寻址：RiRi寄存器间址：寄存器间址：RiRi打入打入B BALUALU移移内内MARMARMAR R1 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARM

18、DR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 变址变址:EA=(R)+:EA=(R)+位移量位移量 PC AALU移位器移位器内总线内总线MARRiRiPCPCA AALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB移移内内C C PC MM MMDRMDR B CMDRMDRB BALUALU R0 R0 CALUALUC 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 BALUR2 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

19、的传送）数据信息的传送 M IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线1 1）R RR R： RiRi打入打入B BALUALU移移内内RjRjDBDBM MDBDBMDRMDRB BMDRMDR移、移、 内内RiRiALUALU R12 2）R RM M： RiRi打入打入B BALUALU内内MDRMDR3 3）M MR R：R2M M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 M IR R0 R0 BALU移位器移位器

20、内总线内总线6 6）M MM M： M M( (源源) )RiRiMDRMDRMDRMDRDBDB内内I/OI/OALUALU4 4）R RI/OI/O： C打入打入DBDBMDRMDR内内C CALUALU( (计算目的地址计算目的地址) )DBDBM MC CALUALU内内MDRMDR( (目的目的) ) C AI/O R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 M IR R0 BALU移位器移位器内总线内总线DBDBMDRMDRDBDBDMADMA方式：方式：I/OI/O5 5）I/OI/OR R打入打入I/OI/OMDRMDR内内RiRiALUALUI/O7 7）I/OI/OM MM M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0