ASIC设计理论与实践-第3章

1、ASIC设计理论与实践第3章 中央处理器本章主要内容安排CPU概述CPU指令系统指令基本格式指令分类寻址方式指令周期第1章 ASIC概述2本章主要内容安排CPU的功能实现存储器程序计数器指令寄存器地址多路选择器算术逻辑单元累加器状态控制器CPU第3章 中央处理器3CPU概述中央处理器（Central Processing Unit，CPU），计算机系统的核心部件，是由数量众多的晶体管组成的超大规模集成电路，控制着整个计算机的运行。CPU通过执行程序中指定的指令来完成实际的工作。第3章 中央处理器4CPU执行指令步骤第3章 中央处理器5取指令：根据指令所处的存储器单元地址（由程序计数器提供），从

2、存储器中取出所要执行的指令。分析指令：对取出的指令进行译码分析。根据指令操作码的分析，产生相应操作的控制电位，去参与形成该指令功能所需要的全部控制命令；根据寻址方式的分析和指令功能要求，形成操作数的有效地址，并按此地址取出操作数据（算术逻辑指令），或者形成转移地址（转移类指令），以实现程序转移。执行指令：根据指令功能，执行指令所规定的操作，并根据需要保存操作结果。CPU指令系统第3章 中央处理器6指令是规定计算机执行特定操作的命令。指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性，决定了一个CPU能够运行什么样的程序，执行什么样的指令。指令系统反映了计算机具有的基本功

3、能，是计算机系统硬件、软件的主要分界面。 指令基本格式第3章 中央处理器7指令一般由两部分组成：操作码字段和地址码字段。操作码：指令系统的每一条指令都有一个操作码，是指明指令操作性质的命令码。不同的操作码代表不同的指令，并且每一个规定的操作码与每一条指令一一对应。指令系统中的地址码用来描述该指令的操作对象。操作码字段7:5地址码字段4:0指令分类第3章 中央处理器8HLT 指令停止指令是空操作，使程序停止运行，CPU处于暂停状态，不执行任何操作，属于程序中断指令。HLT的操作码为000，即没有操作数。000地址码指令分类第3章 中央处理器9SKZ 指令SKZ指令是先判断ALU中的结果是否为0，

4、如果是0则跳过下一条语句继续执行，如果是1则执行下一条语句。SKZ属于转移指令中的条件转移指令，只有满足ALU当前结果为0的条件才能转移，SKZ操作码为001。001地址码指令分类第3章 中央处理器10ADD 指令ADD指令是将累加器中的值与地址所指的存储器或者端口的数据相加，结果送回累加器中。ADD指令属于算术逻辑指令中的算术指令，其操作数为010。 010地址码指令分类第3章 中央处理器11AND指令AND指令是将累加器的值与地址所指的存储器或端口的数据相与，结果送回累加器中。AND指令属于算术逻辑运算指令中的逻辑运算指令，逻辑运算指令进行的是二进制数据的按位运算，AND指令是当两个操作数

5、的对应的位都为1时，最后该位的操作结果才为1。AND指令的操作码为011。 011地址码指令分类第3章 中央处理器12XOR指令XOR指令是将累加器的值与指令中给出地址的数据异或，结果送回累加器中。XOR指令属于算术逻辑运算指令中的逻辑运算指令。XOR指令的操作码为100。100地址码指令分类第3章 中央处理器13LDA指令LDA指令是将指令中给出地址的数据放入累加器。LDA指令是数据转移指令，其操作码是101101地址码指令分类第3章 中央处理器14STO指令STO指令是将累加器中的数据放入指令中给出的地址。STO指令是数据转移指令，其操作码是110 110地址码指令分类第3章 中央处理器1

6、5JMP指令JMP指令是将跳转至指令给出的目的地址继续执行。JMP指令是转移指令中的无条件转移指令，其操作码是111。111地址码寻址方式第3章 中央处理器16操作数寻址立即寻址方式直接寻址方式间接寻址方式寄存器寻址方式基址寻址方式变址寻址方式相对寻址方式指令寻址顺序寻址方式跳跃寻址指令寻址第3章 中央处理器17顺序寻址方式从存储器取出第一条指令并执行，接着从存储器中取出第二条指令并执行，以此列推，顺序执行程序的过程叫做指令的顺序寻址方式。指令寻址第3章 中央处理器18跳跃寻址方式指令的跳跃寻址方式是指下一条指令的地址码不是程序计数器给出，而是由本条指令给出。程序跳跃过将继续按照新的指令地址开

7、始顺序执行，指令计数器的内容也必须相应改变，以便及时跟踪新的指令地址。操作数寻址第3章 中央处理器19立即寻址方式指令的地址字段指出的不是通常的地址，而是操作数本身，这种寻址方式称为立即寻址方式。由于操作数是指令的一部分，不便于修改，所以立即寻址方式适用于操作数固定的情况。直接寻址方式直接寻址方式是指在指令的地址字段中直接指出操作数在存储器中的地址。 操作数寻址第3章 中央处理器20间接寻址方式间接寻址方式是指指令地址码字段所指向的存储单元中存储的不是操作数本身，而是操作数的地址。操作数寻址第3章 中央处理器21寄存器寻址方式寄存器寻址方式是指指令的地址码是寄存器的编号，不是操作数或者操作数地

8、址。寄存器寻址方式又分为直接寻址和间接寻址。寄存器直接寻址寄存器间接寻址操作数寻址第3章 中央处理器22基址寻址方式专门设置一个基址寄存器或者指定一个通用寄存器作为基址寄存器。基址寻址方式是将基址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成有效地址。操作数寻址第3章 中央处理器23变址寻址方式变址寻址方式计算有效地址的方法与基址寻址类似，但是变址寻址方式是将指令中的形式地址作为基准地址，变址寄存器的内容作为修改量，来得到有效地址相对寻址方式相对寻址方式是相对于当前的指令地址而言的寻址方式。相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址，而程序计数器的内容即时当前指令的地址

9、。指令周期第3章 中央处理器24指令周期：CPU取出一条指令并执行该指令所需要的时间称为指令周期。指令周期的长短与指令的复杂度有关。CPU周期：指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次主存所花的时间较长，因此通常用从主存读取一条指令的最短时间来规定CPU周期，CPU周期也称为机器周期。时钟周期：一个CPU周期包含有若干个时钟周期。时钟是处理操作的最基本的单位。一个CPU周期的时间宽度由若干个时钟周期的总和决定。CPU功能实现第3章 中央处理器25 CPU的作用是协调并控制计算机的各个部件并执行程序的指令序列，使其有条不紊的进行。因此CPU必须有以下

10、几个模块：存储器程序计数器指令寄存器地址多路选择器算术逻辑单元累加器状态控制器存储器第3章 中央处理器26CPU的主要任务就是执行指令，所以在设计CPU之前，首先应设计一个存储单元来存储指令系统中的指令，即存储器。存储器有读数据和写数据的功能，但是何时读数据或写数据是由控制器决定。 程序计数器第3章 中央处理器27每次CPU重新启动将从存储器的零地址开始读取指令并执行。当顺序执行完一条指令时，程序计数器中的地址pc_addr已被增加2（因为8位RISC_CPU的每条指令占2个字节），指向下一条指令。如果正执行的指令是转移语句，这时CPU状态控制器将会输出ld_pc信号，通过load口将指令地址

11、送入程序计数器中。程序计数器（pc_addr）将装入目标地址（ir_addr），而不是自增2。指令寄存器第3章 中央处理器28存储器用来存储指令系统中的所有指令，通过程序计数器PC提供指令地址，在执行指令时需要根据提供的地址将要执行的指令取出，所以需要一个寄存器单元可以暂时存放当前正在执行的指令，即IR。地址多路选择器第3章 中央处理器29指令寄存器需要通过程序计数器提供的指令地址来从存储器中取得想要执行的指令。但是存储器获得的指令地址的源头不止一个，因为指令执行的情况有两种：一是顺序执行的情况；二是遇到要改变顺序执行程序的情况。所以必须增加一个部件来从多个数据源中选择其中一个传输给存储器，这个器件就是地址多路选择器。算术逻辑单元第3章 中央处理器30指令寄存器根据指令的操作码来判断下一步应该执行什么操作，但是RISC_CPU中所有的指令操作都需要用到ALU。累加器第3章 中央处理器31为完成指令所要执行的操作，除了算术运算单元，还需要一个部件来暂时存放ALU