计算机组成原理JLP_3.3研究

3.3CPU模型一、CPU设计步骤1.拟定指令系统2.确定总体结构3.安排时序4.拟定指令流程和微命令序列。5.形成控制逻辑格式、寻址方式、指令类型设置寄存器、ALU、数据通路设置画流程图(寄存器传送级)列操作时间表组合控制：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3.3CPU模型二、模型机的指令系统1.指令格式指令字长16位，采用寄存器型寻址，指令中给出寄存器号。（主存容量为64K×16位）三种指令格式：(2)单操作数指令格式(3)转移指令格式(1)双操作数指令格式(1)双操作数指令格式：4633操作码寄存器号寻址方式寄存器号寻址方式目的地址源地址(2)单操作数指令格式：操作码（可扩展）寄存器号寻址方式43333目的地址(3)转移指令格式：151211986543210转移地址转移条件操作码寄存器号寻址方式方式N′Z′V′C′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、程序状态字PSW000R（R）为操作数寄存器间址001（R）（R）为操作数地址自减型寄存器间址010-(R)-(SP)(R)-1为操作数地址(SP)-1为栈顶地址立即/自增型寄存器间址011(R)+（R）为操作数地址，访问后(R)+1(SP)+(SP)为栈顶地址，出栈后(SP)+1寻址方式编码助记符定义100（R）为间接地址，直接/自增型双间址101@(R)+(PC)+PC指向有效地址，(R)+d为有效地址（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访问后(R)+1@(PC)+访问后(PC)+1变址/相对寻址X(R)X(PC)(PC)+d为有效地址跳步110SKP跳过下条指令执行上述寻址方式中，（1）哪一种执行时间最短？寄存器寻址（2）哪一种执行时间最长？自增型双间址、变址/相对寻址（3）哪一种便于程序浮动？相对寻址（4）哪一种便于提供常数？范围是多少？立即寻址、-215—+215-1（5）指令中采用直接寻址其地址最大范围？0—+216-1（或0000H～FFFFH）操作码助记符含义3.指令类型用于数传、堆栈、I/O操作0000MOV传送0001ADD加0101EOR异或双操作数指令0110COM求反1011SR右移单操作数指令1100JMP转移1100RST返回1101JSR转子问题：采用扩展操作码方案单操作数指令可以增加多少条？00000543210转移地址无条件转JMP寄寻方式N′Z′V′C′00001无进位转(C=0)00010无溢出转(V=0)00100数非零转(Z=0)01000数为正转(N=0)10001有进位转(C=1)10010有溢出转(V=1)10100数为零转(Z=1)11000数为负转(N=1)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。15121198650子程序入口RSTSP（SP）+JSR寄寻方式N′Z′V′C′543210三、模型机的组成与数据通道1.部件设置1）可编程寄存器（16位）通用寄存器：R0(000)、R1(001)R2(010)、R3(011)3.3CPU模型(1)寄存器设置允许中断（开中断）（可扩展）INZVC43210暂存器C2）非编程寄存器（16位）堆栈指针：SP(100)指令计数器：PC(111)程序状态字：PSW(101):暂存来自主存的源地址或源数据。暂存器D:暂存来自主存的目的地址或目的数。指令寄存器IR地址寄存器MAR数据寄存器MDR:存放现行指令。实现CPU与主存的接口SN741814片M、C0、S0、S1、S2、S3SN741821片(2)算逻部件设置ALU选择数据来源(八选一)选择器A选择器B移位器:实现直送、左移、右移、字节交换2.总线与数据通路结构为了使数据传送控制简单、集中，采用以ALU为中心的总线结构。CPU组成包括四个部分：ALU部件、寄存器组、内总线、CPU与系统总线的连接（16位）R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑（1）内总线ALU为内部数据传送通路的中心；寄存器采用内总线采用单向数据总线(16位)；分立结构；R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑(2)系统总线AB、DB、CBCPU通过它与外部连接，与它的连接通过MAR、MDR实现。MDR输出输出至DB输出至ALU的B门输入从内总线输入从DB输入(打入)(置入)R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑3.各类信息传送途径M（1）指令信息置入DBIRMDBIR（2）地址信息R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑1）指令地址2）指令地址加1（顺序执行）PCPCAALU移位器内总线MARPC打入AALU移内MARPCAALU移内PCC0C0打入R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑3）转移地址MIR寄存器寻址：R0R0BALU移位器内总线PCRi打入BALU移内PC寄存器间址：Ri打入BALU移内MARABMDB置入MDRBMARMDRMDR移、内PCALUR0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑IRR0R0BALU移位器内总线4）操作数地址寄存器寻址：Ri寄存器间址：Ri打入BALU移内MARMARR1R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑变址:EA=(R)+位移量PCAALU移位器内总线MARRiPCAALU移内MARABMDB移内CPCMMMDRMDRBCMDRBALUR0R0CALUCAB移内MARR0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑（3）数据信息的传送MIRR0R0BALU移位器内总线1）RR：Ri打入BALU移内RjDBMDBMDRBMDRMDR移、内RiALUR12）RM：Ri打入BALU内MDR3）MR：R2MR0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑MIRR0R0BALU移位器内总线6）MM：M(源)RiMDRMDRMDRDB内I/OALU4）RI/O：C打入DBMDR内CALU(计算目的地址)DBMCALU内MDR(目的)CAI/OR0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑MIRR0BALU移位器内总线DBMDRMDRDBDMA方式：I/O5）I/OR打入I/OMDR内RiALUI/O7）I/OMMR0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑4.微命令设置(1)数据通路操作：ALU功能选择：ALU输入选择：输出移位选择：结果分配：R0A、R0B、S3S2S1S0、M、C0不移、左移、CPR0、CPC、CPMAR、R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑(2)访M、I/O操作：读R地址使能EMAR写W置入MDRSMDR，1MAR向AB送地址000MDR与DB断开,MAR与AB断开R=1读W=1写置入IRSIRM人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。