計算機組成原理和結構圖式（第三章 CPU子系統—CPU模型的設計）

計算機組成原理和結構圖式（第三章 CPU子系統—CPU模型的設計）

 CPU設計步驟

一、擬定指令系統

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•  字長16位，寄存器型尋址方式一個地址碼6位（尋址方式3位+寄存器類3位）
  • 地址碼位由寄存器種類決定：R成對、SP、PC、PSW，2^2<5<2^3
  • 最多2地址
  • 操做碼最短4位，最長16位

二、肯定整體結構

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各種信息傳送途徑

（1）指令信息　　

（2）地址信息

1)指令地址　　

　　　　　　　　

2)指令地址加一　　

　　　　　　　　

3)轉移地址　　

　　　　　　　　

4)操做數地址　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　變址指令比其餘指令(1內存)多1個內存單位,共2內存單位

　　　　　　　　常數值不適用當即尋址(不便更改),使用直接尋址(M中)

(3)數據信息　　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　

　　　　　　　　

PS：

• 微命令控制器EMAR，使……輸出有效
• 微命令
  • 打入—內總線CP
  • 置入—系統總線S
  • CPMDR、CPMAR、CPR
  • SMDR、SIR
• 內總線都是單向的
• 系統總線呈廣播態

三、（組合邏輯）安排時序——組合邏輯控制

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1、組合邏輯控制器的時序系統 

三級時序：工做週期、時鐘週期、工做脈衝

工做週期>節拍>脈衝

（1）工做週期劃分

在整個指令週期中，任什麼時候候必須、且只能有一 個工做週期狀態標誌爲「1」。

1. 取指週期(FT)
   • 從M取出指令並譯碼，修改PC。　　——公共操做

   • 取指結束時，按操做碼和尋址方式(R/非R尋址) 轉相應工做週期。

2. 源週期(ST)

   • 按尋址方式(非R尋址)造成源地址，從M取出源操 做數，暫存於C。

3. 目的週期(DT)

   • 按尋址方式(非R尋址)造成目的地址，或從M取出 目的操做數，暫存於D。

4. 執行週期(ET)

   • 按操做碼完成相應操做(傳送、運算、取轉移地址 送入PC、返回地址壓棧保存)；

   • 後續指令地址送入MAR。

5. 中斷週期(IT)

   • IT指CPU響應中斷請求後，到執行中斷服務程序前.

   • 關中斷、保存斷點和PSW、轉服務程序入口。

6. DMA週期(DMAT)

   • DMAT指CPU響應DMA請求後，到完成一次數據傳送的時間。

   • DMA控制器接管總線權，控制數據直傳。（由硬件完成）

 

（2）時鐘週期（節拍）

靈魂之文1：

⭐⭐⭐⭐⭐

==》M->MDR->C不能夠拆成兩個節拍

==》C->MDR, MDR->M不能夠合成兩個節拍

設置一個總線週期的長度等於一個時鐘週期，可根據須要擴展。

2）時鐘週期數：一個工做週期中的時鐘數可變。爲工做週期劃分單位。

用計數器T控制節拍數，將計數值譯碼，可產生節拍電位。

• 每一個工做週期第一拍 T=0
• 每開始一個新節拍T計數
• 工做週期結束時T清零

 

（3）工做脈衝P

每一個時鐘週期結束時設置一個脈衝。

 

2、CPU控制流程

 

3、指令流程圖與操做時間表

擬定指令流程：肯定各工做週期中每拍完成的具體操做（寄存器傳送級）。

列操做時間表：列出每一步操做所需的微命令及產生條件。

（1）取指週期FT

1）進入FT的方式

• 初始化時置入FT

• 程序正常運行時同步打入FT

2）流程圖

3）操做時間表

靈魂之文2：工做週期中，每拍結束時發CPT；工做週期結束時，5個時序打入命令都發。 

 

（2）傳送指令

1）流程圖

易忘：PC—>MAR

2）操做時間表

 

（3）雙操做數指令

取目的數，暫存於D。

 

（4）單操做數指令

例：COM — (R0)

 

（5）轉移-返回指令

例1：JMP R0；

 

例2：RST (SP)+；

 

例3：JMP X(PC)；

 

（5）轉子指令

 

四、控制器原理

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（1）組合邏輯控制器原理

1）組合邏輯控制方式的基本思想

綜合化簡產生微命令的條件，造成邏輯式， 用組合邏輯電路實現；

執行指令時，由組合邏輯電路在相應時間發 出所需微命令，控制有關操做。

2）控制器組成（不用記）

1. 微命令發生器

   • 功能：產生全機所需的各類微命令

     • 電位型

     • 脈衝型

2. 指令計數器PC
   • 功能：指示指令在M中的位置。
3. 指令寄存器IR
   • 功能：存放現行指令
4. 狀態寄存器PSW

   • 指示程序運行方式，反映程序運行結果。

   • （不用記）
5. 時序電路
   • 功能：控制操做時間和操做時刻

3）控制器工做過程

1. 取指令
2. 取數：按尋址方式，或從寄存器取數，或從存儲器取數。
3. 執行：按操做碼對數據進行運算處理。

4）組合邏輯控制方式的優缺點及應用

優缺點

• 產生微命令的速度較快。

• 設計不規整，設計效率較低；

• 不易修改、擴展指令系統功能。

應用場合：用於高速計算機，或小規模計算機。

 

（2）微程序控制器原理

1）基本思想：

• 一條機器指令（MOV、MAL）對應一段微程序
  • 一段微程序由若干微指令構成
• 一個（一步）操做（M->MDR->C）對應一條微指令
  • 一條微指令由若干微命令（EMAR、R、STR）組成

• 微程序事先存放在控制存儲器中，執行 機器指令時再取出。

2）組成原理

• 易考
  • CM只存放微命令，不存放機器指令，機器指令存放於主存
  • CM在CPU，再也不M　
  • 取指是微命令　
• 主要部件
  • 控制存儲器　CM
    • 功能：存放微命令
  • 微指令寄存器　μIR
    • 功能：存放現行微指令
    • 微命令字段
    • 微地址字段（與PC不一樣）

  • 微地址造成電路

    • 功能：提供兩類微地址

    • 微程序入口地址：由機器指令操做碼造成。

    • 後續微地址：由微地址字段、現行微地址、運行狀態等造成。

3)工做過程

提去公因式----公共操做

"首條微指令"----其實是第二條

返回----回到公共操做--取址上

• 微程序執行過程

  • (1) 取機器指令->IR

  • (2) 轉微程序入口 取首條微指令到uIR

  • (3) 執行首條微指令

  • (4) 取後續微指令到uIR

  • (5) 執行後續微指令

  • (6) 微程序執行完, 返回CM

4)微程序控制方式優缺點及應用

• 優勢

  • 設計規整，設計效率高；

  • 易於修改、擴展指令系統功能；

  • 結構規整、簡潔，可靠性高；

  • 性價比高。

• 缺點
  • 速度慢----訪存頻繁,轉移較多

  • 執行效率不高----未充分發揮數據 通路自己具備的 並行能力

• 應用範圍

  • 用於速度要求不高、功能較複雜的機器中。

 

五、微程序控制

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（1）基本原理

• 微命令的產生方式

• 微程序與機器指令的對應關係

(2)機器指令的微程序實現

• 查表,根據表的指示取地址和操做
• 若沒有,寫......寫上一層指令中的下一條指令
• 目的操做中MOV.DR爲寄存器型,MOV.DR非爲非寄存器型

1.時序系統（瞭解便可）

2.微指令格式

• 同類操做中互斥的微命令放同一字段

1）格式（格式不計，各字段功能要記）

2）各字段功能

1》數據通路操做

AI（3位）：A輸入選擇 例（本身編）：000 R1-》A

BI（3位）

SM（5位）：ALU功能選擇 S3S2S1oM

S：移位選擇

ZO：結果分配

2》訪存操做：EMAR、R、W

3》輔助操做 ST

• 00 無操做
• 01 開中斷
• 10 關中斷
• 11 SIR

4》順序控制：指明微地址造成方式

• SC：
  • 0000 順序執行（增量）
  • 0001 無條件轉移（增量）
  • 0010 按操做碼分支（判定）
  • ……（判定）
  • 0111 轉微子程序（增量）
  • 1000 返回微主程序（增量）

3.微程序編制（不要求）