模型机设计.ppt

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1、第四节 模型机设计,设计步骤：,拟定指令系统 确定总体结构 安排时序 拟定指令流程和微命令序列。 形成控制逻辑,4.4.1 指令系统,1.指令格式,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：列逻辑式，形成逻辑电路,微：按微指令格式编写微程序,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64K16位）,双操作数指令格式：,4 6 3 3,源地址,目的地址,单操作数指令格式：,4 3 3 3 3,目的地址,转移指令格式：,15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0,转移地址,转移条件,CPU可编程访问的

2、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PSW,000,R,（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

3、地址，,(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,X(R),X(PC),(PC)+d为有效地址,跳步,110,SKP,跳过下条指令执行,操作码 助记符 含义,3.指令类型,用于数传、堆栈、I/O操作,0000,MOV,传送,0001,ADD,加,0101,EOR,异或,双操作数指令,0110,COM,求反,1011,SR,右移,单操作数指令,1100,JMP,转移,1100,RST,返回,1101,JSR,转子,0 0 0 0 0,5 4 3 2 1 0,转移地址,无条件转,0 0 0 0 1,无进位转,(C=0),0 0 0 1 0,

4、无溢出转,(V=0),0 0 1 0 0,数非零转,(Z=0),0 1 0 0 0,数为正转,(N=0),1 0 0 0 1,有进位转,(C=1),1 0 0 1 0,有溢出转,(V=1),1 0 1 0 0,数为零转,(Z=1),1 1 0 0 0,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。,15 12 11 9 8 6 5 0,子程序入口,5 4 3 2 1 0,4.4.2 CPU总体结构,1.寄存器设置,（1）可编程寄存器（16位）,通用寄存器：,R0(000)、R1(001),R2(010)、R3(011),允许中断（开中断）

5、,4 3 2 1 0,暂存器C,（2）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MBR,:存放现行指令。,实现CPU与主存的接口,SN74181 4片 SN74182 1片,2.算逻部件设置,ALU,选择数据来源,选择器A 选择器B,移位器,:实现直送、左移、右移、字节交换,3.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。,（1）组成,包括四个部分： ALU部件、寄存器

6、组、内总线、CPU与系统总 线的连接,（16位）,（2）特点,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；,与系统总线 的连接通过 MAR、MBR实现。,MBR,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),R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,4.各类信息传送途径,M,（1）指令信息,置入,DB,IR,M,DB,IR,（2）地址信息

7、,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,1）指令地址,2）指令地址加1,PC,PC,A,ALU,移位器,内总线,MAR,PC,打入,A,ALU,移,内,MAR,PC,A,ALU,移,内,PC,C0,C0,打入,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,3）转移

8、地址,M,IR,寄存器寻址：,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,PC,R0,打入,B,ALU,移,内,PC,寄存器间址：,R0,打入,B,ALU,移,内,MAR,AB,M,DB,置入,MBR,B,MAR,MBR,MBR,移、,内,PC,ALU,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,4）操作数地址,寄存器寻址：,R0,R1,寄存器间址：,R0,打入,B,ALU,移,内,MAR

9、,MAR,R1,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,变址：,PC,A,ALU,移位器,内总线,MAR,R0,PC,A,ALU,移,内,MAR,AB,M,DB,移,内,C,PC,M,M,MBR,MBR,B,C,MBR,B,ALU,R0,R0,C,ALU,C,A,B,移,内,MAR,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,

10、MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,（3）数据信息,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,R0,打入,B,ALU,移,内,R1,DB,M,DB,MBR,B,MBR,MBR,移、,内,R2,ALU,R1,R0,打入,B,ALU,内,MBR,R2,M,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,M(源),R0,MBR,MBR,MBR,DB,内,I

11、/O,ALU,C,打入,DB,MBR,内,C,ALU,(计算目的地址),DB,M,C,ALU,内,MBR,(目的),C,A,I/O,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MBR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MBR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,M,IR,R0,B,ALU,移位器,内总线,DB,MBR,MBR,DB,DMA方式：,I/O,打入,I/O,MBR,内,R0,ALU,I/O,M,5.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：,S3S2

12、S1S0、M、C0,不移、左移、,CPR0、CPC、CPMAR、,(2)访M、I/O 操作：,读 R,地址使能 EMAR,写 W,置入MBR SMBR，,1,MAR向AB送地址,0,00 MBR与DB断开,MAR与AB断开,R=1读 W=1写,置入IR SIR,M,4.4.3 组合逻辑控制器设计,1.时序系统,（1）工作周期,取指周期FT,用于指令正常执行,设置6个触发器分别 作为各周期状态标志,源周期ST,目的周期DT,执行周期ET,中断周期IT,DMA周期DMAT,用于I/O传送控制,1 工作周期开始,0 工作周期结束,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”

13、。,1）取指周期FT,从M取出指令并译码；,公操作,修改PC。,3）目的周期DT,4）执行周期ET,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。,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。,2）源周期ST,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。,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,关中断、保存断点和PSW、转服务程序入口。,由硬件完成,1）时钟周期时间：,IT指CPU响应中断请求后，到执行中断服务程序前。,6）DMA周期DMAT,一次从

14、M读出，并经数据通路传送的操作；或 一次数据通路传送操作；或 一次向M写入的操作,DMAT指CPU响应DMA请求后，到传送完一次数据。,DMA控制器接管总线权，控制直传。,（2）时钟周期(节拍)T,1微秒,完成一步操作：,模型机以访存时间作为一步操作时间。,一个总线 周期等于一个时钟周期，可根据需要扩展。,由硬件完成,2）时钟周期数：,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0。,一个工作周期中的时钟数可变。,用计数器T控制节拍数,每个时钟结束时设置一个脉冲。,（3）工作脉冲P,1S,T,P,打入寄存器,进行时序转换,（周期状态设置/清除,时钟T计数/清除）,将

15、计数值译码，可产生节拍电位。,2.控制流程(工作周期转换),FT,双,单,转,ST,DT,ET,DMAT,IT,SR,DR,Y,N,Y,N,3.指令流程图与操作时间表,（1）取指周期FT,拟定指令流程：,初始化时置入FT，,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）进入FT的方式和条件,1,程序正常运行时同步打入FT。,CPFT,=,+ IT,+,2）流程图,FT0：,3）操作时间表,FT0：,电位型微命令,脉冲型微命令,EMAR,R,SIR,A+1,DM,CPPC,或,或,工作周期中，每拍结束时发CPT；工作周期结束

16、时，,5个时序打入命令都发。,转换,（2）传送指令,FT0：,1）流程图,例1：,MOV R0，R1；,源数,ET0：,ET1：,例2：,MOV(R0),(R1)；,FT0：,ST0：,ST1：,DT0：,目的地址,ET0：,ET1：,ET2：,例3：,MOV X(R0),X(R1)；,FT0：,形地,取源操作数， 暂存于C， 需5步。,ST0：,DT1：,DT0：,源数,ET0：,ET1：,ET2：,ST1：,ST2：,ST3：,ST4：,形地,DT2：,DT3：,目的地址,取目的地址， 暂存于MAR， 需4步。,源数送存储器， 需3步。,FT0：,2）操作时间表,例：,MOV(SP)+,(

17、R1)；,CPPC,ST0：,EMAR,R,SMBR,输出B,DM,CPC,A+1,DM,CPSP,EMAR,A+1,R,SIR,DM,DM,CPMAR,输出A,T+1,T+1,ST1：,ST2：,DT0：,DM,CPMAR,输出A,T+1,ET0：,输出B,DM,CPMBR,ET1：,ET2：,EMAR,W,T+1,DM,CPMAR,输出A,（3）双操作数指令,取目的数，暂存于D。,FT0：,立即数,ST0：,ST1：,ST2：,DT0：,DT1：,DT2：,形式地址,DT3：,DT4：,目的数,ET0：,ET1：,ET2：,（4）单操作数指令,FT0：,例：,COM -(R0)；,DT0：

18、,、MAR,DT1：,ET0：,ET1：,ET2：,（5）转移-返回指令,无条件转移,SKP,R,（R）,（R)+,按R指示从M取转移地址,修改R。,（SP)+,X(PC),执行再下条指令。,从R取转移地址。,按R指示从M取转移地址。,从堆栈取返回地址,修改SP。,以PC內容为基准转移。,（RST）,FT0：,例1：,JMP R0；,、MAR,ET0：,ET1：,ET2：,无条件转子：,R,（R）,（R)+,（SP)+,（PC)+,入口在R中,例2：,RST (SP)+；,FT0：,ET0：,、MAR,例3：,JMP X(PC)；,FT0：,ET0：,ET1：,位移量,ET2：,、MAR,（5

19、）转子指令,入口在M中,入口在堆栈中,ST1：,归纳微命令,综合化简条件,用组合逻辑电路实现。,读令R=,在ST形成子程序入口；在ET保存返回地址，并转 子程序入口。,ST0：,、MAR,例：,JSR（R2）；,FT0：,ET0：,ET1：,子程序入口,、MAR,返回地址压栈,ET2：,ET3：,4.控制逻辑,例：,FT0,+MOV(ST1+ST4+),CPPC =,FT0,+,P,+,4.4.4 微程序控制器设计,1.时序系统,P,微指令周期,微指令 打入 IR,二级时序：,控制数 据通路 操作,结果打 入目的 地，,读取后续 微指令,后续微 地址打 入 AR,2.微指令格式,按数据通路各段

20、操作划分字段，同类操作中互斥 的微命令放同一字段。,（1）格式,数据通路操作,辅助操作,3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4,顺序控制,访存操作,（2）各字段功能,1）数据通路操作,AI：,A输入选择,000 无输入,001,010,011,100,R0R3、SP、PC,BI：,B输入选择,000 无输入,001,010,011,100,SM：,ALU功能选择,S3S2S1S0M,C0：,初始进位选择,S：,移位选择,ZO：,结果分配,001,CPRi,R0R3、PSW,R0R3、SP、PC、PSW,2）访存操作,EMAR、R、W,3）辅助操作,00 无操作,01 开中断,10 关中断,

21、11 SIR,4）顺序控制,增量 断定,0000 顺序执行,9种,指明微地址形成方式,SC：,0001 无条件转移,0010 按操作码分支,0111 转微子程序,1000 返回微主程序,增量,断定,增量,3.微程序的编制,（1）编写顺序,按指令执行顺序编写：,取机器指令,SC=0000,功能转移,执行,按操作码编码顺序，逐级分类编写：,MOV指令、,双操作数指令、,单操作数指令、,转移指令,（2）实现分支,将同类断定依据所对应的微地址放在相应的微地址 形成表中，用SC字段选取。,顺序执行,现行微地址+1,SC=0001,无条件转,现行微指令给出转移微地址,SC=0111,转微子程序,现行微指令

22、给出微子程序,入口,SC=1000,返回微主程序,从寄存器取返回微地址,微地址形成表：,SC=0010,按操作码分支（4路）,表内单元地址,SC=0011,（断定依据）：,MOV,执行规定操作 后转取指入口,双,单元内容,（微地址）,单,JMP/JSR,03H,取源数、目的地,0CH,取源数、目的数,24H,取目的数,按J、PC分支,3FH,06H,0AH,双,单,3DH,SC=0100,SC=0110,1）取指微指令代真,从60H开始,按J、PC分支（4路）,SC=0101,按源寻址方式分支（7路）,按目的寻址方式分支,（3）微指令实例,微地址00,000 000 00000 00 00 0

23、00 1 1 0 11 0000,微地址01,100 00010010 01 00 111 0 0 0 00 0000,按操作码分支：,微地址02,000 00000000 00 00 000 0 0 0 00,0010,2）机器指令的微程序实现,例：MOV（R0），R1；按流程写出微地址,00,用寄存器传送语言写出模型机加法指令 ADD （R0），X（PC）的流程，并列出该指令 源周期的操作时间表。,作业：,第四章复习提纲,1.CPU组成（重在数据通路结构）。 2.指令流程(寄存器传送级),操作时间表(微命令序列)。 3.微指令设计方法(分段原则、各段功能、编码方法、微 地址形成方法)。 4.基本概念如：同步控制与异步控制(含义、应用场合)， 组合逻辑控制与微程序控制(基本思想、优缺点、应用场 合)，I/O传送控制方式(定义、应用场合)，控制字，状态 字，程序状态字，主设备，从设备等。,