计算机组成原理和结构图式（第三章 CPU子系统

计算机组成原理和结构图式（第三章 CPU子系统—CPU模型的设计）

CPU设计步骤

1、拟定指令系统

字长16位，寄存器型寻址方式一个地址码6位（寻址方式3位+寄存器类3位）
- 地址码位由寄存器种类决定：R成对、SP、PC、PSW，2^2<5<2^3
- 最多2地址
- 操作码最短4位，最长16位

2、确定总体结构

各类信息传送途径

（1）指令信息　　

（2）地址信息

1)指令地址　　

2)指令地址加一　　

3)转移地址　　

4)操作数地址　　

　　　　　　　　变址指令比其他指令(1内存)多1个内存单位,共2内存单位

　　　　　　　　常数值不适用立即寻址(不便更改),使用直接寻址(M中)

(3)数据信息　　　

PS：

微命令控制器EMAR，使……输出有效
微命令
- 打入—内总线CP
- 置入—系统总线S
- CPMDR、CPMAR、CPR
- SMDR、SIR
内总线都是单向的
系统总线呈广播态

3、（组合逻辑）安排时序——组合逻辑控制

一、组合逻辑控制器的时序系统

三级时序：工作周期、时钟周期、工作脉冲

工作周期>节拍>脉冲

（1）工作周期划分

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”。

取指周期(FT)
- 从M取出指令并译码，修改PC。　　——公共操作
- 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。
源周期(ST)
- 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。
目的周期(DT)
- 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。
执行周期(ET)
- 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。
中断周期(IT)
- IT指CPU响应中断请求后，到执行中断服务程序前.
- 关中断、保存断点和PSW、转服务程序入口。
DMA周期(DMAT)
- DMAT指CPU响应DMA请求后，到完成一次数据传送的时间。
- DMA控制器接管总线权，控制数据直传。（由硬件完成）

（2）时钟周期（节拍）

灵魂之文1：

⭐⭐⭐⭐⭐

==》M->MDR->C不可以拆成两个节拍

==》C->MDR, MDR->M不可以合成两个节拍

设置一个总线周期的长度等于一个时钟周期，可根据需要扩展。

2）时钟周期数：一个工作周期中的时钟数可变。为工作周期划分单位。

用计数器T控制节拍数，将计数值译码，可产生节拍电位。

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清零

（3）工作脉冲P

每个时钟周期结束时设置一个脉冲。

二、CPU控制流程

三、指令流程图与操作时间表

拟定指令流程：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）取指周期FT

1）进入FT的方式

初始化时置入FT
程序正常运行时同步打入FT

2）流程图

3）操作时间表

灵魂之文2：工作周期中，每拍结束时发CPT；工作周期结束时，5个时序打入命令都发。

（2）传送指令

1）流程图

易忘：PC—>MAR

2）操作时间表

（3）双操作数指令

取目的数，暂存于D。

（4）单操作数指令

例：COM — (R0)

（5）转移-返回指令

例1：JMP R0；

例2：RST (SP)+；

例3：JMP X(PC)；

（5）转子指令

4、控制器原理

（1）组合逻辑控制器原理

1）组合逻辑控制方式的基本思想

综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现；

执行指令时，由组合逻辑电路在相应时间发出所需微命令，控制有关操作。

2）控制器组成（不用记）

微命令发生器
- 功能：产生全机所需的各种微命令
  - 电位型
  - 脉冲型
指令计数器PC
- 功能：指示指令在M中的位置。
指令寄存器IR
- 功能：存放现行指令
状态寄存器PSW
- 指示程序运行方式，反映程序运行结果。
- （不用记）
时序电路
- 功能：控制操作时间和操作时刻

3）控制器工作过程

取指令
取数：按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器取数。
执行：按操作码对数据进行运算处理。

4）组合逻辑控制方式的优缺点及应用

优缺点

产生微命令的速度较快。
设计不规整，设计效率较低；
不易修改、扩展指令系统功能。

应用场合：用于高速计算机，或小规模计算机。

（2）微程序控制器原理

1）基本思想：

一条机器指令（MOV、MAL）对应一段微程序
- 一段微程序由若干微指令构成
一个（一步）操作（M->MDR->C）对应一条微指令
- 一条微指令由若干微命令（EMAR、R、STR）组成
微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出。

2）组成原理

易考
- CM只存放微命令，不存放机器指令，机器指令存放于主存
- CM在CPU，不再M　
- 取指是微命令　
主要部件
- 控制存储器　CM
  - 功能：存放微命令
- 微指令寄存器　μIR
  - 功能：存放现行微指令
  - 微命令字段
  - 微地址字段（与PC不同）
- 微地址形成电路
  - 功能：提供两类微地址
  - 微程序入口地址：由机器指令操作码形成。
  - 后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。