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）
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。
- 控制存储器 CM
3)工作过程
提去公因式----公共操作
"首条微指令"----实际上是第二条
返回----回到公共操作--取址上
- 微程序执行过程
-
(1) 取机器指令->IR
-
(2) 转微程序入口 取首条微指令到uIR
-
(3) 执行首条微指令
-
(4) 取后续微指令到uIR
-
(5) 执行后续微指令
-
(6) 微程序执行完, 返回CM
-
4)微程序控制方式优缺点及应用
- 优点
-
设计规整，设计效率高；
- 易于修改、扩展指令系统功能；
-
结构规整、简洁，可靠性高；
-
性价比高。
-
- 缺点
- 速度慢----访存频繁,转移较多
-
执行效率不高----未充分发挥数据 通路本身具有的 并行能力
-
应用范围
-
用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。
-
5、微程序控制
（1）基本原理
- 微命令的产生方式
-
微程序与机器指令的对应关系
(2)机器指令的微程序实现
- 查表,根据表的指示取地址和操作
- 若没有,写......写上一层指令中的下一条指令
- 目的操作中MOV.DR为寄存器型,MOV.DR非为非寄存器型
1.时序系统（了解即可）
2.微指令格式
- 同类操作中互斥的微命令放同一字段
1）格式（格式不计，各字段功能要记）
2）各字段功能
1》数据通路操作
AI（3位）：A输入选择 例（自己编）：000 R1-》A
BI（3位）
SM（5位）：ALU功能选择 S3S2S1oM
S：移位选择
ZO：结果分配
2》访存操作：EMAR、R、W
3》辅助操作 ST
- 00 无操作
- 01 开中断
- 10 关中断
- 11 SIR
4》顺序控制：指明微地址形成方式
- SC：
- 0000 顺序执行（增量）
- 0001 无条件转移（增量）
- 0010 按操作码分支（断定）
- ……（断定）
- 0111 转微子程序（增量）
- 1000 返回微主程序（增量）
3.微程序编制（不要求）
