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。
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)