计算机组成原理第九讲(CPU模型).ppt

College of computer science, SWPU Computer Science 计算机组成原理 主讲：颜俊华 第九讲：CPU模型 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU CPU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 画流程图(寄存器传送级) 列操作时间表 组合控制：列逻辑式，形成逻辑电路 微程序控制：按微指令格式编写微程序 格式、寻址方式 、指令类型设置 寄存器、ALU、数 据通路设置 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 指令格式：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：64K*16位 双操作数指令格式 操作码 寄存器号 寻址方式 寄存器号 寻址方式 目的地址源地址 4 3 3 3 3 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 单操作数指令格式 转移指令格式 4 6 3 3 操作码 （可扩展） 寄存器号 寻址方式 目的地址 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0 转移地址转移条件 操作码 寄存器号 寻址方式 方式 NZVC 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 寻址方式 CPU可编程访问的寄存器有：通用寄存器R 、指令计数器PC、堆栈指针SP、程序状态 字PSW 寻址方式 编码 助记符 定义 寄存器寻址 000R（R）为操作数 寄存器间址001（R） 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 （R）为操作数地址 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 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 (R)+ (PC)+ PC指向有效地址， （R）为操作数地址， 立即/自增型 寄存器间址 011(R)+ 访问后(R)+1 (SP)+(SP)为栈顶地址， 出栈后(SP)+1 (PC)为立即数地址， 取数后(PC)+1 访问后(R)+1 (PC)+ 访问后(PC)+1 模型机指令系统 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 101(R)+d为有效地址变址X(R) X(PC)(PC)+d为有效地址 跳步110SKP跳过下条指令执行 寻址方式 编码 助记符 定义 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 指令类型 操作码 助记符 含义 用于数传、堆栈、 I/O操作 0000MOV传送 0001ADD加 0101EOR异或 双操作数指令 0110COM求反 1011SR右移 单操作数指令 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 指令类型 操作码 助记符 含义 1100JMP转移 1100RST返回 1101JSR转子 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 0 转移地址 无条件转 JMP 寄 寻 方式 NZVC 0 0 0 0 1 无进位转(C=0) 0 0 0 1 0 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) 模型机指令系统 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 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。 5 4 3 2 1 0 转移地址 JMP 寄 寻 方式 NZVC 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机指令系统 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 RST SP （SP）+ JSR 寄 寻 方式 NZVC 5 4 3 2 1 0 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机的组成 寄存器的设置 可编程寄存器 通用寄存器：R0（000）、 R1（001） 、R2（010）、R3（011） 堆栈指针：SP（100） 指令计数器：PC（111） 程序状态字：PSW（101） 允许中断（开中断） （可扩展） I N Z V C 4 3 2 1 0 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机的组成 寄存器的设置 非编程寄存器（16位） 暂存器C：暂存来自主存的源地址或者源 数据 暂存器D：暂存来自主存的目的地址或者 目的数 指令寄存器IR：存放现行指令 地址寄存器MAR 数据寄存器MDR 实现CPU与主存的接口 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 模型机的组成 算逻部件的设置 ALU 选择器A 选择器B 移位器：实现直送、左移、右移、字节交换 SN74181 4片 M、C0、S0、S1、S2、S3 SN74182 1片 选择数据来源(八选一) 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 总线与数据通路结构 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 CPU组成包括四个部分： ALU部件、寄 存器组、内总线、CPU与系统总线的连 接 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 M I/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 （1）内总线 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； 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 M I/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 (2)系统总线AB、DB、 CB，CPU通过它与外部 连接，与它的连接通过 MAR、MDR实现。 MDR 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) 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 3.各类信息传送途径 M（1）指令信息 置入 DBIR M DB IR （2）地址信息 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 1）指令地址 2）指令地址加1 （顺序执行） PC PC A ALU 移位器 内总线 MAR PC 打入 AALU移内MAR PCAALU移内PC C0 C0 打入 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 3）转移地址 M IR 寄存器寻址： R0 R0 B ALU 移位器 内总线 PC R0 打入 BALU移内PC 寄存器间址：R0 打入 BALU移内MAR ABMDB 置入MDR B MAR MDR MDR 移、 内 PCALU 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR 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：R0R1 寄存器间址：R0 打入 BALU移内MAR MAR R1 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 变址 ： PC A ALU 移位器 内总线 MAR R0 PCAALU移内MARAB MDB 移 内C PC M M MDR MDR B C MDRBALU R0 R0 C ALU C A B 移内MAR 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 数据信息的传送 M IR R0 R0 B ALU 移位器 内总线 1）R R：R0 打入 BALU移内R1 DBM DBMDRB MDR MDR 移、 内 R2ALU R1 2）R M：R0 打入 BALU内MDR 3）MR： R2 M 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 M IR R0 R0 B ALU 移位器 内总线 6）MM：M(源) R0MDR MDR MDR DB 内 I/OALU4）RI/O： C 打入 DBMDR内CALU (计算目的地址) DBMCALU内MDR (目的) C A I/O 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 MI/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 M IR R0 B ALU 移位器 内总线 DB MDR MDR DB DMA方式： I/O 5）I/OR 打入 I/OMDR内R0ALU I/O 7）I/OMM 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 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： R0A、 R0B、 S3S2S1S0、M、C0 不移、左移、 CPR0、CPC、CPMAR、 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A 移位器 B ALU R2 R0 R1 M I/O CB 内总线 C R3 D MAR MDR IR PC SP PSW AB DB 控制 逻辑 计算机组成原理 College of Comp