第三章3——模型机设计.

1、第四节第四节 模型机设计模型机设计3.4.1 模型机模型机CPU设计步骤：设计步骤：拟定指令系统拟定指令系统确定总体结构确定总体结构安排时序安排时序拟定指令流程和微命令序列。拟定指令流程和微命令序列。形成控制逻辑形成控制逻辑格式、寻址方式、格式、寻址方式、指令类型设置指令类型设置寄存器、寄存器、ALUALU、数、数据通路设置据通路设置画流程图画流程图( (寄存器传送级寄存器传送级) )列操作时间表列操作时间表组：列逻辑式，形组：列逻辑式，形成逻辑电路成逻辑电路微：按微指令格式微：按微指令格式编写微程序编写微程序1.1.指令格式指令格式指令字长指令字长1616位，采用寄存器型寻址，指令中位，采用

2、寄存器型寻址，指令中给出寄存器号。给出寄存器号。 （主存容量为（主存容量为64K64K1616位）位）3.4.2 3.4.2 模型机的指令系统模型机的指令系统双操作数指令格式：双操作数指令格式：操作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式目的地址目的地址源地址源地址4 3 3 3 34 3 3 3 34 6 3 34 6 3 3单操作数指令格式：单操作数指令格式：操作码操作码 （可扩展）（可扩展） 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式目的地址目的地址转移指令格式：转移指令格式：15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 015 12 11 9 8 6

3、 5 4 3 2 1 0转移地址转移地址转移条件转移条件操作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 方式方式 NZVCNZVCCPUCPU可编程访问的寄存器：可编程访问的寄存器：寻址方式寻址方式 编码编码 助记符助记符 定义定义2.2.寻址方式寻址方式寄存器寻址寄存器寻址 通用寄存器通用寄存器R R、指令计数器、指令计数器PCPC、堆栈指针、堆栈指针SPSP、程序状、程序状态字态字PSWPSW000000R R（R R）为操作数）为操作数寄存器间址寄存器间址001001（R R）（R R）为操作数地址）为操作数地址自减型寄存自减型寄存器间址器间址010010-(R)-(R)-(SP)-(

4、SP)(R)-1(R)-1为操作数地址为操作数地址(SP)-1(SP)-1为栈顶地址为栈顶地址寻址方式寻址方式 编码编码 助记符助记符 定义定义101101(PC)+(PC)+( (R)+dR)+d为有效地址为有效地址（R R）为操作数地址，）为操作数地址，立即立即/ /自增型自增型寄存器间址寄存器间址011011(R)+(R)+访问后访问后(R)+1(R)+1(SP)+(SP)+(SP)(SP)为栈顶地址，为栈顶地址，出栈后出栈后(SP)+1(SP)+1(PC)(PC)为立即数地址，为立即数地址，取数后取数后(PC)+1(PC)+1变址变址X(R)X(R)X(PC)X(PC)( (PC)+d

5、PC)+d为有效地址为有效地址跳步跳步110110SKPSKP跳过下条指令执行跳过下条指令执行操作码操作码 助记符助记符 含义含义3.3.指令类型指令类型用于数传、堆栈、用于数传、堆栈、I/OI/O操作操作00000000MOVMOV传送传送00010001ADDADD加加01010101EOREOR异或异或双操作数指令双操作数指令01100110COMCOM求反求反10111011SRSR右移右移单操作数指令单操作数指令11001100JMPJMP转移转移11001100RSTRST返回返回11011101JSRJSR转子转子0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 0 5

6、 4 3 2 1 0转移地址转移地址无条件转无条件转JMP JMP 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 无进位无进位转转(C=(C=0 0) )0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 无溢出无溢出转转(V=(V=0 0) )0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 数非零转数非零转(Z=(Z=0 0) )0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 数为正转数为正转(N=(N=0 0) )1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 有进位有进位转转(C=(C=1 1) )1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 有溢出有溢出转转(V=(V=1 1) )1 1 0 0

7、 1 1 0 00 0 数为零转数为零转(Z=(Z=1 1) )1 1 1 1 0 0 00 0 0 数为负转数为负转(N=(N=1 1) )条件满足，转转移地址；条件不满足，顺序执行。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。隐含约定：转子时返回地址压栈保存。15 12 11 9 8 6 5 015 12 11 9 8 6 5 0子程序入口子程序入口 RSTRST SPSP （SPSP）+ + JSR JSR 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 03.4.3 3.4.3 模型机的组成与数据通路模型机的组成与数

8、据通路1.1.寄存器设置寄存器设置（1 1）可编程寄存器（）可编程寄存器（1616位）位）通用寄存器通用寄存器：R R0 0(000)(000)、R R1 1(001)(001)R R2 2(010)(010)、R R3 3(011)(011)允许中断（开中断）允许中断（开中断） （可扩展）（可扩展） I N Z V CI N Z V C 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0堆栈指针堆栈指针：SPSP(100)(100)指令计数器指令计数器：PCPC(111)(111)程序状态字程序状态字：PSWPSW(101)(101)暂存器暂存器C C（2 2）非编程寄存器（）非编程寄存器（1616位）

9、位）: :暂存来自主存的暂存来自主存的源地址源地址或或源数据源数据。暂存器暂存器D D: :暂存来自主存的暂存来自主存的目的地址目的地址或或目的数目的数。指令寄存器指令寄存器IRIR地址寄存器地址寄存器MARMAR数据寄存器数据寄存器MDRMDR: :存放现行指令。存放现行指令。实现实现CPUCPU与主存的接口与主存的接口SN74181 4SN74181 4片片SN74182 1SN74182 1片片2.2.算逻部件设置算逻部件设置ALUALU选择数据来源选择数据来源选择器选择器A A选择器选择器B B移位器移位器: :实现实现直送直送、左移左移、右移右移、字节交换字节交换（1616位）位）3

10、.3.数据通路结构数据通路结构为了使数据传送控制简单、集中，采用为了使数据传送控制简单、集中，采用以以ALUALU为中心的总线结构为中心的总线结构。（1 1）组成）组成包括四个部分：包括四个部分：ALUALU部件、寄存器组、内总线、部件、寄存器组、内总线、CPUCPU与系统总与系统总线的连接线的连接 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 （2 2）特点）特点ALUALU为内部数据传送通路的中心；为内部数据传送通路的中心；寄存器

11、寄存器采用采用内总线内总线采用单向数据总线采用单向数据总线(16(16位位) )；分立结构；分立结构；与系统总线与系统总线的连接通过的连接通过MARMAR、MDRMDR实现。实现。MDRMDR输入输入输出至输出至DBDB输出至输出至ALUALU的的B B门门输出输出从内总线输入从内总线输入从从DBDB输入输入( (打入打入) )( (置入置入) ) R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 4.4.各类信息传送途径各类信息传送途径

12、M M（1 1）指令信息）指令信息置入置入DBDBIRIR（2 2）地址信息）地址信息 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 1 1）指令地址）指令地址2 2）指令地址加）指令地址加1 1PCPC打入打入A AALUALU移移内内MARMARPCPCA AALUALU移移内内PCPCC C0 0打入打入 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总

13、线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3 3）转移地址）转移地址寄存器寻址：寄存器寻址：R0R0打入打入B BALUALU移移内内PCPC寄存器间址：寄存器间址： R0R0打入打入B BALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB置入置入MDRMDRB B移移、内内PCPCALUALU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 4 4）操作数地址）操作数地址寄存器间址：寄存器

14、间址： R0R0打入打入B BALUALU移移内内MARMAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 变址：变址：R0R0PCPCA AALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB移移内内C CM MMDRMDRB BALUALUALUALUC CA AB B移移内内MARMAR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C

15、R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 （3 3）数据信息）数据信息1 1）R RR R：R0R0打入打入B BALUALU移移内内R1R1DBDBM MDBDBMDRMDRB B移、移、 内内R2R2ALUALU2 2）R RM M：R0R0打入打入B BALUALU内内MDRMDR3 3）M MR R：M M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 4 4）M MM M： M(M(源源) )R0

16、R0MDRMDRDBDB内内I/OI/OALUALU5 5）R RI/OI/O：打入打入DBDBMDRMDR内内C CALUALU( (计算目的地址计算目的地址) )DBDBM MC CALUALU内内MDRMDR( (目的目的) ) R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 DBDBDBDBDMADMA方式：方式： I/OI/O6 6）I/OI/OR R：打入打入I/OI/OMDRMDR内内R0R0ALUALU7 7）I/OI/

17、OM M：M M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 5.5.微命令设置微命令设置(1)(1)数据通路数据通路 操作：操作：ALUALU功能选择：功能选择：ALUALU输入选择：输入选择：输出移位选择：输出移位选择：结果分配：结果分配：R0R0A A、 R0R0B B、S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0、M M、C C0 0不移、左移、不移、左移、CPR0CPR0、CPCCPC、CPMARCPMAR、 R0R3

18、 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 (2)(2)访访M M、I/OI/O 操作：操作：读读 R R地址使能地址使能EMAREMAR写写 W W置入置入MDRMDR SMDR SMDR，1 1 MARMAR向向ABAB送地址送地址0 000 00 MDRMDR与与DBDB断开断开, ,MARMAR与与ABAB断开断开R=1R=1读读 W=1W=1写写置入置入IRIR SIR SIR R0R3 R0R3 C D C D SP PC PS

19、W MDR A移位器移位器 B ALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3.5 3.5 组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式1.1.时序系统时序系统（1 1）工作周期）工作周期取指周期取指周期FTFT用于指令正常执行用于指令正常执行源周期源周期STST目的周期目的周期DTDT执行周期执行周期ETET中断周期中断周期ITITDMADMA周期周期DMATDMAT用于用于I/OI/O传送控制传送控制设置设置6 6个触发器分别个触发器分别作为各作为各周期状态标志周期状态标志1 1 工作周期开始工作周期开始0 0 工作周期结

20、束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个工作周期状态标志为“1 1”。1 1）取指周期）取指周期FTFT从从M M取出指令并译码；取出指令并译码；公操作公操作修改修改PCPC。取指结束时，按操作码和寻址方式取指结束时，按操作码和寻址方式(R/(R/非非R R寻址寻址) )转相应工作周期。转相应工作周期。按寻址方式按寻址方式( (非非R R寻址寻址) )形成源地址，从形成源地址，从M M取出源操取出源操作数，暂存于作数，暂存于C C。2 2）源周期）源周期STST3 3）目的周期）目的周期DTDT按寻址方式按寻址方式

21、( (非非R R寻址寻址) )形成目的地址，或从形成目的地址，或从M M取出取出目的操作数，暂存于目的操作数，暂存于D D。4 4）执行周期）执行周期ETET按操作码完成相应操作按操作码完成相应操作( (传送、运算、取转移地址传送、运算、取转移地址送入送入PCPC、返回地址压栈保存、返回地址压栈保存) )；后续指令地址送入后续指令地址送入MARMAR。5 5）中断周期）中断周期ITIT关中断、保存断点和关中断、保存断点和PSWPSW、转服务程序入口。、转服务程序入口。由硬件完成由硬件完成ITIT指指CPUCPU响应中断请求后，到执行中断服务程序前。响应中断请求后，到执行中断服务程序前。6 6）

22、DMADMA周期周期DMATDMATDMATDMAT指指CPUCPU响应响应DMADMA请求后，到传送完一次数据。请求后，到传送完一次数据。DMADMA控制器接管总线权，控制直传。控制器接管总线权，控制直传。由硬件完成由硬件完成1 1）时钟周期时间：）时钟周期时间：一次从一次从M M读出，并经数据通路传送的操作；读出，并经数据通路传送的操作；或或一次数据通路传送操作；一次数据通路传送操作；或或一次向一次向M M写入的操作写入的操作（2 2）时钟周期）时钟周期( (节拍节拍) )T T1 1微秒微秒完成一步操作：完成一步操作：模型机以模型机以访存时间访存时间作为作为一步操作时间一步操作时间。 一

23、个总线一个总线周期周期等于等于一个时钟周期一个时钟周期，可根据需要扩展。，可根据需要扩展。2 2）时钟周期数：）时钟周期数：每个工作周期第一拍每个工作周期第一拍T=0T=0，每开始一个新节拍每开始一个新节拍T T计数计数，工作周期结束时工作周期结束时T T清清0 0。一个工作周期中的时钟数一个工作周期中的时钟数可变可变。用用计数器计数器T T控制节拍数控制节拍数每个时钟结束时设置一个脉冲。每个时钟结束时设置一个脉冲。（3 3）工作脉冲）工作脉冲P P1ST TP P打入寄存器打入寄存器进行时序转换进行时序转换（周期状态设置（周期状态设置/清除清除时钟时钟T T计数计数/清除）清除）将计数值译码

24、，可产生节拍电位。将计数值译码，可产生节拍电位。2.2.控制流程控制流程( (工作周期转换工作周期转换) ) FT FT双双单单转转SRSR ST STDRDR DT DT ET ET DMAT DMATDMADMA请求？请求？中断请求？中断请求？ IT ITSRSRDRDRY YN NY YN N3.3.指令流程图与操作时间表指令流程图与操作时间表拟定指令流程：拟定指令流程：确定各工作周期中每拍完成的具体确定各工作周期中每拍完成的具体操作（寄存器传送级）。操作（寄存器传送级）。列操作时间表：列操作时间表：列出每一步操作所需的微命令及产列出每一步操作所需的微命令及产生条件与时间。生条件与时间。

25、（1 1）取指周期）取指周期FTFT初始化时置入初始化时置入FTFT， 1 1）进入）进入FTFT的方式的方式FTFTS SR RD DC CQ QQ Q总清总清1 1程序正常运行时程序正常运行时同步打入同步打入FTFT。1 FT1 FTCPFTCPFT1-FT=ET(1-DMAT.1-IT+IT+DMAT(1-DMAT.1-IT)1-FT=ET(1-DMAT.1-IT+IT+DMAT(1-DMAT.1-IT)正常运行时有正常运行时有3 3种情况可能进入种情况可能进入FTFT：ETET，ITIT，DMATDMAT之后。之后。所以：所以：2 2）流程图）流程图FT0FT0：PC+1 PCPC+1

26、 PCM IRM IRMIRPC+1PC问题：为什么它们问题：为什么它们安排在一个节拍？安排在一个节拍？1 ST1 ST3 3）操作时间表）操作时间表FT0FT0：电位型微命令电位型微命令脉冲型微命令脉冲型微命令EMAR,EMAR, R,R, SIRSIRPC A,PC A,A+1,A+1,DMDMCPPCCPPC1 DT1 DT1 ET1 ET或或 或或 CPFT( P)CPFT( P)CPST( P)CPST( P)CPDT( P)CPDT( P)CPET( P)CPET( P)CPT ( P)CPT ( P)工作周期中，每拍结束时发工作周期中，每拍结束时发CPTCPT；工作周期结束时，；

27、工作周期结束时，5 5个时序打入命令都发。个时序打入命令都发。转换转换 P P（2 2）传送指令）传送指令1 1）流程图）流程图MIR,PC+1PCRiMARMMBRCRiMARRiMARPCMARRi-1Ri和MARMMBRCMMBRCMMBRCMMBRCRi+1RiRi+1RiPC+1PCCMARC+RiMARMMBRCMMBRCRjMARRjMARRjMARPCMARRj-1Ri和MARRj+1RjRj+1RjPC+1PCMMBRMARMMBRDRiRjRiMBRMBRMPCMARSR.DRSR.DRCRjCMBRMBRMMOV指令FTST0ST1ST2ST3ST4DT0DT1DT2DT

28、3ET0ET1ET2D+RjMARSR.DRSR.DRR (R) -( R ) ( R)+ (R)+ X(R) R (R) -( R ) ( R)+ (R)+ X(R) FT0FT0：M IRM IR，例例1 1：MOV R0MOV R0，R1R1；源数源数ET0ET0：R1 R0R1 R0PC MARPC MARET1ET1：例例2 2：MOV(R0),(R1)MOV(R0),(R1)； FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCST0ST0：R1 MARR1 MARST1ST1：M MDR CM MDR CDT0DT0：R0 MARR0 MAR目的地址目的地址ET0ET0

29、：C MDRC MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PC形地形地取源操作数，取源操作数，暂存于暂存于C C，需需5 5步。步。PC+1 PCPC+1 PCST0ST0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR CM MDR CDT0DT0：C MDRC MDR源数源数ET0ET0：C+R1 MARC+R1 MARET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PC例例3 3：MOV X(R0),X(R1)MOV X(R0),X(R1)；FT0FT0： M IRM IRM M

30、DR CM MDR CST1ST1：ST2ST2：ST3ST3：ST4ST4：PC MARPC MARM MDR DM MDR D形地形地PC+1 PCPC+1 PCDT2DT2：DT3DT3：D+R0 MARD+R0 MAR目的地址目的地址取目的地址，取目的地址，暂存于暂存于MARMAR，需需4 4步。步。源数送存储器，源数送存储器，需需3 3步。步。2 2）MOVMOV指令的操作时间表指令的操作时间表ST0R0AIR11IR10IR9X /IR11IR10IR9=000表示R0R1AIR11IR10IR9X /同上类似，都不是变址R2AIR11IR10IR9XR3AIR11IR10IR9X

31、SPAIR11IR10IR9XPCAIR11IR10IR9 + X /变址寻址，寄存器为PCS3 S2 S1 S0 M - ( R ) /不是自减型寄存器间址S3 S2 S1 S0 M C0 - ( R ) /是自减型寄存器间址R-1DM /ALU结果直接送内总线T+1 /本工作周期还有下一拍PCPMARCPR0 同R0A条件CPR1 同R1A条件CPR2 同R2A条件CPR3 同R3A条件CPSP 同SPA条件CPT（P）ST1EMAR /让MAR内的地址送地址总线R /从内存读数据到数据总线SMBR /将数据置入MBR MBRB /将MBR的数据选入ALU的BS3 S2 S1 S0 M /

32、ALU对B的数据不加工DM / ALU结果直接送内总线1ST（R）V -（R） /不是自减/寄存器间址,继续ST1DT（R）V -（R） DR /是,目的数不在寄存器,DT1ET （R）V -（R） DR /是,目的数在寄存器,转ETT+1（R）V -（R） /不是,本周期还有下一拍PCPCCPST（P）CPDT（P）CPET （P）CPT （P）ST0讲解ST0 ：RMARR0AIR11IR10IR9X /IR11IR10IR9=000表示R0R1AIR11IR10IR9X /同上类似，都不是变址R2AIR11IR10IR9XR3AIR11IR10IR9XSPAIR11IR10IR9XPCA

33、IR11IR10IR9 + X /变址寻址，寄存器为PCS3 S2 S1 S0 M - ( R ) /不是自减型寄存器间址S3 S2 S1 S0 M C0 - ( R ) /是自减型寄存器间址R-1DM /ALU结果直接送内总线T+1 /本工作周期还有下一拍PCPMARCPR0 同R0A条件CPR1 同R1A条件CPR2 同R2A条件CPR3 同R3A条件CPSP 同SPA条件CPT（P）ST1讲解ST1 ：MMBRCEMAR /让MAR内的地址送地址总线R /从内存读数据到数据总线SMBR /将数据置入MBR MBRB /将MBR的数据选入ALU的BS3 S2 S1 S0 M /ALU对B的

34、数据不加工DM / ALU结果直接送内总线1ST（R）V -（R） /不是自减/寄存器间址,继续ST1DT（R）V -（R） DR /是,目的数不在寄存器,DT1ET （R）V -（R） DR /是,目的数在寄存器,转ETT+1（R）V -（R） /不是,本周期还有下一拍PCPCCPST（P）CPDT（P）CPET （P）CPT （P）MOV操作时间表举例：ST2解：ST2R0AIR11IR10IR9X /IR11IR10IR9=000表示R0R1AIR11IR10IR9X /同上类似，都不是变址R2AIR11IR10IR9XR3AIR11IR10IR9XSPAIR11IR10IR9XPCAI

35、R11IR10IR9 + X /变址寻址，寄存器为PCS3 S2 S1 S0 M C0 /+1DM /ALU结果直接送内总线1STI/(R)+ /继续ST1DTI/(R)+DR /目的数在内存，转DT1ETI/(R)+DR /目的数在寄存器，转ETT+1I/ (R)+ /本工作周期可能还有下一拍PCPR0 同R0A条件CPR1 同R1A条件CPR2 同R2A条件CPR3 同R3A条件CPSP 同SPA条件CPPC 同PCA条件CPT（P）操作时间表举例：mov 的ST3解：ST3R0AIR11IR10IR9X /IR11IR10IR9=000表示R0R1AIR11IR10IR9X /同上类似，

36、都是变址R2AIR11IR10IR9XR3AIR11IR10IR9XSPAIR11IR10IR9XPCAIR11IR10IR9 X CB /把操作数地址从C选到B端S3 S2 S1 S0 M X（R） /加S3 S2 S1 S0 M X（R） /加DM /ALU结果直接送内总线T+1 /本工作周期还有下一拍PCPMARCPT（P）操作时间表举例：mov 的ST4解：ST4EMAR /让MAR内的地址送地址总线R /从内存读数据到数据总线SMBR /将数据置入MBR MBRB /将MBR的数据选入ALU的BS3 S2 S1 S0 M /ALU对B的数据不加工DM / ALU结果直接送内总线1DT

37、DR /目的数不在寄存器,转DT1ET DR /目的数在寄存器,转ETPCPCCPDT（P）CPET （P）CPT（P）FT0FT0：M IRM IR例：例：MOV (R1)MOV (R1)，(SP)+(SP)+SP MARSP MARM MDR CM MDR CPC+1 PCPC+1 PCCPPCCPPCST0ST0：SP+1 SPSP+1 SPEMAREMAR R R SMDRSMDR MDR BMDR B 输出输出B B DMDMCPCCPCSP ASP AA+1A+1 DMDMCPSPCPSPEMAREMARPC APC A A+1A+1R RSIRSIRDMDM1 ST1 STCPF

38、T(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P) CPT(P)CPT(P)DMDM CPMARCPMAR输出输出A ASP ASP AT+1T+1CPT(P)CPT(P)T+1T+1CPT(P)CPT(P)ST1ST1：ST2ST2：1 DT1 DTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P) CPT(P)CPT(P)ET1ET1： MDR MMDR MPC MARPC MARET2ET2：EMAREMARW WT+1T+1 CPT(P)CPT(P)DMDMCPMARCPMAR输出输出A APC APC A1 FT1 FTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)

39、CPT(P)CPT(P)DT0DT0： R1 MARR1 MARDMDMCPMARCPMAR输出输出A AR1 AR1 AT+1T+1CPT(P)CPT(P)1 ET1 ETCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)ET0ET0：C MDRC MDRC BC B 输出输出B B DMDMCPMDRCPMDR CPT(P)CPT(P)MOV (R1)MOV (R1)，(SP)+(SP)+RjMARRjMARRjMARPCMARRj-1Rj和MARRj+1RjRj+1RjPC+1PCDMARMMBRDRi op RjRjRi op DMBRMBRMPCMARSR.DRSR.DRC o

40、p RjRjC op DMBRMBRMDT0DT1DT2DT3ET0ET1ET2D+RjMARSR.DRSR.DRR (R) -( R ) ( R)+ (R)+ X(R) MMBRDDT0取指取源操作数MMBRDMMBRDMMBRDMMBRDMMBRD（3 3）双操作数指令的指令流程）双操作数指令的指令流程例：例：ADD X(R1),(PC)+ ADD X(R1),(PC)+ ；FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PC立即数立即数ST0ST0：PC MARPC MARST1ST1：M MDR CM MDR CST2ST2：PC+1 PCPC+1 PCDT0DT0：PC MA

41、RPC MARDT1DT1：M MDR DM MDR DDT2DT2：PC+1 PCPC+1 PC形式地址形式地址DT3DT3：D+R1 MARD+R1 MARDT4DT4：M MDR DM MDR D目的数目的数ET0ET0： C+D MDRC+D MDRET1ET1： MDR MMDR MET2ET2： PC MARPC MARET0ET1ET2单操作数指令流程op RiRjMDRMPCMARDR op DMARDR取指取操作数DTFT（4 4）单操作数指令）单操作数指令FT0FT0：M IRM IR，例：例：COM -(R0)COM -(R0)；DT0DT0：R0-1 R0R0-1 R0

42、 、MARMARDT1DT1：M MDR DM MDR DET0ET0：ET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PCPC+1 PCD MDRD MDR（5 5）转移）转移- -返回指令返回指令无条件无条件转移转移SKPSKPR R（R R）（R)+R)+ 按按R R指示从指示从M M取转移地址取转移地址, ,修改修改R R。（SP)+SP)+X(PC)X(PC)执行再下条指令。执行再下条指令。从从R R取转移地址。取转移地址。按按R R指示从指示从M M取转移地址。取转移地址。从堆栈取返回地址从堆栈取返回地址, ,修改修改SPSP。以以PCPC內容为基

43、准转移。內容为基准转移。（RSTRST）PCMARPC PC SKP R (R) RST (R)+ X(PC) ET0ET1ET2转移/返回指令流程取指PC+1PCMARRiPCMARRiMARRiMARPCMARMMDRPC,MARRi+1RiMMDRPC,MARPC+CPC,MARMMDRCNJPJP、RSTFT0FT0：M IRM IR，例例1 1：JMP R0JMP R0；SP+1 SPSP+1 SP、MARMARM MDR PCM MDR PCET0ET0：ET1ET1：SP MARSP MARET2ET2：R0 PCR0 PCPC+1 PCPC+1 PC例例2 2：RST (SP)

44、+RST (SP)+；FT0FT0：M IRM IR， PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：、MARMAR例例3 3：JMP X(PC)JMP X(PC)；FT0FT0：M IRM IR， PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：PC MARPC MARET1ET1：M MDR CM MDR C位移量位移量ET2ET2：PC+C PCPC+C PC 、MARMAR取指RiMARRi MARMMDRCMMDRCRi+1RiJSR指令FTST0ST1ST2ET0ET1ET2PCMARSP-1SP,MARPCMDRMDRMCPC,MARSP-1SP,MARPC+1PC MARPCMDRMDR

45、MRiPC,MARET3PC PC R (R) (R)+ NJSRJSR无条件转子：无条件转子： R R（R R） （R)+R)+（SP)+SP)+（PC)+PC)+入口在入口在R R中中（6 6）转子指令）转子指令入口在入口在M M中中入口在堆栈中入口在堆栈中SP-1 SPSP-1 SPMDR MMDR MST1ST1：PC MDRPC MDR在在STST形成子程序入口；在形成子程序入口；在ETET保存返回地址，并转保存返回地址，并转子程序入口。子程序入口。ST0ST0：、MARMAR例：例：JSRJSR（R2R2）；）； FT0FT0： M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0

46、ET0：R2 MARR2 MARET1ET1：M MDR CM MDR C子程序子程序入口入口C PCC PC、MARMAR返回地返回地址压栈址压栈ET2ET2：ET3ET3：FT 主程序 INTETiIT1IT指令流程1IT,INTAPCMDR0ISP-1SP,MARMDRM向量地址MAR入口地址PC,MAR 1FTIT0IT2IT3IT4子程序FT0FT 主程序 DMAT请求 DACK 1DMAT 与系统总线脱钩 1FTETiDMAT指令流程恢复原程序执行FTDMAT归纳微命令归纳微命令, ,综合化简条件综合化简条件, ,用组合逻辑电路实现。用组合逻辑电路实现。读令读令R R= =4.4.

47、控制逻辑控制逻辑例：例：FT0FT0 +MOV(ST1+ST4+MOV(ST1+ST4+) )CPPC CPPC = = FT0FT0+ +P P +MOV(ST2+DT2) X P+MOV(ST2+DT2) X P + +第三节第三节 组合逻辑控制器原理组合逻辑控制器原理3.3.1 控制器组成控制器组成微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台

48、信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器1.1.微命令发生器微命令发生器功能：功能：产生全机所需的各种产生全机所需的各种微命令微命令控制最基本的操作控制最基本的操作( (微操作微操作) )的命令的命令电位型电位型脉冲型脉冲型微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M2.2.指令计数器指令计数器PCPC功能：功

49、能：指示指令在指示指令在M中的位置。中的位置。PC+1PC+1顺序执行：顺序执行：PCPC先先+1+1，再用转移地址修改，再用转移地址修改PCPC微命令微命令发生器发生器PCPC转移执行：转移执行：3.3.指令寄存器指令寄存器IRIR功能：功能：存放现行指令。存放现行指令。决定操作决定操作性质性质操作码字段操作码字段操作数地址操作数地址转移地址转移地址PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC

50、 IR IR地址码字段地址码字段译码器译码器微命令发生器微命令发生器地址形成部件地址形成部件寻寻D4.4.状态寄存器状态寄存器PSWPSW功能：功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。指示程序运行方式，反映程序运行结果。例例. 某机的某机的PSWPSWPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW工作方式工作方式 优先级优先级 T T N Z V CN Z V C15

51、 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0C=1 C=1 进位进位 V=1 V=1 溢出溢出Z=1 Z=1 结果为结果为0 0N=1 N=1 结果为负结果为负T=1T=1, 执行跟踪程序执行跟踪程序（1 1）条件码）条件码反映程序运行结果反映程序运行结果工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0（2 2）跟踪标志）跟踪标志为程序查错设置的断点标志为程序查错设置的断点标志T T。程序初始化置T为1.测试T跟踪程

52、序.程序优先级高于外部优先级，程序优先级高于外部优先级，不响应不响应程序优先级低于外部优先级，可响应程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：用户方式：禁止程序执行某些指令禁止程序执行某些指令核心方式：核心方式：允许程序执行所有指令允许程序执行所有指令（3 3）优先级）优先级为现行程序赋予优先级别，以决定是否为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。响应外部中断请求。工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0（4 4）工作方式）工作方式规定程序的特权级。规

53、定程序的特权级。PSWPSW在在CPUCPU中，中，反映程序运行反映程序运行状态；控制状态；控制/ /状状态字在接口中态字在接口中, ,反映反映CPUCPU命令、命令、设备状态。设备状态。5.5.时序线路时序线路功能：功能：控制操作时间和操作时刻。控制操作时间和操作时刻。PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序振荡器振荡器分频器分频器时钟脉冲时钟脉冲工作

54、脉冲工作脉冲时钟周期时钟周期( (节拍节拍) )产生电位产生电位型微命令，型微命令，控制操作控制操作时间段时间段产生脉冲型产生脉冲型微命令，控微命令，控制定时操作制定时操作1.1.取指令取指令PCPCPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序3.3.2 控制器工作过程控制器工作过程地址地址M M指令指令IRIR 、译码、译码( (、寻址方式、寻址方式) )

55、PC+1PC+1PCPC2.2.取数取数PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码. PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器取数。取数。3.3.执行执行按操作码对数据进行运算处理。按操作码对数据进行运算处理。1.1.组合逻辑控制器的时序划分组合逻辑控制器的时序划分3.3.3 时序控制方式时序控制方式即时序信号与操作的关系即

56、时序信号与操作的关系 采用三级时序系统：采用三级时序系统：指令周期指令周期工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期n n时钟周期时钟周期1 1时钟周期时钟周期2 2时钟周期时钟周期m m.工作脉冲工作脉冲1 1工作脉冲工作脉冲2 2工作脉冲工作脉冲k k.( (节拍节拍1)1)( (节拍节拍2)2)( (节拍节拍m)m) 时序关系：时序关系：晶振输出晶振输出工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3时钟时钟T1T1工作脉冲工作脉冲P P时钟时钟T2T2指令周期指令周期控制不同阶段操作时间控制不同阶段操作时间控制分步操作时间控制分步操作时间对微操作定时

57、对微操作定时取指取指执行执行取数取数取出指令取出指令修改修改PC打入打入IR打入打入PC2.2.时序控制方式及其变化时序控制方式及其变化（1 1）同步控制）同步控制各项操作受统一时序控制。各项操作受统一时序控制。定义：定义：特点：特点： 有明显时序时间划分，有明显时序时间划分，优缺点：优缺点： 时序关系简单，时序划分规整，时序关系简单，时序划分规整，控制不复杂；控制不复杂；时间安排不合理。时间安排不合理。应用场合：应用场合： 用于用于CPUCPU内部、设备内部、系内部、设备内部、系统总线操作统总线操作 控制逻辑易于集中，便于管理。控制逻辑易于集中，便于管理。 ( (各挂接部件速度相近，传送时间

58、确各挂接部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近定，传送距离较近) )。 时钟周期时时钟周期时间固定，间固定， 各步操作的衔接、各部件之间的数各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。据传送受严格同步定时控制。各项操作受各项操作受统一时序统一时序控制。控制。由由CPUCPU或或其他设备其他设备提供提供（2 2）异步控制）异步控制 各项操作按不同需要安排时间，不各项操作按不同需要安排时间，不 受统一时序控制。受统一时序控制。定义：定义：特点：特点： 无统一时钟周期划分，无统一时钟周期划分，例例. .异步传送操作异步传送操作 主设备：主设备：申请并掌握总线权的设备。申请并掌握总线权的

59、设备。 各操作间的各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应衔接和各部件之间的信息交换采用异步应 答方式。答方式。总线总线主主从从 从设备：从设备：响应主设备请求的设备。响应主设备请求的设备。发发/接接接接/发发主设备获得总线控制权主设备获得总线控制权 操作流程：操作流程： 主设备询问从设备主设备询问从设备主设备发送主设备发送/ /接收数据接收数据主设备释放总线控制权主设备释放总线控制权 从设备准备好？从设备准备好？YN主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线断开主设备输出端与总线断开时间安排紧凑、合理；时间安排紧凑、合理；控制复杂。控制复杂。优缺点：优缺点：应用场合

60、：应用场合： 用于异步总线操作用于异步总线操作( (各挂接部各挂接部件速度差异大，传送时间不确定，传送距离件速度差异大，传送时间不确定，传送距离较远较远) )。（3 3）同步方式的变化）同步方式的变化指令周期长度可变，时钟周期长度不变。指令周期长度可变，时钟周期长度不变。不同指令安排不同时钟周期数不同指令安排不同时钟周期数总线周期中插入延长周期总线周期中插入延长周期经总线传送一次数据所用的时间经总线传送一次数据所用的时间( (送地址、读送地址、读/ /写写) )总线周期长度可变，时钟周期长度不变。总线周期长度可变，时钟周期长度不变。总线周期总线周期( (4T) )例例. .一个总线周期包含一个