dj13 (8)-cpu模型2-组合逻辑设计

1、3.5.1 组合逻辑控制器时序系统1. 工作周期(也称机器周期)取指周期 FT用于指令正常执行时序控制源周期 ST目的周期 DT执行周期 ET中断周期 ITDMA周期 DMAT用于I/O传送控制定义以下工作周期:(1)组合逻辑控制器依靠不同的时间标志，使CPU分步工作。(2)模型机按常规采用工作周期、时钟周期、工作脉冲三级时序。 取指周期 FT 源周期 STFT周期内, 完成从内存取指令IR, 然后修改PC值(PC+1PC);本阶段的操作与指令类型无关。在非寄存器寻址时, 在ST时间内, 按指令指定的源寻址方式, 形成源操作数地址、读取源操作数, 并将其存入暂存器C。FT结束时, 按操作码和寻

2、址方式转相应工作周期。(分寄存器寻址或非寄存器寻址) 执行周期 ET主要完成: 完成指令指定功能(如传送、运算、取转移地址送入PC等) 后续地址MAR 目的周期 DT在非寄存器寻址时, 在DT时间内, 按指令指定的目的寻址方式, 读取目的地址(MAR)或目的操作数(暂存器D) 。(顺序地址或转移地址) 中断周期 IT关中断、保存断点和PSW、寻找并转入中断服务程序入口地址。IT指CPU响应中断请求后, 直到执行中断服务程序前的一段时间。以便返回主程序并继续执行执行中断服务程序前, 不响应新的中断请求中断周期内的工作由硬件自动完成包括以下工作: DMA周期 DMATDMAT指CPU响应DMA请求

3、后, 到传送完一次数据。DMA控制器接管总线权, 控制MI/O直传。DMAT内的工作由DMA控制器硬件自动完成上述六种工作周期之间的转换关系是:FTResetSTDTET双操作数无操作数单操作数无DMA和中断请求IT有中断请求DMAT有DMA请求中断周期结束DMA结束且DMA请求也无中断请求有中断请求有DMA请求工作周期转换流程是: FTN ET DTDMA请求?中断请求?YDMAT IT ST双转单YN设置6个触发器分别作为各周期状态标志1 工作周期开始0 工作周期结束在整个指令周期中, 任何时候必须、且只能有一个工作周期状态标志为“1”。 时钟周期时间:一次从M读出, 并经数据通路传送的操

4、作; 或一次数据通路传送操作; 或一次向M写入的操作2. 时钟周期(也称节拍) T完成一步操作:1微秒模型机以访存时间作为一步操作时间。假设:一个总线周期等于一个时钟周期。 时钟周期数: 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0。一个工作周期中的时钟数可变用计数器T控制节拍数:将计数值译码, 可产生节拍电位。如下图可产生 T3 T2 T1 T0 :注: 由T触发器构成计数器, 并通过译码器产生节拍信号。T触发器由J-K触发器的J-K 端相连构成, 在C脉冲下降沿翻转, 逻辑状态方程是:计数脉冲 CPTCLRQ0 C T 24译码器Q1C TRRT3 T2 T

5、1 T000111001+5V“1”Qn+1=TQn即:Qn+1= QnT=1时, CPT下降沿到来后,T=0时, CPT下降沿到来后,Qn+1= Qn产生以下时序(由译码器输出):0000010110101111T0T1T2T3注: 如果1个工作周期需要更多的节拍, 如T4 、 T5等, 则需要增加计数器的长度(如教材图3-35)。每个时钟结束时设置一个脉冲。3. 工作脉冲 P1S时钟周期T工作脉冲P打入寄存器进行时序转换(周期状态设置/清除时钟T计数/清除)注: 为简化控制过程, 本教材将时钟周期(T)长度定为一次访存的时间长度, 因此取指周期只需要一个节拍T。(见教材P.137)3.5.

6、2 指令流程图与操作时间表 在寄存器传送级拟定指令流程: 也就是确定指令执行执行的具体步骤，确定每个工作周期中每一个节拍需要完成的具体操作。 拟定操作时间表:列出每一步操作所需的微命令及产生条件。控制器设计的核心是拟定各类指令的执行过程。有两种可供选择的设计线索： (1)以工作周期为线索，按工作周期分别拟定各类指令在本工作周期内的操作流程，再以操作时间表分时列出应当发出的微命令及逻辑条件。 (2)以指令为线索，按指令类型分别拟定操作流程。1、取指周期 FT 初始化时置入FT;(1) 进入FT的方式和条件FTSRDCQQ总清1 程序正常运行时, 进行周期转换进入FT。1FTCPFT1FT =+

7、IT ET(1DMAT 1IT )+ DMAT(1DMAT 1IT )在脉冲后沿置FT(2) 取指流程1STFT0:PC+1 PCM IR(3) 操作时间表FT0:电位型微命令脉冲型微命令M IREMAR,R,SIRPC+1 PCPCADMCPPC1DT1ETCPFT(P)转换 CPT (P)CPET(P)CPDT(P)CPST(P)(见P. 139, 图3-38)FT0表示取指周期FT的T0节拍S3S2S1S0MC0(逻辑式1)(逻辑式2)(逻辑式3)对上述操作时间表的说明:(1) 在FT结束以后, 信号“1ST”、 “1DT”、“1ET”仅有一个有效(为“1”), 因此, 即使脉冲CPST

8、、 CPDT、 CPET都产生, 也只会是一个工作周期触发器置为“1”, 并进入相应周期。(2) 发出了CPFT脉冲, 但是不产生“1FT”信号, 因此不会进入取指周期。(3) FT结束以后进入其它工作周期, 节拍状态又从0开始，即维持T0不变。虽然也发出了CPT信号, 但让“T+1”= 0, 时钟周期计数器不计数, 仍然维持T0节拍。2、传送指令FT0:M IR,例1: MOV R1 , R0 ;ET0:R0 R1PC MARET1:PC+1 PC(1) 指令流程 (P.141 MOV指令流程图)符号标识:SR: 源操作数寄存器寻址DR: 目的操作数寄存器寻址 MOV指令流程图包含各种寻址方

9、式组合，通过对MOV指令流程的分析，能够了解各种寻址方式的具体实现过程，因而是剖析整个指令系统的关键。源操作数例2:MOV (R1), (R0);FT0:M IR,PC+1 PCST0:R0 MARST1:M MDR CDT0:R1 MAR目的地址ET0:C MDRET1:MDR MET2:PC MARPC+1 PC例3:MOV X(R1), X(R0);FT0:M IR取源操作数, 暂存于C, 需5步移位量PC+1 PCST0:PC MARDT1:M MDR CDT0:C MDR源操作数ET0:C+R0 MARET1:MDR MET2:PC MARM MDR CST1:ST2:ST3:ST4

10、:PC MARM MDR DPC+1 PCDT2:DT3:D+R1 MAR目的地址取目的地址, 暂存于MAR, 需4步源操作数送存储器, 需3步。移位量注:R0 (000)、R1 (001) 、R2 (010)、R3 (011)SP (100)、PSW (101)、PC (111) 传送指令格式: 寄存器编码: 操作码 寄存器号 寻址方式 寄存器号 寻址方式IR15IR12 IR11IR10 IR9 IR8 IR7 IR6 IR5 IR4 IR3 IR2IR1IR0 4位3位3位3位3位(2) 操作时间表操作时间表如下(P.142) :ST0 R0A R1A R2A R3A SPA PCA S

11、3S2S1S0M DM T+1ST1 EMAR R IR5IR4IR3X IR3IR4IR3X IR5IR4IR3+ X IR5IR4IR3X (R) CPMARPCPR0 条件同R0ACPR1 条件同R1ACPR2 条件同R2ACPR3 条件同R3ACPSP 条件同SPACPT P S3S2S1S0MC0 (R) IR5IR4IR3X IR5IR4IR3XST1 SMDR MDR B DM 1ST 1DT 1ET T+1S3S2S1S0M(R)(R) (R)(R) DR(R)(R) DR(R)(R) PCPCCPST P CPDT P CPET P CPT P .如果不是寄存器间址或自减型寄

12、存器间址,则需要延长ST, 否则进入DT或ET。运算器输出BCPFT PFT0:M IR例:MOV (R1), (SP) + ;SP MARM MDR CPC+1 PCCPPCST0:SP+1 SPEMARRSMDRMDR B输出BDMCPCSP AA+1DMCPSPEMARPC AA+1RSIRDM1 STCPFT(P)CPET(P)CPT(P)DMCPMAR输出ASP AT+1CPT(P)T+1CPT(P)ST1:ST2:1 DTCPFT(P)CPET(P)CPT(P)DT0:R1 MARDMCPMAR输出AR1 AT+1CPT(P)1 ETCPFT(P)CPET(P)ET0:C MDRC

13、 B输出BDMCPMDRCPT(P)ET1：MDR MPC MARET2：EMARWT+1CPT(P)DMCPMAR输出APC A1 FTCPFT(P)CPET(P)CPT(P)向DB输出MDRDT0：R1 MARDMCPMAR输出AR1 AT+1CPT(P)1 ETCPFT(P)CPET(P)ET0：C MDRC B输出BDMCPMDRCPT(P)3、双操作数指令例:ADD X(R1), (PC);FT0:M IR,ST0：PC MARST1：M MDR CST2：PC+1 PCDT0：PC MARDT1：M MDR DDT2：PC+1 PC偏移量DT3：D+R1 MARDT4：M MDR

14、D目的数ET0：C+D MDRET1：MDR MET2：PC MARPC+1 PC操作流程见 P.144。4、单操作数指令FT0：M IR,例:COM (R0) ;DT0：R0 1 R0、MARDT1：M MDR DET0：ET1：MDR MET2：PC MARPC+1 PCD MDR操作流程见 。S3S2S1S0MC5、转移-返回指令无条件转移SKPR(R)(R)+按R指示从M取转移地址, 修改R。(SP)+X(PC)执行再下条指令。从R取转移地址。按R指示从M取转移地址。从堆栈取返回地址, 修改SP。以PC內容为基准+偏移量作转移地址。(RST)操作流程见 。寻址方式固定为(SP)+PC型

15、寻址和非PC型寻址说明:针对转移不成功时, 如何决定后继指令的地址: 转移指令的地址字段所指明的寄存器不是PC, 即为非PC型寻址PC则后继指令存放在紧接当前转移指令之后的地址单元, 即: 条件转移指令 后继指令. 转移指令的地址字段所指明的寄存器是PC, 即为PC型寻址 PC, 转移指令之后的地址存放转移地址, 后继指令在再下一个单元,即: 条件转移指令 转移地址 后继指令.SP+1 SPM MDR PCET2：SP MARET1：例1：RST (SP)+ ;FT0：M IR,PC+1 PCET0：、MAR例2：JMP X(PC) ;FT0：M IR,PC+1 PCET0：PC MARET1

16、：M MDR C位移量ET2：PC+C PC、MAR无条件转子:R(R)(R)+(SP)+(PC)+入口在R中6、转子指令入口在M中入口在堆栈中SP-1 SPMDR MST1：PC MDR在ST形成子程序入口; 在ET保存返回地址, 并转入子程序入口。ST0：、MAR例: JSR (R2) ;FT0：M IR，PC+1 PCET0：R2 MARET1：M MDR C子程序入口C PC、MAR返回地址压栈ET2：ET3：7、 中断周期 ITP.147 流程图: 主程序 PC MDRSP 1SP、MAR 1IT进入中断周期MDRMIT0IT3IT1IT2向量地址MAR入口地址PC MAR, 1FT

17、IT4FT0服务子程序为访问中断向量表作地址准备3.5.3 微命令的综合与产生归纳微命令, 综合化简, 用组合逻辑电路实现。例: 符号“S-OP”表示单操作数指令; “D-OP”表示双操作数指令; 符号“N-OP”表示无操作数指令1FT =+ IT ET(1DMAT 1IT )+ DMAT(1DMAT 1IT )1DT =1ET =DT + FT(N-OP+ R-R) 1DMAT = ET (DMAR=1)1IT = ET (DMAR=0) (INTR=1) (IF=1) 1ST =FT N-OP R-R SR ST + FT S-OP DR 以P.141147指令流程图为例, 写出PC送运算

18、器(以PCA表示)的逻辑表达式: 取指:PCA = FT0 MOV指令:PCA = 双操作数指令:PCA =MOV(ST0 X(PC)+ST2X(PC)+ DT0X(PC)+ DT1X(PC)+ET2)D-OP(ST0 X(PC)+ ST2X(PC)+ DT0 X(PC)+DT2X(PC) +ET2)(为了完成PC+1操作)PCA =S-OP(DT0 X(PC)+DT2X(PC)+ET2) JMP、RST指令:PCA =JMP(NJPET0+JPSKPET0+JPX(PC)ET0+JPX(PC)ET2) JSR指令:PCA =JSR(NJSRET0+JSRET1) 中断响应周期:PCA =IT

19、1综合以上微操作表达式: 单操作数指令:PCA =FT0+MOV(ST0 X(PC)+ST2X(PC)+DT0X(PC)+ DT1X(PC)+ET2)+D-OP (ST0 X(PC)+ ST2X(PC)+ DT0 X(PC)+DT2X(PC) +ET2)+S-OP(DT0 X(PC)+DT2X(PC)+ +ET2)+JMP(NJPET0+JPSKPET0+JPX(PC)ET0+JPX(PC)ET2)+JSR(NJSRET0+JSRET0)+IT1(未对表达式进行简化)读命令R =CPPC =FT0+MOV(ST1+ST4+ )+FT0 P+MOV(ST2+DT2) X P+依次类推, 可以有:将上述逻辑表达式用逻辑电路实现即可。1C0 =FT0P+SUBST2P(R)+)+INCDT2P)+SUBDT2P(R)+