计算机组成原理第九讲CPU模型

2
1
0
N′Z′V′C′ 0 1 0 0 数为零转(Z=1) 转移地址 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。
计算机组成原理
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模型机指令系统
15 12 11
RST JSR 寄 寻 SP
9
移 B
内 ALU
MAR 移
AB M C 内
移
内
MAR
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数据信息的传送
移位器 ALU
内总线
R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR M I/O
A
B
R2
R3
R0~R3 R0 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR C
CPU设计步骤
拟定指令系统 确定总体结构 安排时序
格式、寻址方式、 指令类型设置 寄存器、ALU、数 据通路设置 画流程图(寄存器传送级) 列操作时间表
拟定指令流程和微命令序列 形成控制逻辑
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
计算机组成原理
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变址：
移位器
ALU
内总线
R0
AB DB CB MAR MDR IR PC SP 控制 逻辑 M I/O
R1
A
B
R2
R3
R0~R3 R0~R3 R0 C D C D SP PC PSW MDR MDR C
D
PSW
PC A ALU M DB MDR A R0 ALU C 计算机组成原理 B
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 寄存器间址 000 001 R （R）为操作数
（R） （R）为操作数地址
自减型寄存器 间址
计算机组成原理
010
-(R) (R)-1为操作数地址 -(SP) (SP)-1为栈顶地址
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模型机的组成
算逻部件的设置
ALU
SN74181 4片 SN74182 1片 M、C0、S0、S1、S2、S3
选择器A 选择数据来源(八选一) 选择器B 移位器：实现直送、左移、右移、字节交换
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内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB
MAR MDR
M
I/O
A
B
R2 R3
IR
PC SP PSW 控制 逻辑
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR
C D
(2)系统总线AB、DB、 CB，CPU通过它与外部 连接，与它的连接通过 MDR MAR、MDR实现。
计算机组成原理
单操作数指令格式 4 操作码 6 （可扩展） 3 3 寄存器号 寻址方式
转移指令格式
目的地址
15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0 操作码 寄存器号 寻址方式 方式 N′Z′V′C′ 转移地址
计算机组成原理
转移条件
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模型机指令系统
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模型机指令系统
寻址方式 立即/自增型 寄存器间址 编码 011 助记符 (R)+ (SP)+ (PC)+ 直接/自增型 双间址 100 @(R)+ 定义 （R）为操作数地址， 访问后(R)+1 (SP)为栈顶地址， 出栈后(SP)+1 (PC)为立即数地址， 取数后(PC)+1
AB DB CB
MAR MDR
M
I/O
A
B
R2 R3
IR
PC SP PSW 控制 逻辑
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR
C D
(2)访M、I/O 操作：
计算机组成原理
1MAR向AB送地址 地址使能 EMAR 0 MAR与AB断开 读 R 写 W 00 MDR与DB断开, R=1读 W=1写 置入MDR SMDR， College 置入 IR SIR M of Computer Science, SWPU
D
PSW
1）指令地址
2）指令地址加1 （顺序执行）
计算机组成原理
PC
PC
A
A C0
ALU
ALU
移
移
打入 内 MAR 内 PC 打入
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3）转移地址 移位器 ALU
内总线
R0
AB DB CB MAR MAR M I/O
R1
MDR MDR
IR
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
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内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB
MAR MDR
（R）为间接地址， 访问后(R)+1 @(PC)+ PC指向有效地址， 访问后(PC)+1
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计算机组成原理
模型机指令系统
寻址方式 变址 跳步 编码 101 110 助记符 X(R) X(PC) SKP 定义 (R)+d为有效地址 (PC)+d为有效地址 跳过下条指令执行
内
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内总线
移位器 ALU R0
AB DB CB MAR MDR IR M I/O
R1
A
B
R2
R3
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR MDR C
PC
SP
控制 逻辑
D
PSW
5）I/O 7）I/O
R M
I/O
C D
ALU输入选择： R0 A、 R0 B、 (1)数据通路操作： ALU功能选择： S3S2S1S0、M、C0 输出移位选择： 不移、左移、 结果分配： CPR0 、CPC、CPMAR、 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU
内总线
移位器 ALU R0 R1
PC
SP
控制 逻辑
D
PSW
3.各类信息传送途径 （1）指令信息 M （2）地址信息
计算机组成原理
DB 置入 IR
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内总线
移位器 R0
AB DB CB MAR M I/O
C0 A
ALU
R1
MDR
IR PC SP 控制 逻辑
B
R2
R3
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PC PSW MDR C
M
I/O
A
B
R2 R3
IR
PC SP PSW 控制 逻辑
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR
C D
（1）内总线
ALU为内部数据传送通路的中心； 寄存器采用
分立结构；
计算机组成原理
内总线采用单向数据总线(16位)；
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模型机指令系统
指令类型
操作码 1100 1100 1101 助记符 JMP RST JSR 含义 转移 返回 转子
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模型机指令系统
5
JMP 寄 寻
方式
4 3
0 0 0 0 1 0 0
2
0 0 0 1 0 0 0
1
0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0
计算机组成原理
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内总线
移位器 R0 R1
AB DB CB MAR M I/O
ALU ALU
MDR
IR
A
B
R2
R3
R0~R3 R0~R3 R0 C D C D SP PC PSW MDR C
PC
SP
控制 逻辑
D
PSW
4）操作数地址 寄存器寻址： R0 寄存器间址： R0
计算机组成原理
R1
B ALU 移 内 打入 MAR
8
6
5
0
（SP）+
5
方式
4 3
2
1
0
N′Z′V′C′
子程序入口 隐含约定：转子时返回地址压栈保存。
计算机组成原理
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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）
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模型机指令系统
指令类型
操作码 0000 0001 助记符 MOV ADD 含义 传送 加
用于数传、堆栈、 I/O操作 双操作数指令
wenku.baidu.com0101
0110
EOR
COM
异或
求反 单操作数指令
1011
计算机组成原理
SR
右移
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4
3
2
1
V
0
（可扩展）
计算机组成原理
I
N
Z
C
允许中断（开中断）
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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 实现CPU与主存的接口 数据寄存器MDR
DB
MDR
ALU DB
内 打入R0 M
DMA方式： I/O
计算机组成原理
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微命令设置 内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB
MAR MDR
M
I/O
A
B
R2 R3
IR
PC SP PSW 控制 逻辑
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR
R1
A
B
R2
R3
R0~R3 R0~R3 R0 C D C D SP PC PSW MDR MDR C
PC
SP
控制 逻辑
D
PSW
6） M
M：M(源)
DB ALU ALU
MDR 内
ALU MDR MDR DB DB
内 打入C M (目的) I/O
(计算目的地址) C 4）R I/O： R0
计算机组成原理
PC
SP
控制 逻辑
D
PSW
1） R 2） R 3） M
R：R0 M：R0 R：M
B B DB
ALU ALU MDR
计算机组成原理
内 打入 R1 移 DB 内 打入MDR B ALU 移、 内
M R2
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内总线
移位器 ALU R0
AB DB CB MAR MDR IR M I/O
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 4 3 3 3 3
操作码 寄存器号 寻址方式 寄存器号 寻址方式 目的地址
计算机组成原理
源地址
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模型机指令系统
0
无条件转 无进位转(C=0) 无溢出转(V=0) 数非零转(Z=0) 数为正转(N=0) 有进位转(C=1) 有溢出转(V=1)
N′Z′V′C′
转移地址 0 0 0 0 0 1 1
计算机组成原理
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模型机指令系统
5
JMP 寄 寻
方式
4 3
A
B
R2
R3
R0~R3 R0 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR MDR C
PC PC
SP
控制 逻辑
D
PSW
B ALU 寄存器寻址： R0 寄存器间址： R0 B ALU AB M DB 置入 MDR B
计算机组成原理
内 打入 PC 内 打入 MAR 移 ALU PC 移、 内 College of Computer Science, SWPU 移
输出至DB 输出 输出至ALU的B门 (打入) 从内总线输入 输入 从DB输入 (置入)
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内总线
移位器 R0
AB DB CB MAR M I/O
ALU
R1
MDR
IR
A
B
R2
R3
R0~R3 R0~R3 C D C D SP PC PSW MDR C