计算机原理第五章CPU的工作机理与程序设计.ppt

第五章CPU的工作机理与微程序设计一般来说，CPU的设计步骤大致如下：1拟定指令系统：数目、功能定位、硬件水平、结构2确定总体结构：部件、通路、微命令3设计产生各种微命令的控制部件：两种类型 组合逻辑、微程序第一节 模型机总体设计以8086/8088的结构及指令系统为基础简化设计模型机一总体结构1CPU内总线结构（IB）双向单BUS：ALU及各R挂在一组内部总线上，宽16bitsIB重用：可以传送数据或地址或指令单发送、多接受三态门控制R到总线的数据输出，高电平：RIB，否则断开2R设置 （1）通用R数据R AX，BX，CX，DX（AH/AL)地址RBP（基址指针）、SP、SI、DI（2）暂存器 三个暂存器C，D，Z：16位单口随机访问结构：8个通用R中每次只能访问一个IB W Ri：GR地址Ri，WRGR，W/B Ri B IB：GR地址Ri，RDGR，W/B，GR IB C：暂存来自R/M数据例：Ri W C：Ri地址，RDGR，W/B、GR IB、CPCD：暂存ALU操作数，具有移位功能例：MDR D：MDR IB、CPDZ：暂存结果 ALU IB：CPZ、Z IB（3）IR16位，只存指令的前2个字节（指令长度为1-6个字节，前两个为操作码和寻址方式）CPIR用于控制指令 IR（4）PC16位，自增PC+1（单字节指令），PC+2（双字节）CPPC控制将指令地址PC，PC IB控制PC IBPC+1与CPPC控制PC增量，CLPC清PC。

5）MAR和MDR及控制信息CPMAR，MAR AB，CPMDR，MDR DB，DB MDR，MDR IB,W/B对主存的控制信号读RD（读），WR（写），W/B（字/字节）例：M W MDR：MAR AB，RD=0，W/B，DB MDR（6）标志R：FR 与8086的FR相同 FR IB：将FR内容送内总线3.ALU部件基本运算：ADD，SUB，AND，OR，XOR，NEG（求负），NOT，A+1，A-1，B-1，B+1例：Ri+D W Z所产生的控制信号为：RDGR，W/B，GR IB，ADD，CPZ二、指令系统 1.指令代码格式 长度：1-6B（1）双操作数指令代码格式7 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0OPCODE d W MOD REG R/M B1操作特征 B2寻址特征7 0 7 0 data-low data-high disp-low disp-high B3-B4立即数 B5-B6位移量 操作特征部分操作码OPCODE：操作种类和指令的操作数来源方向d：d=1 目的操作数由REG字段确定，源操作数由MOD和R/M确定 d=0 源操作数由REG字段确定，目 的操作数由MOD和R/M确定字W：W=1二操作数为字，W=0为字节寻址特征部分REG：结合W产生16个不同的8位或16位R编号MOD与R/M：MOD=11:结合R/M和W字段编码，指明OP数在哪个R中。

MOD不为11时：R/M给出计算存储器OP数的EA的24种方法例：MOD=00：R/M=110：表明直接寻址方式，EA为位移量 （16位）R/M=100、101、111：R间址R/M=000、001、010、011：基址变址寻址MOD=01或10:R/M=100 111：变址寻址，位移量（disp）=8 或 16位MOD=00、01或10:R/M=000 011:基址变址寻址，位移量（disp）=0、8 或 16位立即数部分W=0，使用B3，W=1使用B3B4,若操作码中规定无Imm则不使用位移量部分 若MOD和R/M中使用disp8则使用指令的最后一个字节作为disp8；若MOD和R/M中使用disp16则使用指令的最后两个字节作为disp16；附注：1模型机的指令格式与8086的规定一致 2模型机形成的有效地址EA是实际物理 地址，但8086由于采用分段方式管理内存，因此物理地址=对应段基址*24+EA（2）单操作数指令代码格式7 1 0 7 6 5 3 2 0OPCODE W MOD OPCODE R/M B1操作特征 B2寻址特征 disp-low disp-high B3-B4位移量 操作码扩展：B1的OPCODE=11.1，用B2的OPCODE产生最多8类单操作数指令2。

指令分类 （1）传送指令MOV DEST，SRC （SRC）DESTSRC可采用立即寻址、R寻址、直接寻址、R间址、变址及基址变址寻址等，DEST不能采用立即寻址，其他同SRC采用双操作数指令代码格式，长度为2-6字节 双操作数：ADD/SUB/AND/OR/XOR DEST，SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能：（DEST）OP（SRC）DEST（2）算术/逻辑运算指令单操作数 INC/DEC/NEG/NOT DEST 指令功能：OP（DEST）DEST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式，长度2-4字节3）移位指令SAL/SAR/SHL/SHR/ROL/ROR DEST，1指令功能：OP（DEST）DEST寻址方式同MOV采用单操作数指令代码格式注：8086可以提供“多位移位”，用CL确定移位次数4）转移指令 无条件转移指令 JMP disp；功能:（PC）+disp PC 指令代码格式：OPCODE disp8/16 B1 B2-B3 条件转移指令 JXX disp；XX成立则（PC）+disp PC 否则（PC）+2 PC 条件：XX（5）子程序调用指令与返回指令 子程序调用指令 CALL 过程名；-（PC）+disp PC 指令代码格式：OPCODE disp-low disp-high B1 B2-B3 保存断点到栈，再改变PC子程序返回指令 RET栈顶元素 PC 指令代码格式：单字节（OPCODE）（6）堆栈压入与弹出指令 压入指令 PUSH SRC （SP）-2 SP，（SRC）（SP）SRC为R，为单字节指令 01010 REG SRC为M，为2 4字节弹出指令 POP DEST-（(SP)）DEST，（SP）+2 SP DEST为R，01011 REG DEST为M，为2 4字节第二节 指令流程与组合逻辑控制器设计组合逻辑控制部件的步骤为：1、设计时序系统：设计工作周期、节拍、脉冲时序信号 2、拟定指令流程图与微操作时间表 3、微命令的逻辑综合与微操作的实现一、时序系统 1、工作周期 机器周期（CPU周期）模型机设置六种工作周期（1）取指周期FC：取指译码（2）源周期SC：形成源地址，获得源操作数（3）目的周期DC：形成目的地址，获得目的操作数（4）执行周期EC：运算、存结果/形成转移地址（5）中断响应周期IC：硬件转中断服务程序（6）DMA传送周期DMAC：CPU不操作周期状态触发器：6个触发器对应上面6种工作周期，任一时刻只有一个为12。

节拍（时钟周期）每个工作周期分为若干节拍模型机节拍宽度：访内操作所需时间（最长微操作所需的时间）节拍发生器：T=0，继续发T+1，否则T恢复0（3）工作脉冲 同步定时脉冲：在模型机中每个节拍末尾给一个工作脉冲P，作为各种同步脉冲来源TP打入R下一个T开始二、指令流程与微操作时间表拟定指令流程通常有两种方式以工作周期为线索，拟定各类指令在本工作周期操作流程易于优化按指令类型分别拟定指令流程易于理解1、取指周期FC 公共操作：所有指令需要 （1）进入FC的条件 4种进入FC的情况初始化置入FC：开机、复位、“1”FC触发器一条指令执行结束：无DMA、I转入中断服务程序前：IC周期后恢复被暂停的程序：完成DMA后，并无DMA和I1 FC=EC（1 IC 1 DMAC）+IC+DMAC（1 DMAC 1 IC）（2）取指流程FT0 PCMARFT1 M MDR IR；PC+1 PC（3）微操作时间表FT0 :PC IB，CPMAR（P），CPT（P），T+1FT1 :MAR AB，RD，W/B，DB MDR 完成M MDR MDR IB，CPIR（P）完成MDR IR PC+1，CPPC（P）完成PC+1 PC CPT（P），CPFC（P），CPSC（P）或CPDC（P）或CPEC（P）2、MOV指令 （1）FC同前（2）SC根据寻址方式产生分支R型：ST0：PC+1（因为R型MOV至少有2字节）ST1：Ri C（C是模型机暂存器）Imm型：ST0：PC+1 ST1：PC MAR（PC存放Imm地址）ST2：M MDR C；PC+1 PC ST3：PC+1 PC（If是Imm16）RBI型:ST0：PC+1 PC ST1：RBI MAR ST2：M MDR Cdi型（直接）：ST0：PC+1 PC ST1：PC MAR ST2：M MDR MAR；PC+1 PC ST3：M MDR C；PC+1 PCdiRBI型（变址）：ST0：PC+1 PC ST1：PC MAR ST2：M MDR D；PC+1 PC ST3：RBI+D Z；PC+1 PC ST4：Z MAR ST5：M MDR C diRB RI型（基址变址）：ST0：PC+1 PC ST1：PC MAR ST2：M MDR D；PC+1 PC ST3：RB+D Z；PC+1 PC ST4：Z D ST5：RI+D Z ST6：Z MAR ST7：M MDR C（3）DC：同SC类似（4）EC：ET0：C MDR或 C Ri（DR=1）ET1：MDR M 3、双操作数算逻指令 P117 图 4 10：EC周期4、单操作数算逻指令 P118 图 4 11 5、移位指令 P118 图 4 12 6、转移指令 P119 图 4 137、子程序调用指令与返回指令 P120 图 4 14、图 4 158、堆栈压入与弹出指令 P121 图 4 16图 4 179、中断响应周期IC 10、DMAC DMA传送周期 11、键盘操作 复位信号，PC 0，转OS入口 系统命令，PC n，转系统程序首址三、微命令综合 PC IB=FC T0+MOV（R+RBI）SCT1+MOV RBI DC T0+.CPMAR=FC T0 P+MOV RSC T1 P+MOV RBI DC T0+.T+1=FC T0+MOV SC T0+MOV RSC T1+.CPT=P.微命令的逻辑表达式:R/M GR地址的产生:R/M GR地址=（MOD=11）（d SC+d DC+d EC）REG GR地址=（d SC+d DC+d EC）R B/I GR地址=（MOD=11）（d SC+d DC）MOD=11 寄存器寻址第三节 微程序控制原理设计微命令控制部件的两种类型 组合逻辑控制和微程序控制一。

微程序控制概念 微命令：把每条微指令分解成若干个微命令微指令：把微命令编码成二进制代码微程序：微指令序列，完成一条机器指令功能一段微程序 一条机器命令控制存储器CM：特殊ROM，存放微程序，核心部件微指令的组成：微操作控制字段：微 命令对应功能微地址字段：下条微指令地址1微程序执行过程的描述 一条指令对应的微程序的执行过程是（1）公用微指令：完成一条机器指令取指，PC为0#或1#（PC）IR（2）形成微程序入口地址：通过IR的操作码生成微程序入口地址 （3）执行微程序：从CM中取出微指令顺序执行，微地址字段PC重复 （4）返回：一段微程序执行完返回 PC 0或1#2基本概念和术语 （1）微命令与微操作微命令：控制信号序列的最小单位，如开/关控制门，打入R等微操作：由微命令控制实现的操作过程（2）微指令与微周期 微指令：若干个微命令的组合，实现可并行的操作微命令字段（微操作控制字段）：记录各微操作所对应的控制信号顺序控制字段（微地址字段）：记录下一条将要执行的微指令地址微周期：从CM中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间（3）微程序与微程序设计微程序设计：利用微指令集合进行程序设计。

如微子程序、循环、分支等（4）工作程序与微程序、主存储器与CM工作程序：以机器指令为单位存放。