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十六位CPU輕松實現(xiàn),這都不是事兒

作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1.1 的數(shù)據(jù)通路

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/346850.htm

模型計算機硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路如圖 1-1。 的字長為 16 位,內(nèi)部采用 16 位寬的單總線結(jié)構(gòu),包括運算器和控制器兩個部件。為了便于后面的設(shè)計,圖中還包括了系統(tǒng)總線和存儲器,系統(tǒng)總線采用單總線結(jié)構(gòu),包括 16 位的數(shù)據(jù)總線 DB、16 位的地址總線 AB和控制總線 CB。主存、外設(shè)與 共用一組系統(tǒng)總線;CPU 內(nèi)部總線 IB 與系統(tǒng)總線間通過 DR、AR 相聯(lián)。主存儲器的字長也是 16 位,并且按字編址,不能按字節(jié)訪問。

圖 1-1 模型計算機硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路

1.2 指令系統(tǒng)

模型機的指令系統(tǒng)包括各類傳送類指令、算術(shù)邏輯運算類指令、移位類指令、轉(zhuǎn)移類指令、子程序調(diào)用返回指令、輸入輸出類指令等。在尋址方式上采用最典型的尋址方式,分別是立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、寄存器變址尋址、相對尋址 7 種。

1.2.1 指令格式

模型機指令格式規(guī)整,以單字指令為基礎(chǔ),根據(jù)不同的尋址方式可擴展為雙字指令和三字指令,如圖 1-2所示。指令的第二字和第三字是一些常數(shù),如立即數(shù)、直接地址、間接地址、偏移量等。


圖 1-2 指令格式

圖 1-2中,Ms 表示源操作數(shù)的尋址方式,Md 表示目的操作數(shù)的尋址方式,Rs 和 Rd分別表示的是源操作數(shù)和目的操作數(shù)的寄存器號。

1.2.2 尋址方式及編碼

在圖 1-2中可以看出,尋址方式 Ms、Md 分別由 IR 的 9、8 和 4、3 位表示。各位含義見表 1-1。

2

尋址方式編碼

M(2)

Rn/M’3 位)

寄存器尋址

Rn

00

寄存器號

寄存器間接尋址

(Rn)

01

寄存器號

寄存器變址尋址

disp(Rn)

10

寄存器號

立即尋址

#imm

11

011

直接尋址

addr

11

010

間接尋址

(addr)

11

001

相對尋址

+disp

11

000

表 1-1 尋址方式及編碼

1.2.3 雙操作數(shù)指令

本模型機設(shè)計了 9 條雙操作數(shù)指令:

MOV,

ADD、ADC,SUB、SUBB,CMP

AND、OR、XOR

格式如下:

1.2.4.1 移位類指令

SHL、SHR:邏輯左移、右移

SAR:算術(shù)右移

ROL、ROR:循環(huán)左移、右移

RCL、RCR:帶進位的循環(huán)左移、右移

格式如下:

1.2.4.2 條件轉(zhuǎn)移指令

JC、JNC、JO、JNO、JS、JNS、JZ、JNZ

格式如下:

1.2.4.3 單操作數(shù)運算指令和無條件轉(zhuǎn)移指令

INC、DEC、 NOT、JMP

指令編碼:

1.2.4.4 堆棧指令和子程序調(diào)用指令

PUSH、POP、CALL

指令編碼:

1.2.5 無操作數(shù)指令

模型機設(shè)計有 4 條無操作數(shù)指令(NOP、RET、HALT、RETI)。由于沒有操作數(shù),(IR15~5

用全 0 表示擴展,(IR4~0)用于表示無操作數(shù)指令的操作碼,其指令格式如下。

1.2.6 指令操作碼編碼表

表 1-2 指令操作碼編碼表

1.3

1.3.1 的基本構(gòu)成

由五部分組成,基本組成框圖如圖 1-3。

圖 1-3 微程序控制器的基本組成

(1)控制存儲器 CM ,存放微程序。

(2)微地址寄存器 uAR,存放 CM 地址。

(3)寄存器 uIR ,存放由 CM 中取出的。

(4)微地址形成線路 uAG,形成微地址,送給 uAR。

該電路有三個輸入,除了 µIR 的順序控制部分之外,還有 IR 和 PSW。IR 主要用于產(chǎn)生微程序的入口地址,比如依據(jù)指令的操作碼形成對應(yīng)各指令執(zhí)行階段的微程序入口地址。PSW 中的狀態(tài)標志,在某些需要判定是否符合條件的場合,決定分支轉(zhuǎn)移的微地址。

(5)時序部件,產(chǎn)生微程序控制器的時鐘信號。

微程序控制器的基本時序單位是微周期,微周期是一條執(zhí)行所需的時間,一條微指令的執(zhí)行時間包括兩部分:一部分是從 CM 中讀取微指令所需要的時間,這個時間便是 ROM 的讀出時間,另一部分是微指令執(zhí)行所需要的時間,這個時間包括微命令譯碼時間 CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的傳輸時間。

本設(shè)計中微程序的時序由 CP1 和 CP2 兩個等周期信號組成。CP1 信號上升沿的作用是將微地址打入控存微地址寄存器,啟動一次讀操作。CP2 的上升沿的作用是將從 CM 中讀取的微指令打入微指令寄存器,這標志著取微指令的結(jié)束和執(zhí)行微指令的開始。顯然,CP1的上升沿到 CP2 的上升沿為取微指令時間,而從 CP2 的上升沿至下一個 CP1 的上升沿為執(zhí)行微指令時間。

6

圖 1-4 微程序控制方式的時序

1.3.2 微指令格式設(shè)計

在本設(shè)計中,微指令的編碼方式采用字段直接編碼方式。微指令格式如表 1-3所示,其中數(shù)據(jù)傳送控制類微命令占 1,2 兩個字段,操作類命令占 3、4、5 共三個字段,下址字段 占 9 位,微轉(zhuǎn)移方式字段占 4 位,微轉(zhuǎn)移方式見表 1-4,微指令的總寬度為 32 位。

表 1-3 模型機微指令格式

表 1-4 模型機微轉(zhuǎn)移方式字段 BM

BM

操作

意義

0

NA→µAR

固定轉(zhuǎn)移

1

NA→µAR,,INTR·IF→µAR7

根據(jù)是否有中斷請求且是否允許中斷產(chǎn)生兩分支

2

NA→µAR,

——— ——— ——— ——— ——— ———

IR 15· IR 14· IR 13· IR 12·IR 11·IR 10→µAR ,1

——— ——— ——— ——— ———

IR 9· IR · IR · IR8 7 6·IR 5→µAR0

形成取源操作數(shù)、取目的操作數(shù)和執(zhí)行階段的微程序入

口地址。如果是雙操作數(shù)指令,則 µAR =0;如果是單1

操作數(shù)指令,則 µAR =1、µAR =0;如果是無操作數(shù)指1 0

令,則 µAR =1、µAR =1。1 0

3

NA→µAR,

?{OP, PSW(Z,O,S, C)}→µAR0

根據(jù)條件轉(zhuǎn)移指令操作碼和 PSW 的 ZF、OF、SF、CF 狀

態(tài)標志決定微地址,若滿足條件 µAR =1,否則 µAR0 0

=0。

4

按操作碼 OP 多路轉(zhuǎn)移

按操作碼 OP形成多路微轉(zhuǎn)移地址

5

NA→µAR,M→µAR1,0

按尋址方式 M 形成多路微轉(zhuǎn)移地址

6

NA→µAR,M ′→µ AR2,1

按尋址方式 M′形成多路微轉(zhuǎn)移地址

7

NA→µAR,IR + IR →µAR4 3 0

根據(jù)目的操作數(shù)是否為寄存器尋址產(chǎn)生兩分支:Md=00

(寄存器尋址),µAR =0;否則 µAR =1。0 0

7



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