3.4模型機CPU設計（簡易的16位CPU）1/39CPU設計步驟擬定指令系統確定總體結構安排時序擬定指令流程和微命令序列。形成控制邏輯格式、尋址方式、指令類型設置寄存器、ALU、數據通路設置畫流程圖(寄存器傳送級)列操作時間表組合邏輯：列邏輯式，形成邏輯電路微程序：按微指令格式編寫微程序2/393.4.1

指令系統的設計1.模型機的指令格式指令字長16位，采用寄存器型尋址，指令中給出寄存器號。（主存容量為64K×16位）結合高級語言，考慮CPU應該有哪些基本類型的指令？？3/39雙地址指令格式：4336操作碼

目的Rj尋址DA

源Ri尋址SA目的地址源地址單地址指令格式：操作碼目的Rj尋址DA未使用15~1211~98~65~32~0目的地址轉移指令格式：15~12

11~9

8~6

5

4

3

2

1

0轉移地址轉移條件操作碼目的Rj尋址JA

標志

N′

Z′

V′

C′4/39CPU可編程訪問的寄存器：尋址方式編碼助記符定義2.尋址方式寄存器尋址R、指令計數器PC、堆棧指針SP、程序狀態字PSW000R（R）為操作數寄存器間址001（R）（R）為操作數地址自減型寄存器間址010-(R)-(SP)(R)-1為操作數地址(SP)-1為棧頂地址(表3-4)5/39尋址方式編碼助記符定義101(PC)+(R)+d為有效地址（R）為操作數地址，立即/自增型寄存器間址011(R)+訪問后(R)+1(SP)+(SP)為棧頂地址，出棧后(SP)+1(PC)為立即數地址，取數后(PC)+1變址/相對尋址X(R)X(PC)(PC)+d為有效地址跳步110SKP跳過下條指令執行6/39操作碼助記符含義3.目標指令集用于數傳、堆棧、I/O操作0000MOV傳送0010ADD加0110EOR異或雙操作數指令1100COM求反1011SR右移單操作數指令1110JMP/RST轉移/返回1111JSR轉子（調用子程序）(表3-5)7/3900000

543210轉移地址無條件轉JMP寄尋方式

N′Z′V′C′00001

無進位轉(C=0)00010

無溢出轉(V=0)00100

數非零轉(Z=0)0

1000

數為正轉(N=0)1000

1

有進位轉(C=1)1

001

0

有溢出轉(V=1)101

00

數為零轉(Z=1)1

1

000

數為負轉(N=1)條件滿足，轉向轉移地址；否則順序執行。8/39隱含約定：轉子時返回地址壓棧保存程序入口地址RSTSP（SP）+JSR寄尋方式

N′Z′V′C′5432109/393.4.2部件與與數據通路1.部件設置

可編程寄存器（16位）通用寄存器：R0(000)、R1(001)R2(010)、R3(011)PC(111)4

3

2

10允許中斷的標志位

（可擴展）INZVC堆棧指針：SP(100)指令計數器：程序狀態字：PSW(101)（1）寄存器10/39暫存器C

非編程寄存器（16位）:暫存來自主存的源地址或源數據。暫存器D:暫存來自主存的目的地址或目的數。指令寄存器IR地址寄存器MAR數據寄存器MDR:存放現行指令。實現CPU與主存的接口11/39SN741814片SN741821片(2)運算部件設置ALU選擇數據來源選擇器A選擇器B移位器:實現直送、左移、右移、字節交換（16位）12/392.總線與數據通路結構為了使數據傳送控制簡單、集中，采用以ALU為中心的總線結構。（1）組成包括四個部分：ALU部件；寄存器組；存儲器；控制系統；13/39R0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR、SP、PCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯（2）特點ALU為內部數據傳送通路的中心；分立寄存器內總線采用單向數據總線(20位)；I/O請求clock圖3-43204C014/39與系統總線的連接通過MAR、MDR實現。MDR輸入輸出至DB輸出至ALU的B門輸出從內總線輸入從DB輸入(打入)(置入)R0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR/SP/PCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C015/393.各類信息傳送途徑M（1）指令信息置入DBIRR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR/SP/PCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C016/391）指令地址2）指令地址加1PC打入AALU移內MARPCAALU移內PCC0打入（2）地址信息R0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C017/393）轉移地址寄存器尋址：R0打入BALU移內PC寄存器間址：R0打入BALU移內MARABMDB置入MDRB移、內PCALUR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C018/394）操作數地址寄存器間址：R0打入BALU移內MARR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C019/39變址/基址：R0PCAALU移內MARABMDB移內CMMDRBALUALUCAB移內MARR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C020/39（3）數據信息1）RR：R0打入BALU移內R1DBMDBMDRB移、內R2ALU2）RM：R0打入BALU內MDR3）MR：MR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C021/394）MM：M(源)R0MDRDB內I/OALU5）RI/O：打入DBMDR內CALU(計算目的地址)DBMCALU內MDR(目的)R0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C022/39DBDBDMA方式：I/O6）I/OR打入I/OMDR內R0ALU7）I/OMMR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock圖3-43C023/39思考題：ADD(R2),X(PC)該指令實現按既定尋址方式分別確定加數和被加數，并將結果保存于目的地址指定的單元，請分析其涉及到的信息傳送通路。（1）指令信息的傳送路徑？（2）地址信息的傳送路徑？（3）數據信息的傳送路徑？24/393.4.3指令流程與微命令R0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1MI/OCB內總線CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制邏輯I/O請求clock1、數據通路中的微命令25/39(1)通路選擇ALU功能：A/B選擇器：移位選擇：結果分配：R0~3/C/D/SP/CP→AR0~3/C/D/SP/PC/MDR→BS3S2S1S0、M、CI直傳DM、左移SL、右移SR、節交換EXCPR0~3

/

CPC

/

CPD

/

CPSP

/

CPPC

/

CPMDR

/

CPMAR/CPPSWR0~R3R0~R3CDCDSPPCMDR

SPPCA移位器BALUR2R0R1內總線CR3DMARMDRPCSP圖3-43PSW26/39MCBMARMDRABDB控制邏輯I/O請求clockEMARSMDRRWEMDRIRSIR(2)訪存操作地址使能EMAR0:MAR與地址線斷開1：MAR輸出到地址線數據使能EMDR0:MDR與數據線斷開1：MDR輸出到數據線主存讀寫模式R/W0/0:主存禁用0/1：寫模式1/0：讀模式從數據總線置入：SMDR=1,DB→MDR;SIR=1,DB→IR27/39(3)I/O操作與PSW:時鐘信號CPPSW01:1→PSW[4]邊沿驅動iDB[19:16]→PSW[3:0]MCBABDB控制邏輯I/O請求clockRWPSWST置入信號ST10:0→PSW[4]CPPSWiDB[19:16]自動驅動。28/392、指令流程及微命令根據目標指令集和I/O請求，設計處理流程（1）各指令的公共操作FT：PC+1PCMIR（2）對應微命令電位型微命令脈沖型微命令MIREMAR,R,SIRPC+1PCPCA,A+1,DMCPPC其中“A+1”對應SM=10010,C0=1（暫不考慮時序信號）29/39操作時間表中各微命令的含義:

控制訪存操作的微命令EMAR,R/W,SIR,…(2)控制CPU內部數據通路操作微命令PCA,S3S2S1S0MC0,DM,CPPC,…(3)控制時序切換的微命令需要結合控制系統才能表述。30/39（2）傳送指令FT0：MIR，1）流程圖例1：MOVR0，R1；源數ET0：R1R0PCMARET1：例2：MOV(R0),(R1)；FT0：MIR，PC+1PCST0：R1MARST1：MMDRCDT0：R0MAR目的地址ET0：CMDRET1：MDRMET2：PCMARPC+1PC31/39形式地址取源操作數，暫存于C，需5步。PC+1PCST0：PCMARDT1：MMDRCDT0：CMDR源數ET0：C+R1MARET1：MDRMET2：PCMARPC+1PC例3：MOVX(R0),X(R1)；FT0：MIRMMDRCST1：ST2：ST3：ST4：PCMARMMDRD形地PC+1PCDT2：DT3：D+R0MAR目的地址取目的地址，暫存于MAR，需4步。源數送存儲器，需3步。32/39FT0：MIR2）操作時間表例：MOV(R1)，(SP)+；SPMARMMDRCPC+1PCCPPCST0：SP+1SPEMARRSMDRMDRB輸出BDMCPCSPAA+1DMCPSPEMARPCAA+1RSIRDMDMCPMAR輸出ASPAST1：ST2：33/39ET1：MDRMPCMARET2：EMAR、W（EMDR）DMCPMAR輸出APCADT0：R1MARDMCPMAR輸出AR1AET0：CMDRCB輸出BDMCPMDR34/39（3）雙操作數指令取目的數，暫存于D。例：ADDX(R1),(PC)+；FT0：MIR，PC+1PC立即數ST0：PCMARST1：MMDRCST2：PC+1PCDT0：PCMARDT1：MMDRDDT2：PC+1PC形式地址DT3：D+R1MARDT4：MMDRD目的數ET0：C+DMDRET1：MDRMET2：PCMAR35/39（4）單操作數指令FT0：MIR，例