计算机组成原理第九讲CPU模型课件.ppt

1、计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU画流程图画流程图( (寄存器传送级寄存器传送级) )列操作时间表列操作时间表组合控制：列逻辑式，形成逻辑电路组合控制：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微程序控制：按微指令格式编写微程序格式、寻址方式、格式、寻址方式、指令类型设置指令类型设置寄存器、寄存器、ALUALU、数、数据通路设置据通路设置计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU双操作数指令格式操作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 寄存器号寄存器号 寻址

2、方式寻址方式目的地址目的地址源地址源地址4 3 3 3 34 3 3 3 3计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU单操作数指令格式转移指令格式4 6 3 34 6 3 3操作码操作码 （可扩展）（可扩展） 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式目的地址目的地址15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 015 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0转移地址转移地址转移条件转移条件操作码操作码 寄存器号寄存器号 寻址方式寻址方式 方式方式 NZVCNZVC计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Sc

3、ience, SWPUCPU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寻址方式寻址方式 编码编码 助记符助记符 定义定义寄存器寻址寄存器寻址000000R R（R R）为操作数）为操作数寄存器间址寄存器间址001001（R R）自减型寄存器自减型寄存器间址间址010010-(R)-(R)-(SP)-(SP)(R)-1(R)-1为操作数地址为操作数地址(SP)-1(SP)-1为栈顶地址为栈顶地址（R R）为操作数地址）为操作数地址计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU寻址方式寻址方式 编码编码 助记

4、符助记符 定义定义100100（R R）为间接地址，）为间接地址，直接直接/ /自增型自增型双间址双间址 (R)+(R)+(PC)+(PC)+PCPC指向有效地址，指向有效地址，（R R）为操作数地址，）为操作数地址，立即立即/ /自增型自增型寄存器间址寄存器间址011011(R)+(R)+访问后访问后(R)+1(R)+1(SP)+(SP)+(SP)(SP)为栈顶地址，为栈顶地址，出栈后出栈后(SP)+1(SP)+1(PC)(PC)为立即数地址，为立即数地址，取数后取数后(PC)+1(PC)+1访问后访问后(R)+1(R)+1 (PC)+(PC)+访问后访问后(PC)+1(PC)+1计算机组成

5、原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU101101(R)+d(R)+d为有效地址为有效地址变址变址X(R)X(R)X(PC)X(PC)(PC)+d(PC)+d为有效地址为有效地址跳步跳步110110SKPSKP跳过下条指令执行跳过下条指令执行寻址方式寻址方式 编码编码 助记符助记符 定义定义计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU操作码操作码 助记符助记符 含义含义用于数传、堆栈、用于数传、堆栈、I/OI/O操作操作00000000MOVMOV传送传送00010001ADDADD加加0101

6、0101EOREOR异或异或双操作数指令双操作数指令01100110COMCOM求反求反10111011SRSR右移右移单操作数指令单操作数指令计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU操作码操作码 助记符助记符 含义含义11001100JMPJMP转移转移11001100RSTRST返回返回11011101JSRJSR转子转子计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 05 4 3 2 1 0转移地址转移地址无条件转无条件转JM

7、P JMP 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC0 0 0 00 0 0 0 1 1 无进位无进位转转(C=0)(C=0)0 0 00 0 0 1 1 0 0 无溢出无溢出转转(V=0)(V=0)0 00 0 1 1 0 00 0 数非零转数非零转(Z=0)(Z=0)0 0 1 1 0 0 00 0 0 数为正转数为正转(N=0)(N=0)1 0 0 01 0 0 0 1 1 有进位有进位转转(C=1)(C=1)1 0 01 0 0 1 1 0 0 有溢出有溢出转转(V=1)(V=1)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU1 01 0

8、 1 1 0 00 0 数为零转数为零转(Z=1)(Z=1)1 1 1 1 0 0 00 0 0 数为负转数为负转(N=1)(N=1)条件满足，转转移地址；条件不满足，顺序执行。条件满足，转转移地址；条件不满足，顺序执行。 5 4 3 2 1 05 4 3 2 1 0转移地址转移地址JMP JMP 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU隐含约定：转子时返回地址压栈保存。隐含约定：转子时返回地址压栈保存。15 12 11 9 8 6 5 015 12 11 9 8 6 5 0子程序入口子程序入口 RS

9、T RST SP SP （SPSP）+ + JSR JSR 寄寄 寻寻 方式方式 NZVCNZVC 5 4 3 2 1 05 4 3 2 1 0计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU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）允许中断（开中断允许中断（开中断） （可扩展）（可扩展） I N Z V CI N Z V C 4 3 2 1 04 3 2 1 0计算机组成原理计算机组成原理 College of Compu

10、ter Science, SWPU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数据寄存器MDR实现实现CPUCPU与主存的接口与主存的接口计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPUALU选择器A选择器B移位器：实现直送、左移、右移、字节交换SN74181 4SN74181 4片片 M M、C0C0、S0S0、S1S1、S2S2、S3S3SN74182 1SN74182 1片片选择数据来源选择数据来源( (八选一八选一) )计算机组成原理计

11、算机组成原理 College of Computer Science, SWPU使数据传送控制简单、集中，采用使数据传送控制简单、集中，采用以以ALU为中心的总线结构为中心的总线结构CPU组成包括四个部分：组成包括四个部分： ALU部件、寄部件、寄存器组、内总线、存器组、内总线、CPU与系统总线的连与系统总线的连接接计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWAB

12、DB控制控制逻辑逻辑 （1 1）内总线）内总线ALUALU为内部数据传送通路的中心；为内部数据传送通路的中心；寄存器寄存器采用采用内总线内总线采用单向数据总线采用单向数据总线(16(16位位) )；分立结构；分立结构；计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 (2)(2)系统总线系统总线ABAB、DBDB、CBCB，CPUCPU通过它与

13、外部通过它与外部连接，与它的连接通过连接，与它的连接通过MARMAR、MDRMDR实现。实现。MDRMDR输出输出输出至输出至DBDB输出至输出至ALUALU的的B B门门输入输入从内总线输入从内总线输入从从DBDB输入输入( (打入打入) )( (置入置入) )计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3.3.各类信息传送途径各类信息

14、传送途径M M（1 1）指令信息）指令信息置入置入DBDBIRIR MDB IR（2 2）地址信息）地址信息计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 1 1）指令地址）指令地址2 2）指令地址加）指令地址加1 1（顺序执行）（顺序执行） PC PC AALU移位器移位器内总线内总线MARPCPC打入打入A AALUALU移移内内MARM

15、ARPCPCA AALUALU移移内内PCPCC0C0C C0 0打入打入计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 3 3）转移地址）转移地址 M IR寄存器寻址：寄存器寻址： R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线 PCR0R0打入打入B BALUALU移移内内PCPC寄存器间址：寄存器间址：R0R0打入打入B BALUALU移

16、移内内MARMARABABM MDBDB置入置入MDRMDRB BMARMDRMDR移、移、 内内PCPCALUALU计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线4 4）操作数地址）操作数地址寄存器寻址：寄存器寻址：R0R0R1R1寄存器间址：寄存器间址：R0R0打入打入B BALUALU

17、移移内内MARMARMAR R1计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 变址：变址： PC AALU移位器移位器内总线内总线MARR0R0PCPCA AALUALU移移内内MARMARABABM MDBDB移移内内C C PC MM MMDRMDR B CMDRMDRB BALUALU R0 R0 CALUALUC CA AB B移移

18、内内MARMAR计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 数据信息的传送数据信息的传送 M IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线1 1）R RR R：R0R0打入打入B BALUALU移移内内R1R1DBDBM MDBDBMDRMDRB BMDRMDR移、移、 内内R2R2ALUALU R12 2）R RM M：R0R0打

19、入打入B BALUALU内内MDRMDR3 3）M MR R：R2M M计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 M IR R0 R0 BALU移位器移位器内总线内总线6 6）M MM M：M(M(源源) )R0R0MDRMDRMDRMDRDBDB内内I/OI/OALUALU4 4）R RI/OI/O： C打入打入DBDBMDRMDR内

20、内C CALUALU( (计算目的地址计算目的地址) )DBDBM MC CALUALU内内MDRMDR( (目的目的) ) C AI/O计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 M IR R0 BALU移位器移位器内总线内总线DBDBMDRMDRDBDBDMADMA方式：方式： I/OI/O5 5）I/OI/OR R打入打入I/OI/

21、OMDRMDR内内R0R0ALUALUI/O7 7）I/OI/OM MM M计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU微命令设置微命令设置(1)(1)数据通路操作：数据通路操作：ALUALU功能选择：功能选择：ALUALU输入选择：输入选择：输出移位选择：输出移位选择：结果分配：结果分配：R0R0A A、 R0R0B B、S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0、M M、C0C0不移、左移、不移、左移、CPR0CPR0、CPCCPC、CPMARCPMAR、 R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位

22、器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU(2)(2)访访M M、I/OI/O 操作：操作：读读 R R地址使能地址使能 EMAREMAR写写 W W置入置入MDRMDR SMDRSMDR，1 1MARMAR向向ABAB送地址送地址0 00000 MDRMDR与与DBDB断开断开, ,MARMAR与与ABAB断开断开R=1R=1读读 W=1W=1写写置入置入IRIR SIRSIRM M R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR A移位器移位器 BALUR2 R0 R1 MI/OCB内总线内总线 C R3 DMARMDR IR PC SPPSWABDB控制控制逻辑逻辑 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU