dj13-第3章-cpu模型2组合逻辑设计课件.ppt

1、3.5.1 组合逻辑控制器时序系统组合逻辑控制器时序系统1.工作周期工作周期(也称机器周期也称机器周期)取指周期取指周期 FT用于指令正常执行时序控制用于指令正常执行时序控制源周期源周期 ST目的周期目的周期 DT执行周期执行周期 ET中断周期中断周期 ITDMA周期周期 DMAT用于用于I/O传送控制传送控制定义以下工作周期定义以下工作周期:(1)组合逻辑控制器依靠不同的时间标志，使组合逻辑控制器依靠不同的时间标志，使CPU分步工作。分步工作。(2)模型机按常规采用工作周期、时钟周期、工作脉冲三级时序。模型机按常规采用工作周期、时钟周期、工作脉冲三级时序。取指周期取指周期 FT 源周期源周期

2、 STFT周期内周期内,完成从内存取指令完成从内存取指令IR,然后修改然后修改PC值值(PC+1PC);本阶段的操作与指令类型无关。本阶段的操作与指令类型无关。在非寄存器寻址时在非寄存器寻址时,在在ST时间内时间内,按指令指按指令指定的源寻址方式定的源寻址方式,形成源操作数地址、读形成源操作数地址、读取源操作数取源操作数,并将其存入暂存器并将其存入暂存器C。FT结束时结束时,按操作码和按操作码和寻址方式寻址方式转相应工作周转相应工作周期。期。(分寄存器寻址或非寄存器寻址分寄存器寻址或非寄存器寻址)执行周期执行周期 ET主要完成主要完成:完成指令指定功能完成指令指定功能(如传送、运算、取转如传送

3、、运算、取转移地址送入移地址送入PC等等)后续地址后续地址MAR 目的周期目的周期 DT在非寄存器寻址时在非寄存器寻址时,在在DT时间内时间内,按指令指定按指令指定的目的寻址方式的目的寻址方式,读取目的地址读取目的地址(MAR)或目或目的操作数的操作数(暂存器暂存器D)。(顺序地址或转移地址顺序地址或转移地址)中断周期中断周期 IT关中断关中断、保存断点和保存断点和PSW、寻找并转入寻找并转入中断中断服务程序入口地址。服务程序入口地址。IT指指CPU响应中断请求后响应中断请求后,直到执行中断服直到执行中断服务程序前的一段时间。务程序前的一段时间。以便返回主程序并以便返回主程序并继续执行继续执行

4、执行中断服务程序前执行中断服务程序前,不响应新的中断请求不响应新的中断请求中断周期内的工作由硬件自动完成中断周期内的工作由硬件自动完成包括以下工作包括以下工作:DMA周期周期 DMATDMAT指指CPU响应响应DMA请求后请求后,到传送完到传送完一次数据。一次数据。DMA控制器接管总线权控制器接管总线权,控制控制MI/O直传。直传。DMAT内的工作由内的工作由DMA控制器硬件自动完成控制器硬件自动完成上述六种工作周期之间的转换关系是上述六种工作周期之间的转换关系是:FTResetSTDTET双操作数双操作数无操作数无操作数单操作数单操作数无无DMA和中断请求和中断请求IT有中断请求有中断请求D

5、MAT有有DMA请求请求中断周期结束中断周期结束DMA结束且结束且DMA请求也无中断请求请求也无中断请求有中断请求有中断请求有有DMA请求请求工作周期转换流程是工作周期转换流程是:FTN ET DTDMA请求请求?中断请求中断请求?YDMAT IT ST双双转转单单YN设置设置6个触发器分别个触发器分别作为各作为各周期状态标志周期状态标志1 工作周期开始工作周期开始0 工作周期结束工作周期结束在整个指令周期中在整个指令周期中,任何时候必须、且只能有任何时候必须、且只能有一个工作周期状态标志为一个工作周期状态标志为“1”。时钟周期时间时钟周期时间:一次从一次从M读出读出,并经数据通路传送的操作并

6、经数据通路传送的操作;或或一次数据通路传送操作一次数据通路传送操作;或或一次向一次向M写入的操作写入的操作2.时钟周期时钟周期(也称节拍也称节拍)T完成一步操作完成一步操作:1微秒微秒模型机以访存时间作为一步操作时间。模型机以访存时间作为一步操作时间。假设假设:一个总线周期等于一个时钟周期。一个总线周期等于一个时钟周期。时钟周期数时钟周期数:每个工作周期第一拍每个工作周期第一拍T=0;每开始一个新节拍每开始一个新节拍T计数计数;工作周期结束时工作周期结束时T清清0。一个工作周期中的时钟数可变一个工作周期中的时钟数可变用计数器用计数器T控制节拍数控制节拍数:将计数值译码将计数值译码,可产生节拍电

7、位。可产生节拍电位。如下图可产生如下图可产生 T3 T2 T1 T0:注注:由由T触发器构成触发器构成计数器计数器,并通过译码并通过译码器产生节拍信号。器产生节拍信号。T触发器由触发器由J-K触发触发器的器的J-K 端相连构端相连构成成,在在C脉冲下降沿脉冲下降沿翻转翻转,逻辑状态方程逻辑状态方程是是:计数脉冲计数脉冲 CPTCLRQ0 C T 24译码器译码器Q1C TRRT3 T2 T1 T000111001+5V“1”Qn+1=T Qn即即:Qn+1=QnT=1时时,CPT下降沿到来后下降沿到来后,T=0时时,CPT下降沿到来后下降沿到来后,Qn+1=Qn产生以下时序产生以下时序(由译码

8、器输出由译码器输出):0000010110101111T0T1T2T3注注:如果如果1个工作周期需要更多的节拍个工作周期需要更多的节拍,如如T4、T5等等,则需要增加计数器的长度则需要增加计数器的长度(如教材如教材P.138图图3-35)。每个时钟结束时设置一个脉冲。每个时钟结束时设置一个脉冲。3.工作脉冲工作脉冲 P1S时钟周期时钟周期T工作脉冲工作脉冲P打入寄存器打入寄存器进行时序转换进行时序转换(周期状态设置周期状态设置/清除清除时钟时钟T计数计数/清除清除)注注:为简化控制过程为简化控制过程,本教材将时钟周期本教材将时钟周期(T)长度定长度定为一次访存的时间长度为一次访存的时间长度,因

9、此取指周期只需要因此取指周期只需要一个节拍一个节拍T。(见教材见教材P.137)3.5.2 指令流程图与操作时间表指令流程图与操作时间表 在在寄存器传送级拟定指令流程寄存器传送级拟定指令流程:也就是确定指令执行执行的具体步骤，确定每个也就是确定指令执行执行的具体步骤，确定每个工作周期中每一个节拍需要完成的具体操作。工作周期中每一个节拍需要完成的具体操作。拟定操作时间表拟定操作时间表:列出每一步操作所需的微命令及产生条件。列出每一步操作所需的微命令及产生条件。控制器设计的核心控制器设计的核心是拟定各类指令的执行过程。是拟定各类指令的执行过程。有两种可供选择的设计线索：有两种可供选择的设计线索：(

10、1)以工作周期为线索，按工作周期分别拟定各类指令在本以工作周期为线索，按工作周期分别拟定各类指令在本工作周期内的操作流程，再以操作时间表分时列出应当发出工作周期内的操作流程，再以操作时间表分时列出应当发出的微命令及逻辑条件。的微命令及逻辑条件。(2)以指令为线索，按指令类型分别拟定操作流程。以指令为线索，按指令类型分别拟定操作流程。1、取指周期、取指周期 FT 初始化时置入初始化时置入FT;(1)进入进入FT的方式和条件的方式和条件FTSRDCQQ总清总清1 程序正常运行时程序正常运行时,进行周进行周期转换进入期转换进入FT。1FT CPFT1FT=+IT ET(1DMAT 1IT)+DMAT

11、(1DMAT 1IT)在脉冲后沿置在脉冲后沿置FT(2)取指流程取指流程1STFT0:PC+1 PCM IR(3)操作时间表操作时间表FT0:电位型微命令电位型微命令脉冲型微命令脉冲型微命令M IREMAR,R,SIRPC+1 PC PCADMCPPC1DT1ETCPFT(P)转换转换 CPT(P)CPET(P)CPDT(P)CPST(P)(见见P.139,图图3-38)FT0表示取指周表示取指周期期FT的的T0节拍节拍S3S2S1S0MC0(逻辑式逻辑式1)(逻辑式逻辑式2)(逻辑式逻辑式3)对上述操作时间表的说明对上述操作时间表的说明:(1)在在FT结束以后结束以后,信号信号“1ST”、“

12、1DT”、“1ET”仅有一个有效仅有一个有效(为为“1”),因此因此,即即使脉冲使脉冲CPST、CPDT、CPET都产生都产生,也也只会是一个工作周期触发器置为只会是一个工作周期触发器置为“1”,并并进入相应周期。进入相应周期。(2)发出了发出了CPFT脉冲脉冲,但是不产生但是不产生“1FT”信号信号,因此不会进入取指周期。因此不会进入取指周期。(3)FT结束以后进入其它工作周期结束以后进入其它工作周期,节拍状态又从节拍状态又从0开始，即维持开始，即维持T0不变。虽然也发出了不变。虽然也发出了CPT信号信号,但让但让“T+1”=0,时钟周期计数器不计数时钟周期计数器不计数,仍然维仍然维持持T0

13、节拍。节拍。2、传送指令、传送指令FT0:M IR,例例1:MOV R1,R0;ET0:R0 R1PC MARET1:PC+1 PC(1)指令流程指令流程(P.141 MOV指令流程图指令流程图)符号标识符号标识:SR:源操作数寄存器寻址源操作数寄存器寻址DR:目的操作数寄存器寻址目的操作数寄存器寻址 MOV指令流程图包含各种寻址方式组合，通过对指令流程图包含各种寻址方式组合，通过对MOV指令流程的分析，能够了解各种寻址方式的具体实现过程，指令流程的分析，能够了解各种寻址方式的具体实现过程，因而是剖析整个指令系统的关键。因而是剖析整个指令系统的关键。源操作数源操作数例例2:MOV (R1),(

14、R0);FT0:M IR,PC+1 PCST0:R0 MARST1:M MDR CDT0:R1 MAR目的地址目的地址ET0:C MDRET1:MDR MET2:PC MARPC+1 PC例例3:MOV X(R1),X(R0);FT0:M IR取源操作数取源操作数,暂存于暂存于C,需需5步步移位量移位量PC+1 PCST0:PC MARDT1:M MDR CDT0:C MDR源操作数源操作数ET0:C+R0 MARET1:MDR MET2:PC MARM MDR CST1:ST2:ST3:ST4:PC MARM MDR DPC+1 PCDT2:DT3:D+R1 MAR目的地址目的地址取目的地址

15、取目的地址,暂存于暂存于MAR,需需4步步源操作数送存源操作数送存储器储器,需需3步。步。移位量移位量注注:R0(000)、R1(001)、R2(010)、R3(011)SP(100)、PSW(101)、PC(111)传送指令格式传送指令格式:寄存器编码寄存器编码: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 寻址方式寻址方式IR15IR12 IR11IR10 IR9 IR8 IR7 IR6 IR5 IR4 IR3 IR2IR1IR0 4位位3位位3位位3位位3位位(2)操作时间表操作时间表操作时间表如下操作时间表如下(P.142):ST0 R0A R1A R2A R3A

16、 SPA PCA S3S2S1S0M DM T+1ST1 EMAR R IR5IR4IR3X IR3IR4IR3X IR5IR4IR3+X IR5IR4IR3X(R)CPMARPCPR0 条件同条件同R0ACPR1 条件同条件同R1ACPR2 条件同条件同R2ACPR3 条件同条件同R3ACPSP 条件同条件同SPACPT P S3S2S1S0MC0(R)IR5IR4IR3X IR5IR4IR3XST1 SMDR MDR B DM 1ST 1DT 1ET T+1S3S2S1S0M(R)(R)(R)(R)DR(R)(R)DR(R)(R)P CPCCPST P CPDT P CPET P CPT

17、P.如果不是如果不是寄存器间址寄存器间址或或自减型寄存器间址自减型寄存器间址,则需要延长则需要延长ST,否则进入否则进入DT或或ET。运算器输出运算器输出BCPFT PFT0:M IR例例:MOV(R1),(SP)+;SP MARM MDR CM MDR CPC+1 PCCPPCST0:SP+1 SPEMAREMAR R R SMDRSMDR MDR BMDR B输出输出B B DMDMCPCCPCSP ASP AA+1A+1 DMDM CPSPCPSPEMARPC APC A A+1R SIRDM1 STCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)DMDM

18、CPMAR输出输出A ASP ASP AT+1CPT(P)CPT(P)T+1T+1 CPT(P)CPT(P)ST1:ST2:1 1 DTDTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)DT0:R1 MARDMDM CPMARCPMAR输出输出A AR1 A AT+1T+1CPT(P)CPT(P)1 1 ETETCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)ET0:C MDRC BC B输出输出B B DMDM CPMDRCPMDRCPT(P)CPT(P)ET1ET1：MDR MMDR MPC MARPC MARET2ET2：EMAREMAR W T

19、+1T+1 CPT(P)CPT(P)DMDM CPMARCPMAR输出输出A APC APC A1 1 FTFTCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)CPT(P)CPT(P)向向DB输出输出MDRDT0DT0：R1 MAR MARDMDM CPMARCPMAR输出输出A AR1 A AT+1T+1CPT(P)CPT(P)1 1 ETETCPFT(P)CPFT(P)CPET(P)CPET(P)ET0ET0：C MDRC MDRC BC B 输出输出B B DMDMCPMDRCPMDRCPT(P)CPT(P)3、双操作数指令、双操作数指令例例:ADD X(R1),(PC);FT0

20、:M IR,ST0ST0：PC MARPC MARST1ST1：M MDR CM MDR CST2ST2：PC+1 PCPC+1 PCDT0DT0：PC MARPC MARDT1DT1：M MDR DM MDR DDT2DT2：PC+1 PCPC+1 PC偏移量偏移量DT3DT3：D+R1 MARD+R1 MARDT4DT4：M MDR DM MDR D目的数目的数ET0ET0：C+D MDRC+D MDRET1ET1：MDR MMDR MET2ET2：PC MARPC MARPC+1 PC操作流程见操作流程见 P.144。4、单操作数指令、单操作数指令FT0：M IR,例例:COM (R0)

21、;DT0：R0 1 R0、MARDT1：M MDR DET0：ET1：MDR MET2：PC MARPC+1 PCD MDR操作流程见操作流程见 P.145。S3S2S1S0MC5、转移、转移-返回指令返回指令无无条条件件转转移移SKPR(R)(R)+按按R指示从指示从M取转移地址取转移地址,修改修改R。(SP)+X(PC)执行再下条指令。执行再下条指令。从从R取转移地址。取转移地址。按按R指示从指示从M取转移地址。取转移地址。从堆栈取返回地址从堆栈取返回地址,修改修改SP。以以PC內容为基准內容为基准+偏移量作转移地址。偏移量作转移地址。(RST)操作流程见操作流程见 P.145。寻址方式固

22、定为寻址方式固定为(SP)+PC型寻址和非型寻址和非PC型寻址说明型寻址说明:针对转移不成功时针对转移不成功时,如何决定后继指令的地址如何决定后继指令的地址:转移指令的地址字段所指明的寄存器不是转移指令的地址字段所指明的寄存器不是PC,即为非即为非PC型寻址型寻址PC则后继指令存放在紧接当前转移指令之后的地则后继指令存放在紧接当前转移指令之后的地址单元址单元,即即:条件转移指令条件转移指令 后继指令后继指令.转移指令的地址字段所指明的寄存器是转移指令的地址字段所指明的寄存器是PC,即即为为PC型寻址型寻址 PC,转移指令之后的地址存放转移指令之后的地址存放转移地址转移地址,后继指令在再下一个单

23、元后继指令在再下一个单元,即即:条件转移指令条件转移指令 转移地址转移地址 后继指令后继指令.SP+1 SPSP+1 SPM MDR PCM MDR PCET2ET2：SP MARSP MARET1ET1：例例1：RST(SP)+;FT0FT0：M IRM IR,PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：、MARMAR例例2：JMP X(PC);FT0FT0：M IRM IR,PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：PC MARPC MARET1ET1：M MDR CM MDR C位移量位移量ET2ET2：PC+C PCPC+C PC、MARMAR无条件转子无条件转子:R(R)(R)+(SP

24、)+(PC)+入口在入口在R中中6、转子指令、转子指令入口在入口在M中中入口在堆栈中入口在堆栈中SP-1 SPSP-1 SPMDR MMDR MST1ST1：PC MDRPC MDR在在ST形成子程序入口形成子程序入口;在在ET保存返回地址保存返回地址,并转并转入子程序入口。入子程序入口。ST0ST0：、MARMAR例例:JSR(R2);FT0FT0：M IRM IR，PC+1 PCPC+1 PCET0ET0：R2 MARR2 MARET1ET1：M MDR CM MDR C子程序子程序入口入口C PCC PC、MARMAR返回地返回地址压栈址压栈ET2ET2：ET3ET3：7、中断周期中断周

25、期 ITP.147 流程图流程图:主程序主程序 PC MDRSP 1SP、MAR 1IT进入中断周期进入中断周期MDRMIT0IT3IT1IT2向量地址向量地址MAR入口地址入口地址PC MAR,1FTIT4FT0服务子程序服务子程序为访问中断向量表为访问中断向量表作地址准备作地址准备3.5.3 微命令的综合与产生微命令的综合与产生归纳微命令归纳微命令,综合化简综合化简,用组合逻辑电路实现。用组合逻辑电路实现。例例:符号符号“S-OP”表示单操作数指令表示单操作数指令;“D-OP”表示表示双操作数指令双操作数指令;符号符号“N-OP”表示无操作数指表示无操作数指令令1FT=+IT ET(1DM

26、AT 1IT)+DMAT(1DMAT 1IT)1DT=1ET=DT+FT(N-OP+R-R)1DMAT=ET (DMAR=1)1IT=ET (DMAR=0)(INTR=1)(IF=1)1ST=FT N-OP R-R SR ST+FT S-OP DR 以以P.141147指令流程图为例指令流程图为例,写出写出PC送运算器送运算器(以以PCA表示表示)的逻辑表达式的逻辑表达式:取指取指:PCA=FT0 MOV指令指令:PCA=双操作数指令双操作数指令:PCA=MOV(ST0 X(PC)+ST2X(PC)+DT0X(PC)+DT1X(PC)+ET2)D-OP(ST0 X(PC)+ST2X(PC)+D

27、T0 X(PC)+DT2X(PC)+ET2)(为了完成为了完成PC+1操作操作)PCA=S-OP(DT0 X(PC)+DT2X(PC)+ET2)JMP、RST指令指令:PCA=JMP(NJPET0+JPSKPET0+JPX(PC)ET0+JPX(PC)ET2)JSR指令指令:PCA=JSR(NJSRET0+JSRET1)中断响应周期中断响应周期:PCA=IT1综合以上微操作表达式综合以上微操作表达式:单操作数指令单操作数指令:PCA=FT0+MOV(ST0 X(PC)+ST2X(PC)+DT0X(PC)+DT1X(PC)+ET2)+D-OP(ST0 X(PC)+ST2X(PC)+DT0 X(P

28、C)+DT2X(PC)+ET2)+S-OP(DT0 X(PC)+DT2X(PC)+ET2)+JMP(NJPET0+JPSKPET0+JPX(PC)ET0+JPX(PC)ET2)+JSR(NJSRET0+JSRET0)+IT1(未对表达式进行简化未对表达式进行简化)读命令读命令R=CPPC=FT0+MOV(ST1+ST4+)+FT0 P+MOV(ST2+DT2)X P+依次类推依次类推,可以有可以有:将上述逻辑表达式用逻辑电路实现即可。将上述逻辑表达式用逻辑电路实现即可。1C0=FT0P+SUBST2P(R)+)+INCDT2P)+SUBDT2P(R)+)+INCETP+JMPETP(R)+)+

29、比如比如,简化后的微操作简化后的微操作CPMAR的逻辑电路是的逻辑电路是:.ST0PADDDT0(R)ST3SUB(R)+X(R)DT3INC(R)+CPMARMOV.组合逻辑方式组合逻辑方式:设计过程小结设计过程小结 设计指令系统及其寻址方式设计指令系统及其寻址方式(包括约定寻址方式的符号标识、可编程寄存器包括约定寻址方式的符号标识、可编程寄存器和不可编程寄存器以及可编程寄存器编号和不可编程寄存器以及可编程寄存器编号)设计构成模型机的部件、以及数据通路设计构成模型机的部件、以及数据通路;拟定拟定不同类型的指令执行时不同类型的指令执行时,其其数据信息数据信息、地地址信息址信息和和指令信息指令信

30、息在上述通路中的流动路径。在上述通路中的流动路径。(其目的是能够得到指令的执行流程图其目的是能够得到指令的执行流程图)设计模型机的时序系统设计模型机的时序系统 一般采用三级时序一般采用三级时序(指令周期、节拍周期和脉指令周期、节拍周期和脉冲冲),将不同的操作安排在不同的时间完成。将不同的操作安排在不同的时间完成。以上述三个步骤为基础以上述三个步骤为基础,写出指令流程图写出指令流程图 即即:根据指令功能根据指令功能,列出在不同工作周期、节拍列出在不同工作周期、节拍需要完成的操作需要完成的操作(寄存器级寄存器级)。根据指令流程图根据指令流程图,写出指令操作时间表写出指令操作时间表 即即:根据指令应

31、完成的操作根据指令应完成的操作,写出完成这些操作写出完成这些操作所需的微操作信号。所需的微操作信号。按照产生微操作信号的条件按照产生微操作信号的条件,写出产生每一个写出产生每一个微操作信号的逻辑表达式微操作信号的逻辑表达式;简化上述逻辑表达式简化上述逻辑表达式,用逻辑电路实现用逻辑电路实现按上述步骤按上述步骤:得到一个能够在规定条件和设定的时间得到一个能够在规定条件和设定的时间,产生各种微操作信号的组合逻辑控制器产生各种微操作信号的组合逻辑控制器,即即:微命令发生器。微命令发生器。微命令微命令 发生器发生器微命令序列微命令序列I/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态 指令译码器指令译码器 PSW 时序信号发生器时序信号发生器(指令周期、节拍指令周期、节拍周期和脉冲周期和脉冲)指令寄存器指令寄存器.指令功能、源操指令功能、源操作数作数/目的操作数目的操作数寻址方式、所使寻址方式、所使用的寄存器等用的寄存器等(如如PCIB,读令读令R,CPT CPPC,EMBR,CPR0 等等)