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1、CPU设计步骤,拟定指令系统确定总体结构安排时序拟定指令流程和微命令序列形成控制逻辑,画流程图(寄存器传送级),列操作时间表,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,格式、寻址方式、指令类型设置,寄存器、ALU、数据通路设置,模型机指令系统,指令格式：指令字长16位，采用寄存器型寻址，指令中给出寄存器号，主存容量为：64K*16位双操作数指令格式,目的地址,源地址,4 3 3 3 3,模型机指令系统,单操作数指令格式转移指令格式,4 6 3 3,目的地址,15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0,转移地址,转移条件,模型机指令系统,寻址方式CPU可编程
2、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 编码 助记符 定义,寄存器寻址,000,R,（R）为操作数,寄存器间址,001,（R）,自减型寄存器间址,010,-(R),-(SP),(R)-1为操作数地址,(SP)-1为栈顶地址,（R）为操作数地址,寻址方式 编码 助记符 定义,100,（R）为间接地址，,直接/自增型双间址,(R)+,(PC)+,PC指向有效地址，,（R）为操作数地址，,立即/自增型寄存器间址,011,(R)+,访问后(R)+1,(SP)+,(SP)为栈顶地址，,出栈后(SP)+1,(PC)为立即数地址，,取数后(PC)+1,访问后(
3、R)+1,(PC)+,访问后(PC)+1,模型机指令系统,模型机指令系统,101,(R)+d为有效地址,变址,X(R),X(PC),(PC)+d为有效地址,跳步,110,SKP,跳过下条指令执行,寻址方式 编码 助记符 定义,模型机指令系统,指令类型,操作码 助记符 含义,用于数传、堆栈、I/O操作,0000,MOV,传送,0001,ADD,加,0101,EOR,异或,双操作数指令,0110,COM,求反,1011,SR,右移,单操作数指令,模型机指令系统,指令类型,操作码 助记符 含义,1100,JMP,转移,1100,RST,返回,1101,JSR,转子,0 0 0 0 0,5 4 3 2
4、 1 0,转移地址,无条件转,0 0 0 0 1,无进位转,(C=0),0 0 0 1 0,无溢出转,(V=0),0 0 1 0 0,数非零转,(Z=0),0 1 0 0 0,数为正转,(N=0),1 0 0 0 1,有进位转,(C=1),1 0 0 1 0,有溢出转,(V=1),模型机指令系统,模型机指令系统,1 0 1 0 0,数为零转,(Z=1),1 1 0 0 0,数为负转,(N=1),条件满足，转转移地址；条件不满足，顺序执行。,5 4 3 2 1 0,转移地址,模型机指令系统,隐含约定：转子时返回地址压栈保存。,15 12 11 9 8 6 5 0,子程序入口,5 4 3 2 1
5、0,模型机的组成,寄存器的设置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）,4 3 2 1 0,模型机的组成,寄存器的设置非编程寄存器（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CPU与主存的接口,模型机的组成,算逻部件的设置ALU选择器A选择器B移位器：实现直送、左移、右移、字节交换,SN74181 4片 M、C0、S0、S1、S2、S3SN
6、74182 1片,选择数据来源(八选一),总线与数据通路结构,为了使数据传送控制简单、集中，采用以ALU为中心的总线结构CPU组成包括四个部分：ALU部件、寄存器组、内总线、CPU与系统总线的连接,（1）内总线,ALU为内部数据传送通路的中心；,寄存器采用,内总线采用单向数据总线(16位)；,分立结构；,(2)系统总线AB、DB、CB，CPU通过它与外部连接，与它的连接通过MAR、MDR实现。,MDR,输出,输出至DB,输出至ALU的B门,输入,从内总线输入,从DB输入,(打入),(置入),R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1
7、,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,3.各类信息传送途径,M,（1）指令信息,置入,DB,IR,M,DB,IR,（2）地址信息,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,1）指令地址,2）指令地址加1（顺序执行）,PC,PC,A,ALU,移位器,内总线,MAR,PC,打入,A,ALU,移,内,MAR,PC,A,ALU,移,内,PC,C0,C0,打入,R0R3
8、R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,3）转移地址,M,IR,寄存器寻址：,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,PC,R0,打入,B,ALU,移,内,PC,寄存器间址：,R0,打入,B,ALU,移,内,MAR,AB,M,DB,置入,MDR,B,MAR,MDR,MDR,移、,内,PC,ALU,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,
9、D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,4）操作数地址,寄存器寻址：,R0,R1,寄存器间址：,R0,打入,B,ALU,移,内,MAR,MAR,R1,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,变址：,PC,A,ALU,移位器,内总线,MAR,R0,PC,A,ALU,移,内,MAR,AB,M,DB,移,内,C,PC,M,M,MDR,MDR,B,C,MDR,B
10、,ALU,R0,R0,C,ALU,C,A,B,移,内,MAR,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,数据信息的传送,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,R0,打入,B,ALU,移,内,R1,DB,M,DB,MDR,B,MDR,MDR,移、,内,R2,ALU,R1,R0,打入,B,ALU,内,MDR,R2,M,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1
11、,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,内总线,M(源),R0,MDR,MDR,MDR,DB,内,I/O,ALU,C,打入,DB,MDR,内,C,ALU,(计算目的地址),DB,M,C,ALU,内,MDR,(目的),C,A,I/O,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,内总线,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制逻辑,M,IR,R0,B,ALU,移位器,内总线,DB,MDR,MDR,DB,DMA方式：,I/O,打入,I/O,MDR,内,R0,ALU,I/O,M,微命令设置,(1)数据通路操作：,ALU功能选择：,ALU输入选择：,输出移位选择：,结果分配：,S3S2S1S0、M、C0,不移、左移、,CPR0、CPC、CPMAR、,(2)访M、I/O 操作：,读 R,地址使能 EMAR,写 W,置入MDR SMDR，,1,MAR向AB送地址,0,00 MDR与DB断开,MAR与AB断开,R=1读 W=1写,置入IR SIR,M,
