计算机组成原理第五章

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1、第五章CPU设计5.1引言5.2一台模型机的设计5.3微程序设计15.1引言CPU通常包括三个主要部分：寄存器算术逻辑运算单元(ALU)控制单元所有这些部分协同工作，完成CPU指令集中每条指令的取指、译码，以及产生执行阶段所必须的微操作序列。25.1.1寄存器通常由带置位和清零功能的D触发器和D锁存器构成触发器由边沿触发锁存器由电平触发CPU寄存器设置通常分两类：一类用于处理一类用于控制31、用于处理的寄存器程序能直接访问的寄存器，如通用寄存器可编程访问、具有多种功能。自身逻辑设计简单，只有接收、发送和

2、锁存功能。通过加法器数据通路上其它部件的配合，实现多种功能。如，用做地址指针、基址或变址寄存器、间接指示器(寄存器间接寻址)、计数器、数据接收寄存器等。4程序不可访问的寄存器，如暂存器。CPU设置了一些临时存放数据的寄存器，称为暂存器。对用户来说是透明的，程序不能直接访问。52、用于控制的寄存器指令寄存器IR用来存放现行指令。如果指令的执行是串行的（即一条指令结束，下条指令才能执行），在执行过程中，指令寄存器的内容不发生变化，直至本条指令结束，以确保实现指令的全部功能。6程序计数器PC(ProgramC

3、ounter)也称指令计数器(InstructionCounter)或指令指针(InstructionPointer)。指示程序进程：开始执行时，PC装有程序起始地址；顺序执行时，每读取一条指令，PC加一增量，形成下一条指令地址；转移时，转移指令修改PC，指向转移地址。7程序状态字PSW（ProgramStatusWord）用来存放两类信息：一类表征运行状态：N（负数），Z（零），V（溢出），C（进位）；另一类是控制信息：IF（中断允许位），TF（跟踪标志），IOPL（I/O优先级）等。83、用于与主存

4、接口的寄存器对用户透明地址寄存器：MAR（单向）取指：PC内容MAR存取操作数：地址计算结果MAR数据缓冲寄存器：MBR（双向）95.1.2算术逻辑运算单元第二章已述，不再重复。105.1.3控制单元控制整个计算机：从存储器中取指令，提供存储器需要的地址和控制信号，并对指令译码，且控制整个执行过程。执行一些内部操作，并提出必要的地址、数据和控制信号给存储器和I/O设备来执行指令。11具体实现常采用两种方式：一种是采用硬连线逻辑控制（hardwirecontrol），或称组合逻辑设计；另一种是微序列控

5、制器（microsequencing），或称微程序控制器。以一台模型机为例，分别用这两种方法进行设计。125.2一台模型机的设计组合逻辑控制器设计步骤：第一步：拟定指令系统（确定逻辑设计依据）；第二步：确定总体结构（进行空间安排），包括：设置哪些部件，确定数据通路；第三步：拟定时序系统（进行时间安排）；13第四步：根据指令系统及时序，拟定指令流程，即将一条指令的执行步骤按时序用流程图形式表示出来；第五步：根据指令流程和机器结构编制操作时间表，即将指令流程中所规定的具体操作，具体地落实到由哪个部件完成，在

6、什么时间完成；14第六步：根据操作时间表进行微操作组合与化简，即将产生同一个微操作（打开或关闭某个门的操作）的条件用“或”连接成原始表达式，并进行逻辑化简，以获得最简的逻辑表达式；第七步：布硬连线逻辑图。155.2.1模型机指令系统设计1、模型机的指令集传送类：MOV（传送）算术运算类：ADD（加）、SUB（减）、NEG（求补）、INC（加1）、DEC（减1）逻辑运算类：AND（逻辑乘）、OR（逻辑或）、NOT（取反）、EOR（异或）16移位类：SL（左移）、SR（右移）程序控制类：BR（条件转移）、J

7、MP（无条件转）、RST（返回）、JSR（转子）对I/O设备寻址采用存储器映射I/O方式，I/O操作由MOV指令完成。172、指令类型分类传送类指令：MOV双操作数指令：ADD，SUB，AND，OR，EOR单操作数指令：NOT，NEG，INC，DEC，SL，SR转移类指令：BR，JMP，RST转子指令：JSR183、指令格式设计从软件的观点来看，指令、操作码和地址应该是有规律的结构，这样，指令格式可以达到最少。指令采用定长指令格式，不采用扩展操作码。操作码与地址位数固定，位置也固定。19(1)模型机指令

8、格式设计环境指令字长：16位可编程序寄存器7个：R0～R3，SP，PSW，PC。寻址方式9种：与通用寄存器GR有关的寻址方式6种：寄存器寻址、寄存器间接寻址、自减型寄存器间址、自增型寄存器间址、自增型双间址、变址寻址。与PC有关的寻址方式3种：立即寻址、直接寻址、相对寻址。指令16条，分为5类。20(2)指令格式设计考虑为减少指令长度，简化指令格式设计，特做如下安排：为减少指令长度，将立即数、直接寻址中的全部操作数地址，以及偏移地址放在紧跟