十六位CPU輕松實(shí)現(xiàn)，這都不是事兒

1.1 CPU 的數(shù)據(jù)通路

模型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路如圖 1-1。CPU 的字長為 16 位，內(nèi)部采用 16 位寬的單總線結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)算器和控制器兩個(gè)部件。為了便于后面的設(shè)計(jì)，圖中還包括了系統(tǒng)總線和存儲(chǔ)器，系統(tǒng)總線采用單總線結(jié)構(gòu)，包括 16 位的數(shù)據(jù)總線 DB、16 位的地址總線 AB和控制總線 CB。主存、外設(shè)與 CPU 共用一組系統(tǒng)總線；CPU 內(nèi)部總線 IB 與系統(tǒng)總線間通過 DR、AR 相聯(lián)。主存儲(chǔ)器的字長也是 16 位，并且按字編址，不能按字節(jié)訪問。

圖 1-1 模型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路

1.2 指令系統(tǒng)

模型機(jī)的指令系統(tǒng)包括各類傳送類指令、算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令、移位類指令、轉(zhuǎn)移類指令、子程序調(diào)用返回指令、輸入輸出類指令等。在尋址方式上采用最典型的尋址方式，分別是立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、寄存器變址尋址、相對(duì)尋址 7 種。

1.2.1 指令格式

模型機(jī)指令格式規(guī)整，以單字指令為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的尋址方式可擴(kuò)展為雙字指令和三字指令，如圖 1-2所示。指令的第二字和第三字是一些常數(shù)，如立即數(shù)、直接地址、間接地址、偏移量等。

圖 1-2 指令格式

圖 1-2中，Ms 表示源操作數(shù)的尋址方式，Md 表示目的操作數(shù)的尋址方式，Rs 和 Rd分別表示的是源操作數(shù)和目的操作數(shù)的寄存器號(hào)。

1.2.2 尋址方式及編碼

在圖 1-2中可以看出，尋址方式 Ms、Md 分別由 IR 的 9、8 和 4、3 位表示。各位含義見表 1-1。

2

尋址方式編碼

M(2 位)

Rn/M’（3 位）

寄存器尋址

Rn

00

寄存器號(hào)

寄存器間接尋址

(Rn)

01

寄存器號(hào)

寄存器變址尋址

disp(Rn)

10

寄存器號(hào)

立即尋址

#imm

11

011

直接尋址

addr

11

010

間接尋址

(addr)

11

001

相對(duì)尋址

+disp

11

000

1.2.3 雙操作數(shù)指令

本模型機(jī)設(shè)計(jì)了 9 條雙操作數(shù)指令：

MOV，

ADD、ADC，SUB、SUBB，CMP

AND、OR、XOR

指令編碼格式如下：

1.2.4.1 移位類指令

SHL、SHR：邏輯左移、右移

SAR：算術(shù)右移

ROL、ROR：循環(huán)左移、右移

RCL、RCR：帶進(jìn)位的循環(huán)左移、右移

指令編碼格式如下：

1.2.4.2 條件轉(zhuǎn)移指令

JC、JNC、JO、JNO、JS、JNS、JZ、JNZ

指令編碼格式如下：

1.2.4.3 單操作數(shù)運(yùn)算指令和無條件轉(zhuǎn)移指令

INC、DEC、 NOT、JMP

指令編碼：

1.2.4.4 堆棧指令和子程序調(diào)用指令

PUSH、POP、CALL

指令編碼：

1.2.5 無操作數(shù)指令

模型機(jī)設(shè)計(jì)有 4 條無操作數(shù)指令（NOP、RET、HALT、RETI）。由于沒有操作數(shù)，（IR15~5

用全 0 表示擴(kuò)展，（IR4~0）用于表示無操作數(shù)指令的操作碼，其指令格式如下。

表 1-2 指令操作碼編碼表

1.3 微程序控制器

1.3.1 微程序控制器的基本構(gòu)成

微程序控制器由五部分組成，基本組成框圖如圖 1-3。

圖 1-3 微程序控制器的基本組成

（1）控制存儲(chǔ)器 CM ，存放微程序。

（2）微地址寄存器 uAR，存放 CM 地址。

（3）微指令寄存器 uIR ，存放由 CM 中取出的微指令。

（4）微地址形成線路 uAG，形成微地址，送給 uAR。

該電路有三個(gè)輸入，除了 µIR 的順序控制部分之外，還有 IR 和 PSW。IR 主要用于產(chǎn)生微程序的入口地址，比如依據(jù)指令的操作碼形成對(duì)應(yīng)各指令執(zhí)行階段的微程序入口地址。PSW 中的狀態(tài)標(biāo)志，在某些需要判定是否符合條件的場(chǎng)合，決定分支轉(zhuǎn)移的微地址。

（5）時(shí)序部件，產(chǎn)生微程序控制器的時(shí)鐘信號(hào)。

微程序控制器的基本時(shí)序單位是微周期，微周期是一條微指令執(zhí)行所需的時(shí)間，一條微指令的執(zhí)行時(shí)間包括兩部分：一部分是從 CM 中讀取微指令所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間便是 ROM 的讀出時(shí)間，另一部分是微指令執(zhí)行所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間包括微命令譯碼時(shí)間 CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的傳輸時(shí)間。

本設(shè)計(jì)中微程序的時(shí)序由 CP1 和 CP2 兩個(gè)等周期信號(hào)組成。CP1 信號(hào)上升沿的作用是將微地址打入控存微地址寄存器，啟動(dòng)一次讀操作。CP2 的上升沿的作用是將從 CM 中讀取的微指令打入微指令寄存器，這標(biāo)志著取微指令的結(jié)束和執(zhí)行微指令的開始。顯然，CP1的上升沿到 CP2 的上升沿為取微指令時(shí)間，而從 CP2 的上升沿至下一個(gè) CP1 的上升沿為執(zhí)行微指令時(shí)間。

6

圖 1-4 微程序控制方式的時(shí)序

1.3.2 微指令格式設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，微指令的編碼方式采用字段直接編碼方式。微指令格式如表 1-3所示，其中數(shù)據(jù)傳送控制類微命令占 1,2 兩個(gè)字段，操作類命令占 3、4、5 共三個(gè)字段，下址字段 占 9 位，微轉(zhuǎn)移方式字段占 4 位，微轉(zhuǎn)移方式見表 1-4，微指令的總寬度為 32 位。

表 1-3 模型機(jī)微指令格式

表 1-4 模型機(jī)微轉(zhuǎn)移方式字段 BM

BM

操作

意義

0

NA→µAR

固定轉(zhuǎn)移

1

NA→µAR,，INTR·IF→µAR7

根據(jù)是否有中斷請(qǐng)求且是否允許中斷產(chǎn)生兩分支

2

NA→µAR，

——— ——— ——— ——— ——— ———

IR 15· IR 14· IR 13· IR 12·IR 11·IR 10→µAR ,1

——— ——— ——— ——— ———

IR 9· IR · IR · IR8 7 6·IR 5→µAR0

形成取源操作數(shù)、取目的操作數(shù)和執(zhí)行階段的微程序入

口地址。如果是雙操作數(shù)指令，則 µAR =0；如果是單1

操作數(shù)指令，則 µAR =1、µAR =0；如果是無操作數(shù)指1 0

令，則 µAR =1、µAR =1。1 0

3

NA→µAR,

?{OP, PSW(Z,O,S, C)}→µAR0

根據(jù)條件轉(zhuǎn)移指令操作碼和 PSW 的 ZF、OF、SF、CF 狀

態(tài)標(biāo)志決定微地址，若滿足條件 µAR ＝1，否則 µAR0 0

＝0。

4

按操作碼 OP 多路轉(zhuǎn)移

按操作碼 OP形成多路微轉(zhuǎn)移地址

5

NA→µAR,M→µAR1,0

按尋址方式 M 形成多路微轉(zhuǎn)移地址

6

NA→µAR，M ′→µ AR2,1

按尋址方式 M′形成多路微轉(zhuǎn)移地址

7

NA→µAR，IR + IR →µAR4 3 0

根據(jù)目的操作數(shù)是否為寄存器尋址產(chǎn)生兩分支：Md=00

（寄存器尋址），µAR ＝0；否則 µAR ＝1。0 0

7