计原与汇编5.ppt
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1、第五章 中央处理器(CPU),第一节 中央处理器的总体结构,CPU功能:从主存取指、解释、执行指令。 程序控制功能、数据处理功能、操作定 序功能 CPU基本组成: 控制部件(CU) 算术逻辑运算部件(ALU) Cache存储器 中断系统 各种寄存器 CPU内部数据通路,模型机CPU的总体结构,CPU的设计步骤大致如下:,1、确定总体结构,设计数据通路及相应控制信号; 2、设计指令系统及时序系统,拟定指令流程,确定 微操作控制信号; 3、设计产生各种微操作控制信号的控制部件 两种类型组合逻辑控制器、微程序控制器,以8086的结构及指令系统为基础简化设计模型机,1、总体结构,单BUS结构:CPU、
2、存储器及I/O部件挂接在一 组系统总线上,同步方式工作 只保留EU结构,模型机CPU的总体结构,2、CPU内总线(IBUS),模型机CPU的总体结构,双向单总线 IBUS重用 单发送多接收 三态门隔离,3、CPU中寄存器设置,(1)寄存器组,模型机CPU的总体结构,W-B,地址R,字/字节操作,写某个通用寄存器,读某个通用寄存器,将某通用寄存器内容送内总线,数据R,RE,WE,(1)寄存器组,3、CPU中寄存器设置,R地址(AX), WE, W-B,RE,WE,WE,R地址,W-B,W-B,IBUS,(1)寄存器组,3、CPU中寄存器设置,RE,WE,R地址,RE,R -IBUS,W-B,AL
3、,IBUS,(2)总线暂存器RBL,3、CPU中寄存器设置,RE,WE,R地址,W-B,W-B,RE,R-IBUS,RBL,IBUS-RBL,IBUS-RBL,(3)移位寄存器(SR),例:将RBL中一个字内容算术左移一位,3、CPU中寄存器设置,RBL-IBUS,IBUS-SR,SALC,W-B,SR-IBUS ,IBUS-RBL,16位,只存指令的前2个字节(前两个字节为操作码和寻址方式)。 IBUS-IR用于控制将IBUS上的指令打入 IR。,(5)PC(程序计数器) 16位专用寄存器,具有自增功能。 一条指令结束前必须自动改变成下地址。,(4)IR(指令寄存器),3、CPU中寄存器设置
4、,PC,IBUS-PC,IR,IBUS-IR,PC+1,0-PC,IR,PC,IBUS-IR,0-PC,IBUS-PC,PC+1,PC-IBUS,PC-IBUS,IBUS,MDR : R MDR DBUS M,(6)MAR和MDR MAR : 地址 = MAR = ABUS,对主存的控制信号:MRD(读),MWR(写), W-B(字/字节),3、CPU中寄存器设置,(6)MAR和MDR,例:从内存取指到IR中。,3、CPU中寄存器设置,(7)标志寄存器FR,0-PC,PC+1,ABUS,DBUS,CBUS,MAR-ABUS,MAR,R地址,R-IBUS,RE,WE,IBUS-MAR,移位寄存器
5、 SR,FR,PC,IBUS-PC,IBUS-IR,CU,TS,控制信号,主存 Memory,MDR,MDR-DBUS,MDR-IBUS,RBL,IBUS-RBL,RBL-IBUS,ADDC,SUBC,IBUS,寄 存 器 组,PC-IBUS,MUX,BUS-MDR,I-DBUS,HALT,偶体,奇体,MRD,MWR,W-B,W-B,RA,RB,ALU-IBUS,ANDC,ORC,IBUS-RA,IBUS-RB,SHLC,SALC,ROLC,IBUS-SR,SR-IBUS,W-B,PC,PC-IBUS,IBUS-MAR,MAR,MAR-ABUS,MRD,W-B,I-DBUS,BUS-MDR,M
6、UX,MDR,MDR-IBUS,IBUS-IR,MAR-IBUS,4、ALU部件及控制部件,ALU部件基本运算:ADDC,SUBC,ANDC, ORC,XORC,NOTC,INCAC,DECAC等,R地址(BX),RE,W-B,R-IBUS,IBUS-RA,RBL-IBUS,IBUS-RB,ADDC,ALU-IBUS,R地址(AX),WE,W-B,控制部件CU,时序控制方式:微操作与时序信号之间采取何种关系。 一、同步控制方式 各项微操作由统一的时序信号进行同步控制。 二、同步控制方式的多级时序系统 多级时序概念: (1)指令周期:执行一条指令的时间。 (2)机器周期:(CPU工作周期) 把指
7、令周期分成若干个子周期,每个子周期称为 机器周期。 (3)节拍(时钟周期):完成一步基本操作的时间段。 (4)时钟脉冲信号:时序系统的基本定时信号。,第二节 指令周期与指令流程,模型机设置五种工作周期:,(1)取指周期FI:取指译码 (2)目的周期DST:形成目的地址,获得目的操作数 (3)源周期SRC:形成源地址,获得源操作数 (4)执行周期EXC:运算、存结果/形成转移地址 (5)中断响应周期INT:进行中断处理 周期状态触发器:5个触发器对应上面5种工作周期, 任一时刻只有一个为1。,组合逻辑控制时序系统的组成,三、时序系统,微程序控制时序系统的组成,三、时序系统,四、指令系统 (一)指
8、令格式,1、双操作数指令代码格式: 长度1-6B,指令 目的操作数 源操作数 操作特征部分 MOV REG R/M 10 00 10 dw MOV M Imm 11 00 01 1w ADD REG R/M 00 00 00 dw ADD R/M Imm 10 00 00 0w AND R/M REG 00 10 00 dw AND R/M Imm 10 00 00 0w d=1,目的操作数由REG字段给出 w=1,字操作,REG W=0 W=1 000 AL AX 001 CL CX 010 DL DX 011 BL BX 100 AH SP 101 CH BP 110 DH SI 111
9、BH DI,MOD R/M 00 01 10 11 000 (BX)+(SI) (BX)+(SI)+D8 (BX)+(SI)+D16 AL/AX 001 (BX)+(DI) (BX)+(DI)+D8 (BX)+(DI)+D16 CL/CX 010 (BP)+(SI) (BP)+(SI)+D8 (BP)+(SI)+D16 DL/DX 011 (BP)+(DI) (BP)+(DI)+D8 (BP)+(DI)+D16 BL/BX 100 (SI) (SI)+D8 (SI)+D16 AH/SP 101 (DI) (DI)+D8 (DI)+D16 CH/BP 110 D16 (BP)+D8 (BP)+D
10、16 DH/SI 111 (BX) (BX)+D8 (BX)+D16 BH/DI,例1:指令MOV VAR,5678H。该指令的操作码OPCODE为 1100011,REG为辅助操作码,其值为000。设VAR对应地址为2000H。这条指令的代码如何?,解 : OPCODE W MOD REG R/M 位移量低 位移量高 立即数低 立即数高,1100011,1,000,C7 06 00 20 78 56H,例2 :指令ADD AX, BX。这条指令的代码如何?,解 : OPCODE d W MOD REG R/M,000000,1,000,1,11,011,03 C3H,2、单操作数指令代码格式
11、,操作码扩展:OPCODE=1111111 OP2为辅助操作码,例3 :指令INC AL。这条指令的代码如何?,解 : OPCODE W MOD REG R/M,1111111,000,0,11,000,FE C0H,(二)指令分类 1、数据传送类指令,(1)MOV DST,SRC (SRC)DST SRC可采用立即寻址、R寻址、直接寻址、R间址、变址/基址、基址变址寻址等。 DST不能采用立即寻址,其他同SRC。 采用双操作数指令代码格式,长度为2-6字节。,(2)PUSH SRC (SP)-2 SP,(SRC) (SP) SRC为R,为单字节指令 SRC为M,为2 4字节,(3)POP D
12、ST ( (SP)) DST,(SP)+2 SP DST为R, 为单字节指令 DST为M,为2 4字节,(1)双操作数: ADD/SUB DST ,SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能:(DST )OP(SRC) DST,2、算术运算类指令,(2)单操作数 INC/DEC DST 指令功能:OP(DST) DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式,长度2-4字节。,(1) 双操作数: AND/OR /XOR DST ,SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能:(DST )OP(SRC) DST,3、逻辑运算类指令,(2)单操作数 NOT DST 指令功
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