十六位CPU轻松实现，这都不是事儿

1.1 CPU 的数据通路

模型计算机硬件系统的数据通路如图 1-1。CPU 的字长为 16 位，内部采用 16 位宽的单总线结构，包括运算器和控制器两个部件。为了便于后面的设计，图中还包括了系统总线和存储器，系统总线采用单总线结构，包括 16 位的数据总线 DB、16 位的地址总线 AB和控制总线 CB。主存、外设与 CPU 共用一组系统总线；CPU 内部总线 IB 与系统总线间通过 DR、AR 相联。主存储器的字长也是 16 位，并且按字编址，不能按字节访问。

图 1-1 模型计算机硬件系统的数据通路

1.2 指令系统

模型机的指令系统包括各类传送类指令、算术逻辑运算类指令、移位类指令、转移类指令、子程序调用返回指令、输入输出类指令等。在寻址方式上采用最典型的寻址方式，分别是立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、寄存器变址寻址、相对寻址 7 种。

1.2.1 指令格式

模型机指令格式规整，以单字指令为基础，根据不同的寻址方式可扩展为双字指令和三字指令，如图 1-2所示。指令的第二字和第三字是一些常数，如立即数、直接地址、间接地址、偏移量等。

图 1-2 指令格式

图 1-2中，Ms 表示源操作数的寻址方式，Md 表示目的操作数的寻址方式，Rs 和 Rd分别表示的是源操作数和目的操作数的寄存器号。

1.2.2 寻址方式及编码

在图 1-2中可以看出，寻址方式 Ms、Md 分别由 IR 的 9、8 和 4、3 位表示。各位含义见表 1-1。

2

寻址方式编码

M(2 位)

Rn/M’（3 位）

寄存器寻址

Rn

00

寄存器号

寄存器间接寻址

(Rn)

01

寄存器号

寄存器变址寻址

disp(Rn)

10

寄存器号

立即寻址

#imm

11

011

直接寻址

addr

11

010

间接寻址

(addr)

11

001

相对寻址

+disp

11

000

1.2.3 双操作数指令

本模型机设计了 9 条双操作数指令：

MOV，

ADD、ADC，SUB、SUBB，CMP

AND、OR、XOR

指令编码格式如下：

1.2.4.1 移位类指令

SHL、SHR：逻辑左移、右移

SAR：算术右移

ROL、ROR：循环左移、右移

RCL、RCR：带进位的循环左移、右移

指令编码格式如下：

1.2.4.2 条件转移指令

JC、JNC、JO、JNO、JS、JNS、JZ、JNZ

指令编码格式如下：

1.2.4.3 单操作数运算指令和无条件转移指令

INC、DEC、 NOT、JMP

指令编码：

1.2.4.4 堆栈指令和子程序调用指令

PUSH、POP、CALL

指令编码：

1.2.5 无操作数指令

模型机设计有 4 条无操作数指令（NOP、RET、HALT、RETI）。由于没有操作数，（IR15~5

用全 0 表示扩展，（IR4~0）用于表示无操作数指令的操作码，其指令格式如下。

表 1-2 指令操作码编码表

1.3 微程序控制器

1.3.1 微程序控制器的基本构成

微程序控制器由五部分组成，基本组成框图如图 1-3。

图 1-3 微程序控制器的基本组成

（1）控制存储器 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）微地址形成线路 uAG，形成微地址，送给 uAR。

该电路有三个输入，除了 µIR 的顺序控制部分之外，还有 IR 和 PSW。IR 主要用于产生微程序的入口地址，比如依据指令的操作码形成对应各指令执行阶段的微程序入口地址。PSW 中的状态标志，在某些需要判定是否符合条件的场合，决定分支转移的微地址。

（5）时序部件，产生微程序控制器的时钟信号。

微程序控制器的基本时序单位是微周期，微周期是一条微指令执行所需的时间，一条微指令的执行时间包括两部分：一部分是从 CM 中读取微指令所需要的时间，这个时间便是 ROM 的读出时间，另一部分是微指令执行所需要的时间，这个时间包括微命令译码时间 CPU 内部数据通路的传输时间。

本设计中微程序的时序由 CP1 和 CP2 两个等周期信号组成。CP1 信号上升沿的作用是将微地址打入控存微地址寄存器，启动一次读操作。CP2 的上升沿的作用是将从 CM 中读取的微指令打入微指令寄存器，这标志着取微指令的结束和执行微指令的开始。显然，CP1的上升沿到 CP2 的上升沿为取微指令时间，而从 CP2 的上升沿至下一个 CP1 的上升沿为执行微指令时间。

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图 1-4 微程序控制方式的时序

1.3.2 微指令格式设计

在本设计中，微指令的编码方式采用字段直接编码方式。微指令格式如表 1-3所示，其中数据传送控制类微命令占 1,2 两个字段，操作类命令占 3、4、5 共三个字段，下址字段 占 9 位，微转移方式字段占 4 位，微转移方式见表 1-4，微指令的总宽度为 32 位。

表 1-3 模型机微指令格式

表 1-4 模型机微转移方式字段 BM

BM

操作

意义

0

NA→µAR

固定转移

1

NA→µAR,，INTR·IF→µAR7

根据是否有中断请求且是否允许中断产生两分支

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

形成取源操作数、取目的操作数和执行阶段的微程序入

口地址。如果是双操作数指令，则 µAR =0；如果是单1

操作数指令，则 µAR =1、µAR =0；如果是无操作数指1 0

令，则 µAR =1、µAR =1。1 0

3

NA→µAR,

?{OP, PSW(Z,O,S, C)}→µAR0

根据条件转移指令操作码和 PSW 的 ZF、OF、SF、CF 状

态标志决定微地址，若满足条件 µAR ＝1，否则 µAR0 0

＝0。

4

按操作码 OP 多路转移

按操作码 OP形成多路微转移地址

5

NA→µAR,M→µAR1,0

按寻址方式 M 形成多路微转移地址

6

NA→µAR，M ′→µ AR2,1

按寻址方式 M′形成多路微转移地址

7

NA→µAR，IR + IR →µAR4 3 0

根据目的操作数是否为寄存器寻址产生两分支：Md=00

（寄存器寻址），µAR ＝0；否则 µAR ＝1。0 0

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