【计算机组成原理】Yy-z02模型机的硬布线控制器设计

news2025/1/17 1:16:21

目录

一、Yy-z02模型机的系统结构

二、Yy-z02模型机的数据通路

三、Yy-z02模型机的指令执行

 四、Yy-z02模型机的硬布线控制器


一、Yy-z02模型机的系统结构

指令系统的实现  <---  构造它的硬件系统

硬件系统构造过程

  1. 分析指令格式和各指令的功能
  2. 确定部件连接方式(总线连接/直接连接)、CPU类型(单周期/多周期/流水线)
  3. 依据各条指令的功能,设计所需的功能部件、确定对应的控制信号
  4. 按既定方式进行连接,在部件之间建立数据通路

部件的连接方式

  • 直接链接:在所有需要传送数据的部件之间建立一条直接通路,比较适合CPU流水线设计中的串行连接结构(RISC、ARM)
  • 总线连接:所有部件都挂在总线上,部件之间通过总线来交换数据,结构简单,缺点是总线需要分时共享,指令的执行需要多周期(Yy-z02模型机)

总线连接的简单计算机系统结构

  • 系统总线:连接CPU、存储器、输入设备、输出设备 
  • CPU内部总线:连接CPU内部的专用寄存器、运算器(ALU、GR、暂存器)
  • CPU访问总线和输入输出设备:均需AR和DR完成

Yy-z02模型机的系统结构

  • 将外部数据总线DBCPU内部总线IB合二为一
  • 省略了数据寄存器DR

二、Yy-z02模型机的数据通路

存储器读/写操作只需要2个机器周期,运算器运算操作需要3个机器周期

三、Yy-z02模型机的指令执行

指令执行过程

取指令:以PC为地址读存储器,读出的指令写入IR,PC自增

  • M0:PC -> AR,PC+1 -> PC
  • M1:Mem[AR] -> IR

分析指令:控制指令译码器ID对IR进行译码,产生能识别指令的特定信息或信号

  • 指令的功能:对OP字段译码
  • 操作数地址:对寻址方式码MOD译码
  • 指令含几个字:由OP和MOD字段决定

执行指令:具体操作数取决于指令的功能与寻址方式

  • 取操作数:取指令剩余字;根据寻址方式计算EA
  • 执行操作:根据指令功能执行传送/计算/移位/转移等操作

Yy-z02模型机的两条经典指令

指令执行的流程图

 四、Yy-z02模型机的硬布线控制器

  • 原则一:微操作的先后顺序不得随意更改
  • 原则二:被控对象不同的微操作,尽量安排在一个节拍内完成
  • 原则三:占用时间较短的微操作,尽量安排在一个节拍内完成,并允许有先后顺序

硬布线控制器特点:

  • 指令越多,设计和实现就越复杂,因此一般用于RISC(精简指令集系统)
  • 如果扩充一条新指令,则控制器的设计就需要大改,因此扩充指令困难
  • 由于使用纯硬件实现控制,因此执行速度很快。微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生
  • 一个CPU控制器,可以部分指令使用硬布线实现,部分指令(复杂指令)使用微程序控制实现

Yy-z02模型机的硬布线控制器设计步骤:

  1. 确定指令系统、分析指令功能
  2. 确定计算机系统结构
  3. 分析指令的执行过程及发送的微操作控制信号
  4. 综合与优化每个微操作控制信号的逻辑函数
  5. 逻辑电路实现

1. 确定指令系统:两条典型指令(ADD、JMP)

2. 确定计算机系统结构:Yy-z02模型机

3. 分析指令执行过程和发送的空信号序列

4. 综合与优化每个微操作控制信号的逻辑函数

5. 逻辑电路实现

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