計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn) 3.1 微程序版CPU 賴曉錚

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)系列,一、微程序版CPU 二、硬布線版CPU 三、流水線版CPU 四、嵌套中斷CPU,賴曉錚 博士 華南理工大學(xué) QQ: 68046508,（一）微程序版CPU 實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)微程序版CPU，包括微程序控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ) 器、寄存器堆及外部IO接口。定義一套較完備的機(jī)器指令集，編寫每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序，在CPU電路上運(yùn)行基于上述機(jī)器指令集的機(jī)器語言程序，并且用匯編助記符加以注釋。,實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握基于微程序控制器的CPU結(jié)構(gòu)，了解CPU中斷工作機(jī)制。 熟悉CPU微指令設(shè)計(jì)，掌握機(jī)器指令的微程序?qū)崿F(xiàn)方法。,微程序版CPU 電路圖,微程序版CPU架構(gòu),CPU指

2、令集(OP碼表),一、系統(tǒng)指令：,二、寄存器及I/O操作指令：,三、存儲(chǔ)器及堆棧操作指令：,四、跳轉(zhuǎn)系列指令：,五、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令：,五、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令：,初始化過程 時(shí)鐘信號(hào)CLK接手動(dòng)開關(guān)MANUAL=0，啟動(dòng)仿真，使能復(fù)位信號(hào)#RESET=0； 手動(dòng)按鈕MANUAL開關(guān)“010”，然后令信號(hào)#RESET=1. 注：初始化完成后，若時(shí)鐘信號(hào)CLK繼續(xù)接開關(guān)MANUAL，則CPU進(jìn)入手動(dòng)模式，手動(dòng)MANUAL開關(guān)，生成時(shí)鐘信號(hào)CLK，程序單步執(zhí)行；若時(shí)鐘信號(hào)CLK接信號(hào)源AUTO-CLK（主頻10Hz），則CPU進(jìn)入自動(dòng)模式，程序自動(dòng)運(yùn)行，直到HLT指令的“斷點(diǎn)”處暫停。,重啟過程（跳出

3、“斷點(diǎn)”） 時(shí)鐘信號(hào)CLK接開關(guān)MANUAL=0，手動(dòng)令復(fù)位信號(hào)端#RESET的狀態(tài)“101”變化，即重啟完成，跳出“斷點(diǎn)”繼續(xù)執(zhí)行 。 注：跳出“斷點(diǎn)”后，CPU進(jìn)入HLT指令的后續(xù)下一條指令的取指周期。,實(shí)驗(yàn)步驟（順序結(jié)構(gòu)程序）： 1） 在微程序版CPU項(xiàng)目工程的子文件夾PROGRAMS里，存放著機(jī)器指令的示例源程序（asm文件）。除了JS、SOP_JZ和INT_IRET三個(gè)源程序外，其他源程序都是順序結(jié)構(gòu)的程序。 2） 編譯ADD指令示例程序ADD.asm，生成hex文件燒寫到CPU的存儲(chǔ)器ROM，如后頁所示。（編譯和燒寫asm文件的方法參見“2.6存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)”） 3） 手動(dòng)執(zhí)行程序，對(duì)

4、照ADD指令流程圖及其微指令代碼表，觀察每次手動(dòng)單步執(zhí)行結(jié)果，記錄寄存器AR、IR、PC、通用寄存器Rx及總線BUS上的數(shù)據(jù)變化。 4） 自動(dòng)運(yùn)行程序，采用HLT指令在程序需要調(diào)試的位置設(shè)置“斷點(diǎn)”，觀察“斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，寄存器AR、IR、PC、通用寄存器Rx及總線BUS上的數(shù)據(jù)（注意：增加HLT指令“斷點(diǎn)”會(huì)出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址偏移問題）。 5） 參照上述過程，編譯、燒寫、手動(dòng)、或自動(dòng)運(yùn)行在文件夾PROGRAMS中（除了JS和SOP_JZ外）所有機(jī)器指令示例程序。,ADD,實(shí)驗(yàn)步驟（分支結(jié)構(gòu)程序）： 1） 條件跳轉(zhuǎn)指令驗(yàn)證程序JS是典型的分支結(jié)構(gòu)程序，其功能類似于匯編語言的“CMP”語句，

5、實(shí)現(xiàn)了比較寄存器R0和R1所存數(shù)據(jù)的大小，輸出較大的數(shù)據(jù)到IO端口外掛設(shè)備（數(shù)碼顯示管），代碼如后頁所示： 2） 編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行JS源程序。觀察程序自動(dòng)運(yùn)行過程中兩個(gè)“斷點(diǎn)”的暫停時(shí)刻，寄存器R0和R1的數(shù)據(jù)變化。 3） 修改JS源程序，賦予R0和R1不同大小的值，記錄寄存器R0和R1在程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)變化，并且觀察IO接口外掛的數(shù)碼管顯示。 4） 請(qǐng)問本程序中的ADD指令起什么作用？如果要求比較的過程不能改動(dòng)R0和R1的值，那JS源程序需要如何修改？ 5） 編譯、執(zhí)行后頁所示的源程序ADD0_SUB0.asm。試問0+0=0和0-0=0，為何兩個(gè)運(yùn)算后執(zhí)行JC的結(jié)果不一致？（一個(gè)跳

6、轉(zhuǎn)，另一個(gè)不跳轉(zhuǎn)）,JS,ADD0_SUB0,實(shí)驗(yàn)步驟（循環(huán)結(jié)構(gòu)程序）： 1） 單操作數(shù)運(yùn)算指令驗(yàn)證程序SOP_JZ是典型的循環(huán)結(jié)構(gòu)程序，其功能類似于匯編語言的“LOOP”語句，實(shí)現(xiàn)了“1+2+ +9+10”的連續(xù)十次相加求和，代碼如后頁所示。 2） 編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行程序SOP_JZ。觀察自動(dòng)運(yùn)行過程中的“斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，寄存器R0、R1和R2的數(shù)據(jù)變化。 3） 請(qǐng)問R0和R1總共循環(huán)相加了幾次？為何統(tǒng)計(jì)次數(shù)的R2=09？最后R0輸出的結(jié)果是多少？“THR R2” 指令執(zhí)行的意義是什么？能否只使用兩個(gè)通用寄存器完成連續(xù)相加求和的任務(wù)？如果可以，程序要如何修改？,SOP_JZ,實(shí)驗(yàn)步驟（中斷

7、程序）： 1） INT_IRET是基于中斷向量二次跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的單級(jí)中斷程序，主程序功能是寄存器R0的數(shù)值累加，而中斷子程序則是顯示中斷時(shí)刻R0數(shù)值并且清零。代碼如后頁所示： 2） 編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行中斷程序INT_IRET，隨機(jī)觸發(fā)INTERRUPT按鈕（模擬外部中斷），觀察R0的變化。 3） 在程序中設(shè)置HLT“斷點(diǎn)”，在“斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，信號(hào)CLK改用手動(dòng)單步執(zhí)行，觸發(fā)INTERRUPT按鈕，模擬外部中斷，觀測記錄中斷處理過程中，寄存器PC、BP_PC、PSW、BP_PSW及總線BUS的變化。 4） 在本實(shí)驗(yàn)中，中斷出現(xiàn)會(huì)令寄存器R0清零，改變主程序的參數(shù)。因?yàn)橹袛嗍请S機(jī)發(fā)生的，不確定中斷

8、發(fā)生時(shí)刻主程序運(yùn)行的位置。所以，應(yīng)該盡量使中斷子程序和主程序的參數(shù)（主要是寄存器）互相獨(dú)立。請(qǐng)問在寄存器資源有限情況下，可以采用什么方法實(shí)現(xiàn)？,INT_IRET,思考題： 中斷返回指令I(lǐng)RET只能在中斷子程序出現(xiàn)，不允許在主程序使用。請(qǐng)說明原因，并且設(shè)計(jì)一個(gè)硬件電路的保護(hù)機(jī)制：若在主程序中出現(xiàn)IRET指令，則CPU不執(zhí)行打入PC的操作，避免系統(tǒng)崩潰？ 可否修改硬件電路和微指令列表，只用一個(gè)CPU周期實(shí)現(xiàn)微 程序版CPU的取指周期和中斷處理周期？ （提示：拆分獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ROM/RAM和程序存儲(chǔ)器PROGRAM，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址寄存器仍為AR，程序計(jì)數(shù)器PC則作為程序存儲(chǔ)器的地址寄存器，不再

9、直連到總線BUS。注意，因?yàn)槿≈钢芷谥挥幸粋€(gè)CPU周期，需要謹(jǐn)慎考慮取指周期末尾PC+1的問題，以及取指周期開頭把IR寄存器輸出的OP碼清零，從而避免影響微地址P1跳轉(zhuǎn)的問題。）,（一）微程序版CPU 實(shí)驗(yàn),思考題： 在上述思考題的基礎(chǔ)上，可否利用節(jié)省出來的空閑微指令地址安排新的微指令或增加指令功能？例如使OUT/OUTA指令既可以輸出通用寄存器Rx內(nèi)容（單字節(jié)指令），也可以輸出立即數(shù)IMM（雙字節(jié)指令），從而在I/O端口的操作中減少對(duì)寄存器資源的占用。,（一）微程序版CPU 實(shí)驗(yàn),微程序版CPU組成原理,時(shí)序電路（CLOCK） 微程序控制器 微程序流程圖（數(shù)據(jù)通路） 取指周期、中斷處理周期及

10、系統(tǒng)指令 寄存器及I/O操作指令 存儲(chǔ)器及堆棧操作指令 跳轉(zhuǎn)系列指令 算術(shù)邏輯運(yùn)算系列指令,時(shí)序電路圖,微程序控制器電路圖,控制存儲(chǔ)器微指令寄存器微指令譯碼電路,微命令字段中每一位表示一個(gè)微命令：,P字段,S3,S2,S1,S0,M,SOP_EN,SHT_EN,BUS,P1,P3,微地址寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯,微指令代碼表,取指周期 中斷處理周期 系統(tǒng)指令微程序流程圖,存儲(chǔ)器(ROM/RAM)和指令寄存器IR,中斷觸發(fā)電路,中斷向量表原理,程序計(jì)數(shù)器PC、“斷點(diǎn)”BP_PC和中斷向量地址,斷點(diǎn)”BP_PSW,微指令代碼表,寄存器及IO操作指令的微程序流程圖,通用寄存器R0R3,寄存器選擇電路,外圍設(shè)備及IO接口電路,存儲(chǔ)器及堆棧操作指令的微程序流程圖,存儲(chǔ)器及堆棧