【计算机组成原理】Yy-z02模型机的硬布线控制器设计

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DB和CPU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

①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

②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

③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