一個(gè)非常簡(jiǎn)單的cpu的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-08-13 23:34 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 及 CPU現(xiàn)在的狀態(tài)（也就是 Register中的內(nèi)容）一起產(chǎn)生下一次訪問微代碼存儲(chǔ)器的地址。 3. 下一個(gè)地址產(chǎn)生單元接受操作碼、標(biāo)志寄存器內(nèi)容和微代碼存儲(chǔ)器的輸出，然后根據(jù)現(xiàn)在 CPU所處的狀態(tài)決定產(chǎn)生下一次訪問微代碼存儲(chǔ)器的地址。它生成所有可能的轉(zhuǎn)移地址，然后選擇正確的輸出到寄存器中。 ? 一個(gè)可能的地址就是微代碼存儲(chǔ)器現(xiàn)在地址加一。 ? 另一個(gè)可能的地址是要跳轉(zhuǎn)的絕對(duì)地址。 ?每個(gè)微程序控制其還需要能夠正確地訪問執(zhí)行例程，這就需要用到影射邏輯。把取指得到的操作碼影射到執(zhí)行子例程的第一條微指令的地址上。這個(gè)影射操作時(shí)在每個(gè)取指周期結(jié)束時(shí)進(jìn)行的。 ?像所有高級(jí)語(yǔ)言編程一樣，微代碼也可以有子程序。當(dāng)幾條指令執(zhí)行同一段微代碼時(shí)，這段微代碼就可以用一個(gè)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)用此子程序時(shí)，這個(gè)子程序的微代碼地址就被作為一個(gè)跳轉(zhuǎn)的絕對(duì)地址賦給寄存器，而當(dāng)前地址加一的地址則被保存為返回地址。（需要硬件的寄存器或者堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)） ： ? 現(xiàn)在地址加一 ? 絕對(duì)地址 ? 影射邏輯地址 ? 子例程返回地址 每個(gè)微程序控制器可以有它自己的微指令格式。但是每條微指令必須包含以下幾個(gè)部分的內(nèi)容： 下面我們分別介紹這幾個(gè)部分的內(nèi)容： 1. SELECT域 SELECT域用于指名下條指令地址的來(lái)源。它僅僅是指名下條指令地址的來(lái)源，而不直接給出下條指令的地址。例如：取指例程最后一條指令時(shí)，它的SELECT域會(huì)指名下一條地址將來(lái)自影射邏輯。 對(duì)于條件轉(zhuǎn)移指令，執(zhí)行子例程的執(zhí)行需要根據(jù)標(biāo)志為的判斷來(lái)進(jìn)行。對(duì)于這樣的指令 SELECT域要有相應(yīng)的標(biāo)志寄存器的選擇。然后根據(jù)所選擇的標(biāo)志寄存器以及 SELECT域的內(nèi)容來(lái)決定下一地址的來(lái)源。 2. ADDR域 ADDR域就是來(lái)指名下一條指令執(zhí)行的絕對(duì)地址的。例如當(dāng)執(zhí)行完一個(gè)例程需要進(jìn)入取指例程時(shí)，對(duì)指明了下一個(gè)地址來(lái)源的微指令來(lái)說(shuō)， ADDR域是無(wú)用的。例如：影射邏輯地址。 MICROOPERATION域用來(lái)描述要執(zhí)行的微操作，有三種描述方法： 為了實(shí)現(xiàn)水平微代碼，我們先列出 CPU執(zhí)行的所有微操作。然后我們給每個(gè)微操作賦 MICROOPERATION域中的 1bit。這將導(dǎo)致 MICROOPERATION域的位數(shù)很多。而且這種編碼方法將使很多的 MICROOPERATION域中的位在大多數(shù)時(shí)間無(wú)用。 為了實(shí)現(xiàn)垂直微代碼， CPU可以執(zhí)行的微操作被分組，然后每個(gè)微操作被賦予一個(gè)組合的二進(jìn)制數(shù)，例如： 16個(gè)微操作可以用 4bit的 MICROOPERATION域來(lái)描述（ 0000~1111）。事實(shí)上我們用 4bit只能表示 15個(gè)微操作，因?yàn)槲覀儽仨毧粘鲆粋€(gè)狀態(tài)來(lái)描述空操作。垂直微代碼的編碼方式需要很少的 MICROOPERATION域的位數(shù)，但是它需要一個(gè)譯碼器來(lái)產(chǎn)生真正的微操作信號(hào)。 在以上兩種方法中， CPU都必須要把微操作信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)路徑的載入（ LOAD）、清零（ CLR）、加一（ INC）、 ALU控制以及總線上各個(gè) Buffers的開關(guān)等操作。第三種微代碼的編碼方法就是把控制信號(hào)直接存儲(chǔ)到微指令中，這種方法不需要另外的組合邏輯，但是它可讀性差，不宜于調(diào)試。 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) A Very Simple CPU的微程序控制單元 ? 為了驗(yàn)證一個(gè)微程序控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程，我們首先來(lái)考慮前一章中的 Very Simple CPU的控制單元的設(shè)計(jì)。本節(jié)將用微程序控制器重新設(shè)計(jì)其控制單元。我們將不在重新講述指令集、有限狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)路徑以及 ALU的設(shè)計(jì)。我們只講述控制信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。 ? ? 這個(gè) Very Simple CPU的微程序控制器的基本框圖如下： 在這個(gè) Very Simple CPU中只有兩種可能的地址，一個(gè)是操作碼影射地址另一個(gè)是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)地址。參看前面的 Very Simple CPU的狀態(tài)圖，我們可以知道： 1. 從 Fetch3到執(zhí)行子例程需要一個(gè)地址影射邏輯，影射到要執(zhí)行指令的地址處。 2. 地址加一可以用 Microde memory 產(chǎn)生 ADDR作為絕對(duì)地址跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)執(zhí)行子例程結(jié)束后還需要一個(gè)地址跳轉(zhuǎn)回到取指 Fetch1微操作。 因?yàn)橛袃煞N地址輸入，所以可以用一個(gè)2選 1邏輯 來(lái)實(shí)現(xiàn)下一地址生成模塊。選擇控制信號(hào)是由微代碼存儲(chǔ)器產(chǎn)生的。 ? 接下來(lái)我們考慮用多少位來(lái)表示 Microde memory(控制存儲(chǔ)器 )輸出的絕對(duì)地址？ ? 這個(gè) CPU一共有 9個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)用一個(gè)微指令表示。需要的最少的數(shù)據(jù)位數(shù)是 4位。而 IR譯碼后的影射邏輯地址也是 4bit，所以用 4bit來(lái)表示地址。 現(xiàn)在我們通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)微代碼序列。首先我們給每個(gè)狀態(tài)賦予一個(gè)微代碼的地址。與硬布線邏輯不同的是，它不是必須直接的把連續(xù)的地址賦給取指或者執(zhí)行的各個(gè)狀態(tài)，然而那樣賦值能夠使微代碼易于閱讀調(diào)試。賦值中考慮的首要問題是：執(zhí)行子例程的第一個(gè)狀態(tài)的地址賦值，因?yàn)樗鼪Q定了影射邏輯的實(shí)現(xiàn)。對(duì)這個(gè) CPU來(lái)說(shuō)，我們用和硬布線邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)同樣的影射邏輯，也就是 IR譯碼的影射邏輯是 {1， IR[1：0]， 0}。這樣產(chǎn)生了 ADD AND JMPINC1的地址分別為 1000、 10 1100、 1110。相應(yīng)的影射邏輯也就可以簡(jiǎn)單的如下表示： 其余狀態(tài)的地址賦值如下表： State Address State Address Fetch1 0000 Fetch2 0001 Fetch3 0010 ADD1 1000 ADD2 1001 AND1 1010 AND2 1011 JUMP1 1100 INC1 1110 現(xiàn)在我們來(lái)通過(guò)這些狀態(tài)來(lái)建立微代碼序列。為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，為序列控制器在 ADDR域提供其要轉(zhuǎn)移狀態(tài)的地址，并且在 SELECT域選擇它。例如：為了從 Fetch1轉(zhuǎn)移到 Fetch2狀態(tài)，微程序控制器需要設(shè)定 SEL=0（選擇ADD
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