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十六位CPU实现方案解析
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2017-10-15
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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Rn00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#imm11011
直接寻址addr11010
间接寻址（addr）11001
相对寻址+disp11000
表 1-1 寻址方式及编码
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
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Rn00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#imm11011
直接寻址addr11010
间接寻址（addr）11001
相对寻址+disp11000
表 1-1 寻址方式及编码
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
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