微指令格式
32 bit
31: HALT 30..26 : S 25 : CN 23 : CP_PC 22 : CP_MAR 21 : CP_R 20 : CP_IR 19 : R_enable 18 : R_wen 17..15 : MUX_A 14..12 : MUX_B
11..10 : MUX_R_INA 9..8 : MUX_R_INB 7..6 : MUX_R_OUT 5 : RD 4 : WE 3 : MUX_ADDR 2..0 : code
31..24 : Addr
## explanation
S, CN 为 ALU的操作码
R_enable : reg_file 使能信号
R_wen ：reg_file 写信号
MUX_A, MUX_B ：A，B选择器
MUX_R_INA ：A选择器中，reg_file 选择IR中哪一个位置的寄存器号
MUX_R_INB ：B选择器中，reg_file 选择IR中哪一个位置的寄存器号
MUX_R_OUT ：ALU的输出，reg_file 选择IR中哪一个位置的寄存器号
RD ：RAM读使能
WE：RAM写使能
MUX_ADDR：选择PC、MAR作为RAM地址线
code：下地址寻址方式
ISA
参考MIPS 16bit指令集格式
指令均为单字长(16 bit)，通用寄存器有8个，均为16 bit
操作码为5位
按指令格式区分，有六类指令
OPT R1(source) R2(source) R3(destination) 5 bits 3 bits 3 bits 3 bits 2 bits - ADD， R1+R2 => R3
- SUB， R1-R2 => R3
- MULT, R1 * R2 => R3
- DIV, R1 / R2 => R3
- AND, R1 & R2 => R3
- OR, R1 | R2 => R3
- XOR, R1 ^ R2 => R3
OPT R1(source) R3(destination) 5 bits 3 bits 3 bits 3 bits 2 bits - NOT, ~R1 => R3
- SHL, R1<<1 => R3
- SHR R1>>1 => R3
- MOV, R1 => R3
- LD, M[R1] => R3
- ST, R1 => M[R3]
OPT R1(destination) Immediate number(source) 5 bits 3 bits 8 bits - MVH immediate => High_Byte(R1)
- MVL immediate => Low_Byte(R1)
OPT R1(source) R2(destination) Immediate number 5 bits 3 bits 3 bits 5 bits - ADDI R1 + immediate => R2
- SUBI R1 - immediate => R2
OPT R1 5 bits 3 bits 8bits - UJMP PC jumps unconditionally to R1
- CJMP PC jumps to R1 when C0 = 1
- ZJMP PC jumps to R1 when FZ = 1
- MOVSP R1 => SP
- PUSH push R1 => stack[SP], SP ++
- POP stack[SP] => R1, SP--
- CALL run subroutine at R1
OPT 5 bits 11 bits - RET return from subroutine
- RST 0 => PC
- HALT 1 => halt
与讲义中的设计不同的地方
- 通用寄存器数量、指令字长等均有所增加。
- ALU拥有更多其他的功能，如无符号整数乘法、高（低）位byte的操作、存储A、B输入是否相等、结果是否溢出等等。
- 指令的功能更加丰富，包括基本的逻辑和算术运算、有（无）条件跳转、栈的操作、简单的子程序调用等。
- A、B选择器并没有设计为互斥，故ALU的A、B输入端可以同时传入。
- PC、MAR、通用寄存器等的时钟脉冲没有设计为互斥，可以在同一上升沿中一起进行寄存。
- 下地址字段的设计进行了改动，如：100表示下一个微地址为取指指令所在的微程序，简化了指令的微程序编写。
- 指令均为单字长指令，且大部分为寄存器寻址，每条指令的微程序大大简化。
- 缺点：由于指令集的精简，一些原本基本的操作可能需要1-3个指令才能实现。
CPU电路设计图
CPU核心
控制电路（微程序控制）
CPU整体
数据通路
通用寄存器选择方式
ALU 的输入
由于指令中有三个固定的位置上会出现寄存器的编号，因此设置了两层选择器，第一个是用来选择是启用指令中的R1、R2还是R3，第二个是A，B选择器，两个选择器都能够选择输入寄存器中的数据，即reg_files 为双端口输出。
ALU的输出
输出只需选择启用指令中的R1、R2还是R3。
说明
指令上的选择器保留了00，即寄存器000号。它被作为SP（Stack Pointer）
数据通路
- reg_file: 通用寄存器组，8*16 bit，双端口输出
- ALU ： 有S0...S4，CN六个控制端，用以选择运算类型
- 寄存器C0，FZ：分别用来保存ALU产生的进位信号和A、B相等信号
- RAM：读写操作分别收WE和RE信号控制
- MAR：RAM的地址寄存器
- IR：指令寄存器
数据通路采用CPU内部三总线方式
- 寄存器之间的数据传输
- \(R1 \overset{A 选择器}{\rightarrow} ALU \overset{A 直传}{\rightarrow} R2\)
- RAM 和 CPU之间的数据传输
- \(PC/MAR \overset{Bus, RE=1}{\rightarrow} RAM \overset{A 选择器} ALU \overset{A 直传}{\rightarrow} IR\)
- \(PC/MAR \overset{Address Bus, WE=1}{\rightarrow} RAM, ALU \overset{Data Bus}{\rightarrow} RAM\)
- 算术运算
\(R1(IR) \overset{A 选择器}{\rightarrow} ALU, R2(IR) \overset{B 选择器}{\rightarrow} ALU, ALU \overset{S, CN}{\rightarrow} R3(IR)\)
$PC ALU PC $
指令流程
测试指令
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