1.1 CPU 的數據通路

模型計算機硬件系統的數據通路如圖 1-1。CPU 的字長為 16 位，內部采用 16 位寬的單總線結構，包括運算器和控制器兩個部件。為了便于后面的設計，圖中還包括了系統總線和存儲器，系統總線采用單總線結構，包括 16 位的數據總線 DB、16 位的地址總線 AB和控制總線 CB。主存、外設與 CPU 共用一組系統總線；CPU 內部總線 IB 與系統總線間通過 DR、AR 相聯。主存儲器的字長也是 16 位，并且按字編址，不能按字節訪問。

圖 1-1 模型計算機硬件系統的數據通路

1.2 指令系統

1.2.1 指令格式

模型機指令格式規整，以單字指令為基礎，根據不同的尋址方式可擴展為雙字指令和三字指令，如圖 1-2所示。指令的第二字和第三字是一些常數，如立即數、直接地址、間接地址、偏移量等。

圖 1-2 指令格式

圖 1-2中，Ms 表示源操作數的尋址方式，Md 表示目的操作數的尋址方式，Rs 和 Rd分別表示的是源操作數和目的操作數的寄存器號。

1.2.2 尋址方式及編碼

在圖 1-2中可以看出，尋址方式 Ms、Md 分別由 IR 的 9、8 和 4、3 位表示。各位含義見表 1-1。

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1.2.3 雙操作數指令

MOV，

ADD、ADC，SUB、SUBB，CMP

AND、OR、XOR

指令編碼格式如下：

1.2.4.1 移位類指令

SHL、SHR：邏輯左移、右移

SAR：算術右移

ROL、ROR：循環左移、右移

RCL、RCR：帶進位的循環左移、右移

指令編碼格式如下：

1.2.4.2 條件轉移指令

JC、JNC、JO、JNO、JS、JNS、JZ、JNZ

指令編碼格式如下：

1.2.4.3 單操作數運算指令和無條件轉移指令

INC、DEC、 NOT、JMP

指令編碼：

1.2.4.4 堆棧指令和子程序調用指令

PUSH、POP、CALL

指令編碼：

1.2.5 無操作數指令

用全 0 表示擴展，（IR4~0）用于表示無操作數指令的操作碼，其指令格式如下。

表 1-2 指令操作碼編碼表

1.3 微程序控制器

圖 1-3 微程序控制器的基本組成

（1）控制存儲器 CM ，存放微程序。

（2）微地址寄存器 uAR，存放 CM 地址。

（3）微指令寄存器 uIR ，存放由 CM 中取出的微指令。

（4）微地址形成線路 uAG，形成微地址，送給 uAR。

該電路有三個輸入，除了 µIR 的順序控制部分之外，還有 IR 和 PSW。IR 主要用于產生微程序的入口地址，比如依據指令的操作碼形成對應各指令執行階段的微程序入口地址。PSW 中的狀態標志，在某些需要判定是否符合條件的場合，決定分支轉移的微地址。

（5）時序部件，產生微程序控制器的時鐘信號。

微程序控制器的基本時序單位是微周期，微周期是一條微指令執行所需的時間，一條微指令的執行時間包括兩部分：一部分是從 CM 中讀取微指令所需要的時間，這個時間便是 ROM 的讀出時間，另一部分是微指令執行所需要的時間，這個時間包括微命令譯碼時間 CPU 內部數據通路的傳輸時間。

本設計中微程序的時序由 CP1 和 CP2 兩個等周期信號組成。CP1 信號上升沿的作用是將微地址打入控存微地址寄存器，啟動一次讀操作。CP2 的上升沿的作用是將從 CM 中讀取的微指令打入微指令寄存器，這標志著取微指令的結束和執行微指令的開始。顯然，CP1的上升沿到 CP2 的上升沿為取微指令時間，而從 CP2 的上升沿至下一個 CP1 的上升沿為執行微指令時間。

圖 1-4 微程序控制方式的時序

1.3.2 微指令格式設計

表 1-3 模型機微指令格式

表 1-4 模型機微轉移方式字段 BM