数字逻辑设计02 微处理器设计

数字逻辑设计02 微处理器设计

一、基于ALU（算数逻辑单元）的连续加法器设计

• 当计数器收到时钟信号后，将0000h输入给RAM，RAM将存储在0000h位置的数据RAM输入到8位加法器的A输入端。由于有先序清零操作（清零的开关没放上去），则加法器B输入端位00h，求和得加法器输出端S为27h，所以8位锁存器输出为27h。由于RAM的W写入端并没有为高电平，所以不允许写入，8位锁存器的输出则只能走右边路径到达加法器的B输入端。由于锁存器的保持作用，则该型号能一直保持在B输入端，直至下一个A端输入到达并在加法器上要求执行求和操作。
  

• 当下个时钟信号到达后，计数器输出0001h，RAM将0001h位置的数据A2h输出到加法器的A输入端，并且执行求和操作，得到的结果C9h同样的沿右边路径回到B端口并保持。
  

• 当计数器输出0002h时，RAM将0002h位置的数据18h输出到加法器的A输入端，并且执行求和操作，得到的结果E1h同样的沿右边路径回到B端口并保持。

• 当计数器输出0003h时，人为将RAM的W写入端置1，RAM将0003h位置的数据改写为8位锁存器在前一种状态的输出E1h。

• 此时完成一次连加运算，对锁存器进行手动清零并执行下一次连加运算

二、代码RAM 与数据RAM 在分立内存中 完全同位置情况 的指令连加系统设计

由上述例子可以看出，进行连加操作的时候，首先要把一个字节从存储器传输到累加器中，这个过程称为加载（Load），再要把一个字节从存储器中加（Add）到累加器中。第三个操作是把累加器运算结果保存（Store）回数据RAM中，另外还需要让累加器停下（Halt）的操作。有可能我们后面还需要减法（Subtract）。

如果让数据RAM与代码RAM同位，那么就像下面这样：

那么数据RAM和代码RAM就可以这样设计，用同一个计数器来触发地址。

为了执行Load指令，数据RAM阵列的输出有时应该直接作为8位锁存器的输入。所以此时应该设置一个二选一选择器来实现这种功能。

具体实现如下：

加入减法操作所需的反相器后如下：

三、进位加法和借位减法

• 进行8位加法时，使用的是常规的Add指令。加法器的进位输入是0。当进行高位字节数相加时，要使用新的Add with Carry指令在这种情况下，要用进位锁存器（假设在上图中加上这样一个锁存器）的输出作为加法器的进位输入。
  

• 先进行低位运算，再进行高位运算。
  

四、扩展寻址模式，操作+地址RAM（代码RAM）与 数据RAM 在分立内存中 不同位置情况 的控制系统设计

• 扩展寻址模式：除了停止指令（Halt指令）之外，需要3个字节，第一个字节记录操作内容，第2,3个字节记录操作对象的地址。

下面为代码RAM

下面为本操作的数据RAM中内容

控制系统部分如下设计（其他部分同前）：

• 从存储器中取出指令的过程称为 $取指令$

• 每条指令需要的时间为三个时钟周期

• 上图中使用了两个RAM阵列，一个用来存放指令码，另一个用来存放操作数据

但是同样是RAM，所以操作码和操作数可以用同一个RAM控制：

五、操作+地址RAM（代码RAM）与 数据RAM 在共用内存中 不同位置情况 的控制系统设计

为了实现这一设计，必须要使用2-1选择器，分清此时需要从RAM中取出的是代码还是数据。

此时共用的RAM中的存储信息是：

六、置数法 实现 跳转指令（Jump）

解决内存不连续问题和指令码不等长问题（Halt和其他的不等长），需要跳转指令Jump

通常情况下，自动加法器以顺序方式对RAM阵列寻址，Jump指令改变了机器的寻址方式。

五、利用 Jump 指令实现乘法器

共用RAM的数据部分 预置信息：

第一次循环：相当于实现 00 00 h+00 A7 h=00 A7 h=00 A7 h * 1

• 将1002h-1003h的部分看作从001Ch变小到0000h的计数装置，也就是让以上部分运行001Ch次即可实现00A7h*001Ch

• 执行完以上指令，需要让001C减一，由于停止（Halt）操作码恰好为FFh，把任何一个数加上它，相当于把这个数减一。(FFh一数两用，表示停止或者表示-1)

• 执行完以上指令，需要让001C减一的同时，让代码执行位置跳转（Jump）回开头的0000h：
  

• 但是需要考虑的是，当001C减到0000h时，就停止程序。而不再跳转

• 所以此处我们需要考虑的是条件跳转中的 零跳转（Jump If Zero）

零跳转的机器码写法（衔接上图）

零跳转的硬件实现：零锁存器

• 当执行到第28次循环的时候，1004h和1005h地址保存的16位数等于A7h和1Ch的乘积。1003h地址保存的值为1，此时他和FFh相加的值为0，因此0标志位被置位。Jump If Zero指令不会在跳转到0000h地址，相反，下一条执行的指令即Halt指令

除了零跳转之外，还有其他条件跳转方式如下：

八、汇编语言基础

操作指令 目标操作数，源操作数

朴素的直接写地址的汇编语言：

标号性质的汇编语言

九、结语

• 能否控制重复操作或者循环操作是计算机与计算器的区别。

• 在处理器中，8位反相器和8位加法器构成了算数逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）

• 16位计数器可以称为程序计数器（PC Program Counter）