导语：CPU系列-非ALU指令编码及解析

如何实现和指令

前面说了，当指令的第一位为1时，是ALU相关指令。接下来我们就看看当第一位不为1时的指令情况，见下图：

最高位0表示非ALU指令，接下来三位为000表示加载数据，001表示存储数据。指令后四位和ALU指令一致，表示寄存器的编码。实现逻辑为：

当前四位为0000时：

Step 4：Reg A的数据存储到RAM中（地址为MAR）；

Step 5： RAM中地址为MAR的数据存储到Reg A；

当前四位为0001时：

Step 4：Reg A的数据存储到MAR；

Step 5： Reg B中的数据存储到RAM中（地址为MAR）；

助记符如下：

如何实现指令

当指令前四位为0010时，代表的是数据指令。与之前不同的是，这个指令有2个字节，后面紧跟的字节为要写入寄存器的数据，如下图所示：

实现方式为：

Step 4：读取IAR中的数据，存储到MAR中；bus 1使能，将IAR+1的结果存到ACC中；

Step 5：读取RAM中的数据（地址为IAR），存储到Reg B中；

Step 6：读取ACC中的数据（此时为IAR+1），更新到IAR中；

注意：由于IAR在step 1的时候已经+1了，在step 4又+1，因此，下一条指令将跳过紧邻的后一条指令（为需要载入的数据），从而实现将后一条紧邻的输入读入的功能。

助记符如下：

如何实现指令

当指令前四位为0011时，代表的是跳转指令，如下图所示：

实现方式为：

Step 4：Reg B中的数据存储到IAR中，意味着下一次的指令将从IAR（目前为Reg B寄存器中存储的数据），从而实现跳转功能。

助记符如下：

如何实现指令

当指令前四位为0100时，代表的是跳转到指令，注意，这也是一条2字节指令，紧邻的后1字节代表要跳转到的地址，如下图所示：

实现方式为：

Step 4：将IAR中的数据存储到MAR；

Step 5：将RAM中地址为IAR的数据存储到IAR；

也就是IAR中的内容变成了RAM[IAR+1]，实现到“跳转到”功能。

助记符如下：

如何实现指令

当然还可以实现更复杂的跳转指令，比如说有条件跳转，如下图所示：

前面我们说了，ALU计算会输出四个标志位，分别为：carry out、a larger、equal和zero。如下图所示：

我们可以把这四个标志位作为判断条件，实现有条件跳转，实现方式如下：

Step 4：IAR传输至MAR，IAR+ 1传输至ACC；

Step 5：ACC传输至IAR；

Step 6：若carry out、a larger、equal或zero其中之一为真，则RAM [IAR] 传输至IAR。

也就是说，新的IAR有两种情况，正常情况下，程序将顺序执行（跳过紧邻的“地址”字节）；当carry out、a larger、equal或zero之一为真时，程序跳转到紧邻字节所存储的地址。

助记符如下：

如果我们把指令某个位置1，这样就可以进行组合标志条件跳转，因为我们有4个标志位，共计有16种组合，当然，4个标志位都off时，就不需要跳转，所以我们只对剩下的15个标志位组合感兴趣，其机器语言如下：

两个标志位组合：

三个或四个标志位组合：

如何实现指令

当我们去做加法或者移位运算时，可能会用到carry进位标志位，比如在有条件跳转时，就会用到这个标志位。

Carry标志位还会作为加法和移位运算的输入，这就带来一个问题：Carry标志位是存在寄存器里面的，会一直保存之前的记录，当我们的运算不需要这个进位的时候，也会被ALU使用，这就可能会出现2+2=5的情况。

有很多种方式可以处理这个问题，现在我们采用一种比较简单的方式来清除标志位，如下图所示：

看着很简洁，但是还是很有技巧的。首先，并没有使能任何寄存器往BUS写数据，这样ALU的输入A就是0000 0000。在Step 4的时候，使能Bus 1，所以此时ALU的输入B为0000 0001。这时并没有任何操作码发送至ALU，因为默认的是ADD操作，这时ALU就会执行0000 0000+0000 0001=0000 0001，此时还可能有进位carry in，所以总的结果可能是0000 0001，也可能是0000 0010，但是肯定不会产生进位carry out。注意此时carry 标志位为off；结果不是零，所以zero标志位也为off；B比A大，所以和也为off。也就是说，所有标志位都清零了。

助记符如下：

如何实现指令

当然，我们还需要相关的指令实现CPU和RAM与外部的数据交换，如下图所示：

I/O总线包括数据总线和一些关键的内部信号，包括输入/输出标志位、数据/地址标志位、使能标志位、使能标志位，具体如下：

其指令格式如下，前四位为0111就表示该指令为I/O指令。后四位第一位表示是输入/输出标志，第二位表示数据/地址标志位，最后两位表示地址/数据的内容(存在Reg B中)。

具体实现方式如下：

Step 4：input/output标志位为1，指令前4位为0111时，Reg B寄存器“读”使能，Reg B寄存器内容传输至BUS；I/O clk s标志位为on；

Step 5：input/output标志位为0，指令前4位为0111时，Reg B寄存器“写”使能，BUS数据传输至Reg B寄存器；I/O clk e标志位为on；

助记符如下：

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