計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗34嵌套中斷CPU賴曉錚

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗系列一、微程序版CPU二、硬布線版CPU三、流水線版CPU四、嵌套中斷CPU賴曉錚博士華南理工大學(xué)laixz@QQ:68046508（四）嵌套中斷CPU實驗實驗內(nèi)容：●設(shè)計一個嵌套中斷的多中斷源CPU，在功能和結(jié)構(gòu)上完全兼容前述的微程序版本CPU：數(shù)據(jù)通路相同，指令體系相同，不同之處在于用硬布線邏輯電路構(gòu)建的堆棧代替“斷點”寄存器，可以“先入后出”的保存指令地址PC和運算器標志位PSW，實現(xiàn)多級中斷嵌套。實驗?zāi)康模骸窭斫舛褩５挠膊季€邏輯實現(xiàn)方法?！裾莆栈诙褩５那短字袛郈PU設(shè)計原理。硬布線邏輯的堆棧電路入棧時序：信號push=1且pop=0，移位寄存器74LS194狀態(tài){S0,S1}={1,0}，進入右移模式T上升沿時刻，SR(DIN)

Q0且Qi

Qi+1(i=0,1,2)

出棧時序：信號push=0且pop=1，移位寄存器74LS194狀態(tài){S0,S1}={0,1}，進入左移模式，Q0(DOUT)輸出T上升沿時刻，Qi

Qi-1(i=1,2,3)

位堆棧電路初始化時序：啟動仿真，SP狀態(tài){S0,S1}={1,1}，第一個T上升沿時刻，SP輸出端為{Q0,Q1,Q2,Q3}={0,0,0,1}入棧時序(pop=0)：push上升沿，SP狀態(tài){S0,S1}={1,0}T上升沿，SP+1(Qi

Qi+1)

，右移；push下降沿，SP輸出鎖存，刷新BPx出棧時序(push=0)：pop上升沿，SP狀態(tài){S0,S1}={0,1}，

同時，SP輸出鎖存，刷新#OExT上升沿，SP-1(Qi

Qi+1)，左移；字節(jié)堆棧指針入棧時序(pop=0)push上升沿，撥碼開關(guān)數(shù)據(jù)鎖存SIN總線；push下降沿，刷新BPx產(chǎn)生的上升沿把SIN總線數(shù)據(jù)打入新BPx所對應(yīng)的寄存器STACK_x；出棧時序(push=0)pop上升沿，刷新的#OEx所對應(yīng)的寄存器STACK_x輸出數(shù)據(jù)到SOUT總線；同時，pop=1令SOUT總線導(dǎo)通到BUS總線（數(shù)碼管顯示）字節(jié)堆棧通路嵌套中斷CPU電路圖多路中斷源

電路

（無優(yōu)先級）程序計數(shù)器PC

中斷矢量地址電路

（中斷源對應(yīng)）思考題：若在中斷ISR3程序里繼續(xù)觸發(fā)中斷，會出現(xiàn)什么情況？四級嵌套中斷的時序圖PC“斷點”堆棧

(INTR=push,IRET=pop)PSW“斷點”堆棧（INTR=push,IRET=pop）初始化過程時鐘信號CLK接手動開關(guān)MANUAL，啟動仿真，使能復(fù)位信號#RESET=0；手動按鈕MANUAL開關(guān)“0

10”，然后令信號#RESET=1.注：初始化完成后，若時鐘信號CLK繼續(xù)接開關(guān)MANUAL，則CPU進入手動模式，手動MANUAL開關(guān)，生成時鐘信號CLK，程序單步執(zhí)行；若時鐘信號CLK接信號源AUTO-CLK（主頻10Hz），則CPU進入自動模式，程序自動運行，直到HLT指令的“斷點”處暫停。重啟過程（跳出“斷點”）時鐘信號CLK接開關(guān)MANUAL，手動令復(fù)位信號端#RESET的狀態(tài)“1

0

1”變化，即重啟完成，跳出“斷點”繼續(xù)執(zhí)行

。注：跳出“斷點”后，CPU進入HLT指令的后續(xù)下一條指令的取指周期。實驗步驟1）編譯、燒寫、運行后頁所示的nested_ISR源程序，隨機觸發(fā)中斷源0或1，觀察PC、IR、通用寄存器Rx及總線BUS的數(shù)據(jù)變化（編譯和燒寫asm文件方法參見“2.6存儲器實驗”）。2）在nested_ISR程序自動運行過程中，設(shè)置HLT指令“斷點”，手動單步嵌套觸發(fā)同一中斷源或不同中斷源。觀察和記錄進入各級中斷時，程序計數(shù)器PC、標志位寄存器PSW、總線BUS以及BP_PC堆棧和BP_PSW堆棧的狀態(tài)。3）中斷源1子程序會對主程序的R0數(shù)值有影響么？中斷源0子程序會對主程序或中斷源1子程序的R0或R1數(shù)值有影響么？因為中斷的出現(xiàn)是隨機的，所以一般情況下，中斷子程序禁止改變主程序的寄存器數(shù)值。請問采取什么軟件方法能避免中斷子程序影響主程序？

匯編助記符(M地址：機器指令)JMP13H00H:0001000001H:0001001104H;vector002H:000001000CH;vector103H:00001100OUTR1,PORT0;sub004H:01010100SETR1,80H05H:0011010006H:10000000HLT07H:00000001OUTR0,PORT008H:01010000SETR0,80H09H:001100000AH:10000000IRET0BH:01110000nested_ISR匯編助記符(M地址：機器指令)SETR1,90H;sub10CH:001101000DH:10010000SUBIR1,01H0EH:110001000FH:00000001JS0EH10H:0001110011H:00001110IRET12H:01110000SETR0,90H;main13H:0011000014H:10010000SUBIR0,01H15H:1100000016H:00000001JS15H17H:0001110018H:00010101HLT19H:00000001思考題：●請把本實驗的微程序版嵌套中斷CPU電路改成相應(yīng)的硬布線版本和流水線版本，并執(zhí)行上述實驗步驟的程序。請問程序是否需要修改？如果需要，修改的地方及原因？●嵌套中斷CPU的兩個中斷源INT0和INT1可以彼此嵌套，沒有優(yōu)先級概念。請修改硬件，增添中斷優(yōu)先級判別電路，令中斷源INT0的優(yōu)先級比INT1高，即INT0中斷可以在INT1中斷子程序中觸發(fā)，但是INT1中斷不能在INT0中斷子程序中觸發(fā)。（提示：請參考“2.3比較器（仲裁器）實驗”，采用“菊花鏈”結(jié)構(gòu)設(shè)計中斷優(yōu)先級判別電路。注意：某一級中斷即使當(dāng)前不能執(zhí)行，中斷響應(yīng)也不能撤銷，必須掛起，等待優(yōu)先級高的中斷子程序結(jié)束后，繼續(xù)執(zhí)行。）（四）嵌套中斷CPU實驗思考題：●

上述優(yōu)先級電路的設(shè)計是固定不變的，但是我們可能需要調(diào)整中斷源的優(yōu)先級設(shè)計，假設(shè)要把上述中斷電路改成可變優(yōu)先級判別的的中斷電路，該怎么設(shè)計？

（提示：在嵌套中斷的CPU中，設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR(INT_MASK_REG)，寄存器IMR的每個位(bit)對應(yīng)固定的中斷源，該位置1表示屏蔽相應(yīng)的中斷源，置0表示中斷源允許中斷。在每個中斷源的中斷子程序入口處，采用特定的指令SETI配置IMR寄存器，中斷返回前則把IMR寄存器清零，取消所有中斷屏蔽。SETI指令不但可以配置中斷的優(yōu)先級，還可以在主程序中實現(xiàn)軟件禁止和重啟中斷的功能。值得注意的是，微程序版本CPU的微地址已經(jīng)用完，要改造電路，精簡尋址周期微指令，騰出微地址給SETI指令的微指令。）（四）嵌套中斷CPU實驗附錄：CPU指令集OP碼表OP碼(I7I6I5I4)指令助記符OP碼(I7I6I5I4)指令助記符0111IRET1111OR/ORI0110MOV1110AND/ANDI0101OUT/OUTA1101ADD/ADDI0100IN1100SUB/SUBI0011SET1011XOR/XORI0010SOP(INC/DEC/NOT/THR)1010SHT(RLC/LLC/RRC/LRC)0001JMP/JMPR/Jx/JxR1001STO/PUSH0000NOP/HLT1000LAD/POP一、系統(tǒng)指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0NOP;無操作（延時4個T）00000/0x/0HLT;停機（斷點）00000/0x/1IRET;中斷返回BP_PC

PC；BP_PSW

PSW01110/0x/x匯編語言注釋I7I6I5I4I3I2I1I0MOVRA,RB;(RB)

RA0110RARBSETRA,IMM;IMM

RA0011RAx/xIMM二、寄存器及I/O操作指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0INRA,PORTx;(PORTx)

RA0100RAPORTxOUTRA,PORTx;(RA)

PORTx0101RA0/PORTxOUTARA,PORTx;(RA)

PORTx0101RA1/PORTx匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0LADRA,[ADDR];[ADDR]

RA1000RA0/0ADDRPOPRA,[RB];[RB]

RA1000RARBSTORA,[ADDR];(RA)

[ADDR]1001RA0/0ADDRPUSHRA,[RB];(RA)

[RB]1001RARB三、存儲器及堆棧操作指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0JMPADDR;ADDR

PC00010/00/0ADDRJMPRRB;(RB)

PC00010/0RBJCADDR;IFCF=1,ADDR

PC00010/10/0ADDRJCRRB;IFCF=1,(RB)

PC00010/1RBJZADDR;IFZF=1,ADDR

PC00011/00/0ADDRJZRRB;IFZF=1,(RB)

PC00011/0RBJSADDR;IFSF=1,ADDR

PC00011/10/0ADDRJSRRB;IFSF=1,(RB)

PC00011/1RB四、跳轉(zhuǎn)系列指令：五、算術(shù)邏輯運算指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2

I1I0RLCRA;(RA)右邏輯移位1010RA0/0LLCRA;(RA)左邏輯移位1010RA1/0RRCRA;(RA)右循環(huán)移位1010RA0/1LRCRA;(RA)左循環(huán)移位1010RA1/1匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0INCRA;(RA)＋1

RA0010RA0/0DECRA;(RA)－1

RA0010RA0/1NOTRA;#(RA)

RA0010RA1/0THRRA;(RA)

RA0010RA1/1五、算術(shù)邏輯運算指令：匯編語言格式功能I7I6I5I4I3I2I1I0ADDRA,RB;(RA)＋(RB)

RA1101RARBADDIRA,IMM;(RA)＋IMM

RA1101RA0/0IMMSUBRA,RB;(RA)－(RB)

RA1100RARBSUBIRA,IMM;(R