《计算机组成原理》第 9 章 - 控制单元的功能

/**
 * 模拟取指周期操作
 */
public class FetchCycle {
    private int pc; // 程序计数器
    private int mar; // 存储器地址寄存器
    private int mdr; // 存储器数据寄存器
    private int ir; // 指令寄存器

    // 取指周期执行方法
    public void execute() {
        // 1. PC内容送MAR
        mar = pc;
        System.out.println("取指周期：PC(" + pc + ") → MAR(" + mar + ")");

        // 2. 发读命令（模拟内存读取）
        mdr = simulateMemoryRead(mar); // 假设内存返回指令码
        System.out.println("取指周期：内存读取数据 → MDR(" + mdr + ")");

        // 3. MDR数据送IR
        ir = mdr;
        System.out.println("取指周期：MDR(" + mdr + ") → IR(" + ir + ")");

        // 4. PC自动加1（假设指令占1字长）
        pc += 1;
        System.out.println("取指周期：PC自增 → PC(" + pc + ")");
    }

    // 模拟内存读取（简化逻辑）
    private int simulateMemoryRead(int address) {
        // 假设地址0存储指令码0x1234（示例数据）
        return (address == 0) ? 0x1234 : 0;
    }
}

/**
 * 模拟间址周期操作
 */
public class IndirectCycle {
    private int mdr; // 存储器数据寄存器（存储间接地址）
    private int mar; // 存储器地址寄存器
    private int memory[] = new int[1024]; // 模拟内存（简化）

    // 间址周期执行方法（假设MDR已存间接地址）
    public int execute() {
        // 1. MDR→MAR（间接地址→地址总线）
        mar = mdr;
        System.out.println("间址周期：MDR(" + mdr + ") → MAR(" + mar + ")");

        // 2. 发读命令（读取操作数真实地址）
        int realAddress = memory[mar];
        System.out.println("间址周期：内存读取真实地址 → MDR(" + realAddress + ")");
        return realAddress; // 返回操作数真实地址
    }

    // 初始化内存（示例数据：地址100存储间接地址200）
    public void initMemory() {
        memory[100] = 200; // 间接地址指向200
    }
}

/**
 * 模拟执行周期（加法指令）
 */
public class ExecuteCycle {
    private int[] register = new int[4]; // 模拟寄存器R0-R3
    private ALU alu = new ALU(); // 算术逻辑单元

    // 执行加法指令（ADD dst, src）
    public void executeAdd(int dst, int src) {
        int op1 = register[dst];
        int op2 = register[src];
        int result = alu.add(op1, op2); // 调用ALU加法功能
        register[dst] = result;
        System.out.println("执行周期：R" + dst + "(" + op1 + ") + R" + src + "(" + op2 + ") → R" + dst + "(" + result + ")");
    }

    // 初始化寄存器（示例：R1=5, R2=3）
    public void initRegisters() {
        register[1] = 5;
        register[2] = 3;
    }
}

// ALU类（简化实现）
class ALU {
    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

/**
 * 模拟中断周期操作
 */
public class InterruptCycle {
    private int pc; // 程序计数器
    private int[] memory = new int[1024]; // 模拟内存（保存断点）
    private final int INTERRUPT_VECTOR = 0x100; // 中断向量地址

    // 中断周期执行方法
    public void execute() {
        // 1. 保存当前PC到内存（假设内存地址0存储断点）
        memory[0] = pc;
        System.out.println("中断周期：PC(" + pc + ") → 内存[0]");

        // 2. 加载中断服务程序入口地址到PC
        pc = INTERRUPT_VECTOR;
        System.out.println("中断周期：PC←中断向量(" + INTERRUPT_VECTOR + ")");
    }
}

// 简化的时序系统类
public class TimingSystem {
    private int machineCycle; // 机器周期计数器
    private int beat; // 节拍计数器

    public void nextCycle() {
        machineCycle++;
        beat = 0; // 每个机器周期重置节拍
    }

    public void nextBeat() {
        beat++;
    }
}