计算机组成原理设计(十条指令)

1 关于此次课程设计

1.1 课程设计目的

本课程设计是计算机科学与技术专业重要的实践性教学环节之一，是在学生学习完《计算机组成原理》课程后进行的一次全面的综合设计。目的是通过一个完整的8位指令系统结构（ISA）的设计和实现，加深对计算机组成原理课程内容的理解，建立起整机系统的概念，掌握计算机设计的基本方法，培养学生科学的工作作风和分析、解决实际问题的工作能力。

1.2课程设计内容及要求

基于TDN-CM++计算机组成原理实验教学系统，设计和实现一个8位指令系统结构（ISA），通过调试和运行，使设计的计算机系统能够完成指定的功能。

设计过程中要求考虑到以下各方面的问题：

（1）指令系统风格（寄存器-寄存器，寄存器-存储器，存储器-存储器）；

（2）数据类型（无符号数，有符号数，整型，浮点型）；

（3）存储器划分（指令，数据）；

（4）寻址方式（立即数寻址，寄存器寻址，直接寻址等）；

（5）指令格式（单字节，双字节，多字节）；

（6）指令功能类别（算术／逻辑运算，存储器访问，寄存器操作，程序流控制，输入／输出）。

要求学生综合运用计算机组成原理、数字逻辑和汇编语言等相关课程的知识，理解和熟悉计算机系统的组成原理，掌握计算机主要功能部件的工作原理和设计方法，掌握指令系统结构设计的一般方法，掌握并运用微程序设计（Microprogramming）思想，在设计过程中能够发现、分析和解决各种问题，自行设计自己的指令系统结构（ISA）。

2 分析阶段

2.1 微指令格式分析

微指令格式如下表：

表2-1 微代码定义

（1）字段24～19控制运算器的控制端，通过改变S3～CN来决定对数据进行何种算术或逻辑运算。本设计中全部为正逻辑运算。

（2）字段18为控制对主存W/R的开关

Y1、Y2进行选择。

（4）字段15～7为A、B、C三个开关控制端。

A字段

B字段

C字段

（5）字段6～1为该条微程序的八位二进制后继地址，其决定顺序执行哪条微程序。

2.2指令译码电路分析

指令译码工作原理图如下：

图2.1 指令译码原理图

P(1) ～P(4)为低电平有效，当选用时该信号为零；I7 ～I2表示机器指令前六位；SE5 ～SE1表示能够强置改变入口地址的后五位。

根据上图得出指令译码器的逻辑表达式如下：

拟定机器指令通过上式即可算出每条子程序的入口地址。 2.3 寄存器译码电路分析

寄存器译码原理图如下。

LDB0

LDR1

LDR2

I1I0

LDRi

R0-B

R1-B

R2-B

RD-B

RS-B

RI-B

I3I2

图2.2 寄存器译码原理图

寄存器的输入、输出不仅决定于输入、输出开关，还与机器指令的后四位(即I3～I0)有关，由其决定哪个寄存器被选中。

2.3.1 寄存器的输入

LDRi 为寄存器的输入开关，且为低电平有效(即LDRi=0)，I1、I0对寄存器进行选择，决定数据进入哪个寄存器。

2.3.2 寄存器的输出

RS-B 、RD-B 、RI-B 为寄存器的输出开关，且为低电平有效；I3、I2对寄存器进行选择，决定从哪个寄存器输出指令；从原理图上可以得出R2-B 的输出，若RI-B 有效则

无需关注I3、I2因而I3、I2可为任意状态。

2.4 时序分析

T1、T2、T3、T4为节拍控制端，本设计用了T4节拍控制端，当指令通过译码器P （1）时，P（1）对操作码进行测试，通过节拍脉冲T4的控制，以便识别所要求的操作。

图2.3 时序信号图

TS1时进行微程序控制器控制，TS2时进行微指令寄存器控制，TS时控制LDIR、LDAR，TS4时对P（1）、P（2）、P（3）、P（4）、AR、LOPC、LDRi、LDDR1、LDDR2

进行控制。

3 初步设计阶段

3.1 数据格式和机器指令描述

3.1.1 数据格式

本设计中所有需要处理的数据全部采用定点无符号整数表示，8个bit位，格式如下：

数据的范围是0～28，即0～255。

3.1.2 机器指令描述

机器指令描述见下表。

3.2 控制台微程序流程

3.2.1 公操作

对机器进行总清零CLR 1-0-1。

选中P(4)，通过译码形成入口地址。

3.2.2 强置写

形成入口地址后，执行写操作。

1.

（1）打开PC-B 将数据送到总线上； （2）打开LDAR 将数据从总线流到AR 中； （3）打开LDPC ，让自动加1的数据进入PC 中。 2.

（1）打开SW-B 将数据送到总线上， （2）打开LDDR1将数据从总线流到DR1中。 3.

（1）打开ALU-B 将数据送到总线上，其间DR1中的数据相当于

在ALU 中做F=A 的运算；

（2）打开CE、WE置成01状态，将数据从总线流到主存相应地

址单元中，完成数据写操作。

3.2.3 强置读

1.

（1）打开PC-B将数据送到总线上；

（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；

（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。

2.

（1）打开CE、WE置成00状态，将数据从主存送到总线上；

（2）打开LDDR1将数据从总线流到DR1中。

3.

（1）打开ALU-B将数据送到总线上，其间DR1中的数据相当于

在ALU中做F=A的运算；

（2）打开LED-B，数据从总线流到输出单元，在数码管上显示

出来，完成数据读操作。

3.2.4 执行程序

形成入口地址后，开始执行程序。