计算机组成原理(十二条指令)

计算机学院计算机科学与技术专业《计算机组成原理课程设计》报告（2008/2009学年第一学期）

学生姓名：闫全胜

学生班级：计算机062202H

学生学号： 200620030227

指导教师：康葆荣

2009年1月3日

目录

1 关于此次课程设计 (2)

1.1 设计的目的： (2)

1.2 设计内容及要求： (2)

2 分析阶段 (3)

2.1指令译码电路分析 (3)

2.2 寄存器译码电路分析 (4)

2.3 微指令格式分析 (5)

2.4 时序分析 (6)

3 初步设计阶段 (7)

3.1 数据格式 (7)

3.2指令描述 (7)

3.3 存储器分区 (9)

3.4 控制台微程序流程： (10)

3.5 运行微程序 (11)

4 详细设计阶段 (12)

4.1控制台流程分解 (12)

4.2 运行微程序子流程 (15)

4.3 微程序总流程图 (24)

5 实现阶段 (25)

5.1 所用模型机数据通路的介绍 (25)

5.2 微程序代码设计与编写 (26)

微程序二进制代码表 (26)

5.3 机器指令的输入及运行 (28)

心得体会 (30)

参考资料 (31)

1 关于此次课程设计

1.1 设计的目的：

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 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）；

7、依据CPI值对指令系统进行性能分析。

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指令译码电路分析 指令译码工作原理图：

P(3)

P(1)FZ

FC SW-A

图2.1指令译码工作原理图

根据上图得出指令译码器的逻辑表达式如下。

其中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为微控制器但愿位地址锁存器的强制端输出；SWA SWB 均为1(启动程序时)。

此设计中设定为P （1）有效，P （2） P （3）均无效，FC FZ T4无需考虑。 由算出的SE5 ～SE1可知操作码对应的入口微地址。

2.2 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。 2.2.1 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。 2.2.2 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。

2.3 微指令格式分析

微代码格式如下

（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

（3）字段17、16控制24译码器的输出端，对Y0、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。2.4 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2.4 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

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0～28-1，即0～255。

3.2指令描述