组成原理模型机及其指令系统
A1-3-模型机-原理图
…
LA,EA,LA’,Ev,N…
Ec
CLR
LM CLK EPR
内存地址寄存器 MAR
4
4
Lo CLK
Addr Bus
8
输出寄存器 OutReg
8
φ
RESET
存储器 PROM
8
LED显示
2. 各部件原理
PROM
Data Bus
LA EA CLK 8 Ev N 8 LA’ CLK Cp CLK
A ∑
8 4 4 8 8
程序计数器 PC
Ep CLR
指令寄存器 IR
4
LI CLK
EI CLR
A’
8
操作码译码器 OD
LDA,ADD,SUB,OUT,HLT
控制逻辑 CL
CLK 时钟及脉冲分配器 PD
T0,T1,T2,T3,T4,T5
CLR
…
LA,EA,LA’,Ev,N…
Ec
CLR
LM CLK EPR
A ∑
8 4 4 8 8
程序计数器 PC
Ep CLR
指令寄存器 IR
4
LI CLK
EI CLR
A’
8
操作码译码器 OD
LDA,ADD,SUB,OUT,HLT
控制逻辑 CL
CLK 时钟及脉冲分配器 PD
T0,T1,T2,T3,T4,T5
CLR
…
LA,EA,LA’,Ev,N…
Ec
CLR
LM CLK EPR
D7 D6 D0
&
D
LA
CLK
a7
D Q
a6
D Q
a0
Q
计算机组成原理课程设计报告_基本模型机的设计与实现
本次课程设计的任务是完成一个基本模型机的设计与实现。
设计经过综合运用了以前所学计算机原理的知识,依照设计要求和指导,实现了一个基本的模型计算机。
本模型机实现的功能有：IN（输入）,OUT（输出），ADD（加法），SUB（减法），STA（存数），JMP（跳转）。
设计进行开始,在了解微程序的基本格式, 及各个字段值的作用后, 按微指令格式参照指令流程图，设计出程序以及微程序，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码转换为联机操作时的十六进制格式文件。
根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址。
设计的加法和减法中, 被加数和被减数都由调试人员输入, 而加数和减数都从存储器中读取. 最后上机调试，各个功能运行结果正确。
关键词:基本模型机；机器指令；微指令目录1、课程设计题目-----------------------------------------------12、实验设备---------------------------------------------------13、课程设计步骤-----------------------------------------------13.1、所设计计算机的功能和用途------------------------------13.2、指令系统----------------------------------------------23.3、总体结构与数据通路------------------------------------23.4、设计指令执行流程--------------------------------------33.5、微指令代码化------------------------------------------43.6、组装和调试----------------------------------------------54、课程设计总结-----------------------------------------------75、附录-----------------------------------------------------------------------------------8附录1：数据通路图----------------------------------------------------------8 附录2：微程序流程图--------------------------------------------------------9 附录3：实验接线图------------------------------------------------------------10 附录4：实验程序及微程序---------------------------------------------------11 附录5：参考文献（资料）-----------------------------------121、课程设计题目基本模型机的设计与实现2、实验设备TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统一台，微机，虚拟软件，排线若干。
计算机组成原理-指令系统
一地址指令格式： OP10扩bi展t 6bit A 6bit 设为Z 剩余(24-X)26-Z
零地址指令格式： OP16bit ∴Z= (24-X)26- Y 2-6
扩展6bit Y种 ((24-X)26-Z) 26=Y
操作码扩展技术
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
EX2.机器指令长度为16位，地址码长度为6位，包含单地址 指令，双地址指令和无地址指令，试问单地址指令最多有 多少条？此时双地址指令和无地址指令各多少条？
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
强调:操作码扩展技术思考方向
EX2:假设指令字长16位，操作数的地址码为必6须位是，操指作令码有增零长地方址向、
一地址、二地址三种格式。要求：
(1) 设操作码固定，若零地址有P种，一地址指令有Q种，则二 地址最多有多少对种定？长操作码指令格式，应满足最长地址码要求
指令格式-操作码字段
变长操作码指令系统 鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
--随着地址码长度的变化，操作码长度变化 --特点：与定长刚好相反
常用技术： 操作码扩展技术★
OP 4b A1 A2 A3
三地址指令格式
0000 … 1110
三地址指令15条
OP 4b A1 A2
1111 0…000 1110
用于零地址指令扩展的编码最少为1个
指令格式-地址码字段
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
2.指令的一般格式
分析指令地址码类型
地址码
OP A1 A2 A3 A4
作用：用于指明操作数的地址； ① 四地址指令 ② 三地址指令 ③ 二地址指令 ④ 一地址指令 ⑤ 零地址指令
《计算机组成原理》复杂指令模型机设计与实现
根据 设备情况 ． 我们采 用对 Ｉ， （ ３１ 即指令 的第 ２位 和第 ３位 ） 行译 ２ 进 选择寻址方式 ， 其格式如下 ： 《 算机组 成原理》 是高等学校计算机科 学与技术专业的核心基 码 ， 计 础课 ． 要 教学 任 务 是 使 学 生 能 系统 而 完整 地 理解 计 算 机 硬 件 系 统 地 主 单字长指令 双 字 长 指 令 组成结构和工作原理 ， 培养学生对计算 机硬件结构的分析 、 应用 、 设计 ７６５４ ｆ ３２ ｆ ｏ ｌ１ 及开发能力。 因此 。 实验 课 程 的设 计 也应 该 在完 成基 本 的运 算 器 、 制 控 ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ９８ ７６５４３ ｏ ５ ４ ３ ２ ｌ ｏ ｌ ｌ ２ 器、 存储 器、 总想 等单 元的基础 ． 重点将 其整合形成基本 的模型机 ， Ｌ， Ｏ－ＯＥ Ｉ寻 式 Ｉ Ｐ Ｄ 址方 Ｃ 笔 者 在 从 事 计 算 机组 成原 理 课 程 教 学 的 过 程 当 中 ， 现 学 生 律 往 理 论 发 Ｏ－ＯＥ ＦＣＤ Ｉ 操 数 作 课程学的不错 ， 公式 、 概念掌握也很好 。 但是在应用所学知识进行具体 设 计 还 是 觉 得 尤 从 下 手 。 能 够 学 以 致 用 。 现 以复 杂 指 令 模 型 机 的设 不 因 为 本实 验 仪 总 线 为 ８ 计和实现过程来说明如何对组成原理课程 的综合运用。 位， 因此本类指令分两步进行 ， 先取指令码 ， 再取操作数地址进而找到 ２模型机硬 件组成分 析 ， 我 校 使 用 的 实 验 仪 为 Ｔ Ｎ— Ｍ＋ 成 原 理 实 验 仪 。 Ｄ Ｃ 组 在设 计 中 ， 我们 多么操作的数据。 本 模 型机 的指 令 系统 包 括 ： 采用计 算机组 成原理教学 实验 系统上 集成的各元件作 为模 璎机的硬 （） 术 逻 辑 指 令 ９条 ： Ｄ 、Ｕ 、 Ｒ、 Ｌ Ａ Ｄ Ｏ 、 Ｏ １算 Ａ Ｄ Ｓ ＢＳ Ｓ 、Ｎ 、Ｒ Ｎ Ｔ Ｈ Ｈ 件 部分 。首先 ， Ｘ０Ｒ 、 Ｍ０Ｖ ； 根 据 复 杂 模 型 ＡＤＤＲ、 （） ２ 访问内存指令和程序控制指令 ３条 ：Ｄ Ｓ Ａ、ＭＰ Ｌ Ａ、Ｔ Ｊ ； 机 的 构 架 设 计 数 据通路 ． 接 连 （）， 令 ２条 ：Ｎ、 Ｕ ３Ｉ Ｏ指 Ｉ Ｏ Ｔ； （】 机指 令 ：ＩＴ。 ４停 ｌ Ｌ ． 实 验 线 路 ， 后 然 考 虑数 据传送 ， 其中单字长指令有 ５条 ：Ｎ、 Ｕ Ｓ Ｓ Ｉ Ｏ Ｔ、ＨＬ、ＨＲ、 Ｕ’ ＨＡ 。 这 就 需 要 对 各 双字长指令有 １ ０条： 个 部 件 的 状 态 各个指令的名称 、 功能和具体格式见表 １ 。 控 制进行 分析 ， 具体的指令代码及助 记符如下 ： 然 后 根 据 计 算 助记符 机器指令码 说明 机 的 执 行 原 理 对 各 个 元 部 件 Ｉ Ｎ １Ｏ Ｏ ｏ ） ３ Ｏ１ Ｏ（ｏ Ｏ ３ Ｏ ＩＰ ＴＤ ＶＣ 一 Ｒ Ｎ Ｕ Ｅ ＩＥ ＞ ０ 进 行状 态控制 。 Ａ Ｄ ［ Ｄ Ｒ Ｄ ＡＤ】 ０ ０ ０ ０ｆｏ ０ １ ０ ） ０ ｌ Ｒ ＋Ａ Ｄ ］ Ｒ ０ ［ Ｄ Ｒ－ ０ ＞ 最 终 设 计 出 模 犁 机 的 数 据 通
《计算机组成原理》5-指令系统
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(4)-CPU子系统-模型机CPU-3-指令流程与微命令
操作时间表中各微命令的含义:
(1) 控制访存操作的微命令
EMAR, R/W, SIR, … (2) 控制CPU内部数据通路操作微命令 PCA, S3S2S1S0MC0, DM, CPPC, … (3) 控制时序切换的微命令 需要结合控制系统才能表述。ຫໍສະໝຸດ 6/18❶ 传送指令
1）流程图
例1：MOV R0，R1； FT0： M ET0： R1 ET1： PC 例2：MOV(R0),(R1)； FT0： M ST0： R1 ST1： M DT0： R0 ET0： C ET1： MDR ET2： PC
→B
17/18
移位器控制信号S：DM、SL、SR、EX 脉冲型微命令CP：无、CPRi\CPRj\CPC\CPD\CPMAR
CPMDR\CPPC\CPSP 访存控制：EMAR\W(EMDR)\R(SMDR)
IR和PSW的辅助控制ST：无,0→PSW[4],1→PSW[4],SIR 上述是直接根据指令流程归纳的微命令，设计控制系统 时需要先对这些微命令编码，见教材。 对比数据通路，其中Ri→A,Rj→B、CPRi和CPRj属于 间接信号，需结合指令中的寄存器编号，才能确定部 件的直接控制信号（见表3-13、3-14）
15/18
❻ 中断隐指令 IT0： 0 IT1： PC IT2： MDR PSW[4]， SP-1 MDR M SP/MAR
IT3：形成向量地址→MAR
IT4：M→MDR →PC/MAR
16/18
3、指令集的微命令归纳
指令执行过程所需的微命令，取决于： 数据通路结构； 基于数据通路设计的指令流程；
R0~3/C/D/SP/PC/ MDR →B ALU功能： S3S2S1S0、M、CI 移位选择：
8位模型机设计-指令系统及通用寄存器设计
东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院计算机组成原理课程设计专业名称计算机科学与技术班级学号学生姓名指导教师设计时间2014.12.22~2015.1.2课程设计任务书专业：计算机科学与技术学号：学生姓名（签名）：设计题目：8位模型机设计－指令系统及通用寄存器设计一、设计实验条件综合楼808实验室二、设计任务及要求总的设计目标是：设计一个8 位的模型机，其组成为：总线结构:单总线，数据总线位数8位、地址总线8位；●存储器:内存容量64K*8bit●控制器:用硬联线控制器实现26位微操作控制信号●运算器:单累加器，实现加、减等8种操作外设：●输入：用开关输入二进制量●输出：7段数码管和LED显示指令系统规模：64 条指令，7种类型，5种寻址方式本组任务是：1.设计12、15、22、32号指令；2.模型机的通用寄存器R1设计；3.BCD编码器的设计。
三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务（设计任务书）设计内容如下：1、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中2、模型机硬件设计：通用寄存器R13、逻辑电路设计：BCD码编码器2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)1.融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；2.学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；3.培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。
3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）【系统设计】1、模型机逻辑框图图1 模拟机整体逻辑框图图2 XCV200芯片引脚图3 CPU逻辑框图2、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位助记符：ADDC A, #II类型：算数运算指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节001011XX第二字节立即数：SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值助记符：SUB A, EM类型：算数运算指令寻址方式：存储器直接寻址指令格式：第一字节001110XX第二字节存储地址：AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值助记符：AND A, @R?类型：算数运算指令寻址方式：寄存器间接寻址指令格式：第一字节010101XX：MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中助记符：MOV A, #II类型：数据传送指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节011111XX第二字节立即数3、微操作控制信号：外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
计算机组成原理-指令系统
1 2
早期计算机的指令系统
以简单指令为主，操作码短，地址码少，寻址方 式简单。
现代计算机的指令系统
以复杂指令为主，操作码长，地址码多，寻址方 式多样化。
3
未来计算机的指令系统
随着技术的发展，指令系统将更加智能化、自动 化和个性化。
02
指令的格式与寻址方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
指令的格式
操作码字段
表示指令的操作类型，如加、减、乘、除等。
提高指令执行速度
优化操作码与地址码的设计，可以减少指令的解码 时间，从而提高指令的执行速度。
支持更多的操作和寻址方 式
通过扩展操作码和优化地址码的设计，可以 支持更多的操作和寻址方式，从而增强指令 系统的功能和灵活性。
04
指令系统的功能与性能分析
指令系统的功能分析
指令集架构
定义了计算机的基本操作和功能，包括数据类型、 操作码、寻址方式等。
指令执行单元
指令执行单元是计算机硬件的核心组件之一，负责执行解码后的指令。它包括算术逻辑单元 （ALU）、控制单元（CU）和寄存器文件等组件。
指令系统的软件实现技术
汇编语言
汇编语言是一种低级语言，与机器语言相对应。它使用助记符表示指令，方便程序员编写底层程 序。汇编语言编译器将汇编语言程序转换成机器语言程序。
能技术的发展，指令系统将更加注重智能优化能力，以提高程序的执行
效率和准确性。
06
指令系统实例分析
x86指令系统实例
指令集特点
x86指令系统是复杂指令集计算机（CISC）的代表，指令数量庞大， 寻址方式多样，支持多种数据类型和操作。
指令格式
x86指令格式多样，包括单字节、双字节和多字节指令，以及可变 长度的指令。
计算机组成原理_指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
返回
1
4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
3
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
23
4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
30
2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。
模型机详细介绍
模型机详细介绍模型机的结构非常复杂，如果对模型机的结果和工作原理不了解的话在做模型机实验时将非常困难，所以在这里对模型机的结构、工作过程和控制器的控制原理等做详细介绍，以让大家更好的进行模型机实验，从而进一步理解计算机组成原理这门课程中的知识。
1. 模型机的结构模型机主要由运算器、控制器、存储器、数据总线、输入输出和时序产生器组成，模型机的结构图如图1所示。
图1 模型机结构图（1）运算器。
运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。
在图1模型机的结构图中，ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由2个4位的74LS181串联成8位的运算器，ALU_G是ALU-G 实现用于控制ALU的运算结果的输出，74299用74LS299实现用于对ALU 的运算结果进行移位运算；数据暂存器在图1中由DR1和DR2组成，DR1和DR2都是用74LS273实现，它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；通用寄存器在图1中由R0、R1和R2组成，R0、R1和R2都是用74LS374实现，它们用作目的寄存器和源寄存器。
（2）控制器。
控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。
在图1中微程序控制器表示为MControl，它里面存放了指令系统对应的全部微程序，微程序控制器是由微控制存储器和3个138译码器实现（A138、B138和P138），用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；在图1中指令寄存器表示为IR，指令寄存器由一个74LS273实现，用于存放当前正在执行的指令；在图1中地址寄存器表示为AR，地址寄存器由一个74LS273实现，在读取或者写入存储器时用于指明要读取或写入的地址；程序计数器在图1中由PC_G和PC组成，其中PC是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针pc的下一个值，PC_G由PC-G实现，用于存储程序的程序指针pc的值。
（3）存储器。
存储器在图1中表示为MEN，存储器用静态随机存储器6116实现，用来存储用户程序和数据。
《计算机组成原理》课程设计说明书-模型机指令系统的设计与实现
《计算机组成原理》课程设计说明书-模型机指令系统的设计与实现题目:模型机指令系统的设计与实现院系:专业班级:学号:学生姓名:指导教师:2010年12月10日安徽理工大学课程设计(论文)任务书学生姓学号专业(班级) 名设计题模型机指令系统的设计与实现目(1)用微程序控制器实现设计任务;设 (2)要满足指令系统的性能要求; 计(3)设计说明书能很好地反映设计内容技术参数参考实验指导书第四章模型机综合实验(微程序控制器)设计的过程，设运用其微指令格式，独立设计指令系统。
并用该指令系统中的指令编计一完成简单运算的程序，并进行调试运行。
要求工作要求设计说明书的字数在3000字以上。
量2010.11.22-11.24 根据设计要求，查找相关资料，完成需求分析; 工2010.11.25-11.28 进行系统的概要设计;作 2010.11.29-12. 01 进行系统的详细设计和微程序的书写; 计2010.12.02-12.05 对系统进行调试分析，写出课程设计报告。
划[1] 白中英.计算机组成原理(第四版).科学出版社.2008 参 [2] DJ-CPTH超强型计算机组成原理与系统结构实验指导书.启东市东考疆计算机有限公司.2008 资料指导教师签字教研室主任签字2010年6月20日指导教师评语:成绩:指导教师:年月日目录1 问题描述 ..................................................................... .. (5)1.1 设计目的 ..................................................................... .. (5)1.2 设计要求 ............................................................................. 5 2 数据格式和指令系统 (6)2.1 数据格式 ..................................................................... .. (6)2.2 指令格式 ..................................................................... .. (6)2.3 指令系统 ..................................................................... ......... 8 3 模型机的数据通路 ......................................................................9 4 详细设计 ..................................................................... ............... 10 5 调试分析 ..................................................................... ............... 12 6 设计体会 ..................................................................... ............... 14 参考文献 ..................................................................... (15)1 问题描述1.1 设计目的本课程设计是《计算机组成原理》课程结束以后开设的大型实践性教学环节。
《计算机组成原理》
主设备： 申请并控制总线的设备。 主设备： 申请并控制总线的设备。 从设备： 响应主设备请求的设备。 从设备： 响应主设备请求的设备。
3、同步方式在实际应用中的变化(扩展同步方式 、同步方式在实际应用中的变化 扩展同步方式 扩展同步方式)
(1) 不同指令安排不同时钟周期数。 不同指令安排不同时钟周期数。 (2) 总线周期中插入延长周期。 总线周期中插入延长周期。
第一章 CPU组织 组织
1.1 逻辑组成 模型机) 逻辑组成(模型机 模型机
1、CPU数据通路框图 寄存器级 、 数据通路框图(寄存器级 数据通路框图 寄存器级) 2、结构特点 、 (1) 寄存器 独立结构 可编程: ～ 、 、 、 可编程 R0～R3、PC、SP、PSW 非编程: 、 、 、 非编程 C、D、IR、MAR、MDR 、
第二章 存储子系统
2.1 半导体存储器逻辑设计
主要解决：芯片的选用、地址分配、片选逻辑、 主要解决：芯片的选用、地址分配、片选逻辑、 信 号线的连接
例1、用SRAM芯片(1K×4位/片)组成4KB(即4K×8)存 储器。地址总线A15～A0(低), 双向数据总线D7～ 储器。 D0(低), 读/写信号线R/W。 (1)芯片数: 8片 任意连续区间 (2)存储空间安排： 存储空间安排： (3)芯片地址分配与片选逻辑： 芯片地址分配与片选逻辑： 4KB：12位地址A11～A0 哪几位分配给芯片？哪几位形成片选逻辑？ 哪几位分配给芯片？哪几位形成片选逻辑？
2、思路 、
(1)了解指令功能，具体完成什么操作 了解指令功能， 了解指令功能 MOV：源数 ： 目的地 ADD：结果 ： 目的地 JMP：转移地址 PC RST：返回地址 PC ： ： JSR：子程序入口 PC，并保存返回地址 ： ， (2)分清源和目的，确定所采用的寻址方式 分清源和目的， 分清源和目的 在后，目的在前 在前。 源在后，目的在前。 (3)按周期拟定分步流程 按周期拟定分步流程 模型机允许： 模型机允许：每一步完成一下操作 一次从存储器读出, 并经数据通路传送的操作;或 一次从存储器读出 并经数据通路传送的操作 或 一次经数据通路传送的操作; 一次经数据通路传送的操作 或 一次向Ｍ写入的操作。 一次向Ｍ写入的操作。
计算机组成原理简单模型机实验
实验四简单模型机实验1.1实验目的1）将微程序控制器模块通过总线同运算器模块、存储器模块联机，组成一台模型计算机；2）用微程序控制器控制模型机数据通路；3）通过CPU运行5条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立机器的整机概念。
1.2电路图本次实验用到前几次实验所有电路，将几个模块组成一台简单计算机，由微程序控制器控制数据通路，实现cpu从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个指令周期，由微指令组成的序列来完成，一条机器指令对应一个微程序。
图1 电路图1.3 实验原理（1）PC计数器初始值为“0”，微程序默认从00地址开始执行，产生控制信号，使PC的地址通过ABUS将送到存储器（6116）的地址锁存器AR中， PC=PC+1;（2）读出存储器中存放内容,通过DBUS送到IR指令寄存器中，实现指令译码，指令的操作码送至微程序控制器的程序跳转控制部分，在P(1)的控制下与微程序中储存的下一条指令地址进行逻辑运算，产生真正的下一条微程序地址；（3）在微程序的控制下单步执行微指令序列。
1.4 微指令格式表1 微指令格式1.5 微程序流程图：图2 微程序流程图1.6微程序代码表1.7 数据通路总体图图3 数据通路总体图五条机器指令格式(其中，A为内存地址8bit)：RAM中装入的程序和数据(其中，地址为8进制)：1.8 实验任务及步骤（1）实验连线：本次实验大部分的连线已由教师完成，请同学们对照微指令格式，完成微程序控制器的剩余部分连线。
（2）实验环境初始化：实验平台通电前请关闭DR1（74ls273），DR2（74ls273）,存储器（6116）的地址锁存器（74ls273），微程序控制器的地址锁存器（74ls175）的自动清零功能，将几个芯片的-MR引脚置为“1”。
时钟发生器的功能设定为单步执行，具体信号为：STOP=0，STEP=1。
（3）加电运行初始化：①指令寄存器IR自动清零，程序计数器PC手动清零，将两片74ls163的ENT,ENP引脚置“1”，-CR引脚置“0”，打开三态门开关，给单步时钟脉冲；②程序计数器PC设定为单步技术功能，并交由微程序控制，将-CR引脚置“1”，关闭三态门开关；③关闭指令寄存器IR清零功能，交由微程序控制，将-MR设为“1”。
计算机组成原理-简单模型机设计课设
计算机组成原理-简单模型机设计课设一、引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业中的重要课程之一，它涉及计算机硬件和软件的基本原理与结构。
本文将基于计算机组成原理的知识，设计一个简单模型机的课设。
在本课设中，我们将探索计算机的基本组成部分，并实现各个部分之间的协同工作。
二、背景知识1. 模型机概述简单模型机是一种基于计算机组成原理的教学模型，它模拟了计算机的基本组成部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。
通过设计并实现这样一个模型机，可以帮助我们更好地理解计算机的工作原理。
2. 计算机组成原理计算机组成原理研究计算机硬件系统的设计与实现，涉及指令系统设计、存储器系统、总线、输入输出系统以及计算机的组成原理等。
在设计模型机的课设中，我们需要灵活运用这些知识，合理规划各个组成部分的功能和连接方式。
三、设计思路1. 指令系统设计指令系统是计算机的核心，它决定了计算机能够执行的操作。
我们需要设计一个简单的指令系统，包括几个基本指令，例如加法、减法、乘法等。
同时，还需要设计指令的格式和编码方式，确保指令可以被计算机正确解读和执行。
2. 存储器设计存储器是计算机的核心组件之一，用于存储和读取数据和指令。
在模型机的设计中，我们可以选择使用寄存器、随机存储器（RAM）等组件来实现存储器的功能。
同时，我们还需要考虑存储器的容量和访问速度等因素。
3. CPU设计中央处理器是计算机的核心组件，用于执行指令和控制计算机的各个部分。
在模型机的设计中，我们需要设计一个简单的CPU，包括运算单元和控制单元两个部分。
运算单元用于执行指令中的运算操作，而控制单元负责指令的解码和执行控制。
4. 输入输出设备设计输入输出设备用于与计算机进行信息的输入和输出。
在模型机的设计中，我们可以选择键盘、显示屏等常见的输入输出设备。
我们需要设计相应的接口电路，使得计算机能够与这些设备进行数据的交换。
四、设计实现1. 指令系统设计和编码方式根据课设要求和实际需求，我们可以选择基于二进制的指令系统，并设计相应的指令格式和编码方式，确保指令可以被CPU正确解读和执行。
第2章模型机工作原理
=0 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0
（3）增量节拍：T2 =1时， （ PC）+1 （ PC）
因此，CP=1 CON=CPEPLMER LIEILAEA SUEULBLO
=1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0
2.1 微型计算机结构的简化形式
1、组成
程序计数器PC MAR PROM 指令寄存器IR CON 累加器A ALU 寄存器B 输出寄存器O 二进制显示器D
2、特点
功能：两个数的加减法 内存：16×8PROM 字长：8位 手动输入
PROM
3、功能分解
2.2 指令系统
2、取指周期及执行周期
取指周期及执行周期各3个节拍。 （1）地址节拍：T0 =1时，
（PC） （MAR） (PROM) 因此，EP=1,LM=1 CON=CPEPLMER LIEILAEA SUEULBLO
=0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
（2）存储节拍：T1 =1时， （ PROM） （IR） 高四位 (CON)
其它类程序机器周期见50页表3-3。
程序执行中间结果
2.4 执行指令的例行程序
机器周期（指令周期）： 执行一条指令的时间。 包括取指周期和执行周期。
1、环形计数器及机器节拍2、取指周期及执行周期1、环形计数器及机器节拍
作用：发出环形字，产生机器节拍。 环形字：T=T5T4T3T2T1T0 机器节拍：环形字的每位。
T 、T 、T 、T 、T 、T
此次，访问的是数据区
（5）T4 =1时， （R9） （A） 因此，ER=1, LA=1
CON=CPEPLMER LIEILAEA SUEULBLO
模型机的基本组成和数据通路
4.控制器及微命令的基本形式
• (1)微命令的基本形式
• 微操作命令是最基本的控制信号,通常是指 直接作用于部件或控制门电路的控制信号, 简称微命令。
• 实际中，往往利用脉冲边缘来表示某 一时刻,起定时作用或识别脉冲的有无。 • 与脉冲信号相比，电平信号维持的时 间一般要长一些。
4.控制器及微命令的基本形式
①多级时序的概念
• 1）机器周期： 通常将指令周期划分为几个 不同的阶段，每个阶段所需的时间，成为 机器周期，又称为CPU工作周期或基本周 期。 • 2）节拍：（时钟周期）将一个机器周期划 分为若干相等的时间段，每个时间段内完 成一步基本操作。这个时间段用一个电平 信号宽度对应，成为节拍或时钟周期。 • 显然，一个机器周期由若干个节拍组成。 • 3）时钟脉冲信号
②多级时序信号之间的关系
• 多级时序信号之间的关系 如：一个 指令周期含3个机器周期，每个机器 周期划分为4个节拍，则关系见图314
③时序系统的组成
四、模型机的指令系统
1.指令格式（见图示） 2.寻址方式（见表格） 3.操作类型
1.指令格式
2.寻址方式
四、模型机的指令系统
3.操作类型 （1）传送类指令 （2）双操作数算逻指令 （3）单操作数算逻指令 （4）程序控制类指令 转移指令JMP 返回指令RST 转子程序指令JSR
1.寄存器 2.运算部件 3.总线与数据通路结构 4.控制器及微命令的基本形式
1.寄存器
• CPU中的寄存器有：
– 存放控制信息的寄存器，如指令寄存器、程序 计数器和程序状态字寄存器 – 存放所处理的寄存器，如通用寄存器和暂存器
• 为简单起见，所有寄存器都是16位， 内部结构是16个D触发器，数据代码 输入至D端，由CP端脉冲同步打入， 其输出由输出门控制。PSW的特征位 则由R、S端置入，系统总线对MDR的 输入也由R，S端置入。
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计算机组成原理
模型机及其指令系统
班级：计科13-3
学号：1306010307
姓名：雷涵
成绩：
电子与信息工程学院
计算机科学系
模型机及其指令系统
指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。
一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、移位操作型、位（位串）操作型、输入和输出型等指令。
指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如：操作码字段+地址码字段，其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作数或操作数的地址。
其基本指令如下：
数据传送指令
MOV DST, SRC 为双操作数指令,两个操作数中必须有一个是寄存器.
目的数可以是通用寄存器, 存储单元和段寄存器(但不允许用CS段寄存器).
2.立即数不能直接送段寄存器
不允许在两个存储单元直接传送数据
不允许在两个段寄存器间直接传送信息
PUSH SRC 堆栈操作是以"后进先出"的方式进行数据操作.入栈的操作数除不允许用立即数外，可以为通用寄存器，段寄存器(全部)
和存储器. 入栈时高位字节先入栈，低位字节后入栈.
POP DST 出栈操作数除不允许用立即数和CS段寄存器外, 可以
为通用寄存器,段寄存器和存储器. 执行POP SS指令后,堆栈区在存
储区的位置要改变. 执行POP SP 指令后,栈顶的位置要改变.
XCHG OPR1, OPR2 执行操作: Tmp=OPR1 OPR1=OPR2 OPR2=Tmp 1.
必须有一个操作数是在寄存器中 2.不能与段寄存器交换数据 3.存
储器与存储器之间不能交换数据.
XLAT (OPR 可选) 换码指令: 把一种代码转换为另一种代码. 执行操作: AL=(BX+AL) 指令执行时只使用预先已存入BX中的表格
首地址,执行后,AL中内容则是所要转换的代码.
LEA REG, SRC 指令把源操作数SRC的有效地址送到指定的寄存
器中. 执行操作: REG = EAsrc 注: SRC只能是各种寻址方式的存
储器操作数,REG只能是16位寄存器 MOV BX , OFFSET OPER_ONE 等
价于 LEA BX , OPER_ONE MOV SP , [BX] //将BX间接寻址的相继的
二个存储单元的内容送入SP中 LEA SP , [BX] //将BX的内容作为
存储器有效地址送入SP中
LDS REG , SRC //常指定SI寄存器。
执行操作: REG=(SRC), DS=(SRC+2) //将SRC指出的前二个存储单元的内容送入指令中指定
的寄存器中，后二个存储单元送入DS段寄存器中。
LES REG, SRC //常指定DI寄存器执行操作: REG=(SRC) , ES=(SRC+2) //与LDS
大致相同,不同之处是将ES代替DS而已.
LAHF LAHF ( Load AH with Flags ) 标志位送AH指令 //将
PSW寄存器中的低8位的状态标志(条件码)送入AH的相应位, SF送
D7位, ZF送D6位...... 执行操作: AH=PSW的低位字节。
SAHF SAHF ( Store AH into Flags ) AH送标志寄存器指令 //将AH寄
存器的相应位送到PSW寄存器的低8位的相应位, AH的D7位送SF, D6
位送ZF...... 执行操作: PSW的低位字节=AH。
PUSHF PUSHF ( PUSH the Flags) 标志进栈指令 //将标志寄存器的值压入堆栈顶部, 同时栈指针SP值减2 执行操作: SP=SP-1,(SP)=PSW的高8位, SP=SP-1, (SP)=PSW的低8位
POPF POPF ( POP the Flags ) 标志出栈指令 //与PUSHF相反, 从堆栈的顶部弹出两个字节送到PSW寄存器中, 同时堆栈指针
值加2 执行操作: PSW低8位=(SP), SP=SP+1, PSW高8位=(SP) , SP=SP+1
IN 输入输出指令(IN,OUT) 只限于使用累加器AX或AL与外部
设备的端口传送信息. (INput)输入指令：信息从I/O通过累加器
传送到CPU IN AL , PORT //直接的字节输入,PORT是外设端口编号(即端口地址),只能取 00H ~ 0FFH共256个端口地址. IN AX , PORT //直接的字输入,AX存储连续两个端口地址PORT+1,PORT IN AL , DX //间接的字节输入,端口地址范围可通过DX设置为0000H ~ 0FFFFH
共65536个端口地址 IN AX , DX //间接的字输入
OUT ( OUTput)输出指令：信息从CPU通过累加器传送到I/O OUT PORT , AL //直接的字节输出,PORT规定与IN指令相同. OUT PORT , AX OUT DX , AL //间接的字节输出 OUT DX , AX MOV AL,05H
OUT 27H, AL //将字节05H传送到地址
经过一系列硬件课程的学习及相关实验之后，做一个综合的系统性设计，这在硬件方面是一个提高，可进一步培养实践能力。
一条指令的执行过程按时间顺序可分为以下几个步骤。
① CPU发出指令地址。
将指令指针寄存器（IP）的内容——指令地址，经地址总线送入存储器的地址寄存器中。
② 从地址寄存器中读取指令。
将读出的指令暂存于存储器的数据寄存器中。
③ 将指令送往指令寄存器。
将指令从数据寄存器中取出，经数据总线送入控制器的指令寄存器中。
④ 指令译码。
指令寄存器中的操作码部分送指令译码器，经译码器分析产生相应的操作控制信号，送往各个执行部件。
⑤ 按指令操作码执行。
⑥ 修改程序计数器的值，形成下一条要取指令的地址。
若执行的是非转移指令，即顺序执行，则指令指针寄存器的内容加1，形成下一条要取指令的地址。
指令指针寄存器也称为程序计数器。