华北电力大学8位模型机设计

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1 .设计目的与任务
1.1 设计目的
根据计算机组成原理课程所学知识，设计一个 8 位的模型计算机。 1) 2) 3) 4) 5) 6) 掌握计算机的基本组成和功能； 掌握计算机各大部件的功能与设计方法； 深入学习计算机各类典型指令的执行流程； 深入学习微程序控制器的原理和设计过程； 掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表； 综合运用所学知识， 在掌握部件单元电路设计的基础上， 进一步构造一台基本的模型计 算机，建立计算机整机概念； 7) 通过本次设计，理论联系实践，进一步加强学生分析问题、解决问题的能力，提高自身 硬件设计水平。
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3.运算部件
3.1 运算器的物理结构
参考清华大学科教仪器厂提供的 TEC-XP＋计算机组成原理与系统结构实验系统的产品 说明可知，实验箱主要运算部件为 AM2901，内部包含四片，8 位模型机需要选择两片级联而 成
芯片 AM2901 的内部结构如下：
3.2 运算器的功能实现
SN74181 的主要运算功能实现：
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目录
1.摘要-----------------------------------------------------------------------1 2.前言-----------------------------------------------------------------------1 3.设计目的与任务--------------------------------------------------------3 4.整机设计方案-----------------------------------------------------------3 5.运算部件-----------------------------------------------------------------7 6.存储系统-----------------------------------------------------------------9 7.指令系统-----------------------------------------------------------------9 8.微程序控制器----------------------------------------------------------11 9.设计总结----------------------------------------------------------------14 10.参考文献--------------------------------------------------------------15 11.附录--------------------------------------------------------------------16
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4）MAR、MBR MAR：提供 CPU 访问主存的地址 MBR：存储数据、控制命令与操作
2.2 运算部件（8 位）
（1） 运算部件以算术、逻辑运算部件 ALU 为核心。模型机 ALU 采用 74181 型结构， 由微命令 M、 、 、 选择 ALU 操作功能，采用负逻辑（反变量）输入， 是送入最
5.指令系统
5.1 指令格式
将该模型机指令格式分为以下两类
（1）双操作数指令
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7 操作码
65 寄存器号 源
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3 寻址方式
2 寄存器号
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寻址方式 目的
6-7 位表示操作码,3-5 位表示源操作数地址段， 0-2 位表示目的操作数地址段， 在每个地址段 中分为两部分，1 位表示寻址方式类型，2 位表示给出所指定寄存器编号。 （2）转移指令
MBR→数据总线
M（目的单元）
2.5 微命令设置
2.6 时序系统设计
⑴ 取指周期 FT 从 M 取出指令并译码；修改 PC。取指结束时，按操作码和寻址方式(R/非 R 寻址)转相应工作周期。 ⑵ 源周期 ST 按寻址方式(非 R 寻址)形成源地址，从 M 取出源操作数，暂存于 C。 ⑶ 目的周期 DT 按寻址方式(非 R 寻址)形成目的地址，或从 M 取出目的操作数，暂存于 D。 ⑷ 执行周期 ET 按操作码完成相应操作(传送、运算、取转移地址送入 PC). 后续指令地址送入 MAR.
1.2 设计任务
1) 2) 查阅文献资料，一般在 5 篇以上； 以 TEC-XP 教学实验计算机系统为背景，通过调研、分析现有的模型机，建立 8 位的整 机模型； 3) 4) 5) 完成 8 位模型机的整机设计和各部件的具体设计； 撰写设计报告书； 做好答辩工作。
2 .整机设计方案
2.1 寄存器
参考清华大学科教仪器厂提供的 TEC-XP＋计算机组成原理与系统结构实验系统的产品 说明可知，实验箱主要运算部件为 AM2901，芯片上集成有 16×4 的寄存器组。寄存器均设 计为 8 位： 1）可编程寄存器 通用寄存器：R1、R0 指令计数器：PC 程序状态字：PSW 2）暂存器 C：暂存来自主存的源地址或源数据 D：暂存来自主存的目的地址或目的数 3）指令寄存器 IR：存放现行指令
2.3 总线与数据通路结构
1）数据通路结构
2）总线 采用单总线结构（8 位） （1） 内总线 如图所示，内部数据通路的特点是：由 ALU 汇集（选择），单向内总线实现数据分配， 寄存器在逻辑上分立。即各寄存器将其输出分别送至 ALU 的输入选择器，ALU 输出经移位器
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送到内总线上，内总线是 8 根单向数据传送线，它们连到有关寄存器对应位的 D 输入端。究 竟送入哪一个或几个寄存器，取决于控制器发出哪些 CP 脉冲，即向需要的寄存器发同步打 入脉冲。这种通路结构的优点是简单、规整、控制集中，便于设置微命令；缺点是只由一组 基本数据通路，并行程度很低。 为了尽早获得指令信息，指令寄存器 IR 直接与数据总线相连。在取指阶段，指令代码 可以直接置入 IR。 （2） 系统总线 CPU 通过系统总线与外部连接，如连接主存 M（Memory）、各种外围设备。为简化模型 机系统，让 CPU 直接与系统总线相连，不考虑信号的转换与扩展（在实际系统中，这常常是 需要的）。 系统总线可分为地址总线、数据总线、控制总线三大部分。模型机采取同步控制方式。 CPU 通过 MAR 向地址总线提供地址，以选择主存单元或外围设备（接口寄存器）。外围 设备（如 DMA 控制器）也可以向地址总线发送地址代码。因此对 MAR 设置了控制命令 EMAR， 如前所述。 CPU 通过 MBR 向数据总线发送或接收数据，由控制命令 R、W 决定传送方向及 MBR 的断 开（高阻）。主存 M 和外围设备也与数据总线相连，向数据总线发送或接收数据。 CPU 与外围设备向控制总线发出有关控制信号，或接收控制信号。主存一般只接收控制 命令，但也可提供回答信号。
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AM2901 的功能选择:
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4.存储系统
4.1 存储器的组成
存储系统主要由主存和寄存器组成，其中主存为重要部分。
4.2 存储器的说明
查阅相关资料得知， TEC-XP 教学实验计算机系统包括 4 片 8K×8 的 ROM-58C65， 2 片 2K ×2 的 RAM-6116。8 位模型机中我们选择 8K×8 的 58C65 一片。
课程设计(综合实验)报告
( 2014-- 2015 年度第一学期)
名 题 院 班 学
称： 计算机组成原理 目： 8 位模型机设计 系： 计算机系 级： 计科 1203 号： 2012
学生姓名： 指导教师： 李 梅
成
绩：
日期：2015 年 1 月 17 日
摘要
本文围绕 8 位模型机的设计进行阐述， 设计了相应的模型机数据通路、 运算器、 存储器、 指令系统及微程序控制，说明了部件中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序、以及部 件之间数据和控制信号的来源、去向、功能和时序等细节，实现了具有运算、读写等功能的 8 位模型机。对于硬件结构，本模型机整体采用单总线结构。其中，使用了 4 个可编程寄存 器和 3 个不可变成寄存器，ALU 使用 2 片 SN74181 构成串行加法器，存储系统整体由寄存器 和主存储器组成，存储器由一片 8K×8 的 58C65 组成。对于指令系统和微程序设计，在指令 格式设置中，限定了寄存器寻址和寄存器间接寻址两种方式，设定了 3 条操作码（一条空操 作码用于扩展）。微指令格式设置为 27 位，设定了基本数据通路控制、访存控制、顺序控 制三个主要的控制字段。
2.4.3 数据信息传送
1）寄存器→寄存器： →A（或 B）→ALU→移位器→内总线 2）寄存器→主存：
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→A（或 B）→ALU→内总线 3）主存→寄存器： M 3）主存→主存 M（源单元） 数据总线 数据总线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
MBR→数据总线
M
MBR→B→ALU→移位器→内总线
MBR→ALU→内总线
C
C→ALU→内总线
关键词:8 位模型机
单总线结构
数据通路
微程序控制
前言
《计算机组成原理》是高等学校计算机科学与技术专业的核心基础课,主要任务是能系 统而完整地理解计算机硬件系统地组成结构和工作原理,培养对计算机硬件结构的分析、应 用、设计及开发能力。因此,实验课程的设计也应该在完成基本的运算器、控制器、存储器、 总想等单元的基础上,重点将其整合形成基本的模型机,现以复杂指令模型机的设计和实现 过程来说明如何对组成原理课程的综合运用。
7 操作码
65 寄存器号
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3 寻址方式
2 N Z 转移条件 C
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转移地址
6-7 位表示操作码,2-5 位给出转移地址（分位寻址方式和寄存器号两部分），0-2 位为转移条 件（其中 0-2 位有一位为 1 表示转移条件，进位 C，结果为 0 Z，结果为负 N。 可编程寄存器 4 个： 通用寄存器：R1、R0 指令计数器：PC 程序状态字：PSW
2.4 各类信息的传送路径
2.4.1 指令信息传送
M 1） 取值地址： PC→选择器 A→ALU→移位器→内总线 2） 顺序执行时的后继指令地址： MAR 数据总线 IR
2.4.2 地址信息传送
PC A C 0
ALU 移位器->内总线
PC
以上是实现控制流的基本操作，下面是实现数据流的基本操作。 3）操作数地址 操作数地址的形成取决于所选取的寻址方式。寻址方式不同，路径不同。如： 寄存器间址寻址方式： →A（或 B）→ALU→移位器→内总线 MAR
可根据 74181 功能表找到要实现的功能与微命令之间的对应关系。 末位的进位信号。
（2） ALU 输入端设置 A、B 两个多路选择器，它们分别实现八选一，选择数据来源。 有关寄存器的输出分别送往多路选择器的输入端， 以便送入 ALU 进行运算处理， 或借道 ALU 进行传送。通用寄存器 R0、R1 和寄存器 C、D，既送往 A 选择器也 送往 B 选择器，处理起来比较方便。其他寄存器则只送往一个选择器。控制器 将根据指令需要发出选择控制电位，决定哪一个或哪两个操作数进入 ALU。
5.2 寻址方式
该模型机的编址为按字节编址，即主存每个单元 8 位，指令字长 8 位，操作数字长 8 位，对寻址方式作出如下选取： 0：寄存器寻址：数在指定寄存器中 1：寄存器间址：地址在指定寄存器中
5.3 操作类型
操作码共 2 位，现设置 3 种指令，留一种操作码１１待扩展 （1）传送指令 MOV－传送，操作码００ MOV 指令用来预置寄存器或存储单元内容 （2）双操作数算术指令 ADD－加，操作码０１
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（3）转移指令 JMP－操作码１０
6.微程序控制器
6.1 逻辑结构
微命令序列 …… IR PSW 指令代码 运行状态 微地址 形成电路 译码器 微地址字段
微命令字段
微指令寄存器μIR PC 微地址寄 存器μAR …… 控制存储器 CM
控制器逻辑结构
6.2 功能与实现
为了提供机器指令信息，并保证工作程序的连续执行，微程序控制器中也设置指令寄 存器 IR、程序计数器 PC、程序状态字 PSW。 （1）控制存储器 CM，用来存放微程序。 （2）微指令寄存器 IR，从控制存储器中读取的微指令，存放在微指令寄存器中，它分 为两大部分:一部分提供微命令的微操作控制字段，它占据了微指令的大部分，其代码或直 接作为微指令，或分成若干小字段经译码后产生微指令；另一部分为顺序控制字段，它指明 后继微地址的形成方式，用以控制微程序的连续执行。 （3）微地址形成电路，程序入口地址。设置一小段公用的“取机器指令的微程序”， 实现取指操作。这段微程序可以从 0 号单元开始。后续微地址： 由微地址字段、现行微地 址、运行状态等形成。 （4）微地址寄存器 AR，在从 CM 中读取微指令时，微地址寄存器中保存着 CM 的地址， 指向相应的 CM 单元。当读出微指令后或完成一个微指令周期操作后，微地址形成电路将后 继地址打入 AR 中，做好读取下一条微指令的准备。