8位指令系统结构设计

目录

1 可行性分析 (1)

1.1实验系统的组成 (1)

1.2 微指令格式分析 (1)

1.3 指令译码电路分析 (2)

1.4 寄存器组分析 (4)

1.5 时钟信号分析 (5)

2 概要设计 (6)

2.1 指令系统风格 (6)

2.2 数据类型 (6)

2.3 存储器的划分 (7)

2.4 寻址方式 (7)

2.5 指令格式 (7)

2.6 指令功能类型 (7)

2.7 微指令流程框架 (8)

3 详细设计 (9)

3.1 指令系统与指令的分类 (9)

3.2控制台设计 (13)

3.3微程序设计 (14)

3.4微程序流程 (23)

3.5 二进制代码表 (23)

4 实现测试 (25)

4.1接线图 (25)

4.2加法测试程序 (27)

5 心得体会 (31)

6 参考文献 (32)

1 可行性分析

1.1实验系统的组成

本设计采用的实验系统为一个最基本的八位模型计算机，其完整数据通路如图2.1所示，ALU 算术逻辑部件，R0，R1，R2为通用寄存器，AR 为地址寄存器，PC 为程序计数器，IR 为指令寄存器，MEM 为存储器，INPUT 为输入设备，OUTPUT 为输出设备，时序为时序发生器，微控器为微程序控制器。我们将算术逻辑运算器、微程序控制器、寄存器、内部总线等部件连接起来构成一个CPU ，然后加上存储器、输入设备、输出设备即可构成一个完整的模型计算机。

时序MEM(6116)

OUTPUT

INPUT

ALU(74181)

W/R

LED -B

CE

W/R

SW -B

BUS 地址总线

数据总线W/R ALU -B

LOAD PC -B

299-B

T4

74299

DR2(74273)

DR1(74273)AR(74273)

PC(74161)微控器IR(74273)

R2(74374)

R1(74374)R0(74374)R2-B R1-B R0-B S3S2

S1S0

M CN LDDR1

T4

LDDR2

T4

LDPC

T4

LDAR T3

Y0

Y1

Y2

LDIR

T3

LDR2T4

LDR1T4

LDR0T4

图1.1 八位模型机的完整数据通路图

1.2 微指令格式分析

表1-1 微指令格式

24 23 22 21 20 19 18 17 16 151413 121110 987 6 5 4 3 2 1 S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8

A

B

C

μA5

μA4

μA3

μA2

μA1

μA0

微代码定义：微指令字长共24位，其中字段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；15～7为A 、B 、C 三个开关控制端；

6～1（μA5～μA0）为6位的后续微地址。

A、B、C三个译码字段解释如下：

表1-2 A字段表1-3 B字段表1-4 C字段

A字段中的RS-B、RD-B、RI-B分别为目的源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。

B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分别为目的源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。

C字段中的P(1)～P(4)是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微指令的顺序、分支、循环运行。

1.3 指令译码电路分析

指令译码电路工作原理图如下：

图1.2 指令译码原理图

根据指令译码电路图得出总的逻辑方程表达式：

SE5=(FC+FZ)·T4·P(3) SE4=I7·T4·P(1) SE3=I6·T4·P(1)

SE2=(I5·P(1)+I3·P(2)+SWB·P(4))·T4

SE1=(I4·P(1)+I2·P(2)+SWA·P(4))·T4

各种情况下的逻辑方程表达式：

(说明：所有情况T4都有效即T4=0）

A.P(1)=0(有效） P(2)、P（3）、P(4)=1(无效）

SE5=(FC+FZ)·T4·P(3) =1 SE4=I7·T4 = I7 SE3=I6·T4 = I6

SE2=I5·T4 = I5 SE1=I4·T4 = I4

B.P(2)=0(有效） P(1)、P（3）、P(4)=1(无效）

SE5=(FC+FZ)·T4·P(3) =1 SE4=I7·T4 ·P(1) =1

SE3=I6·T4·P(1) = 1 SE2=I3·T4 = I3 SE1=I2·T4 = I2

C.P(3)=0(有效） P(1)、P（2）、P(4)=1(无效）

SE5=(FC+FZ)·T4 =(FC+FZ) SE4=1 SE3=1 SE2=1 SE1=1

D.P(4)=0(有效） P(1)、P（2）、P(3)=1(无效）

SE5=1 SE4=1 SE3=1 SE2=T4·SWB = SWB SE1=T4·SWA = SWA 以上方程可以汇成下表：