指令系统设计课案

课程设计说明书题目: 指令系统设计 院 系： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2014 年 12 月 16 日 安徽理工大学课程设计（论文）任务书 计算机科学与工程 院系 监控与嵌入式 教研室学 号学生姓名专业（班级）设计题目 指令系统设计设计技术参数1.本系统采用DJ-CPTH超强型计算机组成原理教学实验系统搭建电路图，在实验箱上实现指令系统。 2.利用软件工程中的可行性研究以及分析方法，进行系统分析。设计要求1.构建一组能实现带进位的加法和减法运算的指令系统，要求有四种寻址方式；2.编程测试指令系统。工作量1.课程设计说明书约5000字；2.编写微指令代码构建微指令系统；3.编写程序测试指令系统工作计划1.首先认真研究老师所给的题目，了解题目要求做什么。2.查阅资料，解决难题。3.编写源程序并调试之。 4.写课程设计说明参考资料 1 张昆藏计算机系统结构北京：科学出版社，19942 平玲娣，潘雪增.计算机组成与设计.浙江大学出版社，出版日期：20043 白中英计算机组成原理(第二版)北京：科学出版社，1998 4 DJ-CPTH超强型计算机组成原理与系统结构实验指导书5 李敬兆.8086/8088和基于RAM核汇编语言程序设计.第二版.合肥:中国科学技术大学出版社.2012 6张晨曦,王志英,张春元,戴蔡,肖晓强.计算机体系结构.高等教育出版社，2004 7李文兵.计算机组成原理(第二版）.清华大学出版社,2002指导教师签字教研室主任签字 2014年 11 月 18 日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日摘要本设计采用的系统是DJ-CPTH型计算机组成原理实验系统，采用总线结构，并采用模块结构化设计，提供了两种实验模式:1.手动模式2.自动运行。系统提供两种控制器方式，即微程序控制器和组合逻辑控制器。本次使用的是微程序控制器。本次课程设计正是用到了用户设计指令/微指令的功能。设计的内容简要如下:1. 带进位加法:ADDC A,#*;ADDC A,R?;ADDC A,*;ADDC A,R?;2. 带进位减法:SUBC A,#*;SUBC A,R?;SUBC A,*;SUBC A,R?;3. 辅助指令:MOV A,#*;MOV *,A;MOV R?,#*;MOV R?,#*;关键字:指令系统，微程序，计算机组成原理，DJ-CPTH目录1原理介绍11.1实验仪器逻辑图11.2功能简介11.3 微程序控制器22 实验环境介绍32.1 模型机的总体结构32.2 模型机的组成32.3 模型机的寻址方式43 系统设计及实现53.1 设计思路53.2 指令设计详述63.3 实验过程114 总结144.1设计体会144.2设计改进14参考文献151原理介绍1.1实验仪器逻辑图图1-1 DJ-CPTH超强型计算机组成原理教学实验系统逻辑时序图1.2功能简介 表1-1 数据输出功能表表1-2 运算器功能控制X2 X1 X0输出寄存器0 0 0IN_OE 外部输入门0 0 1IA_OE 中断向量0 1 0ST_OE 堆栈寄存器0 1 1PC_OE PC寄存器1 0 0D_OE 直通门1 0 1R_OE 右移门1 1 0L_OE 左移门1 1 1没有输出S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1A-W 减0 1 0A|W 或0 1 1A & W 与1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1A-W-C 带进位减1 1 0A A取反1 1 1A 输出A表1-3 其余功能简介XRD外部设备读信号MAROEMAR地址输出EMWR存储器写允许MARENMAR写允许EMRD存储器读允许OUTENOUT寄存器写允许EMEN存储器接数据总线STEN堆栈寄存器写使能PCOEPC地址输出RRD通用寄存器读允许IRENIR,uPC写允许RWR通用寄存器写允许EINT清除中断寄存器值CN移位是否带进位ELP预置允许FEN标志寄存器(存标志位)AEN选通A(A可写)WEN选通W(W可写)以上三个表格正是本次课程设计的模型机功能简介，课程设计中的微指令功能正是由这些功能参数结合完成的。1.3 微程序控制器本次课程设计是由模型机作为一个整体来实验，由前面的实验课程中可以得知，此模型机可以手动由开关输入输出；现在应切换至由软件介入控制。J1接入J2，使系统处于非手动状态；控制方式又原先的逻辑控制切换至“微程序控制”，还有一个切换至CPTH控制的开关。最后，就是连接电脑和仪器的串行口。142 实验环境介绍2.1 模型机的总体结构要设计指令就要了解本次实验的环境，以便于设计指令。CPTH 模型机包括了一个标准CPU 所具备所有部件，这些部件包括：运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD 来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。以上功能在原理介绍部分已经涉及，就不再赘述模型机为8 位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。相比而言8 位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被理解、吸收。模型机的指令码为8 位，根据指令类型的不同，可以有0 到2 个操作数。指令码的最低两位用来选择R0-R3 寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。因此指令的设计就受限于四个状态周期之中。2.2 模型机的组成CPTH计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成。实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器W、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展单元、总线接口区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、管理单片机、24个按键、字符式LCD、RS232。2.3 模型机的寻址方式寻址方式尤为重要，寻址方式的多寡决定了指令的实现方式，而本模型机所提供的寻址方式有以下五种。累加器寻址：操作数为累加器A，例如“CPL A”是将累加器A 值取反，还有些指令是隐含寻址累加器A，例如“OUT”是将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT。寄存器寻址：参与运算的数据在R0-R3 的寄存器中，例如 “ADD A，R0”指令是将寄存器R0 的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。寄存器间接寻址：参与运算的数据在存储器EM 中，数据的地址在寄存器R0-R3中，如 “MOV A，R1”指令是将寄存器R1 的值做为地址，把存储器EM 中该地址的内容送入累加器A中。存储器直接寻址：参与运算的数据在存储器EM 中，数据的地址为指令的操作数。例如“AND A，40H”指令是将存储器EM 中40H 单元的数据与累加器A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。立即数寻址：参与运算的数据为指令的操作数。例如 “SUB A，#10H”是从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。以上五种寻址方式的具体实现就在系统设计里具体介绍。3 系统设计及实现3.1 设计思路本设计项目的内容是带进位的加减法指令实现，由此可知，为了测试项目就需要其他的指令辅助。带进位的加减法需要四种寻址方式，为了测试这四种寻址方式，也要借由四种存储指令将操作数存入其中。我选取的四种寻址方式：寄存器寻址，内存寻址，立即数寻址，寄存器间接寻址。经过一系列的实验，以及模型机的指令结构描述。基本上，组成每个指令的微指令中的最后一个为CBFFFF，原因如下：单看高8位“CB”代表EMRD，PCOE，IREN为低电平(使能状态)，PCOE将地址送到地址线端，由EMRD功能得到了指令，IREN将指令存入IR寄存器当中，同时，uPC的值也与IR的相同。PCEMIRuPCADD BUS图3-1 指令读取CBFFFF完成了读取指令的功能，是设计过程中最为重要的环节，本指令系统基本上每条指令中都有这个微指令，可见其重要性。若具体到带进位加减法的设计，那就是按照指令本身着手，比如ADDC A,#?，这个是实现将立即数和寄存器A相加在存入A的功能。构思如下:Step1:根据立即数为操作数，首先找到存放的地方EM(内存)。Step2:实现加法操作，需要ALU的帮助，而其中的累加器A是我们的另一个操作数，现在的步骤正是将立即数存入另一个寄存器W中。Step3:A中的数与W中的数相加，送入数据缓冲器，再将数据缓冲器中的内容写入寄存器A。Step4:读取下一条指令。以上只是想法，真实的实现步骤可能并不是按照所述发展。具体见设计详述。现在讲述辅助指令的构成：四种寻址方式的Move指令。为了实现加减法，需要这样的辅助指令，至于输入输出指令，构思的时候并没有涉及，主要就是节省设计时间；但就一个指令系统而言，那是必需的；否则，无法实现交互。项目里没有实现的原因也很简单，就是CPTH实验仪已经实现了各个部件数据的显示。3.2 指令设计详述按照思路，首先就是实现指令的书写。在设计指令时，我们把ADDC A,#?称为助记符，其中ADDC就是名称，A是左操作数，而#?是右操作数。在CPTH微程序设计软件中，提供了相应的功能。机器码的选择也可以交由设计者自行选择。请注意，指令集