[工学]计算机组成原理课程设计.doc

计算机组成原理课程设计 1 需求分析1.1 课程设计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 课程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）。

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）1.3 TDN-CM++计算机组成原理实验教学系统特点TDN-CM++计算机组成原理实验教学系统，由西安唐都科教仪器公司生产，具备支持开放式实验教学方法的结构特点实验采用负逻辑模式，即灯亮为“0”，灯灭为“1”系统采用部件单元式结构，包括运算器、存储器、控制器、信号及时序控制、内总线、外总线、外围接口及输入输出设备、大规模可编程逻辑器件等计算机功能部件的单元电路系统所具有的软硬件结构对用户的实验设计具有完全的开放性，其数据线、地址线、控制线都是由用户来实施连接，系统中的运算器结构、控制器结构及微程序指令的格式及定义均可由用户根据教学需要来灵活改变或重新设计1.4 微指令格式分析微指令格式如下表：表1-1 微代码定义S3 S2 S1 S0 M CN WEA9 A8ABCμA5～μA024 23 22 21 20 191817 1615 14 1312 11 109 8 76 5 4 3 2 1每个字段的具体含义如下：（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算术运算逻辑运算无进位有进位M001CN10×（2）字段18为控制对主存W/R的开关A9A8WE说明010对主存进行对操作011对主存进行写操作 （3）字段17、16控制24译码器的输出端，对Y0、Y1、Y2进行选择A9A8Yi操作说明00Y0选中SW-BINPUT UNIT的开关01Y1选中CEMAIN MEN 的控制片选开关10Y2选中LED-BOUTPUT UNIT 的开关11×NULL（4）字段15～7为A、B、C三个开关控制端A字段151413开关说明001LDDRi控制寄存器Ri的写入010LDDR1暂存器DR1的控制开关011LDDR2暂存器DR2的控制开关100LDIR指令寄存器IR的控制开关101LOAD非自动输入的数据装载入PC计数器的控制开关110LDAR地址寄存器AR的控制开关000NULL空操作B字段121110开关说明001RS-B寄存器R0、R1、R2的输出开关010RD-B寄存器R0、R1、R2的输出开关011RI-B寄存器R0、R1、R2的输出开关101ALU-B运算器ALU的输出开关110PC-BPC计数器的输出开关100299-B本设计中不涉及001NULL空操作C字段987开关说明001P(1)指令译码器中的P(1)为低电平有效010P(2)指令译码器中的P(2)为低电平有效011P(3)指令译码器中的P(3)为低电平有效100P(4)指令译码器中的P(4)为低电平有效110LDPC将自动输入的数据加1后输入到PC计数器中的控制开关101AR本设计中不涉及001NULL空操作（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。

1.5 指令译码电路分析指令译码原理工作图如下：图1.1 指令译码原理图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表示能够强置改变入口地址的后五位根据上图得出指令译码器的逻辑表达式如下：拟定机器指令通过上式即可算出每条子程序的入口地址1.6 寄存器译码电路分析寄存器译码原理图如下：图1.2 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1.6.1 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LDRiI1I0LDR0000LDR1001LDR20101.6.2 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～I0对寄存器进行选择，决定从哪个寄存器输出指令R0-BRS-BRI-BI3I2I1I0R0-B011XX0010100XXR1-B011XX0110101XXR2-B011XX1010110XX110XXXX1.7 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。

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进行控制图1.3 时序信号图2 总体设计2.1 数据格式和机器指令描述2.1.1 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：76543210数值数据的范围是0～28，即0～2552.1.2机器指令描述机器指令描述见下表：表2-1 机器指令描述指令类别指令名称指令格式助记符寻址方式说明输入输出类指令输入指令76543210OPR2IN R2寄存器寻址IN→R2输出指令76543210OPOUT Addr直接寻址[Addr]→LED-B存储器访问指令取数指令76543210OPR076543210AddrLDA addr,R0直接寻址[addr]→R0存数指令76543210OPR076543210AddrSTA R0,addr直接寻址R0→[addr]寄存器间传送指令76543210OPR2R0MOV R2,R0寄存器寻址R2→ R0无条件转移76543210OP76543210AddrJMP addr立即寻址Addr → PC停机指令76543210OPSTP程序到此处终止算术加法指令76543210OPR0R076543210AddrADD R0,Addr,R0直接寻址R0+[Addr]→ R0逻辑与运算指令76543210OPR0R076543210AddrAND Rs,Addr,Rd直接寻址R0*[Addr]→ R02.2 机器指令设计2.2.1 控制台指令PC计数器在用清零开关CLR清零后，通过控制台开始进行机器指令的读写和执行，此处将00Q的后继地址设为20（即010000）。

此时只有P(4)有效，即P(4)=0,P(1)=P(2)=P(3)=1强置改变有一个特点，当SEi为1时无效，不能改变；只有SEi为0时，才能对该位上的数进行改变；但只能由0变成1，而不能逆转1） 强置写指令当进行机器指令写入时，将SWB,SWA置成01状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址SE5=1SE4=1SE3=1SE2=1SE1=0SE5～SE2均无效，只有SE1有效，即可得出100000改变为100001，即强置写的入口地址为412）强制写指令当进行机器指令写入时，将SWB,SWA置成00状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址SE5=1SE4=1SE3=1SE2=1SE1=1SE5～SE1均无效，不能对 100000进行改变，即强置写的入口地址为403） 程序执行指令当进行机器指令写入时，将SWB,SWA置成11状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址SE5=1SE4=1SE3=1SE2=0SE1=0SE5～SE3均无效，SE2和SE1有效，即可得出100000改变为100011，即强置写的入口地址为432.2.2 运行微程序机器指令PC计数器在用清。