计算机组成原理设计(十条指令).doc

1 关于此次课程设计 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）。 2 分析阶段 2.1 微指令格式分析 微指令格式如下表： 表2-1 微代码定义 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。 （2）字段18为控制对主存W/R的开关 （3）字段17、16控制24译码器的输出端，对Y0、Y1、Y2进行选择。 （4）字段15～7为A、B、C三个开关控制端。 A字段 B字段 C字段 （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。 2.2指令译码电路分析 指令译码工作原理图如下： 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。 2.3 寄存器译码电路分析 寄存器译码原理图如下。 图2.2 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。 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。 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、I2对寄存器进行选择，决定从哪个寄存器 输出指令；从原理图上可以得出R2-B的输出，若RI- B有效则无需关注I3、I2因而I3、I2可为任意状态。 2.4 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。 图2.3 时序信号图 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。 3 初步设计阶段 3.1 数据格式和机器指令描述 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： "7 "6 "5 "4 "3 "2 "1 "0 " "数值 " 数据的范围是0～28，即0～255。 机器指令描述 机器指令描述见下表。 表3-1 机器指令描述 "指令 "指令 "指令格式 "助记符 "寻址方 "说明 " "类别 "名称 " " "式 " " "输 "输入 " "IN Rd "寄存器 "IN Rd " "入 "指令 " " "寻址 " " "输 " " " " " " "出 " " " " " " "类 " " " " " " "指 " " " " " " "令 " " " " " " " "输出 " "OUT Addr "直接寻 "[Addr] LED-B " " "指令 " " "址 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "存 "取数 " "LDA "直接寻 "[addr] Rd " "储 "指令 " "addr,Rd "址 " " 【计算机组成原理设计】课程设计的目标在于让学生在学习了《计算机组成原理》后，通过设计一个8位指令系统结构（ISA）来深化理解计算机组成原理的理论知识，并培养实际问题解决能力。设计内容涵盖指令系统风格、数据类型、存储器划分、寻址方式、指令格式和功能类别等多个方面。学生需要利用计算机组成原理、数字逻辑和汇编语言的知识，设计并实现一个能够完成特定功能的计算机系统。 在分析阶段，首先需要考虑微指令格式。例如，微指令的字段24～19用于控制运算器的操作，字段18控制主存的读写，字段17、16选择译码器输出，字段15～7控制开关，而字段6～1则是微程序的后续地址。这涉及到对微程序设计的掌握，以及如何通过微指令控制计算机各个部件的协同工作。 指令译码电路分析则涉及如何根据机器指令的前六位和特定信号来确定子程序的入口地址。例如，P(1)～P(4)是低电平有效，I7～I2表示指令的高位，SE5～SE1用于强制改变入口地址的后五位。通过逻辑表达式计算，可以确定每条指令对应的操作流程。 寄存器译码电路分析中，了解寄存器的输入和输出控制，如LDRi用于输入，RS-B、RD-B、RI-B用于输出，并且这些操作受机器指令的后四位影响。寄存器的选择和数据流向取决于输入/输出开关和特定的机器指令位。 时序分析是关键，T1、T2、T3、T4等节拍控制端用于协调整个计算机系统的工作步骤。例如，T4节拍用于识别指令操作，P(1)对操作码进行测试，确保正确执行所需的指令。 在初步设计阶段，需要确定数据格式和机器指令。在本设计中，数据以8位无符号整数表示，范围0到255。机器指令包括如IN和OUT等，用于输入输出，以及LDA等指令用于存储器访问。学生需要根据这些指令格式和功能，设计合适的指令集，满足系统需求。 这个课程设计涵盖了计算机系统的核心组件设计，包括指令系统、微指令格式、寻址方式、寄存器译码和时序控制等，要求学生能够综合运用理论知识解决实际问题，是计算机科学与技术专业的重要实践环节。