八位模型機設計實驗報告

1、華 北 電 力 大 學實 驗 報 告| 實驗名稱 8位模型機的設計 課程名稱 計算機組成與結構 | 專業(yè)班級： 成 績： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 實驗日期：2015.11.28華 北 電 力 大 學 實 驗 報 告目錄一、摘要二、前言三、設計目的、任務與內容3.1設計目的 根據(jù)計算機組成原理課程所學知識，設計一個8位的模型計算機。3.2設計任務3.3設計內容四、八位模型機整體設計4.1總體結構4.2指令系統(tǒng)4.3運算器4.4存儲器4.5控制器4.6指令流程圖和操作時間表4.7微指令碼五、實驗感想與討論六、參考文獻一、摘要模型機采用微程序控制原理。包括運算器，存儲器，控制器等部分。選用

2、兩片SN74181串行進位方式形成運算器，運用微程序控制各部件單元的產(chǎn)生控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能，通過繪制指令流程圖，編寫指令時間表，設計微指令格式等實現(xiàn)了具體的微程序控制。 關鍵字： 模型機 微程序設計 二、前言計算機組成原理是計算機科學專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課,內容包括計算機部件和整機的組成與工作原理由于課程的專業(yè)性很強、概念繁雜抽象,8位模型機的設計有助于我們理解計算機整機的工作原理，讓我們從設計角度來理解計算機的結構與工作原理。組成CPU的基本部件有運算部件、寄存器組、微命令產(chǎn)生部件等。這些部件通過CPU內部的總線連接起來，實現(xiàn)它們之間的信息交換。其中，運算部件和一部分寄存器屬于

3、運算器部分；另一部分寄存器、微命令產(chǎn)生部件和微程序控制器等則屬于控制器部分。八位模型計算機的設計過程，包含通過內總線連接各基本功能單元模塊構成數(shù)據(jù)通路，給出完備的指令系統(tǒng)，運算器的實現(xiàn)方式，用微指令設計計算機指令系統(tǒng)。三、設計目的、任務與內容3.1設計目的根據(jù)計算機組成原理課程所學知識，設計一個8位的模型計算機。1 掌握計算機的基本組成和功能；2 掌握計算機各大部件的功能與設計方法；3 深入學習計算機各類典型指令的執(zhí)行流程；4 深入學習微程序控制器的原理和設計過程；5 掌握微程序的設計方法，學會編寫二進制微指令代碼表；6 綜合運用所學知識，在掌握部件單元電路設計的基礎上，進一步構造一臺基本的模

4、型計算機， 建立計算機整機概念；7 通過本次設計，理論聯(lián)系實踐，進一步加強學生分析問題、解決問題的能力，提高自身硬件設計水平。3.2設計任務1 查閱文獻資料，一般在5篇以上；2 以TEC-XP教學實驗計算機系統(tǒng)為背景，通過調研、分析現(xiàn)有的模型機，建立8位的整機模型；3 完成8位模型機的整機設計和各部件的具體設計；4 撰寫設計報告書；做好答辯工作。3.3設計內容1 8位模型機總體結構的設計；主要是數(shù)據(jù)通路的設計或選擇，要說明如下內容：1)寄存器的位數(shù)2)總線寬度3)ALU位數(shù)及運算功能4)微命令的設置（各標識的含義）；2 擬定指令系統(tǒng)； 要考慮指令的完備性、有效性、規(guī)整性；主要說明系統(tǒng)包括哪些指

5、令以及指令格式，尋址方式。3 控制器的選擇； 采用微程序控制器。4 繪制指令流程圖；5 安排指令操作時間表，設計微指令格式；6 編寫微程序；7 了解并說明模型機的輸入/輸出模塊；8 各部件設計時，說明部件中數(shù)據(jù)和控制信號的來源、去向、功能、時序、以及部件之間數(shù)據(jù)和控制信號的來源、去向、功能和時序等。4.1總體結構 總體結構設計的內容包含確定各部件設置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結構。在此基礎上，就可以擬出各種信息傳送路徑，以及為實現(xiàn)這些傳送所需要的微命令。4.1.1 數(shù)據(jù)格式一個字的8位二進制位采用自右至左的次序編號，如圖3.1所示。 7 6 5 4 3 2 1 0 圖 實驗模型計算機數(shù)據(jù)格式一個字

6、中的8位可以是：不帶符號的二進制非負整數(shù)，表示的數(shù)的范圍是0X281用補碼表示的帶符號二進制整數(shù)，能表示的數(shù)的范圍是27X271地址常數(shù)，能表示的地址寫成十六進制時是：00FF字符數(shù)據(jù)，即ASCII編碼4.1.2 寄存器1.寄存器 （1）可編程寄存器（8位） 通用寄存器：R0 、R1 程序計數(shù)器：PC 堆棧指針：SP （2）非編程寄存器（8位） 暫存器C：暫存來自主存的源地址或源操作數(shù)。 暫存器D：暫存來自主存的目的操作數(shù)地址或目的操作數(shù)。 指令寄存器IR：存放現(xiàn)行指令。 地址寄存器MAR：提供CPU訪問主存的地址。 數(shù)據(jù)緩沖寄存器MBR：與數(shù)據(jù)總線雙向連接，存儲數(shù)據(jù)、控制命令與操作。2.運算

7、部件 （1）運算部件以算術、邏輯運算部件ALU為核心，采用兩片4位的SN74181（負邏輯）芯片，由微命令M、S0、S1、S2、S3選擇ALU操作功能，C0是送入最末尾的進位信號。 （2）ALU輸入端設置A、B兩個多路選擇器，用以選擇數(shù)據(jù)來源，具體見數(shù)據(jù)通路圖3.總線與數(shù)據(jù)通路結構 （1）內總線：八根單向數(shù)據(jù)傳送線，連接到有關寄存器對應的D輸入端。 （2）系統(tǒng)總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。 模型機的數(shù)據(jù)通路4.各類信息的傳送路徑讀出置入 （1）指令信息傳送 M 數(shù)據(jù)總線 IR（2）地址信息打入 1）取指信息： PC 選擇器 A ALU 移位器 內總線 MAR 2）順序執(zhí)行時的后繼指令地址

8、：打入ALU 移位器 內總線 PC PC A C0 3）操作數(shù)地址 打入寄存器間址尋址方式：（R） Ri A(或B) ALU 移位器 內總線 MAR 打入 變址方式： 位移量 A（或B） ALU移位器內總線MAR 變址寄存器B(或A) （3）數(shù)據(jù)信息傳送寄存器 寄存器 1）Ri A(或B) ALU 移位器 內總線 Rj 寄存器 主存2） Ri ALU MBR 數(shù)據(jù)總線 M 主存 寄存器置入打入讀出3） M 數(shù)據(jù)總線 MBR ALU Rj 打入讀出、置入主存 主存 4） C ALU MBR M（目的單元）M（源單元） MBR ALU C 5） 5.微命令設置 （1）（2）移位器功能選擇：直傳DM

9、、左移、右移 （3）分配脈沖：CPR0、CP R1、CPMAR、CPMBR、CPPC、CPSP、CPC、CPD（4）與系統(tǒng)總線及主存有關的微命令：EMAR、SMBR、SIR、R、W4.2指令系統(tǒng)1. 指令格式（8位） 7 6 5 4 3 2 1 0操作碼寄存器號尋址方式寄存器號尋址方式 目的 源 67位表示操作碼，決定操作指令類型；35位表示目的操作數(shù)，3位表示尋址方式，0表示寄存器尋址，可用的寄存器有R0 、R1 、PC、SP，1表示變址尋址方式，可用的寄存器有R0 、R1 、PC、SP，4、5位表示寄存器號；02位表示源操作數(shù)，0位表示尋址方式，0表示寄存器尋址，可用的寄存器有R0 、R1

10、 、PC、SP，1表示變址尋址方式，可用的寄存器有R0 、R1 、PC、SP，1、2位表示寄存器號。可編程寄存器（4個）：通用寄存器 R0 00 R1 01堆棧指針 SP 10程序計數(shù)器 PC 112.尋址方式 (1) 模型機的編址為按字編址,字長8位，即主存每個單元8位 (2）采用定字長指令格式，指令字長8位，操作數(shù)字長8位 （3）使用2種尋址方式，尋址方式0是寄存器尋址方式，為1是間接尋址方式 3.操作類型 （1）傳送指令：MOV傳送，操作碼00 （2）雙操作數(shù)算數(shù)邏輯指令：ADD加法運算，操作碼01(3)單操作數(shù)算數(shù)邏輯指令：NEG求補，操作碼10(4) 轉移指令JMP無條件轉移，操作碼

11、114.3運算器1.運算器的組成結構 （1）運算器使用的2片SN74181（負邏輯）組成，采用組內并行組間串行進位的方法，共8位，其組成圖如下：(2) 運算器功能實現(xiàn)表工作方式選擇S3S2S1S0負邏輯正邏輯邏輯運算(M=1)算術運算(M=0)Cn=0無進位算術運算(M=0)Cn=1有進位邏輯運算(M=1)算術運算(M=0)Cn=0無進位算術運算(M=0)Cn=1有進位0000A減1AAA加10001AB減1ABA+B（A+B）加10010+BA減1ABA+（A+）加100111減100減100100A加(A+)A加(A+)加1A加(A)A加A加10101AB加(A+)AB加(A+)加1(A+

12、B)加A（A+B）加A加10110A減B減1A減BABA減B減1A減B0111A+A+(A+)加1AA減1A1000BA加(A+B)A加(A+B)加1+BA加ABA加AB加11001ABA加BA加B加1A加BA加B加11010BA加(A+B)A加(A+B)加1B（A+）加AB（A+）加AB加11011A+BA+B(A+B)加1ABAB減1AB11000A加A*A加A加11A加A*A加A加11101AAB加AAB加A加1A+(A+B)加A(A+B)加A加11110ABA加AA加A加1A+B（A+）加A(A+)加A加11111AAA加1AA減1A4.4存儲器主存基本組成如下所示，根據(jù)MAR中的地址

13、訪問某個存儲單元時，先經(jīng)過地址譯碼、驅動等電路找到所需訪問的單元，讀出時，需經(jīng)過放大器將被選中單元的存儲字送到MDR，寫入時，MDR中的數(shù)據(jù)也必須經(jīng)過寫入電路才能真正寫入到被選中的單元中。4.5控制器4.5.1基本原理（1） 將控制器所需的微指令，以代碼（微碼）形式編成微指令，存入一個用ROM構成的控制器中。（2） 將各種機器指令的操作分解為若干微操作序列。每條微指令包含的微命令控制，實現(xiàn)一步操作。若干條微指令組成一小段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令。4.5.2控制器邏輯組成（1） 控制存儲器CM這個存儲器用來存放微程序，所存儲的內容是控制機器操作的微命令。在CPU工作時CM只讀不寫，以確保重要

14、的微程序內容不被破壞。（2） 微指令寄存器IR它分為兩大部分：一部分提供微命令的微操作控制字段；另一部分稱為順序控制字段，它指明后繼微指令地址的形成方式，用以控制微程序的連續(xù)執(zhí)行。（3） 微地址形成電路一般依據(jù)下述幾種信息中的一部分去形成后繼微地址：1.現(xiàn)行微指令中順序控制字段；2.現(xiàn)行微指令地址；3.微程序轉移時的微地址；4機器指令有關代；5.機器運行狀態(tài)等。（4） 微地址寄存器AR在從CM中讀取微指令時，微地址寄存器中保存著CM的地址（即微地址），指向相應的CM單元。4.5.3機器指令的讀取與執(zhí)行（1） 在微程序中有一條或兩三條微指令，其微命令實現(xiàn)取指操作，可稱為“取機器指令用的微指令”，

15、屬于微程序中的公用部分。（2） 根據(jù)機器指令中的操作碼，通過微地址形成的電路，找到與該機器指令所對應的微程序入口地址。（3） 逐條取出對應的微程序，每一條微指令提供一個微命令序列，控制有關的操作。執(zhí)行完一條微指令后，根據(jù)微地址形成方法產(chǎn)生后繼微地址，讀取下一條微指令。（4） 執(zhí)行完對應于一條機器指令的一段微程序后，返回到“取機器指令用的微指令”，開始又一個機器指令周期。4.5.4微指令的編碼方式采用直接控制法的編制方式。4.5.5微程序的順序控制方式1.初始微地址的形成每一種機器指令由一段對應的微程序解釋執(zhí)行，其入口就是我們所說的初始微地址。（） 取機器指令設置一小段公用的“取機器指令的微程序

16、”，實現(xiàn)取指操作。這段微程序可以從單元或者其他特定單元開始。（） 功能轉移取出機器指令后，根據(jù)指令代碼轉換成微程序段的入口地址，稱為功能轉移。一級功能轉移：根據(jù)指令操作碼，一次轉移到相應微程序入口。2.微程序的設計針對模型機數(shù)據(jù)通路結構的需要，將微操作控制字段分為三個部分：（1）基本數(shù)據(jù)通路操作的控制字段，其中包含輸入選擇、ALU功能選擇、移位選擇、內總線輸出分配；（2）訪問主存的控制字段，其中包含地址選擇、讀寫控制；（3）輔助操作的控制字段，即將前兩類基本操作未能包括的其它零星操作（如開中斷、關中斷等）歸為一類，稱為輔助操作；3.時序系統(tǒng)的設計4、CPU控制流程 模型機微指令格式：AI(3)

17、BI(3)ALU(6)移位器（2）內總線（4）EMARSMBRSIRRW順序控制1.基本數(shù)據(jù)通路控制字段（1）AI：ALU的A輸入端選擇，3位000 無輸入001 R0 ->A010 R1 ->A011 C->A100 D->A 101 PC->A 110 SP->A（2）BI：ALU的B輸入端選擇，3位000 無輸入001 R0 ->B010 R1 ->B011 C->B100 D->B 101 MBR->B AI與BI字段都有一段編碼組合尚未定義，可供擴充微命令。（3）ALU：即ALU功能選擇信號MS3S2S1S0Cn，共6

18、位，采取直接控制法（4）移位器：2位 00 無操作 01 DM（直傳） 10 SR（右移） 11 SL（左移）（6）內總線輸出分配：4位 0000 無輸出，不發(fā)打入脈沖 0001 CPR0 0010 CPR1 0011 CPC 0100 CPD 0101 CPMAR 0110 CPMBR 0111 CPPC 1000 CPIR 1001 CPSP2.訪存操作控制字段EMAR: 1位，為1時由MAR向地址總線提供有效地址，為0時MAR與地址總線脫離。SMBR: 1位SIR: 1位R: 1位，為1時讀主存，同時作為EMAR。W: 1位，為1時寫入主存。以上五位采取直接控制法。若EMAR為0，CPU

19、不訪存，但可由DMA控制器提供地址。SMBR同理。若W與R均為0，則CPU不工作。3.順序控制字段SC，4位0000 微程序順序執(zhí)行0001 按指令操作碼OP斷定，分支轉移0010 無條件轉移，由微指令最高8位提供轉移微地址0011 按OP與DR（目的尋址方式是寄存器型或非寄存器型）斷定，分支轉移0100 按J（轉移成功與否）與PC（指令中指定寄存器是否為PC）斷定，分支轉移0101 按源尋址方式斷定，分支轉移0110 按目的尋址方式斷定，分支轉移0111 轉微子程序，將返回微地址存入一個專設的返回微地址寄存器中，并由微指令第 34-27位 提供微子程序入口，1000 從微子程序返回，由返回微

20、地址寄存器提供返回地址4.6操作流程圖和時間表 操作時間表(以寄存器間址為例)：MOV指令:FT0:EMAR R SIR PC->A, Y=A+1, DM CPC ST0:PC/Ri->A, Y=A DM CPMAR ST1:EMAR R SMBR MBR->B, Y=B, DM CPC DT0:Rj->A Y=A DM CPMAR ET0:C->A Y=A DM CPMBRET1:EMAR WET2:PC->A Y=A DM CPMARADD指令:FT0:EMAR R SIR PC-> A, Y=A+1, DM CPC ST0:PC/Ri->A

21、, Y=A DM CPMAR ST1:EMAR R SMAR MBR->B, Y=B, DM CPC DT0:Ri->A Y=A DM CPMAR DT1:EMAR R SMBR MBR->B Y=B DM CPD ET0:C->A D->B Y=A+B DM CPMBR ET1:EMAR WET2:PC->A Y=A DM CPMARNEG指令:FT0:EMAR R SIR PC->A, Y=A+1, DM CPC ST0:PC/Ri->A, Y=A DM CPMAR ST1:EMAR R SMAR MBR->B, Y=B, CPC DT

22、0:Ri->A Y=A DM CPMAR DT1:EMAR R SMBR MBR->B Y=B DM CPD ET0:Ri->A或C->A Y=0-A DM ET1:EMAR WET2：PC->A Y=A DM CPMARJMP指令:FT0:EMAR R SIR PC->A, Y=A+1, DM CPC ET0:Ri->A Y=A DM CPMARET1:Ri->A Y=A DM CPPC4.7微指令碼表：微指令碼（以MOV (R0),(R1) ；ADD (R0),(R1) ；NEG (R1) ；JMP (R0)為例）五、成員分工 我們團隊分工如下： 負責整體模型機的設計，微指令的書寫，論文整合。 負責第一部分總體結構的細化設計，答辯ppt的制作。 負責指令系統(tǒng)，運算器控制器的細化設計，答辯ppt的制作。 負責控制器的細化設計，答辯ppt的制作。 負責操作流程圖，時間表編寫。六、實驗感想與討論 通過本次實驗，我們熟悉了計算機的結構和基本組成，復習和掌握了課堂上學習的基本知識點，本次實驗是一個綜