寄存器选择电路课程设计

1、东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院计算机组成原理课程设计专业名称计算机科学与技术班级学号学生姓名指导教师袁静波设计时间2014/12/222015/1/2课程设计任务书专业：计算机科学与技术 学号： 学生姓名（签名）： 设计题目：8位模型机设计指令系统及寄存器组设计一、设计实验条件综合实验室808二、设计任务及要求1. 10号指令；2. 20号指令；3. 26号指令；4. 45号指令；5. 寄存器组R0R3（入/出）选择电路；6. 2 多数表决器（4个人表决一个结果）三、设计报告的内容1. 设计题目与设计任务（设计任务书）题目：指令系统及寄存器组R0R3（入/出）选择电路1. 10号，20

2、号，26号，45号指令设计；2. 寄存器组R0R3（入/出）选择电路3. 多数表决器（4个人表决一个结果）2. 前言（绪论）融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。3. 设计主体【模型机设计】1. 指令系统设计：第10号指令： 助记符：ADDC A, R? 格式：操作码和地址码 操作码：ADDC 地址码：A, R? 功能

3、：将间址存储器的值加入累加器A中,带进位 寻址方式：存储器直接寻址第20号指令： 助记符：SUBC A, II 格式：操作码和地址码 操作码：SUBC 地址码：A, II 功能：从累加器A中减去立即数II，减进位 寻址方式：立即数寻址第26号指令： 助记符：OR A, R? 格式：操作码和地址码 操作码：OR 地址码：A, R? 功能：累加器A“或”间址存储器的值 寻址方式：存储器直接寻址第45号指令： 助记符：CLA 格式： 功能：A置0 ，即0A2. 模型机硬件设计：题目：寄存器组R0R3（入/出）选择电路功能：根据在SA、SB两个输入的四种组合情况下，.同时选中四个芯片其中之一的的oc、

4、clk两个引脚，达到片选的目的。3. 逻辑电路设计：题目：多数表决器（4个人表决一个结果）功能：四个人对同一件事进行表决，出现如下情况：1） 四个人都不同意，即三个输入信号都为0，这件事不通过，即输出为00；2） 其中一个人同意，三个人不同意，即输入信号为三个0，一个1，这件事不通过，即输出为00；3） 其中一个人同意，三个人不同意，即输入信号为三个0，一个1，这件事不通过，即输出为00；4） 其中二个人同意，二个人不同意，即输入信号为二个0，二个1，这件事不通过，即输出为00；5） 其中三个人同意，一个人不同意，即输入信号为一个0，三个1，这件事通过，即输出为11；6）四个人都同意，即输入信

5、号为四个1，这件事通过，即输出为11。【系统设计】1. 模型机逻辑框图图1 整机逻辑框图图2 芯片引脚逻辑框图图3 CPU逻辑框图2. 指令系统设计第10号指令： ADDC A, R? 指令类型：算术运算指令 指令格式：001001XX操作码R?操作码及R？的选择00,01,10,11 第20号指令： SUBC A, II 指令类型：算术运算指令 指令格式：010011XX操作码如：000110008位立即数 操作码及R？的选择00,01,10,11 第26号指令： OR A, R? 指令类型：逻辑运算指令 指令格式：011001XX操作码R?第45号指令： CLA 指令类型：非访内指令 指令

6、格式：101100XX操作码及R?的选择00,01,10,113. 微操作控制信号1、XRD ：外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。2、EMWR：程序存储器EM写信号。3、EMRD：程序存储器EM读信号。4、PCOE：将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上(MAR)。5、EMEN：将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD 决是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。6、IREN：将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR。7、EINT：中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。8、ELP：PC打入允许，与指令

7、寄存器IR3、IR2位结合，控制程序跳转。9、FSTC：进位置1，CY=110、FCLC：进位置0，CY=011、MAREN：将地址总线ABUS上的地址打入地址寄存器MAR。12、MAROE：将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。13、OUTEN：将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。14、STEN：将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。15、RRD：读寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。16、RWR：写寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。17、CN：决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。18、FE

8、N：将标志位存入ALU内部的标志寄存器。19、WEN：将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。20、AEN：将数据总线DBUS的值打入累加器A中。21-23: X2 X0 ： X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。 24-26: S2 S0 ： S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。4. 指令执行流程表2 指令简介编号助记符功能机器码周期总数CT节拍数微操作控制信号涉及的硬件1_FATCH_取指令000000XX10T2PCMARPCOE,MARENPC, MAR, EM, W , IRT1EMWEMEN,EMRD,WENT0WIRIRENPCPC+110A

9、DDC A,R?将间址存储器的值加入累加器A中,带进位001001XX101T5R?DBUSMARRRD,MAREN,X2 X0R, PC，DBUS, MAR, EM, A, W, ALU,FT4EMWPCPC+1PCOE EMEN,EMRD,WENT3ALU(A+W+Cin)DBUSAS2 S0,AEN,FEN20SUBC A, II从累加器A中减去立即数II，带进位010011XX101T5PCMARPCOE MARENPC, MAR, EM, W, A,ALU, F T4EMWPCPC+1PCOE EMEN EMRD WENT3ALU(A-W-Cin)DBUSAS2 S0,AEN,FEN

10、26OR A, R?累加器A“或”间址存储器的值011001XX101T5R?DBUSMARRRD,MAREN,X2 X0R,PC DBUS, MAR, EM, W,A,ALU,FT4EMW,PCPC+1PCOE EMEN, EMRD WENT3W OR ADBUSA S2 S0，AEN45CLAA置0 ，即0A101100XX100T4AWPCPC+1PCOE A, DBUS, W,ALUT3ALU(A-A)DBUSAS2 S0,AEN,FEN以流程图表示如下：RRD,MAREN,X2 X0R?DBUSMART5PCOEEMEN,EMRD,WENEMWPCPC+1T4ALU(A+W+Cin)

11、DBUSAT3S2 S0,AEN,FEN图4 第10号指令流程图PCOE MARENPCOE EMEN EMRDS2 S0 FEN AENT3T5T4ALU(A-W-Cin)DBUSEMDBUSWPC+1PCPCMARDI图5 第20条指令流程图RRD,MARENT5R?DBUSMAREMEN,EMRD,WENPC+1PC,EMWT4W ORADBUSAS2 S0,AEN,FENT3图6 第26号指令流程图AW PCPC+1PCOET4 S2 S0,AEN,FENALU(A-A)DBUST3图7 第45号指令流程图5. 组合逻辑控制器设计表2 第10、20、26、45号指令操作时序表控制信号M

12、0M1T2T1T0T5T4T3XRDEMWREMRDALL10,20,26PCOEALL2010,20,26,45EMENALL10,20,26IRENALLEINTELPFSTCFCLCMARENALL10,20,26MAROEOUTERSTENRRD10,26RWRCNFEN10,20,45WENALL10,20AEN10,20,26,45X2-X010,26S2-S010,20,26,45说明：依据指令执行流程，此处4条指令都被设计为2个指令周期，每个周期3个节拍。各控制信号逻辑表达式如下：EMRD =M0*T1+(INS10+INS20+INS26)*M1*T4PCOE=M0*T2+(

13、INS20)*M1*T5+(INS10+ INS20+INS26+INS45)*M1*T4EMEN=M0*T1+(INS10+INS20+INS26)*M1*T4IREN=M0*T0MAREN=M0*T2+(INS10+INS20+INS26)*M1*T5RRD=(INS10+ INS26)*M1*T5WEN=M0*T1+(INS10+ INS20)*M1*T4AEN=(INS10+INS20+INS26+INS45)*M1*T3其他信号恒逻辑表达式恒为假。6. 微程序控制器设计微指令格式分为三个字段：微命令字段：5位，对应26个微信号。下址字段：4位，转移控制字段：2位，用于控制下址的形成。微命令字段（5位）A3A2A1A0P