计算机组成原理-中央处理器(CPU)模型设计课程设计

1、课程设计报告课程名称 计算机组成原理 设计题目 中央处理器（CPU）模型设计实验日期 2012-12-18至2013-1-10指导教师 系 名 计算机科学系 专 业 计算机科学与技术 班 级 10 计科1班 姓 名 学 号 目录1 系统分析11.1 设计背景11.2 设计目标12 设计题目及要求12.1 设计目的12.2 使用设备22.3 设计说明22.4 设计内容33 设计详细步骤43.1 数据通路43.1.1 数据通路设计43.1.2 数据通路分析43.2 指令系统53.2.1 指令分类53.2.2 指令格式63.2.3 指令汇总94.3 指令执行流程及其方框图114.3.1 机器周期和节

2、拍114.3.2 指令执行流程的方框图114.3.3 微操作节拍安排134 心得体会19中央处理器（CPU）模型设计 1 系统分析 1.1 设计背景此次课程设计，是在通过计算机组成原理理论课和几次实验课的学习基础上，尝试设计一个简单的模型机指令系统，并设计出模型机的数据通路以及指令系统的指令执行流程。 1.2 设计目标 设计一个模型计算机的指令系统及指令执行流程。指令系统要支持简单的寻址方式，并且包括算术逻辑类指令、逻辑运算类指令、数据传送类指令、堆栈操作指令、程序控制类指令、I/O输入/输出指令、标志位置位清零指令；指令执行流程则要给出微操作的时间安排。2 设计题目及要求 2.1 设计目的通

3、过课程设计，进一步加深对中央处理器的结构和功能的理解，初步掌握中央处理器的设计方法和步骤，为今后从事计算机系统设计打下初步的基础。 2.2 使用设备 PC机一台 2.3 设计说明CPU性能指标： CPU字长8位； 数据总线：8位； 地址总线：8位，最大寻址空间为256字； I/O独立编址，4位地址码，最大支持16个I/O端口； 时钟：1MHz 机器周期： 4个时钟周期； CPU输出的控制信号：/MR、/MW、/IOR、/IOWCPU基本构成：运算器：功能参考74LS181（正逻辑）；微操作信号发生器：采用组合逻辑控制方式；时钟电路与时序发生器。CPU主要寄存器：ALU锁存器X、Y，指令不可访问

4、；ALU输出移位器，采用三选一数据选择器实现，具有直通、左移1位、右移1位的功能；通用寄存器组R0R7；SP：堆栈指针；IR：指令寄存器；PC：程序计数器，具有+1功能；FLAG：标志寄存器，8位，能独立置位或清零；DR：数据缓冲寄存器，双向，指令不可访问；AR：地址寄存器，单向，指令不可访问。2.4 设计内容设计模型机的数据通路；设计一个功能相对完整的指令系统：算术运算类指令(加、减、增1、减1)；逻辑运算符指令(与、或、非、异或、移位运算);数据传送类指令；堆栈操作指令；程序控制类指令(相对转移、绝对转移、子程序调用、子程序返回)；I/O输入/输出指令；标志位置位、清零指令；设计指令执行流

5、程及其方框图。 2.5 设计要求指令系统： 指令长度为单字节和双字节两种；操作码长度固定；支持立即寻址、直接寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址等方式；设计指令执行流程，给出微操作的时间安排。3 设计详细步骤 3.1 数据通路 3.1.1 数据通路设计 3.1.2 数据通路分析取指令数据通路分析PCARMEMDRIRPC+1PC指令执行通路分析 Ri op Rj RiRi XRj YF Ri (Ri) RjRi ARdata DR RjRi (Rj)Rj ARRi DR M 3.2 指令系统 3.2.1 指令分类 指令按不同的分类方法可划分为： 按指令长度划分为单字指令和双字指令；按操作数划分

6、为无操作数指令、单操作数指令、双操作数指令；按指令的功能和执行步骤划分为三组：A组：在取指后一步完成。 基本指令：NOP，ADD，SUB，INC，DEC，AND，OR，XOR，SHL，SHR，MVRR，JR，JRC，JRNC，JRZ，JRNZ 扩展指令：ADC，SBB，NOT，RCL，RCR，ASR，JMPR，STC，CLCB组：在取指后两步完成。 基本指令： MVRD，LDRR，STRR，PUSH，POP，JMPA，RET，IN，OUT扩展指令：CALRC组：在取指后三步完成。基本指令：CALA 3.2.2 指令格式 模型机支持单字和双字指令，第一个指令字的高8位为指令操作码字段，低8位和双

7、字指令的第二个字为操作数、地址字段，共有三种格式:操作码DR SRI/O 端口地址/相对偏移量立即数，直接存储器地址 根据指令长度、操作数不同划分为5种：单字、无操作数指令格式：操作码000 000基本指令：NOP ；空操作RET ；子程序返回扩展指令：STC ；置进位标志位CCLC ；清进位标志位C单字、单操作数指令格式：操作码DR 000000 SROFFECTI/O Port基本指令：INC DR ；DRDR1DEC DR ；DRDR1SHL DR ；DR逻辑左移SHR DR ；DR逻辑右移JR OFFSET ；无条件转移到ADRJRC OFFSET ；当C=1时转移到ADRJRNC O

8、FFSET ；当C=0时转移到ADRJRZ OFFSET ；当Z=1时转移到ADRJRNZ OFFSET ；当Z=0时转移到ADR PUSH SR ；SR入栈POP DR ；弹出栈顶数据送入DRIN I/O port ；I/O端口输入OUT I/O port ；I/O端口输出扩展指令：NOT DR ；DRRCL DR ；DR与C循环左移 RCR DR ；DR与C循环右移 ASR DR ；DR算术右移，最高位保持不变，最高位移入C JMPR SR ；无条件转移到SR指向的地址 CALR SR ；调用SR指向的子程序单字，双操作数指令格式：操作码DRSR基本指令：ADD DR,SR ；DRDRSR

9、SUB DR,SR ；DRDRSRAND DR,SR ；DRDRSROR DR,SR ；DRDRSRXOR DR,SR ；DRDRSR MVRR DR,SR ；DRSRLDRR DR,SR ；DRSRSTRR DR,SR ；DRSR扩展指令：ADC DR,SR ；DRDRSRCSBB DR,SR ；DRDRSRC双字、单操作数指令格式：操作码0000ADR基本指令;JMPA ADR ；无条件转移到地址ADRCALA ADR ；调用首地址为ADR的子程序双字、双操作数指令格式：操作码(6位)DR SRDATA/ADR基本指令：MVRD DR,DATA ；DRDATA3.2.3 指令汇总基本指令指

10、令类型指令格式汇编语言操作数个数C Z V S功能说明A组0000 0000NOP0* * * *空操作0001 DRSRADD DR,SR2* * * *DRDRSR0010 DRSRSUB DR,SR2* * * *DRDRSR0011 DRSRAND DR,SR2* * * *DRDRSR0100 DRSRXOR DR,SR2* * * *DRDRSR0101 DRSRMVRR DR,SR2 DRSR100001 DRINC DR1* * * *DRDR1100010 DRDEC DR1* * * *DRDR1100011 DRSHL DR1* DRDR*2100100 DRSHR DR

11、1* DRDR/2100101 OFFSETJR ADR1 无条件跳转的ADR100110 OFFSETJRC ADR1 C=1时跳转的ADR100111 OFFSETJRNC ADR1 C=0时跳转的ADR101000 OFFSETJRZ ADR1 Z=1时跳转的ADR101001 OFFSETJRNZ ADR1 Z=0时跳转的ADRB组101010 DRDATA(8位)MVRD DR,DATA2 DRDATA0110 DRSRLDRR DR,SR2 DRSR0111 DRSRSTRR DR,SR2 DRSR101011 SRPUSH SR1 SR入栈101100 DRPOP DR1 DR出

12、栈101101 00ADR(8位)JMPA ADR1 无条件跳转到ADR101110 00RET0 子程序返回101111 I/O portIN I/O port1 ROI/O port110000 I/O portOUT I/O port1 I/O portR0C组110001 00ADR(8位)CALA ADR1 调用首地址为ADR的子程序说明：表中CZVS一栏，*表示该标志位在指令执行后被重置，表示该标志位不受指令执行的影响。 4.3 指令执行流程及其方框图4.3.1 机器周期和节拍 取指周期FT；取源操作数周期ST；取目的操作数周期DT；执行周期ET。节拍：P1P4。4.3.2 指令执

13、行流程的方框图4.3.3 微操作节拍安排取指令周期T1：OPC=1，LAR=1T2：MEMR=1，OPC=1，OPALU+1=1T3：LPC=1T4：LDR2=1，ODR1=1，LIR=1指令NOP执行周期T1：T2：T3：T4：指令ADD Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令SUB Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPSUB=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令INC Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPSUB=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令D

14、EC Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPDEC=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令AND Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPAND=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令OR Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPOR=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令XOR Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPXOR=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令SHL Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPSHL=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令SHR

15、Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPSHR=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令MVRR Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LRj=1T2：T3：T4：指令JR OFFSET执行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRC OFFSET执行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRNC OFFSET执行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRZ

16、 OFFSET执行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRNZ OFFSET执行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令ADC Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPADC=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令SBB Ri，Rj执行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPSBB=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令NOT Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPNOT=1T

17、2：OF=1，LRi=1T3：T4：(21)指令RCL Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPRCL=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：(22)指令RCR Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPRCR=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：(23)指令ASR Ri执行周期T1：ORi=1，LX=1，OPASR=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：(24)指令JMPR Rj执行周期T1：ORj=1，LPC=1T2：T3：T4：(25)指令STC执行周期T1：OFLAG=1，LX=1，OPSTC=1T2：OF=1，LFLAG=1T3：T4：(26)指令CLC执行周期T1：OFLAG=1，LX=1，OPCLC=1T2：OF=1，LFLAG=1T3：T4：6.2 微操作节拍安排表根据表可列出每个微操作命令的初始逻辑表达式，经化简，整理便可获得能用现成电路实现微操作命令逻辑表达式。例如，跟据表可写出M(MAR)MDR微命令的逻辑表达式：M(