工学计算机组成原理课程设计

1、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

2、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

3、）。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

4、式如下表：表1-1 微代码定义S3 S2 S1 S0 M CN WEA9 A8ABCA5A024 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2419控制运算器的控制端，通过改变S3CN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-BI

5、NPUT 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11NULL（4）字段157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-

6、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61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

7、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I3I0)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。LDRiI1I0LDR0000LDR

8、1001LDR20101.6.2 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。I3I0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

9、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028，即0255。2.1.2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INR2输出指令76543210OPOUT Addr直接寻址AddrLED-B存储器访问指令取数指令76543210

10、OPR076543210AddrLDA addr,R0直接寻址addrR0存数指令76543210OPR076543210AddrSTAR0,addr直接寻址R0addr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

11、,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=0SE5SE2均无效，只有SE1有效，即

12、可得出100000改变为100001，即强置写的入口地址为41。（2）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=1SE5SE1均无效，不能对 100000进行改变，即强置写的入口地址为40。（3） 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=0SE5SE3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43。2.2.2 运行微程序机器

13、指令PC计数器在用清零开关CLR清零后，通过控制台进入机器指令执行状态，然后开始运行微程序。此时只有P(1)有效，即P(1)=0,P(2)=P(3)=P(4)=1，且SWB,SWA仍为11。此处将运行P(1)的上一步微指令的后继地址设为20（即010000），应用指令译码器的逻辑表达式对其进行改变得出微程序入口地址。由于决定入口地址的只有机器指令的前四位(即I7I4)，则通过拟定其先得出入口地址，并检验拟定的前四位是否合理，如下表所示。表2-2 机器指令前四位机器指令名称指令前四位SE5SE1入口地址备注IN000011111010000即20根据机器指令前四位得出的入口地址没有重复，说明机器

14、指令前四位拟定合理。ADD000111110010001即21STA001011101010010即22LDA001111100010011即23AND010011011010100即24MOV010111010010101即25OUT011111000010011即27JMP100010111011000即30STP100110110011001即31根据寄存器译码分析可以得出机器指令的后四位。指令名称指令后四位说明IN0010“INPUT DEVICE”R0ADD0000R0+AddrR0STAR0AddrLDAAddrR0ANDR0*AddrR0MOV1000R2R0OUT0000指令执

15、行时不涉及寄存器的访问JMPSTP通过以上可得出完整的机器指令，如下表所示。表2-3 机器指令码助记符机器指令码说明IN R200000010INR2ADD R0,Addr,R000010000R0+Addr R0xxxxxxxxSTAR0,addr00100000R0addrxxxxxxxxLDA addr,R000110000addrR0xxxxxxxxAND Rs,Addr,Rd01000000R0*Addr R0xxxxxxxxMOV R2,R001011000R2 R0OUT Addr01110000AddrLED-BxxxxxxxxJMP addr10000000Addr PCxx

16、xxxxxxSTP10010000程序到此处终止3 详细设计3.1 控制台微程序流程的详细设计3.1.1公操作00对机器进行总清零CLR 1-0-1。40S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 10 0 00 0 01 0 0NULLP(4)选中P(4)，通过译码形成入口地址。3.1.2 强置写形成入口地址后，执行写操作。1.41S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPC44（1）打开PC-B将数据送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；4

17、6（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。2.S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 00 1 00 0 00 0 0NULLSW-BLDDR1NULL （1）打开SW-B将数据送到总线上，（2）打开LDDR1将数据从总线流到DR1中。3.S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 110 10 0 01 0 10 0 0F=AWECENULLALU-BNULL（1）打开ALU-B将数据送到总线上，其间DR1中的数据相当于在ALU中做F=A的运算；3.1.3 强置读形成入口地址后，执行写操作。401.42S3 S2 S

18、1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPC45（1）打开PC-B将数据送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。2.S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 10 1 00 0 00 0 0NULLWECELDDR1NULL （1）打开CE、WE置成00状态，将数据从主存送到总线；（2）打开LDDR1将数据从总线流到DR1中。3S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 111 00

19、 0 01 0 10 0 0F=ANULLLED-BNULLALU-BNULL（1）打开ALU-B将数据送到总线上，其间DR1中的数据相当于在ALU中做F=A的运算；（2）打开LED-B，数据从总线流到输出单元，在数码管上显示出来，完成数据读操作。3.1.4 执行程序形成入口地址后，开始执行程序。43S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 10 0 00 0 00 0 0NULL所有都为空操作，只是要通过后继地址转入到运行微程 序的流程中。3.1.5 控制台流程图综合以上所有操作，即可得出控制台的总流程图。图3.1 控制台流程图3.2 运行微程序流程的详

20、细设计3.2.1 公操作0201从控制台强制执行流程，开始运行微程序。对运行微程序来说，所有的子流程都要运行取指的公操作，然后才能进行各自的操作。1.20S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPC（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令操作码地址）送到 总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 11 0 00 0 00 0 1NULLWECELDIRNULL

21、P(1)2 （1）打开CE、WE置成00状态，对主存进行读操作，访问AR中保存地址的地址单元中指令；（2）打开LDIR，将主存中被访问的地址单元中指令送到IR；（3）选中P(1)，根据刚保存到IR中的指令，通过指令译码器，形成执行该指令的微程序入口地址。3.2.2 IN指令操作完成公操作后，根据形成的入口地址运行IN指令操作。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 00 0 1 0 0 00 0 0NULLSW-BLDRiNULL P(1)SWR2（1）打开SW-B，将“INPUT DEVICE”中输入的数据流 到总线上；（2）打开LDRi，根据IN指令

22、的后两位决定让数据从总 线上进入到目的寄存器R2中。3.2.3 MOV指令操作完成公操作后，根据形成的入口地址运行MOV指令操作。MOVP(1)R2R02501S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 10 0 10 1 10 0 0NULLLDRiRI-BNULL（1）打开RS-B，根据MOV指令的I3、I2打开原始寄 存器R2 输出门让其中保存的数据，流到总线上；（2）打开LDRi，根据指令的后两位打开目的寄存器R0 输入门，让数据从总线上进入到R0中。3.2.4 ADD指令操作完成公操作后，根据形成的入口微地址运行ADD指令操作。1S3 S2 S1

23、S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPC（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码 地址）送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；P(1)PCARPC+1RAMBUSBUSARRAMBUSBUSDRR0DR1(DR1)+(DR2)R0ADD210103040506（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 0NULLWECELDARNULL 2（1）打开CE、WE置成00状态，将

24、数据（指令 地址码）从主存送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中。3S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 10 1 10 0 00 0 0NULLWECELDDR2NULL （1）打开CE、WE置成00状态，根据AR中保存 的指令地址码，在主存相同地址单元中，读出 其中保存的操作数，并放置到总线上；（2）打开LDDR2将数据从总线流到DR2中。4S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 0NULLLDDR1RS-BNULL（1）打开RS-B，根据MOV指令的I3、I2决定

25、打开哪个原始寄存 Rs输出门让其中保存的操作数，流到总线上；（2）打开LDDR1，让操作数经由总线进入到DR1中5S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC1 0 0 1 0 1 01 10 0 11 0 10 0 0F=A+BNULLLDRiALU-BNULL（1） 将ALU的控制端S3CN置成F=A+B，对两数进行运算，打开ALU-B将运算结果送到总线上；（2） 打开LDRi，根据指令的后两位打开目的寄存器R0的输入门，让数据从总线上进入R0中。3.2.5 AND指令操作P(1)PCARPC+1RAMBUSBUSARRAMBUSBUSDR2R0DR1(DR1)*(DR2)RAND

26、241314151601 完成公操作后，根据形成的入口地址运行AND指令操作。1S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPC（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码 地址）送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。2S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 0NULLWECELDARNULL 打开CE、WE置成00状态，将数据（指令 地址码）从主存 送到总线上；

27、3S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 10 1 10 0 00 0 0NULLWECELDDR2NULL （1） 打开CE、WE置成00状态，根据AR中保存的指令地址码，在主存相同地址单元中，读出其中保存的操作数，并放置到总线上；（2） 打开LDDR2将数据从总线流到DR2中。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 0NULLLDDR1RS-BNULL4 （1）打开RS-B，根据MOV指令的I3、I2决定打开哪个原始寄存器Rs输出门让其中保存的操作数，流到总线上；（2）打开LDDR

28、1，让操作数经由总线进入到DR中。5S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC1 0 1 1 1 0 01 10 0 11 0 10 0 0F=ABNULLLDRiALU-BNULL（1） 将ALU的控制端S3CN置成F=AB，对两数进行运算，打开ALU-B将运算结果送到总线上；（2）打开LDRi，根据指令的后两位打开目的寄存器R0的输入门，让数据从总线上进入Rd中。3.2.6 STA指令操作完成完成公操作后，根据形成的入口地址运行STA指令操作。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BL

29、DPCP(1)PCARPC+1RAMBUSBUSARR0BUSBUSRAMSTA220710011.（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码地 址）送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。2S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 0NULLWECELDARNULL （1）打开CE、WE置成00状态，将数据（指令地 址码）从主存送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 0001

30、0 0 00 0 10 0 0NULLWECENULLRS-BNULL3（1） 打开RS-B，根据指令的I3、I2决定打开哪个原始寄存器Rs 输出门让其中保存的数据，流到总线上；（2） 打开CE、WE置成01状态，根据AR中保存的指令地址码，让总线上的数据流到主存相应地址单元中，完成数据写操作。3.2.7 LDA指令操作完成公操作后，根据形成的入口地址运行LDA指令操作。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPCP(1)PCARPC+1RAMBUSBUSARRAMBUSBUSR0LDA2311

31、12011（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码地址） 送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。2S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 0NULLWECELDARNULL （1）打开CE、WE置成00状态，将数据（指令地址 码）从主存送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中。3S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 10 0 1 0 0 00 0 0NULLWECELDRiNULL（1） 将该地址下的数

32、据存入R0中。3.2.8 OUT指令操作完成公操作后，根据形成的入口地址运行OUT指令操作。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 011 00 0 00 0 10 0 0NULLNULLLED-BNULLRS-BNULLP(1)R0LEDOUT2701打开LED-B，结果从总线流到输出单元，在数码管 上显示出来，完成数据读操作。3.2.9 JMP指令操作完成公操作后，根据形成的入口地址运行JMP指令操作。130P(1)PCARPC+1RAMBUSBUSPCJMP0133S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 11 1 0

33、1 1 01 1 0NULLLDARPC-BLDPC（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码地 址）送到总线上；（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。2S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 000 110 1 0 0 01 1 0NULLWECELOADNULL LDPC（1）打开CE、WE置成00状态，将数据（指令 地址码）从主存送到总线上；（2） 打开LOAD、LDPC，将数据经由总线流到PC中,由于不是自动输入，因而不会产生自动加1的效果。3.2.10 STP指令操作完成公操作后，根据形成的入口地

34、址运行STP指令操作。S3 S2 S1 S0 M CNWEA9 A8ABC0 0 0 0 0 001 10 0 00 0 00 0 0NULLP(1)31所有字段为空操作，只是其后继地址设为本身，进行死循环从而达到停机目的。3.3 运行微程序流程图3.4 微程序二进制代码表表4-1微程序二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8 A B CuA5-uA0 000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 01 0 0 0 0 0 010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0 020 0 0 0 0 0 0

35、0 11 0 00 0 00 0 10 1 0 0 0 0 03 0 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 0 0 0 0 1 0 1 050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 0 0 0 0 1 1 0 061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 0 0 0 0 0 0 1 070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 100 0 0 0 0 0 0 0 10 0 00 0 10 0 0

36、 0 0 0 0 0 1 110 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 0 0 0 1 0 1 0 120 0 0 0 0 0 0 0 10 0 10 0 00 0 0 0 0 0 0 0 1 130 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 0 0 0 1 1 0 0 140 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 150 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 0 0 0 1 1 1 0 161 0 1 1 1 0 0 1 10 0 11 0 10 0 0 0 0 0 0 0 1 200

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