模型计算机的设计论文

1、 设计（论文）专用纸 第 1 页目录目录1模型机设计方案及步骤模型机设计方案及步骤.21.1设计方案设计方案.22指令格式指令格式.42.1指令格式指令格式.42.2指令集指令集.53数据通路数据通路.64指令操作流程指令操作流程.65微操作控制信号的逻辑表达式微操作控制信号的逻辑表达式.146微信号简化微信号简化.187微信号电路图微信号电路图.188模型机微控制信号连线图模型机微控制信号连线图.199总结与体会总结与体会.2010附录附录 .20 设计（论文）专用纸 第 2 页模型计算机的设计模型计算机的设计1模型机设计方案及步骤模型机设计方案及步骤1.1 设计方案设计方案本次课程设计主要

2、任务是设计一模型计算机并利用组合逻辑控制器或微程序进行设计，且至少实现 4 条 CPU 指令（从ADD，SUB，XOR，AND，OR 中选择） 。在此我选择使用组合逻辑控制器（硬连线）方式设计，并实现ADD，SUB，AND，OR 四条指令。四条指令意义如下：ADD数学计算两个数的和SUB数学计算两个数的差AND逻辑运算两个数的并OR逻辑运算两个数的或对于以上设计的理由如下：1.对于方式的选取我们选取硬连线实现，因为此次我们设计的 设计（论文）专用纸 第 3 页模型机较为简单，而且采用元件较少，我们采用硬连线可以使用最少的元件从而取得较高的操作速度。2.对于字长的选取，多方面考虑后，基于资源和设

3、计的需要可以采用八位字长。由于共有四条指令，为了满足选取所以选取其中2 位作为 OP 操作，由于在对数的操作中不仅涉及到对数据的存储还会牵连到指令的操作，在此指令的操作有四条指令所以必须有四个储存单元，加上存储数据的一个单元，一共需要五个单元，再由于计算机存储字长值的限制，选不出 5 个存储单元的字长。所以至少为 3 位，其中给出的是 8 个存储单元，对于寄存器，只有一个数据需要存储，所以 1 位就行了，但是考虑到计算机存储的限制，所以我们可以把后 3 位扩展给它。所以共有 8 位。其中 3 位表示内存单元地址，用 3 位表示寄存器编号。加上两个必须的寄存器，其中寄存器有 R0、R1、PC、I

4、R。3.对于内存的选取我们在实际过程中买不到这么小的内存，所以实际操作中可以将前几位置零（接地） ，用后几位表示即可。最终根据以上理由我们规定它有 8 位的数据线 D7：0，执行4 条指令，每条指令的长度为 1byte，因而它有 6 位的地址线A5：0 。它可以存取的存储器为 64byte（1byte=8bits）我们为该 CPU 定义以下寄存器： 设计（论文）专用纸 第 4 页 地址寄存器 AR5：0， 保存 6 位地址。程序计数器 PC5：0，保存下一条指令的地址。数据寄存器 DR7：0，接受指令和存储器来的数据。指令寄存器 IR1：0，存储指令操作码。1.2 设计步骤设计步骤1）定义指令

5、集以及指令格式；2) 构造数据通路（含控制门和微操作） ；3) 根据 CPU 的结构，画出指令操作流程图；4) 编排指令操作时间表，即把指令操作流程图中的微操作落实到不同的 CPU 周期和节拍中；5) 根据全部指令的指令操作流程，写出每个微操作控制信号的逻辑表达式；6) 综合、化简微操作逻辑式；7) 用与、或、非等门电路画出产生微控制信号的逻辑控制电路。【2】2指令格式指令格式2.1 指令格式指令格式 设计（论文）专用纸 第 5 页由以上分析可知由于指令总数为 4 ，所以用 2 位可以表示所有指令，采用二地址指令，指令格式为： 7 6 5 3 2 0OP（2位）位）A1（3 位）位）A2（3

6、位）位）2.2 指令集指令集具体详解如下： 7 6 5 3 2 0OP（2位）位）A1（3 位）位）A2（3 位）位） 00-ADD 01-SUB IR7-IR6 10-AND 11-OR用指令中的 3 位表示内存单元地址，用 3 位表示寄存器编号，000表示 R0,001 表示 R1。其中 AS为储存器地址，AR为寄存器地址。其中 ADD 的指令格式为： 00AS（3 位）AR（3 位） 设计（论文）专用纸 第 6 页SUB 的指令格式为：01AS（3 位）AR（3 位）AND 的指令格式为：10AS（3 位）AR（3 位）OR 的指令格式为：11AS（3 位）AR（3 位）由上可知其助记，

7、功能如下：ADD AS AR AS+ARASSUB AS AR AS-ARASAND AS AR AS&ARASOR AS AR AS | ARAS3数据数据通路通路4指令操作流程指令操作流程时序控制：时序控制： 设计（论文）专用纸 第 7 页采用同步控制方式，用定长指令周期方案。采用 3 个 CPU 周期分别是IF、DOF、EXE，每 CPU 周期有 4 个等宽度的节拍电位，每个节拍电位有1 个节拍脉冲指令执行流程：指令执行流程：(A).指令 ADD R0，(R1)指令（RS 型指令）的执行流程 指令功能：(R0)+(R1)(R1) 即把 R0 的内容为地址的数据和 R1 的内容为地

8、址的地址的单元的 设计（论文）专用纸 第 8 页数据相加，结果放在(R1)所指向的内存单元中1) 取指周期 IF 的执行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作数周期 DOF 的执行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 执行周期 EXE 的执行流程EXET0：AddT1：ALU-BUS,BUS-Ri 设计（论文）专用纸 第 9 页T2：

9、NOP(空操作)T3：1-IFCPU 周期节拍电位微操作T0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0AddT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF(B).指令 SUB R0，(R1)的执行流程 该指令的功能：(R0)-(R1)(R1)即把 R0 的内容为地址的数据和 R1 的内容为地址的地址的单元的 设计（论文）专用纸 第 1

10、0 页数据相减，结果放在(R1)所指向的内存单元中该指令流程为：1) 取指周期 IF 的执行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作数周期 DOF 的执行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 执行周期 EXE 的执行流程EXET0：Sub 设计（论文）专用纸 第 11 页T1：ALU-BUS,BUS-RiT2：NOP(空操作)T3：1-

11、IFCP 周期节拍电位微操作T0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0SubT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF(C). 指令 AND R0，(R1)的执行流程 该指令的功能：(R0)&(R1)(R1) 设计（论文）专用纸 第 12 页即把 R0 的内容为地址的数据和 R1 的内容为地址的地址的单元的数据相与，结

12、果放在(R1)所指向的内存单元中该指令的执行流程为：1) 取指周期 IF 的执行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作数周期 DOF 的执行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 执行周期 EXE 的执行流程EXE 设计（论文）专用纸 第 13 页T0：AndT1：ALU-BUS,BUS-RiT2：NOP(空操作)T3：1-IFCPU

13、周期节拍电位微操作T0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0AndT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF (D). 指令 OR R0，(R1)的执行流程 设计（论文）专用纸 第 14 页 该指令的功能：(R0)|(R1)(R1)即把 R0 的内容为地址的数据和 R1 的内容为地址的地址的单元的数据求或，结果放在(R1)所指

14、向的内存单元中该指令的执行流程为：1) 取指周期 IF 的执行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作数周期 DOF 的执行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 执行周期 EXE 的执行流程 设计（论文）专用纸 第 15 页EXET0：OrT1：ALU-BUS,BUS-RiT2：NOP(空操作)T3：1-IFCPU 周期节拍电位微操作T

15、0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0OrT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF 设计（论文）专用纸 第 16 页5微操作控制信号的逻辑表达式微操作控制信号的逻辑表达式PC BUSORANDSUBADD0000TIFTIFTIFTIFBUSPCBUSAR11110000TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFAD

16、DORTIFANDTIFSUBTIFADDTIFARBUSBUS LA00000000TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDLABUSClear0000TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDclear1 C0000001TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDC Add 00000TEXEADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDAdd READ 22221111TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDREAD 设计（论文）专用纸 第 17 页 AL

17、U BUS 11111111TEXEORTEXEANDTEXESUBTEXEADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDBUSALU BUS PC 1111TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDPCBUS DR BUS 33332222TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDBUSDR BUS IR2222TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDIRBUS IR_Addr BUS 1111_TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDBUSAddrIR BUS LB 3333TDOFORTDOFANDT

18、DOFSUBTDOFADDLBIBUS BUS Ri 1111TEXEORTEXEANDTEXESUBTEXEADDRiBUS Ri BUS 0000TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDBUSRi 1 DOF 33331TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDDOF 设计（论文）专用纸 第 18 页 1 EXE33331TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDEXE 1 IF33331TEXEORTEXEANDTEXESUBTEXEADDIF6微信号简化微信号简化T3 EXE = IF 1T3DOF = EXE 1T3IF = DOF 1BUS) R1 BUS, R0再 再再再再( T0 DOF = BUS RiR1) BUS R0, BUS再 再再再再( T1 EXE = Ri BUST3 DOF= LB BUST1 DOF= BUS IR_Addr T2 IF = IR BUST3 DOF +T2 IF = BUS DRT1IF= PC BUST1 EXE+T1IF = BUS ALUT2 DOF+T1IF = READT0 EXEADD+T0 IF = AddT0IF = C0 1T0; IF =Clear + T0 IF = AR BUST0; IF = BUS PC1TDOF7微信号电路图微信号电路图 设计（论文）专用纸 第 19