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1、武汉理工大学计算机组成原理课程设计学 号： 课 程 设 计题 目不带进位的与或运算指令的实现学 院计算机科学与技术学院专 业计算机科学与技术班 级计算机科学与技术学院SY0901班姓 名 指导教师姚寒冰2011年6月30日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 计算机SY0901 班指导教师： 姚寒冰 工作单位：计算机科学与技术学院题 目: 基本模型机的设计不带进位的与或运算指令的实现初始条件：理论：学完“电工电子学”、“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、和“计算机组成原理”课程，掌握计算机组成原理实验平台的使用。实践：计算机学院科学系实验中心提供计算机、实验的软件、硬件平台，在实验中心硬件平台
2、验证设计结果。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、基本模型机系统分析与设计，利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务，从而建立清晰完整的整机概念。2、根据课程设计题目的要求，编制实验所需的程序，上机测试并分析所设计的程序。3、课程设计的书写报告应包括：（1）课程设计的题目。（2）设计的目的及设计原理。（3）根据设计要求给出模型机的逻辑框图。（4）设计指令系统，并分析指令格式。（5）设计微程序及其实现的方法（包括微指令格式的设计，后续微地址的产生方法以及微程序入口地址的形成）。（6）模型机当中时序的设计安排。（7）设计指令
3、执行流程。（8）给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序。（9）说明在使用软件HKCPT的联机方式与脱机方式的实现过程（包括编制程序中与或运算指令的时序分析，累加器A和有关寄存器、存储器的数据变化以及数据流程）。（10）课程设计总结（设计的特点、不足、收获与体会）。时间安排： 周一：熟悉相关资料。 周二：系统分析,设计程序。 周三、四：编程并上实验平台调试 周五：撰写课程设计报告。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日不带进位的与或运算指令的实现1. 设计目的及原理1.1 设计目的在本实验中，我们将规划读写内存，寄存器，数值计算等功能，并且编写相应的微程序。请具体
4、上机调试各个模块单元以便进一步掌握整机的概念。1.2 设计原理 在各个模块实验中，各模块的控制信号都是由实验者手动模拟产生的。而在真正的试验系统中，模型机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能。在本实验平台中，模型机从内存中取出，解释，执行机器指令都将由微指令和与之相配合时序来完成，即一条机器指令对应一个微程序。2. 模型机逻辑框图设计根据设计要求，对实验仪硬件资源进行逻辑组合，便可设计出该模型机的整机逻辑框图。如下图所示是比较典型的实验计算机整机逻辑框图。简单的模型计算机是由算术逻辑运算单元，微程序单元，堆栈寄存器单元，累加器，启停，时序单元，总线和存储器单元组成。其中运算器是由2片7
5、4LS181构成8位字长的ALU单元，2片74LS374作为两个数据锁存器(DR1,DR2),运算器的数据输出是由1片74LS244来控制的。微程序控制单元中8位微地址寄存器由2片74LS161组成，24位微指令锁存器由3片74LS374组成。在模型机中，我们将要实现RAM的读写指令，寄存器的读写指令，跳转指令，ALU的加、减、与、或指令。把通用寄存器作为累加器A，进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。3. 指令系统的设计及指令格式分析3.1 指令系统设计本实验平台内采用的是8位数据总线和8位地址总线方式。本次实验中所用到的指令类型有如下几种：1MOV A,#data 将立即
6、数传递到累加器A中2ANL A,#data 将累加器A中内容与立即数相与,结果送累加器A中3MOV Ri,#data 将立即数传递到寄存器Ri中4ADD A,Ri 累加器A中内容与寄存器Ri内容相加,结果送累加器A中5ORL A,#data 将累加器A中内容与立即数相或,结果送累加器A中6SUB A,Ri 累加器A中内容与寄存器Ri内容相减,结果送累加器A中7STA addr 将累加器A中内容写入存储器中8HALT 停机指令系统如下表：指令助记符指令功能指令编码微周期微操作取指微指令T0:PC-ABUS-RAMRAM-DBUS-IR1MOV A,#dataData-A5FT0:T1:RAM-D
7、BUS-A取指微指令ANL A,#data(A) 与data-ADFT0:T1:T2:T3:A-DBUS-DR1RAM-DBUS-DR2ALU-DBUS-A取指微指令MOV R0,#dataMOV R2,#dataData-Ri6C6ET0:T1:RAM-DBUS-A取指微指令ADD A,R0(A)+(R0)-A0CT0:T1:T2:T3:A-DBUS-DR1R0-DBUS-DR2ALU-DBUS-A取指微指令ORL A,#data(A) 或data-ACFT0:T1:T2:T3:A-DBUS-DR1RAM-DBUS-DR2ALU-DBUS-A取指微指令SUB A,R2(A)-(R2)-A1E
8、T0:T1:T2:T3:A-DBUS-DR1R2-DBUS-DR2ALU-DBUS-A取指微指令STA addr(A)-addr8FT0:T1:T2:RAM-DBUS-IR2IR2-ABUS,A-RAM取指微指令HALT停机FFT0:停机3.2 指令格式分析一般指令由操作码和地址码组成的，其形式如下：操作码地址码本次实验所涉及的指令格式有如下几种：MOV A,#data以及MOV Ri,#data都采用双字节指令,指令格式如下： I7I6I5I4I3I2I1I0D7D6D5D4D3D2D1D0 第1字节 操作码及Ri选择码 第2字节 dataANL A,#data采用单字节指令，指令格式如下：
9、 I7I6I5I4I3I2I1I0D7D6D5D4D3D2D1D0 第1字节 操作码 第2字节 dataORL A,#data采用单字节指令，指令格式如下： I7I6I5I4I3I2I1I0D7D6D5D4D3D2D1D0 第1字节 操作码 第2字节 dataADD A,Ri的指令格式如下：I7I6I5I4I3I2I1I0 操作码及Ri选择码SUB A,Ri的指令格式如下：I7I6I5I4I3I2I1I0操作码及Ri选择码STA addr采用双字节指令，指令格式如下：第1字节 操作码I7I6I5I4I3I2I1I0第2字节 操作数地址addrD7D6D5D4D3D2D1D0HALT的指令格式如
10、下：I7I6I5I4I3I2I1I0 操作码4. 微程序设计及实现方法4.1微指令格式的设计在本实验平台的硬件设计中，采用24位微指令，由于模型机指令系统规模较小，功能也不太复杂，所以采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。4.2微程序入口地址的形成在模型机中，用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地址MD0MD7,这种方法称为“按操作码散转”，如下表所示：微程序首地址形成MD7MD6MD5MD4MD3MD2MD1MD000I7I6I5I411按操作码散转指令操作码微程序首地址MD7、MD6I7I6I5I4MD1、MD0MD7MD0000001003H000011007H000101
11、00BH00011100FH001001013H001011017H00110101BH00111101FH010001023H010011027H01010102BH01011102FH011001033H011011037H01110103BH01111103FH4.3 后续微地址的产生方法由于本系统中指令系统规模不大，功能较简单，微指令采用全水平、不编码的方式，每一个微操作控制信号由一位微代码来表示，24位微代码至少可表示24个不同的微操作控制信号。用增量方式来控制微代码的运行顺序，每一条指令的微程序连续存放在微指令存储器连续的单元中。在本系统内，MLD为置微地址的控制信号，MCK为工作
12、脉冲。当MLD=0、MCK有上沿时，把MD0MD7的值作为微程序的地址，打入微地址寄存器。当MLD=1、MCK有上升沿时，微地址计数器自动加1。5. 模型机当中时序的设计安排由于模型机已经确定了指令系统，微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，微程序的入口地址采用操作码散转方式，微地址采用计数增量方式，所以可确定模型机中时序单元中所产生的每一拍的作用。在本实验中为了让实验者更好的观察实验的各个中间过程中各寄存器的值，由监控单元产生一个PLS-O的信号来控制时序产生。PLS-O信号经过时序单元的处理产生了4个脉冲信号。4个脉冲信号组成一个微周期，为不同的寄存器提供工作脉冲。PLS1:微地址寄存器的工作脉冲，用来设置微程序的首地址及微地址加1。PLS2:PC计数器的
