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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通用寄存器设计一、设计实验条件综合楼 808 实验室二、设计任务及要求总的设计目标是：设计一个 8 位的模型机，其组成为：总线结构:单总线，数据总线位数 8 位、地址总线 8 位； 存储器:内存容量 64K*8bit 控制器:用硬联线控制器实现 26 位微操作控制信号 运算器:单累加器，实现加、减等 8 种操作外设： 输入：用
2、开关输入二进制量 输出：7 段数码管和 LED 显示指令系统规模：64 条指令，7 种类型，5 种寻址方式本组任务是：1. 设计 12、15、22、32 号指令；2. 模型机的通用寄存器 R1 设计；3. BCD 编码器的设计。三、设计报告的内容1. 设计题目与设计任务（设计任务书）设计内容如下：1、 指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数 II 加入累加器 A 中带进位SUB A, EM 从 A 中减去存储器 EM 地址的值AND A, R? 累加器 A“与”间址存储器的值MOV A, #II 将立即数 II 送到累加器 A 中2、 模型机硬件设计：通用寄存器 R13、 逻辑电路设计
3、：BCD 码编码器2. 前言（绪论）(设计的目的、意义等)1. 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；2. 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；3. 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（各部分设计内容、分析、结论等）【系统设计】1、 模型机逻辑框图图 1 模拟机整体逻辑框图 图 2 XCV200 芯片引脚图 3 CPU 逻辑框图2、 指令系统设计No.12：
4、 ADDC A, #II 将立即数 II 加入累加器 A 中带进位助记符： ADDC A, #II类型： 算数运算指令寻址方式： 立即数寻址指令格式： 第一字节 001011XX第二字节 立即数No.15： SUB A, EM 从 A 中减去存储器 EM 地址的值助记符： SUB A, EM类型： 算数运算指令寻址方式： 存储器直接寻址指令格式： 第一字节 001110XX第二字节 存储地址No.22： AND A, R? 累加器 A“与”间址存储器的值助记符： AND A, R?类型： 算数运算指令寻址方式： 寄存器间接寻址指令格式： 第一字节 010101XXNo.32： MOV A, #
5、II 将立即数 II 送到累加器 A 中助记符： MOV A, #II类型： 数据传送指令寻址方式： 立即数寻址指令格式： 第一字节 011111XX 第二字节 立即数3、 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 DBUW 接通，有 EMWR 和 EMRD 决定是将 DBUS 数据写到 EM 中，还是从 EM 中读出数据到 DBUS 。6
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，与指令寄存器的 IR3,IR2 位结合，控制程序跳转。9.FSTC： 进位置 1，CY=1 。10.FCLC：进位置 0，CY=0 。11. MAREN：将数据总线 DBUS 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.OUTER：将数据总线 DBUS 上的数据送到输出端口寄存器 OUT 里。14.STEN：将数据总线上的数据存入对战寄存器 T 中。15.RRD：读寄
7、存器组 R0-R3，寄存器的选择有指令的最低两位决定。16.RWR：写寄存器组 R0-R3，寄存器的选择有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.FEN：将标志位存入 ALU 内部的标志寄存器。19.WEN：将数据总线 DBUS 的值打入累加器 A 中。20.AEN：将数据总线 DBUS 的值打入累加器 A 中。21-23：X2X0: X2X0 三位组合来译码选择将数据送到 DBUS 上的寄存器。24-26：S2-S0 ：三位组合决定 ALU 做何种运算。4、 指令执行流程1指令 12 ：ADDC A, #IIADDC A, #II
8、指令分析表助记符 功能 机器码周期总数CT节拍数 微操作 控制信号 涉及硬件T2 PCMAR PCOE MARENT1 EMW EMEN EMRD WEN_FATCH_ 取指令 000000XX 010T0 WIRPC + 1 IRENPC, MAR , EM, W , IRT5 PCMAR PCOE MARENT4 EMWPC+1 EMEN EMRD WENADDC A, #II将立即数II 加入累加器 A 中带进位001011XX 101T3 A+W+CinA S=100 X=100 AENPC, MAR, EM, W, A,ALU, F 图 4 ADDC A, #II 的指令流程2 指令
9、 15：SUB A, EMMOV A, #II 指令分析表助记符 功能 机器码周期总数CT节拍数 微操作 控制信号 涉及硬件T2 PCMAR PCOE MARENT1 EMW EMEN EMRD WEN_FATCH_ 取指令 000000XX 010T0 WIRPC + 1 IRENPC, MAR , EM, W , IRT5 PCMAR PCOE MARENT4 EMW EMEN EMRD WENMOV A, #II将立即数II 送到累加器 A 中011111XX 101T3 WA AENPC, MAR, EM, W, A,ALU译码或测试PCMAREMWWIR PC+1PCPCMAREMW
10、， PC+1PC+1开始A+W+CinAT5T4T3PCOE MARENEMEN EMRD WENIRENT2T1T0PCOE MARENEMEN EMRD WENS=100 X=100 AEN 图 5 MOV A, #II 指令执行流程2 指令 22：AND A，R?AND A，R? 指令分析表助记符 功能 机器码周期总数CT节拍数 微操作 控制信号 涉及硬件T2 PCMAR PCOE MARENT1 EMW EMEN EMRD WEN_FATCH_ 取指令 000000XX 010T0 WIRPC + 1 IRENPC, MAR , EM, W , IRT5 RMAR RRDT4 EMDB
11、USW EMEN EMRD WENAND A, R?累加器A“与”间址存储器的值010101XX 101T3 A+WA S=000 X=100AENR, DBUS, MAR, EM, W,A ALU,FPCMAREMWWIR PC+1PC译码或测试PCMAREMW开始A+WAT5T4T3PCOE MARENEMEN EMRD WENAENPCOE MARENEMEN EMRD WENIRENT2T1T0 图 6 AND A，R? 指令执行流程2 指令 32：MOV A, #IIMOV A, #II 指令分析表助记符 功能 机器码周期总数CT节拍数 微操作 控制信号 涉及硬件T2 PCMAR P
12、COE MARENT1 EMW EMEN EMRD WEN_FATCH_ 取指令 000000XX 010T0 WIRPC + 1 IRENPC, MAR , EM, W , IRT5 PCMAR PCOE MARENT4 EMW EMEN EMRD WENMOV A, #II将立即数II 送到累加器 A 中011111XX 101T3 WA AENPC, MAR, EM, W, A,ALUPCMAREMWWIR PC+1PC译码或测试RMAREMDBUSW开始A+WAT5T4T3RRDEMEN EMRD WENS=000 X=100 AENPCOE MARENEMEN EMRD WENIRE
13、NT2T1T0 图 7 MOV A, #II 指令执行流程5、 组合逻辑控制器设计第 12、15、22、32 号指令操作时序表M0 M1控制信号T2 T1 T0 T5 T4 T3XRDEMWREMRD ALL 12,15,22,32PCOE ALL 12,15,32EMEN ALL 12,15,22,32IREN ALLEINTELPFSTCFCLCMAREN ALL 12,15,32MAROEOUTERPCMAREMWWIR PC+1PC译码或测试PCMAREMDBUSW开始A+WAT5T4T3PCOE MARENEMEN EMRD WENAENPCOE MARENEMEN EMRD WEN
14、IRENT2T1T0STENRRD 22RWRCNFENWEN ALL 12,15,22,32AEN 12,15,22,32X2-X0 12(100),22(100)S2-S0 12(100),22(000)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+M1*T4PCOE=M0*T2+(INS12+INS15+INS32)*M1*T5EMEN=M0*T1+M1*T4IREN=M0*T0MAREN=M0*T2+(INS12+INS15+INS32)*M1*T5RRD=M1*T5WEN=M0*T1+M1*
15、T4AEN=M1*T3X=(INS12+INS22)*M1*T3*(100)2S=INS12*M1*T3* + INS22*M1*T3*(100)2 (000)2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：6 位，对应 64 条微指令转移控制字段：2 位，用于控制下址的形成。微命令字段（5 位） 543210 10图 8 微指令格式修改逻辑为:A =INS15*(P=1)R3A =INS22*(P=1)+(INS15+INS32)*(P=2)R2A =INS32*(P=1)+(INS22)*(P=2)R0图 9 微程序流程【系统实现】1、 模型机实现（1） 逻辑电路的图形符号表示、功能图 10 通用寄存器 R 逻辑电路（2） 指令所涉及的微
