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1、 计算机SAP-1 设计与实现 按照数字计算机电子学Digital Computer Electronics）中SAP-1的设计，使用proteus仿真了SAP-1（simple as possible）计算机。能完成这个工作，首先要感谢网友杨志雄先生对我的帮助，他帮我解决了很多电路和使用proteus的问题。一. 系统架构按冯诺依曼型结构，计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。运算器和控制器组合称为中央处理部件或CPU。CPU的基本功能，是执行事先存放在主存储器中的程序。而控制器的任务，是识别、解释和控制（其他所有部件）执行程序中的每一条指令，并使整个系统运行在高度同步协调
2、的状态。运算器的功能是完成算术和逻辑运算。存储器用来存储程序和数据。为了解决实际问题，需要计算机执行人们为解改问题而编制的程序。为存储和执行程序，要求系统有足够的存储空间和可以接受的执行时间。从解题的角度看，作为系统的一个重要组成部分的存储器，必须在存储容量和存取速度方面达到系统总体设计的要求。理想的存储器，应当是大容量、高速度、低成本。为了发挥各种不同类型存储器的长处，避开其弱点，应把它们合理地组织起来，这就出现了存储系统层次结构的概念。实际计算机系统中的存储器层次结构如下图所示。 计算机中为什么要采用总线呢？主要目的是减少传输线总数以简化I/O系统的结构。例如有n个k位的部件相互要进行通信
3、，如果不采用总线结构而直接采用传输线互连起来，那么在一般情况下，n个部件必须以所有可能的方式连接，需要的专用通路数目为（n-1）*n/2，而每条通路为k位，则传输线位数总数为k*（n-1）*n/2；若n、k很大，则传输线总位数多的惊人。构成总线的位传输线的总数称为总线宽度。采用共享总线结构，n个k位部件要相互进行通信，只需要宽度为k为的总线就可以，且与n的大小无关，这就大大节省了传输线成本。如果计算机采用单总线结构，架构如下图：单总线结构SAP-1架构图： 在SAP-1中， 控制器包括：CON、PC、IR。存储器包括：MAR，PROM。运算器包括：累加器A、寄存器B，ALU。输出包括：输出寄存
4、器O、LED显示D。输入需要在计算机运行前，使用开关将数据存储到PROM中。其中累加器A、寄存器B属于存储系统，完全可以用PROM代替，而使用寄存器是了提高访问速度。MAR（存储器地址寄存器）缓存了PROM的地址，也是为了提高速度。IR用于缓存正在执行或即将执行的指令同样为了提高访问速度。PC(程序计数器)PC寄存器用于存储当前指令在ROM中的地址。在SAP-1中，PC为4位计数器，计数范围为00001111。当计算机运行之前，PC重置为0000。IR（指令寄存器）IR用于存放正在执行或即将执行的指令，将指令的操作码部分传送给CON，操作数部分通过总线传输到MAR。控制单元（CON） 在SAP
5、-1中，控制器包括。其中CON的功能包括 1. 产生时钟脉冲CLK，CLK将同步计算机中各个部件的运行。2.发送清除指令CLR，计算机运行之前，发送CLR给PC和IR，这样使IR的内容清空，PC重置 0000。3.根据IR中的操作码，产生一个12位控制信号 CP EP LM ERLI EI LA EA SU EU LB LO。（取指周期不需要操作码）这些控制信号定义了各个寄存器在CLK的上升沿到达时的动作。例如，CP=1，代表在CLK上升沿到达时，PC将会加1。EP=1，LM=1，意味着，PC的内容会加载到MAR中。MAR（存储器地址寄存器）在访问存储器时，缓存存储单元的地址。在SAP-1中，
6、MAR为4位寄存器。PROM（可编程只读存储器）存储器用于存储程序和数据。在SAP-1中，PROM大小是16*8，意思是他有16个8位的存储单元，因此PROM的存储地址为00001111。程序需放在以0000开始的地址空间，数据需放在程序的后面。因为PC计数从0000开始，计算机运行后，首先从PROM的0000地址读取数据，所以程序必须存从0000开始存放。累加器A累加器A，是一个8位二进制寄存器，专门用来存放操作数或运算结果。在CPU执行某种运算前，两个操作数中的第一个放在累加器A中，运算完成后，累加器A中便可得到运算结果。寄存器B寄存器B也是一个8位二进制寄存器，该寄存器，用来存放加数或减
7、数。ALUALU用于完成算术运算。在SAP-1中，SU=1时，ALU执行减法操作，A=A-B；SU=0时，ALU执行加法操作，A=A+B。为了简化ALU的设计，SAP-1中的数据是补码形式。因此PROM、A、B、O中的数据是以补码形式存放的。输出寄存器O当运算结束后，累加器A中存储计算结果。当EA=1，LO=1，下一个CLK上升沿到达时，寄存器A的内容通过总线到达输出寄存器O。LED显示DD是一排8个LED灯构成的，而LED灯连接了输出寄存器O，LED将输出寄存器O的内容。当执行OUT指令后，我们将看到二进制补码形式的答案。总线（W bus）在SAP-1中，总线是8位的。跟总线连接的如果是部件
8、的输出需要使用三态门，如果是部件的输入使用使能端控制是能否输入。三态门当ENABLE = 0时，相当于Din与Dout处于断开状态。当ENABLE = 1时，Dout = Din。 例如，寄存器A、B、C、D之间使用总线传输数据，如下图所示。总线 其中，A、B、C、D的输出通过三态门与总线相连。LOAD为输入使能端，LOAD=1时，输入端数据存入寄存器。LOAD=0时，不接收输入数据。为输出使能端（为三态门使能端），ENABLE=0时，寄存器与总线连接处于断开状态。ENABLE=1时，寄存器与总线处于连接状态，寄存器的输出会输出到总线上。 在本例中，如果寄存器中存储的数据为 A = 0011B
9、 = 0110C = 1001D = 1100 如果需要将寄存器C的数据传送到B，只要使EC = 1， LB = 1，这样会使寄存器C的内容传送到总线，同时寄存器B的输入使用端 ENABLE = 1，会将连接到总线输入端的数据存入寄存器中。当CLK的上升沿到达时，寄存器B=1001。二指令指令，是计算机硬件和软件的接口。计算机软件通过编制程序来解决问题。程序为指令序列或被翻译成指令序列。而计算机硬件的功能是执行指令序列。因此计算机硬件设计的最终目的是设计指令，并实现这些指令。机器指令集像餐馆的菜单。如果顾客想吃饭，拿到餐馆的菜单，写出自己想吃的菜；而厨师按照顾客的菜单做菜。这样顾客就能吃到自己
10、想吃的菜了。顾客吃到想吃的菜是计算机需要实现的功能，首先顾客写出菜单，就是编制程序，餐馆菜单中的每一道菜是一条指令，整个菜单是机器的指令集。而厨师拿到顾客的菜单，看到自己需要做的菜，然后按顺序作出这些菜。厨师就相当于硬件，按顺序执行顾客菜单指令。在SAP-1中，只有五条指令，下面将对五条指令分别介绍。LDA（load the accumulator）LDA将数据加载到累加器A。格式为，LDAR*(ROM地址)。例如，加载ROM中R8的数据。R8中的数据为, R8 = 1111 0000。指令为 LDA R8(地址)ADDADD将数据与累加器A中的数据相加，结果放在A中。格式：ADD R*。例如
11、，ADD R9意思是“将 R9中的数据与A中的数据相加，结果放在A中”。下面用实际数据来说明，A中的数据为2，R9中的数据为3，用二进制的形式表示为， A = 0000 0010 R9 = 0000 0011ADD指令的执行过程，首先, R9被加载到 B中，因此B的内容如下，B = 0000 0011随后，ALU完成了的计算（由于ALU不需要CLK同步），ALU = 0000 0101然后, ALU内容被加载到累加器A中，A = 0000 0101这样A中最终存储了运算结果。SUBSUB将累加器A中的数据减去PROM中的某个数据，结果放在A中。格式：SUB R*处理过程参考ADDOUTOUT指
12、令将A寄存器中的数据传输到O寄存器中。格式： OUTHLTHLT代表停机。格式: HLT在SAP-1的程序末尾必须使用HLT指令，否则计算机会崩溃，因为SAP-1将取出ROM中存储在程序后面的无意义数据进行执行，所以会得到无意义的结果。指令编码表如果想将上面这些指令在SAP-1中存储，执行，需要将他们用二进制编码。指令名称编码LDA0000ADD0001SUB0010OUT1110HLT1111下面举例说明如何给SAP-1编程，比如计算 16 + 20 + 24 + 28 32的值。可以16存储到R9中，20存储到RA中，24存储到RB中，28存储到RC中，32存储到RD中。其中R*为ROM地
13、址，例如R9为ROM中编号为1001的地址。ROM中存储的程序和数据如下：程序：R0 = 0000 1001( LDA 9(地址) )R1 = 0001 1010( ADD A(地址) )R2 = 0001 1011( ADD B(地址) )R3 = 0001 1100( ADD C(地址) )R4 = 0010 1101( SUB D(地址) )R5 = 1110 *( OUT )R6 = 1111 *( HLT )数据R9 = 0001 0000( 16十进制 )RA = 0001 0100( 20十进制 )RB = 0001 1000( 24十进制 )RC = 0001 1100( 28十进制 )RD = 0010 0000( 32十进制 )下面的详细设计参见 SAP-1设计与实现（2） -全文完-
