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1、计算机组成原理课程计算机科学与技术0601班姓名：刘佳 学号：0699020103 同组其他人员（徐静蕾、赵雯、卢燕妮、王大伟、焦彤）日期：2009年1月11日CPU综合设计目 录一、教学目的、任务与实验设备31.学习目的32.学习任务33.设计34.调试35.实验设备3二、CPU指令系统的拟定31.指令格式32.寻址方式43.指令类型5三、运算器的设计91、 SN74181的引脚框图：92. 引脚功能：103、 SN74181功能表10四、数据通路结构的建立121、部件设置132、总线与数据通路结构133、各类信息的传送路径144、微命令的设置16五、组合逻辑控制器的设计171.功能描述和结
2、构172.输入、输出端口定义173.指令译码器184、 时序发生器215、 编码器226、 程序计数器的设计.247、微操作信号发生器24六、下载调试和验证24(1) 实验接线25(2) 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。26(3) 写微程序和程序26(4) 运行程序29(5) 采用单步或连续运行方式执行机器指令，参照机器指令及微程序流程图，将实验现象与理论分析比较29七、设计总结29八、参考文献30一、 教学目的、任务与实验设备1. 学习目的 从计算机的基本概念、基本组成及基本功能着手，对计算机的各个基本组成部件及控制单元的工作原理进行学习，掌握有关软、硬件的基本知识，尤其是各基本组成部
3、件有机连接构成整机系统的方法，为培养自身对计算机系统的分析、设计、开发和使用能力打下基础。通过本门课程的学习，能在自己的脑中建立计算机的整机概念。2. 学习任务掌握数字化信息编码及运算方法，运算器的逻辑构成； 熟悉半导体存储器、磁表面存储器基本原理，掌握存储体系构成；掌握寻址和指令系统； 熟悉中央处理器组成、时序控制方法，掌握控制器设计技术； 熟悉系统总线和I/O系统。3. 设计 根据课程设计要求，分别建立CPU的指令系统，利用运算器设计实验结果，设计组合逻辑控制器，设计数据通路结果框图等。4. 调试把设计结果下载到实验版上，通过执行指令对设计进行验证5. 实验设备(1) PC机一台(2) D
4、VCC试验箱(3) 各种实验多需要的跳线，连接线等二、 CPU指令系统的拟定1. 指令格式模型机采用定长的指令格式，每条 指令16位字长，占据一个存储单元。由于指令字长有限，采用寄存器寻址，即指令格式给出寄存器号，根据不同的寻址方式形成相应的地址。模型机的指令格式有三类：(1) 双操作数值令格式15 12 11 9 8 6 5 3 2 0 操作码寄存器号寻址方式寄存器号寻址方式 目 的 源 四位操作码可以表示16种操作。(2) 单操作指令格式15 12 11 6 5 3 2 0操作码（可扩展）寄存器号寻址方式 目的(3) 转移指令格式 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0操作码
5、寄存器号寻址方式NZVC 转移地址 转移条件2. 寻址方式 模型机的特点是指令中直接给出寄存器编号，供CPU访问。可编程的寄存器包括寄存器R0 R3，堆栈指针SP，程序计数器PC，程序状态字PSW，针对同一种寻址防护四编码，指定不同的寄存器，派生出多种不同的寻址方式。模型机的常用的寻址方式：类型编号寻址方式助记符可指定的寄存器定义0型(000)寄存器寻址RR0 R3，SP，PC，PSW寄存器的内容为操作数1型(001)寄存器间址(R)R0 R3寄存器的内容为操作数地址2型(010)自减型寄存器寻址-(R)-(SP)R0 R3寄存器内容减1后的操作数地址SP内容减1后为堆栈地址3型(011)立即
6、/自增型寄存器寻址(R)+(SP)+(PC)+R0 R3寄存器的内容为操作数的地址，访问该地址后寄存器内容加1SP内容为栈顶地址，出栈后SP加1PC内容为立即数地址，取数后PC内容加14型(100)直接/间接寻址(R)+(PC)+R0 R3寄存器的内容为间接地址，访问地址后寄存器内容加1PC内容为间接地址，访问后PC内容加15型(101)变址/相对寻址X(R)X(PC)R0 R3变址寄存器内容与形式地址之和为操作数地址PC内容与位移量之和为有效地址6型(110)跳步SKP执行再下条指令 在正式编码中就可以用该表中的类型来指定相应的寻址方式。3. 指令类型 根据模型机的指令格式，操作码有4位，线
7、设置了15种指令(其中两种指令共用一个操作码)，余下的两种操作码组合可以供扩展。按操作数的多少，把模型机的指令分为双操作数指令和但操作数指令两大类；按指令本身的功能，把这写指令分为传送，运算，转移等3类。模型机的指令类型如下表：操作码助记符含义操作码助记符含义00000001001000110100010101100111MOVEADDSUBANDOREORCOMNEG传送加减与或异或求反求补1000100110101011110011001101INCDCSLSRJMPRSTJSR加1减1 左移右移转移返回转子(1) 传送指令 MOV可以采用不同的寻址方式来预置寄存器或者存储单元，实现见存期
8、和寄存器之间，寄存器与存储单元，各存储单元之间的信息传送，还可以实现堆栈操作POP，PUSH。(2) 双操作数算逻指令 ADD,SUB,AND,OR.EOR.ADD,SUB是带进位的加和减。其他的是逻辑运算指令，可用来实现位检测，位清除，未设置，位修正等操作。(3) 单操作数算逻指令 有COM, NEG, INC, DC, SL, SR.他们都是单操作数指令，可以实现对操作数的加1减1等操作。(4) 程序控制指令(a) 转移指令JMPJMP是用来实现无条件转移和条件转移的。(b) 返回指令RSTRST指令是JMP指令的一个特例，但是RST只能采用自增性寄存器间址表明转移地址，并且指定寄存器为S
9、P，即寻址方式(SP)+，则从堆栈中取出返回地址，然后SP+1。(c) 转子指令JSP执行JSP指令时，首先将返回地址压栈，然后按照寻址方式找到转移地址，把t它送PC中。综上，得到我们的设计指令为： LDR Ri，D格式 7 4 3 2 1 00 0 0 0Ri不 用D功能：RiM（D）（2） STR Ri，D格式 7 4 3 2 1 00 0 0 1Ri不 用D功能：M（D）（Ri）（3） ADD Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 0 1 0RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（4） SUB Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 0 1 1RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）
10、（5） AND Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 1 0 0RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（6） OR Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 1 0 1RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（7） MUL Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 1 1 0RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（8） 转移指令格式 7 4 3 2 1 00 1 1 1条件不 用D功能： 条件码 00 无条件转移 PC D01 有进位转移 PC D10 结果为0转移 PC D11 结果为负转移 PC D IN Ri，M j格式 7 4 3 2 1 01 0 0 1RiMj其中M j为设备地址
11、，可以指定四种外围设备，当M j=01时，选中实验箱的二进制代码开关。功能： Ri （M j） OUT Ri，M j格式 7 4 3 2 1 01 0 1 0RiMj当M j=10时，选中实验箱的显示灯。功能： （M j） Ri HALT（停机指令）格式 7 4 3 2 1 01 0 1 1不用不用 功能： 用于实现停机。三、 运算器的设计 运算部件是CPU内部的重要组成部分，它起到至关重要的作用。在此，我们暂不涉及运算器的具体设计，仅是利用以往实验所得到的结果，利用已有的芯片来完成我们需要的运算功能。在此我们借用SN74181，利用它来完成我们需要的功能。1、SN74181的引脚框图：2.引脚功能：1）A0A3:4位二进制数A2）B0B3:4位二进制数B3）F0F3:运算结果4）S0S3:状态控制信号， 控制运算类型，控制16中运算。5）M:运算选择 M=1 逻辑
