八位模型机设计实验报告

华北电力大学实验报告||实验名称8位模型机的设计课程名称计算机组成与结构||专业班级：成绩：学生姓名：学号：指导教师：实验日期：2015.11.28华北电力大学实验报告第页共页目录一、摘要...........................................................................................................................................二、前言...........................................................................................................................................三、设计目的、任务与内容...........................................................................................................3.1设计目的..............................................................................................................................根据计算机组成原理课程所学知识，设计一个8位的模型计算机。................................3.2设计任务..............................................................................................................................3.3设计内容..............................................................................................................................四、八位模型机整体设计...............................................................................................................4.1总体结构..............................................................................................................................4.2指令系统..............................................................................................................................4.3运算器..................................................................................................................................4.4存储器..................................................................................................................................4.5控制器..................................................................................................................................4.6指令流程图和操作时间表..................................................................................................4.7微指令码..............................................................................................................................五、实验感想与讨论.......................................................................................................................六、参考文献...................................................................................................................................华北电力大学实验报告第页共页一、摘要模型机采用微程序控制原理。包括运算器，存储器，控制器等部分。选用两片SN74181串行进位方式形成运算器，运用微程序控制各部件单元的产生控制信号，实现特定指令的功能，通过绘制指令流程图，编写指令时间表，设计微指令格式等实现了具体的微程序控制。关键字：模型机微程序设计二、前言计算机组成原理是计算机科学专业的一门重要的专业基础课,内容包括计算机部件和整机的组成与工作原理由于课程的专业性很强、概念繁杂抽象,8位模型机的设计有助于我们理解计算机整机的工作原理，让我们从设计角度来理解计算机的结构与工作原理。组成CPU的基本部件有运算部件、寄存器组、微命令产生部件等。这些部件通过CPU内部的总线连接起来，实现它们之间的信息交换。其中，运算部件和一部分寄存器属于运算器部分；另一部分寄存器、微命令产生部件和微程序控制器等则属于控制器部分。八位模型计算机的设计过程，包含通过内总线连接各基本功能单元模块构成数据通路，给出完备的指令系统，运算器的实现方式，用微指令设计计算机指令系统。三、设计目的、任务与内容3.1设计目的根据计算机组成原理课程所学知识，设计一个8位的模型计算机。1．掌握计算机的基本组成和功能；2．掌握计算机各大部件的功能与设计方法；3．深入学习计算机各类典型指令的执行流程；4．深入学习微程序控制器的原理和设计过程；5．掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表；6．综合运用所学知识，在掌握部件单元电路设计的基础上，进一步构造一台基本的模型计算机，建立计算机整机概念；7．通过本次设计，理论联系实践，进一步加强学生分析问题、解决问题的能力，提高自身硬件设计水平。华北电力大学实验报告第页共页3.2设计任务1．查阅文献资料，一般在5篇以上；2．以TEC-XP教学实验计算机系统为背景，通过调研、分析现有的模型机，建立8位的整机模型；3．完成8位模型机的整机设计和各部件的具体设计；4．撰写设计报告书；做好答辩工作。3.3设计内容1．8位模型机总体结构的设计；主要是数据通路的设计或选择，要说明如下内容：1)寄存器的位数2)总线宽度3)ALU位数及运算功能4)微命令的设置（各标识的含义）；2．拟定指令系统；要考虑指令的完备性、有效性、规整性；主要说明系统包括哪些指令以及指令格式，寻址方式。3．控制器的选择；采用微程序控制器。4．绘制指令流程图；5．安排指令操作时间表，设计微指令格式；6．编写微程序；7．了解并说明模型机的输入/输出模块；8．各部件设计时，说明部件中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序、以及部件之间数据和控制信号的来源、去向、功能和时序等。4.1总体结构总体结构设计的内容包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传送路径，以及为实现这些传送所需要的微命令。4.1.1数据格式一个字的8位二进制位采用自右至左的次序编号，如图3.1所示。华北电力大学实验报告第页共页76543210图实验模型计算机数据格式一个字中的8位可以是：不带符号的二进制非负整数，表示的数的范围是0≤X≤2^8－1用补码表示的带符号二进制整数，能表示的数的范围是﹣2^7≤X≤2^7－1地址常数，能表示的地址写成十六进制时是：00－FF字符数据，即ASCII编码4.1.2寄存器1.寄存器（1）可编程寄存器（8位）通用寄存器：R0、R1程序计数器：PC堆栈指针：SP（2）非编程寄存器（8位）暂存器C：暂存来自主存的源地址或源操作数。暂存器D：暂存来自主存的目的操作数地址或目的操作数。指令寄存器IR：存放现行指令。地址寄存器MAR：提供CPU访问主存的地址。数据缓冲寄存器MBR：与数据总线双向连接，存储数据、控制命令与操作。2.运算部件（1）运算部件以算术、逻辑运算部件ALU为核心，采用两片4位的SN74181（负逻辑）芯片，由微命令M、S0、S1、S2、S3选择ALU操作功能，C0是送入最末尾的进位信号。（2）ALU输入端设置A、B两个多路选择器，用以选择数据来源，具体见数据通路图3.总线与数据通路结构（1）内总线：八根单向数据传送线，连接到有关寄存器对应的D输入端。（2）系统总线：地址总线、数据总线、控制总线。华北电力大学实验报告第页共页模型机的数据通路4.各类信息的传送路径（1）指令信息传送M数据总线IR（2）地址信息1）取指信息：PC选择器AALU移位器内总线MAR2）顺序执行时的后继指令地址：PCAC03）操作数地址寄存器间址寻址方式：（R）变址方式：位移量A（或B）ALU移位器内总线MAR变址寄存器B(或A)（3）数据信息传送1）置入读出打入ALU移位器内总线PC打入寄存器寄存器RiA(或B)ALU移位器内总线MAR打入RiA(或B)ALU移位器内总线Rj打入华北电力大学实验报告第页共页2）3）4）5）5.微命令设置（1）（2）移位器功能选择：直传DM、左移、右移（3）分配脉冲：CPR0、CPR1、CPMAR、CPMBR、CPPC、CPSP、CPC、CPD（4）与系统总线及主存有关的微命令：EMAR、SMBR、SIR、R、W4.2指令系统1.指令格式（8位）76543210操作码寄存器号寻址方式寄存器号寻址方式目的源6~7位表示操作码，决定操作指令类型；3~5位表示目的操作数，3位表示寻址方式，0表示寄存器寻址，可用的寄存器有R0、R1、PC、SP，1表示变址寻址方式，可用的寄存器有R0、R1、PC、SP，4、5位表示寄存器号；RiALUMBR数据总线M主存寄存器主存主存M数据总线MBRALURj读出打入置入M（源单元）MBRALUCCALUMBRM（目的单元）读出、置入打入寄存器主存华北电力大学实验报告第页共页0~2位表示源操作数，0位表示寻址方式，0表示寄存器寻址，可用的寄存器有R0、R1、PC、SP，1表示变址寻址方式，可用的寄存器有R0、R1、PC、SP，1、2位表示寄存器号。可编程寄存器（4个）：通用寄存器R000R101堆栈指针SP10程序计数器PC112.寻址方式(1)模型机的编址为按字编址,字长8位，即主存每个单元8位(2）采用定字长指令格式，指令字长8位，操作数字长8位（3）使用2种寻址方式，寻址方式0是寄存器寻址方式，为1是间接寻址方式3.操作类型（1）传送指令：MOV——传送，操作码00（2）双操作数算数逻辑指令：ADD——加法运算，操作码01(3)单操作数算数逻辑指令：NEG——求补，操作码10(4)转移指令JMP—无条件转移，操作码114.3运算器1.运算器的组成结构（1）运算器使用的2片SN74181（负逻辑