计算机组成原理--指令系统设计

课程设计说明书题目:设计一指令系统院系：计算机科学与工程学院专业班级：计算机09-33学号：2009********学生姓名：******指导教师：******2011年6月28日安徽理工大学课程设计（论文）任务书计算机科学与工程院系计算机硬件教研室学号****学生姓名****专业（班级）计算机09-33班设计题目设计一指令系统设计技术参数1.本系统采用DJ-CPTH超强型计算机组成原理教学实验系统设计指令系统，在实验箱上加以实现。2.利用软件工程中的可行性研究以及分析方法，进行系统分析。设计要求1.在基本模型机的基础上构建一组能实现IN，LDA，OUT，JMP，ADD，SUB等6个功能的指令。这些指令的助记符要同任务书相一致。2.指令包括累加器寻址、立即数寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址四种寻址方式。3.利用新构建的指令系统编程，实现两个数的逻辑与、或运算。工作量1.课程设计说明书1000字；2.画出程序流程图,编写微指令代码和程序。3.对各个指令代码进行分析，并运行测试。工作计划步骤一：分析设计要求，制定设计计划，熟悉设计环境，了解仿真软件中各控制位的作用步骤二：进行系统设计，包括模型机的指令系统设计、微指令设计以及逻辑运算程序设计步骤三：在微机和试验仪器的支持下，调入指令系统和程序，运行，测试，检验其正确性步骤四：提交设计报告参考资料[1]陈书开，王毅.计算机组成与系统结构.武汉：武汉大学出版社，2005[2]张功萱.计算机组成原理.北京：清华大学出版社，2005年09月[3]王诚.计算机组成原理实验指导书.北京：清华大学出版社，2002[4]杨小龙.计算机组成原理与系统结构实验教程.西安：西安电子科技大学出版社，2004[5]袁开榜.计算机组成原理.北京：高等教育出版社，1995指导教师签字教研室主任签字2011年6月28日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表指导教师评语：成绩：指导教师：年月日i目录摘要……………………………………………………………………………Ⅰ1系统分析............................................................................................................11.1设计背景分析..................................................................................................................................31.1.1模型机指令集分析……………………………………………………………………….…...11.1.2模型机寻址方式分析………………………………………………………………………….21.2设计目的与要求...............................................................................................................................42.1指令集设计......................................................................................................................................42.2程序流程图......................................................................................................................................53系统实现............................................................................................................63.1实现数的逻辑运算..........................................................................................................................63.2程序系统分析..................................................................................................................................63.3程序微指令分析..............................................................................................................................74总结....................................................................................................................94.1设计体会..........................................................................................................................................94.2系统改进..........................................................................................................................................9参考文献.........................................................................................................…10I摘要随着社会科技的发展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化的生活阶段。本次课程设计课题是基本模型机的设计与实现，它正体现了这一点。利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程及实验中所学到的实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能，最终达到将理论与实践相联系。本次设计完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，本课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能，通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序。首先向存储器中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行。另外，还需设计微程序：数据传送（LDA），加（ADD），减(SUB)，输入（IN），输出（OUT），跳转（JMP）。以上各微指令设计完毕后，用设计好的指令实现逻辑运算，连接线路在CPTH计算机组成原理教学实验箱运行程序，并将实验结果显示输出。这一课题的实现不仅使我们对各种微指令有了熟练的掌握，更对以后的学习、工作中有深远的影响。关键词：微指令，机器指令，CHTP安徽理工大学课程设计（论文）-1-1系统分析1.1设计背景分析1.1.1模型机指令集分析本次课程设计是在DJ-CPT816计算机组成原理实验仪和仿真软件上进行的。该模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数，指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器。在微程序控制方式下，用指令码作为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。在本模型机中，一条指令最多分为四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。模型机有24位控制位以控制寄存器的输入输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。24位控制位分别介绍如下：XRD：外部设备读信号，当给出个外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。EMWR：程序存储器EM写信号EMRD：程序存储器EM读信号PCOE：将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上EMEN：将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，有EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写入EM中，还是从EM读出数据到DBUSIREN：将程序存储器EM独处的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPCEINT：中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。ELP：PC打入允许，与指令寄存器的IR2.，IR3位结合，控制程序跳转。MAREN：将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MARMAROE：将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上OUTEN：将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里STEN：将数据总线DBUS上数据存到堆栈寄存器里RRD：读寄存器组R0-R3，寄存器R？的选择由指令的最低两位决定RWR：写寄存器组R0-R3，寄存器R？的选择由指令的最低两位决定CN：决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位FEN：将标志位存入ALU内部的标志寄存器X2，X1，X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的哪个寄存器，见表1-1WEN：将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中安徽理工大学课程设计（论文）-2-AEN：将数据总线DBUS的值打入累加器A中S2,S1,S0三位组合决定ALU做何种运算，见表1-2表1-1寄存器选择控制表X2X1X0输出寄存器000IN_OE外部输入门001IA_OE中断向量010ST_OE堆栈寄存器011PC_OEPC寄存器100D_OE直通门101R_OE右移门110L_OE左移门111没有输出表1-2运算器功能控制S2S1S0功能000A+W加001A-W减010A|W或011A&W与100A+W+C带进位加101A-W-C带进位减110~AA取反111A输出A1.1.2模型机寻址方式分析模型机的寻址方式分四种：（1）累加器寻址：操作数为累加器A，例如“CPLA”是将累加器A值取反，还有些指令是隐含寻址累加器A，例如“OUT”是将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT。（2）寄存器寻址：参与运算的数据在R0-R3的寄存器中，例如“ADDA，R0”指令是将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。（3）存储器直接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。例如“AND安徽理工大学课程设计（论文）-3-A，40H”指令是将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。（4）立即数寻址：参与运算的数据为指令的操作数。例如“SUBA，#10H”是从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。1.2设计目的与要求1、在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计机。2为其定义机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。3掌握微程序控制器的组成原理。4掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行。5通过课程设计，使学生将掌握的计算机组成基本理论应用于实践中，在实际操作中加深对计算机各部件的组成和工作原理的理解，掌握微程序计算机中指令和微指令的编码方法，深入理解机器指令在计算机中的运行过程。安徽理工大学课程设计（论文）-4-2系统设计2.1指令集设计表2-1指令助记符指令助记符功能描述IN从输入端口读数据到累加器A中OUT将累加器A中的数据输出到端口中LDA由存储器想CPU传字JMPMM跳转到MM地址ADDA,#*将寄存器R?中的值加入累加器A中SUBA,