計(jì)算機(jī)組成原理中央處理器(CPU)模型設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱 計(jì)算機(jī)組成原理 設(shè)計(jì)題目 中央處理器（CPU）模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)日期 2012-12-18至2013-1-10指導(dǎo)教師 系 名 計(jì)算機(jī)科學(xué)系 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 10 計(jì)科1班 姓 名 學(xué) 號(hào) 目錄1 系統(tǒng)分析11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)12 設(shè)計(jì)題目及要求12.1 設(shè)計(jì)目的12.2 使用設(shè)備22.3 設(shè)計(jì)說明22.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容33 設(shè)計(jì)詳細(xì)步驟43.1 數(shù)據(jù)通路43.1.1 數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)43.1.2 數(shù)據(jù)通路分析43.2 指令系統(tǒng)53.2.1 指令分類53.2.2 指令格式63.2.3 指令匯總94.3 指令執(zhí)行流程及其方框圖114.3.1 機(jī)器周期和節(jié)

2、拍114.3.2 指令執(zhí)行流程的方框圖114.3.3 微操作節(jié)拍安排134 心得體會(huì)19中央處理器（CPU）模型設(shè)計(jì) 1 系統(tǒng)分析 1.1 設(shè)計(jì)背景此次課程設(shè)計(jì)，是在通過計(jì)算機(jī)組成原理理論課和幾次實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的模型機(jī)指令系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路以及指令系統(tǒng)的指令執(zhí)行流程。 1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)模型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)及指令執(zhí)行流程。指令系統(tǒng)要支持簡(jiǎn)單的尋址方式，并且包括算術(shù)邏輯類指令、邏輯運(yùn)算類指令、數(shù)據(jù)傳送類指令、堆棧操作指令、程序控制類指令、I/O輸入/輸出指令、標(biāo)志位置位清零指令；指令執(zhí)行流程則要給出微操作的時(shí)間安排。2 設(shè)計(jì)題目及要求 2.1 設(shè)計(jì)目的通

3、過課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深對(duì)中央處理器的結(jié)構(gòu)和功能的理解，初步掌握中央處理器的設(shè)計(jì)方法和步驟，為今后從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下初步的基礎(chǔ)。 2.2 使用設(shè)備 PC機(jī)一臺(tái) 2.3 設(shè)計(jì)說明CPU性能指標(biāo)： CPU字長(zhǎng)8位； 數(shù)據(jù)總線：8位； 地址總線：8位，最大尋址空間為256字； I/O獨(dú)立編址，4位地址碼，最大支持16個(gè)I/O端口； 時(shí)鐘：1MHz 機(jī)器周期： 4個(gè)時(shí)鐘周期； CPU輸出的控制信號(hào)：/MR、/MW、/IOR、/IOWCPU基本構(gòu)成：運(yùn)算器：功能參考74LS181（正邏輯）；微操作信號(hào)發(fā)生器：采用組合邏輯控制方式；時(shí)鐘電路與時(shí)序發(fā)生器。CPU主要寄存器：ALU鎖存器X、Y，指令不可訪問

4、；ALU輸出移位器，采用三選一數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)，具有直通、左移1位、右移1位的功能；通用寄存器組R0R7；SP：堆棧指針；IR：指令寄存器；PC：程序計(jì)數(shù)器，具有+1功能；FLAG：標(biāo)志寄存器，8位，能獨(dú)立置位或清零；DR：數(shù)據(jù)緩沖寄存器，雙向，指令不可訪問；AR：地址寄存器，單向，指令不可訪問。2.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路；設(shè)計(jì)一個(gè)功能相對(duì)完整的指令系統(tǒng)：算術(shù)運(yùn)算類指令(加、減、增1、減1)；邏輯運(yùn)算符指令(與、或、非、異或、移位運(yùn)算);數(shù)據(jù)傳送類指令；堆棧操作指令；程序控制類指令(相對(duì)轉(zhuǎn)移、絕對(duì)轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用、子程序返回)；I/O輸入/輸出指令；標(biāo)志位置位、清零指令；設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流

5、程及其方框圖。 2.5 設(shè)計(jì)要求指令系統(tǒng)： 指令長(zhǎng)度為單字節(jié)和雙字節(jié)兩種；操作碼長(zhǎng)度固定；支持立即尋址、直接尋址、寄存器直接尋址、寄存器間接尋址等方式；設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程，給出微操作的時(shí)間安排。3 設(shè)計(jì)詳細(xì)步驟 3.1 數(shù)據(jù)通路 3.1.1 數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì) 3.1.2 數(shù)據(jù)通路分析取指令數(shù)據(jù)通路分析PCARMEMDRIRPC+1PC指令執(zhí)行通路分析 Ri op Rj RiRi XRj YF Ri (Ri) RjRi ARdata DR RjRi (Rj)Rj ARRi DR M 3.2 指令系統(tǒng) 3.2.1 指令分類 指令按不同的分類方法可劃分為： 按指令長(zhǎng)度劃分為單字指令和雙字指令；按操作數(shù)劃分

6、為無操作數(shù)指令、單操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令；按指令的功能和執(zhí)行步驟劃分為三組：A組：在取指后一步完成。 基本指令：NOP，ADD，SUB，INC，DEC，AND，OR，XOR，SHL，SHR，MVRR，JR，JRC，JRNC，JRZ，JRNZ 擴(kuò)展指令：ADC，SBB，NOT，RCL，RCR，ASR，JMPR，STC，CLCB組：在取指后兩步完成。 基本指令： MVRD，LDRR，STRR，PUSH，POP，JMPA，RET，IN，OUT擴(kuò)展指令：CALRC組：在取指后三步完成?；局噶睿篊ALA 3.2.2 指令格式 模型機(jī)支持單字和雙字指令，第一個(gè)指令字的高8位為指令操作碼字段，低8位和雙

7、字指令的第二個(gè)字為操作數(shù)、地址字段，共有三種格式:操作碼DR SRI/O 端口地址/相對(duì)偏移量立即數(shù)，直接存儲(chǔ)器地址 根據(jù)指令長(zhǎng)度、操作數(shù)不同劃分為5種：?jiǎn)巫?、無操作數(shù)指令格式：操作碼000 000基本指令：NOP ；空操作RET ；子程序返回?cái)U(kuò)展指令：STC ；置進(jìn)位標(biāo)志位CCLC ；清進(jìn)位標(biāo)志位C單字、單操作數(shù)指令格式：操作碼DR 000000 SROFFECTI/O Port基本指令：INC DR ；DRDR1DEC DR ；DRDR1SHL DR ；DR邏輯左移SHR DR ；DR邏輯右移JR OFFSET ；無條件轉(zhuǎn)移到ADRJRC OFFSET ；當(dāng)C=1時(shí)轉(zhuǎn)移到ADRJRNC O

8、FFSET ；當(dāng)C=0時(shí)轉(zhuǎn)移到ADRJRZ OFFSET ；當(dāng)Z=1時(shí)轉(zhuǎn)移到ADRJRNZ OFFSET ；當(dāng)Z=0時(shí)轉(zhuǎn)移到ADR PUSH SR ；SR入棧POP DR ；彈出棧頂數(shù)據(jù)送入DRIN I/O port ；I/O端口輸入OUT I/O port ；I/O端口輸出擴(kuò)展指令：NOT DR ；DRRCL DR ；DR與C循環(huán)左移 RCR DR ；DR與C循環(huán)右移 ASR DR ；DR算術(shù)右移，最高位保持不變，最高位移入C JMPR SR ；無條件轉(zhuǎn)移到SR指向的地址 CALR SR ；調(diào)用SR指向的子程序單字，雙操作數(shù)指令格式：操作碼DRSR基本指令：ADD DR,SR ；DRDRSR

9、SUB DR,SR ；DRDRSRAND DR,SR ；DRDRSROR DR,SR ；DRDRSRXOR DR,SR ；DRDRSR MVRR DR,SR ；DRSRLDRR DR,SR ；DRSRSTRR DR,SR ；DRSR擴(kuò)展指令：ADC DR,SR ；DRDRSRCSBB DR,SR ；DRDRSRC雙字、單操作數(shù)指令格式：操作碼0000ADR基本指令;JMPA ADR ；無條件轉(zhuǎn)移到地址ADRCALA ADR ；調(diào)用首地址為ADR的子程序雙字、雙操作數(shù)指令格式：操作碼(6位)DR SRDATA/ADR基本指令：MVRD DR,DATA ；DRDATA3.2.3 指令匯總基本指令指

10、令類型指令格式匯編語(yǔ)言操作數(shù)個(gè)數(shù)C Z V S功能說明A組0000 0000NOP0* * * *空操作0001 DRSRADD DR,SR2* * * *DRDRSR0010 DRSRSUB DR,SR2* * * *DRDRSR0011 DRSRAND DR,SR2* * * *DRDRSR0100 DRSRXOR DR,SR2* * * *DRDRSR0101 DRSRMVRR DR,SR2 DRSR100001 DRINC DR1* * * *DRDR1100010 DRDEC DR1* * * *DRDR1100011 DRSHL DR1* DRDR*2100100 DRSHR DR

11、1* DRDR/2100101 OFFSETJR ADR1 無條件跳轉(zhuǎn)的ADR100110 OFFSETJRC ADR1 C=1時(shí)跳轉(zhuǎn)的ADR100111 OFFSETJRNC ADR1 C=0時(shí)跳轉(zhuǎn)的ADR101000 OFFSETJRZ ADR1 Z=1時(shí)跳轉(zhuǎn)的ADR101001 OFFSETJRNZ ADR1 Z=0時(shí)跳轉(zhuǎn)的ADRB組101010 DRDATA(8位)MVRD DR,DATA2 DRDATA0110 DRSRLDRR DR,SR2 DRSR0111 DRSRSTRR DR,SR2 DRSR101011 SRPUSH SR1 SR入棧101100 DRPOP DR1 DR出

12、棧101101 00ADR(8位)JMPA ADR1 無條件跳轉(zhuǎn)到ADR101110 00RET0 子程序返回101111 I/O portIN I/O port1 ROI/O port110000 I/O portOUT I/O port1 I/O portR0C組110001 00ADR(8位)CALA ADR1 調(diào)用首地址為ADR的子程序說明：表中CZVS一欄，*表示該標(biāo)志位在指令執(zhí)行后被重置，表示該標(biāo)志位不受指令執(zhí)行的影響。 4.3 指令執(zhí)行流程及其方框圖4.3.1 機(jī)器周期和節(jié)拍 取指周期FT；取源操作數(shù)周期ST；取目的操作數(shù)周期DT；執(zhí)行周期ET。節(jié)拍：P1P4。4.3.2 指令執(zhí)

13、行流程的方框圖4.3.3 微操作節(jié)拍安排取指令周期T1：OPC=1，LAR=1T2：MEMR=1，OPC=1，OPALU+1=1T3：LPC=1T4：LDR2=1，ODR1=1，LIR=1指令NOP執(zhí)行周期T1：T2：T3：T4：指令A(yù)DD Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令SUB Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPSUB=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令I(lǐng)NC Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPSUB=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令D

14、EC Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPDEC=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令A(yù)ND Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPAND=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令OR Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPOR=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令XOR Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPXOR=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令SHL Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPSHL=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令SHR

15、Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPSHR=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：指令MVRR Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LRj=1T2：T3：T4：指令JR OFFSET執(zhí)行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRC OFFSET執(zhí)行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRNC OFFSET執(zhí)行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRZ

16、 OFFSET執(zhí)行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令JRNZ OFFSET執(zhí)行周期T1：OPC=1，LX=1T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1T3：OF=1，LPC=1T4：指令A(yù)DC Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPADC=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令SBB Ri，Rj執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1T2：ORj=1，LY=1，OPSBB=1T3：OF=1，LRi=1T4：指令NOT Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPNOT=1T

17、2：OF=1，LRi=1T3：T4：(21)指令RCL Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPRCL=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：(22)指令RCR Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPRCR=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：(23)指令A(yù)SR Ri執(zhí)行周期T1：ORi=1，LX=1，OPASR=1T2：OF=1，LRi=1T3：T4：(24)指令JMPR Rj執(zhí)行周期T1：ORj=1，LPC=1T2：T3：T4：(25)指令STC執(zhí)行周期T1：OFLAG=1，LX=1，OPSTC=1T2：OF=1，LFLAG=1T3：T4：(26)指令CLC執(zhí)行周期T1：OFLAG=1，LX=1，OPCLC=1T2：OF=1，LFLAG=1T3：T4：6.2 微操作節(jié)拍安排表根據(jù)表可列出每個(gè)微操作命令的初始邏輯表達(dá)式，經(jīng)化簡(jiǎn)，整理便可獲得能用現(xiàn)成電路實(shí)現(xiàn)微操作命令邏輯表達(dá)式。例如，跟據(jù)表可寫出M(MAR)MDR微命令的邏輯表達(dá)式：M(