模型計算機的設計論文

1、 設計（論文）專用紙 第 1 頁目錄目錄1模型機設計方案及步驟模型機設計方案及步驟.21.1設計方案設計方案.22指令格式指令格式.42.1指令格式指令格式.42.2指令集指令集.53數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路.64指令操作流程指令操作流程.65微操作控制信號的邏輯表達式微操作控制信號的邏輯表達式.146微信號簡化微信號簡化.187微信號電路圖微信號電路圖.188模型機微控制信號連線圖模型機微控制信號連線圖.199總結與體會總結與體會.2010附錄附錄 .20 設計（論文）專用紙 第 2 頁模型計算機的設計模型計算機的設計1模型機設計方案及步驟模型機設計方案及步驟1.1 設計方案設計方案本次課程設計主要

2、任務是設計一模型計算機并利用組合邏輯控制器或微程序進行設計，且至少實現(xiàn) 4 條 CPU 指令（從ADD，SUB，XOR，AND，OR 中選擇） 。在此我選擇使用組合邏輯控制器（硬連線）方式設計，并實現(xiàn)ADD，SUB，AND，OR 四條指令。四條指令意義如下：ADD數(shù)學計算兩個數(shù)的和SUB數(shù)學計算兩個數(shù)的差AND邏輯運算兩個數(shù)的并OR邏輯運算兩個數(shù)的或對于以上設計的理由如下：1.對于方式的選取我們選取硬連線實現(xiàn)，因為此次我們設計的 設計（論文）專用紙 第 3 頁模型機較為簡單，而且采用元件較少，我們采用硬連線可以使用最少的元件從而取得較高的操作速度。2.對于字長的選取，多方面考慮后，基于資源和設

3、計的需要可以采用八位字長。由于共有四條指令，為了滿足選取所以選取其中2 位作為 OP 操作，由于在對數(shù)的操作中不僅涉及到對數(shù)據(jù)的存儲還會牽連到指令的操作，在此指令的操作有四條指令所以必須有四個儲存單元，加上存儲數(shù)據(jù)的一個單元，一共需要五個單元，再由于計算機存儲字長值的限制，選不出 5 個存儲單元的字長。所以至少為 3 位，其中給出的是 8 個存儲單元，對于寄存器，只有一個數(shù)據(jù)需要存儲，所以 1 位就行了，但是考慮到計算機存儲的限制，所以我們可以把后 3 位擴展給它。所以共有 8 位。其中 3 位表示內存單元地址，用 3 位表示寄存器編號。加上兩個必須的寄存器，其中寄存器有 R0、R1、PC、I

4、R。3.對于內存的選取我們在實際過程中買不到這么小的內存，所以實際操作中可以將前幾位置零（接地） ，用后幾位表示即可。最終根據(jù)以上理由我們規(guī)定它有 8 位的數(shù)據(jù)線 D7：0，執(zhí)行4 條指令，每條指令的長度為 1byte，因而它有 6 位的地址線A5：0 。它可以存取的存儲器為 64byte（1byte=8bits）我們?yōu)樵?CPU 定義以下寄存器： 設計（論文）專用紙 第 4 頁 地址寄存器 AR5：0， 保存 6 位地址。程序計數(shù)器 PC5：0，保存下一條指令的地址。數(shù)據(jù)寄存器 DR7：0，接受指令和存儲器來的數(shù)據(jù)。指令寄存器 IR1：0，存儲指令操作碼。1.2 設計步驟設計步驟1）定義指令

5、集以及指令格式；2) 構造數(shù)據(jù)通路（含控制門和微操作） ；3) 根據(jù) CPU 的結構，畫出指令操作流程圖；4) 編排指令操作時間表，即把指令操作流程圖中的微操作落實到不同的 CPU 周期和節(jié)拍中；5) 根據(jù)全部指令的指令操作流程，寫出每個微操作控制信號的邏輯表達式；6) 綜合、化簡微操作邏輯式；7) 用與、或、非等門電路畫出產生微控制信號的邏輯控制電路。【2】2指令格式指令格式2.1 指令格式指令格式 設計（論文）專用紙 第 5 頁由以上分析可知由于指令總數(shù)為 4 ，所以用 2 位可以表示所有指令，采用二地址指令，指令格式為： 7 6 5 3 2 0OP（2位）位）A1（3 位）位）A2（3

6、位）位）2.2 指令集指令集具體詳解如下： 7 6 5 3 2 0OP（2位）位）A1（3 位）位）A2（3 位）位） 00-ADD 01-SUB IR7-IR6 10-AND 11-OR用指令中的 3 位表示內存單元地址，用 3 位表示寄存器編號，000表示 R0,001 表示 R1。其中 AS為儲存器地址，AR為寄存器地址。其中 ADD 的指令格式為： 00AS（3 位）AR（3 位） 設計（論文）專用紙 第 6 頁SUB 的指令格式為：01AS（3 位）AR（3 位）AND 的指令格式為：10AS（3 位）AR（3 位）OR 的指令格式為：11AS（3 位）AR（3 位）由上可知其助記，

7、功能如下：ADD AS AR AS+ARASSUB AS AR AS-ARASAND AS AR AS&ARASOR AS AR AS | ARAS3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通路通路4指令操作流程指令操作流程時序控制：時序控制： 設計（論文）專用紙 第 7 頁采用同步控制方式，用定長指令周期方案。采用 3 個 CPU 周期分別是IF、DOF、EXE，每 CPU 周期有 4 個等寬度的節(jié)拍電位，每個節(jié)拍電位有1 個節(jié)拍脈沖指令執(zhí)行流程：指令執(zhí)行流程：(A).指令 ADD R0，(R1)指令（RS 型指令）的執(zhí)行流程 指令功能：(R0)+(R1)(R1) 即把 R0 的內容為地址的數(shù)據(jù)和 R1 的內容為地

8、址的地址的單元的 設計（論文）專用紙 第 8 頁數(shù)據(jù)相加，結果放在(R1)所指向的內存單元中1) 取指周期 IF 的執(zhí)行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作數(shù)周期 DOF 的執(zhí)行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 執(zhí)行周期 EXE 的執(zhí)行流程EXET0：AddT1：ALU-BUS,BUS-Ri 設計（論文）專用紙 第 9 頁T2：

9、NOP(空操作)T3：1-IFCPU 周期節(jié)拍電位微操作T0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0AddT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF(B).指令 SUB R0，(R1)的執(zhí)行流程 該指令的功能：(R0)-(R1)(R1)即把 R0 的內容為地址的數(shù)據(jù)和 R1 的內容為地址的地址的單元的 設計（論文）專用紙 第 1

10、0 頁數(shù)據(jù)相減，結果放在(R1)所指向的內存單元中該指令流程為：1) 取指周期 IF 的執(zhí)行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作數(shù)周期 DOF 的執(zhí)行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 執(zhí)行周期 EXE 的執(zhí)行流程EXET0：Sub 設計（論文）專用紙 第 11 頁T1：ALU-BUS,BUS-RiT2：NOP(空操作)T3：1-

11、IFCP 周期節(jié)拍電位微操作T0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0SubT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF(C). 指令 AND R0，(R1)的執(zhí)行流程 該指令的功能：(R0)&(R1)(R1) 設計（論文）專用紙 第 12 頁即把 R0 的內容為地址的數(shù)據(jù)和 R1 的內容為地址的地址的單元的數(shù)據(jù)相與，結

12、果放在(R1)所指向的內存單元中該指令的執(zhí)行流程為：1) 取指周期 IF 的執(zhí)行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作數(shù)周期 DOF 的執(zhí)行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 執(zhí)行周期 EXE 的執(zhí)行流程EXE 設計（論文）專用紙 第 13 頁T0：AndT1：ALU-BUS,BUS-RiT2：NOP(空操作)T3：1-IFCPU

13、周期節(jié)拍電位微操作T0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0AndT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF (D). 指令 OR R0，(R1)的執(zhí)行流程 設計（論文）專用紙 第 14 頁 該指令的功能：(R0)|(R1)(R1)即把 R0 的內容為地址的數(shù)據(jù)和 R1 的內容為地址的地址的單元的數(shù)據(jù)求或，結果放在(R1)所指

14、向的內存單元中該指令的執(zhí)行流程為：1) 取指周期 IF 的執(zhí)行流程STARTIFT0：PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1：READ, ALUBUS, BUSPC T2：DRBUS, BUSIRT3：1DOF2) 取目的操作數(shù)周期 DOF 的執(zhí)行流程DOFT0：RI-BUS,BUS-LAT1：IR_Addr-BUS,BUS-ART2：READT3：DR-BUS,BUS-LB,1-EXE3) 執(zhí)行周期 EXE 的執(zhí)行流程 設計（論文）專用紙 第 15 頁EXET0：OrT1：ALU-BUS,BUS-RiT2：NOP(空操作)T3：1-IFCPU 周期節(jié)拍電位微操作T

15、0PCBUS，BUSAR，Clear，BUSLA，1C0，AddT1READ, ALUBUS, BUSPCT2DRBUS, BUSIRIFT31DOFT0RI-BUS,BUS-LAT1IR_Addr-BUS,BUS-ART2READDOFT3DR-BUS,BUS-LB,1-EXET0OrT1ALU-BUS,BUS-RiT2NOP(空操作)EXET31-IF 設計（論文）專用紙 第 16 頁5微操作控制信號的邏輯表達式微操作控制信號的邏輯表達式PC BUSORANDSUBADD0000TIFTIFTIFTIFBUSPCBUSAR11110000TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFAD

16、DORTIFANDTIFSUBTIFADDTIFARBUSBUS LA00000000TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDLABUSClear0000TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDclear1 C0000001TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDC Add 00000TEXEADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDAdd READ 22221111TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDREAD 設計（論文）專用紙 第 17 頁 AL

17、U BUS 11111111TEXEORTEXEANDTEXESUBTEXEADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDBUSALU BUS PC 1111TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDPCBUS DR BUS 33332222TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDTIFORTIFANDTIFSUBTIFADDBUSDR BUS IR2222TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDIRBUS IR_Addr BUS 1111_TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDBUSAddrIR BUS LB 3333TDOFORTDOFANDT

18、DOFSUBTDOFADDLBIBUS BUS Ri 1111TEXEORTEXEANDTEXESUBTEXEADDRiBUS Ri BUS 0000TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDBUSRi 1 DOF 33331TIFORTIFANDTIFSUBTIFADDDOF 設計（論文）專用紙 第 18 頁 1 EXE33331TDOFORTDOFANDTDOFSUBTDOFADDEXE 1 IF33331TEXEORTEXEANDTEXESUBTEXEADDIF6微信號簡化微信號簡化T3 EXE = IF 1T3DOF = EXE 1T3IF = DOF 1BUS) R1 BUS, R0再 再再再再( T0 DOF = BUS RiR1) BUS R0, BUS再 再再再再( T1 EXE = Ri BUST3 DOF= LB BUST1 DOF= BUS IR_Addr T2 IF = IR BUST3 DOF +T2 IF = BUS DRT1IF= PC BUST1 EXE+T1IF = BUS ALUT2 DOF+T1IF = READT0 EXEADD+T0 IF = AddT0IF = C0 1T0; IF =Clear + T0 IF = AR BUST0; IF = BUS PC1TDOF7微信號電路圖微信號電路圖 設計（論文）專用紙 第 19