8位模型机设计实验报告

1、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纟组成与结构专业班级：信安1301成绩：学生:心政学号：4胡智瑄5金祥7寇红伟8祎蕾1桑雨薇6唐正鑫0王鑫1指导教师：王晓霞实验日期：目录一、摘要3二、前言3三、设计目的、任务与容33.1设计目的33.2设计任务43.3设计容4四、八位模型机整体设计44.1总体结构44.2指令系统74.3运算器84.4存储器94.5控制器114.6指令流程图和操作时间表154.7微指令码20五、成员分工21六、实验感想与讨论21七、参考文献22、摘要通过一台模型机的设计，使我们建立了整机的概念，模型机整体采取简单的组成模式，每一时钟周期完成的操作有限

2、。该模型机包括运算器，存储器，控制器等。指令结构，选用两片SN74181片SN74182,组并行，组间并行的二重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：运算器指令系统微指令流程图和操作时间表二、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根底课，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。计算机的核心部件CPU!常包含运算器和控制器两大局部

3、。组成CPU勺根本部件有运算部件、存放器组、微命令产生部件等。这些部件通过CPU部的总线连接起来，实现它们之间的信息交换。其中，运算部件和一局部存放器属于运算器局部；另一局部存放器、微命令产生部件和微程序控制器等那么属于控制器局部。八位模型计算机的设计过程，包含通过总线连接各根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. 掌握计算机的根本组成和功能；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

4、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根底上，进一步构造一台根本的模型计算机，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。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；做好辩论工作。3.3设计容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

5、容：1）存放器的位数2）总线宽度3）ALU位数与运算功能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与指令格式，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、以与部件之间数据和控制信号的来源、去向、功能和时序等。四、八位模型机设计4.1总体结构总体结构设计的容包含确定各部件设置以与它们之间的数据通路结构。在此根底上,就可以拟出各种信息传送路径，以与为实

6、现这些传送所需要的微命令。1. 存放器1可编程存放器8位通用存放器：R、R程序计数器：PC程序状态字存放器：PSW2非编程存放器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。指令存放器IR:存放现行指令。地址存放器MAR提供CPU访问主存的地址。数据缓冲存放器MBR与数据总线双向连接，存储数据、控制命令与操作。«*数据总线h.MBR介地址总线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8位的SN74181负逻辑芯片与1片SN74182芯片，由微命令MSo、S、S、S选择ALU操作功能，C0是送入最末尾的进位信号

7、。2ALU俞入端设置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总线：八根单向数据传送线，连接到有关存放器对应的D输入端。2系统总线：地址总线、数据总线、控制总线。具体见通路图。模型机的数据通路4. 各类信息的传送路径1指令信息传送乂埜电数据总线鱼A*ir2地址信息1丨取指信息:PCj选择器AALUf移位器i内总线打'MAR2丨顺序执行时的后继指令地址:PCCO>ALJ移位器一内总线宝亠MAR3丨操作数地址存放器寻址R存放器号i一存放器Ri存放器间址寻址方式：R打入Ri*A（或B）>ALU>移位器*内总线MAR3数据信息传送1存

8、放器卜存放器、打入Ri*A（或B）*ALU*移位器内总线'Rj2存放器*主存打入写入Ri>ALU'MBR>数据总线M3主存存放器读出置入打入M数据总线MBRALURj微命令设置1输入选择：R）fA,RfA,A,HA,PA,ALU-RofB,RfB,B,HB,PSWB,MBRBL功能选择：S3S2S1S0MO2移位器功能选择：直传DM左移、右移3分配脉冲：CPE、CPR、CPMARCPMBRCPPCCPPSWCPCCPD4与系统总线与主存有关的微命令：EMARSMBRSIR、R、W4.2指令系统1.指令格式8位6、7位是操作码，决定操作类型4、5位是源操作数，可使用存

9、放器R0R1、PCPSW1、2位是目的操作数，可使用存放器R0R1、PCPSW0，3位是标志位，决定寻址方式。0为源操作数标志位，3为目的操作数标志位可编程存放器4个：通用存放器R000R101程序计数器PC10程序状态字PSW112. 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是存放器寻址方式，为1是间接寻址方式操作类型1传送指令：MOV传送，操作码002双操作数算数逻辑指令：ADD加法运算，操作码01（3）双操作数算数逻辑指令：SUB-减法运算，操作码10（4）单操作数算数逻辑指令：J

10、MP跳转，操作码114.3运算器1.运算器的组成结构亠1运算器使用的2片SN74181:负逻辑与1片SN74182芯片组成，采用组并行组间并行进位的方法，共8位，其组成图如下:IIAB2运算器实现的功能表工话式选择负逻辑帀逻辑逻辑运算(M-1)4ceI*汝算木匹算(40)Cn-0无进Ocfr%itfr算木迈算(gCn=1逻辑运算OM)算术运算(M-0)C=D无诜募木疋算M-0)Crt-1有诜慣0000AA减1A7A血DQO1AB阴减1A5"a+bA-B(AP)加10010A+fiAB«1AB"ABmb"(A五加100111减100减100100ABA抑(

11、A花)A加CA预加1ABAinKB-A加通加10101T鯨加(A+B)加1"B(A+tfit)W(A+B)/JUABftUID1I10WBA减B减1A减BA$B碱B拥1AB工作方式选择SjSASo负逻辑正逻辑逻辑运算阳)算木适具加0)cm无型立算木迈算(M=0)C3=1有进位逻辑运算(M=1)算K迈亠>(»C=0无进位算木运算M=0)CR有进位0111A+BA+r(碱加1ABabMiAB1000ABA加(A+B)A加(A+B)加1乔BA加ABA/JCAB加11001AjtJDBA加B加1ABA加B硕咖1010bABflD(A*B)AS加(AB)加1B(A+B)flDA

12、B(A-H)加AB加11011A+B(A用加1ABAB减1AB11000AAtlA*A加劝n1A加X加11101ab"AB加AAB加A加1A+B(A+B)加A(射创加A加11110ABABJUA砸加炯A+BO更加A(A-®/JDAJW11111AAAA减1A4.4存储器主存根本组成如下所示，根据MAF中的地址访问某个存储单元时，先经过地址译码、驱动等电路找到所需访问的单元，读出时，需经过放大器将被选中单元的存储字送到MDR写入时，MDF中的数据也必须经过写入电路才能真正写入到被选中的单元中。|拯前电路数据总线MBR<>MAR4.5控制器1.控制器逻辑组成结构图如

13、下徴指令序列址给定韶序控制方式(1)控制存储器CM采用只读存储器，用来存放微程序，每个单元存放一条微指令的代码，需要几十位2微指令存放器卩IR存放从控制存储器中读取的微指令，分为两个局部： 微命令字段：直接作为微命令或者分成假设干小段经译码后产生微命令微地址字段：指明后继地址的形成方式，使微程序连续执行3微地址形成电路提供两类微地址的形成方式： 后继微地址：由现行微指令中的控制字段，现行微指令地址，微程序转移时的微指令地址，机器运行状态等决定。 微程序入口地址：由机器指令的操作码等决定。4微地址存放器卩AR存放后继微地址2.微程序的设计针对模型机数据通路结构的需要，将微操作控制字1根本数据通路

14、线输23辅助操作的控制字段，”口关中断等归为一类，称为辅助操作;'乍的控制字段,3.时序系统的设计乍的控制字段，其中包含输入选择、恥个局部：ALU功能选择、移位选择、总含地址选择、读写控制；入=7本操作未.零星操作如开中断、'后续微地址曰八"打入pAR*微指令周期后续微地址打入序4、CPU空制流程4、CPU空制流程模型机微指令格式:2252231111124AlBI|SM|GS根本数据通路控制ZOEMAR|SMBR|SIR|R访问控制WSTSC辅助顺序控制微操作控制字段斗1.根本数据通路控制字段1AI:ALU的A输入端选择，2位00无输入01Ri->A由机器指令

15、中的存放器号辅助指明Ri是谁，如R0R1、PC10 C->A11 D->A2BI:ALU的B输入端选择，2位00无输入01Rj->B由机器指令中的存放器号辅助指明Rj是谁，如R0R1、PSW/10 C->B11 D->B3SM即ALU功能选择信号S3S2S1S0M共5位，采取直接控制法4C0初始进位设置，2位00C0=001C0=110PSW0进位触发器->C00DM直传01SL左移10SR右移11EX上下字节交换60000015S:移位器控制，2位ZO总线输出分配，3位无输出，不发打入脉冲CPRj由机器指令中的存放器号辅助指明Rj是谁，如R0R1、PCPS

16、W/010011100101110111CPCCPDCPIRCPMARCPMBRCPPC专用的CPP（命令，用于取指、变址中的打入PC2.访存操作控制字段EMAR:1位，为1时由MAF向地址总线提供有效地址，为0时MAF与地址总线脱离。SMBR:1位为1时控制读数据SIR:1位为1时置入指令R:1位，为1时读主存，同时作为SMBRW:1位，为1时写入主存以上四位采取直接控制法。假设EMA为0,CPU不访存，但可由DMA空制器提供地址。SMBR同理。假设W与R均为0，那么CPU不工作。3.辅助操作控制字段ST,2位01开中断10关中断4顺序控制字段SC,4位0000000100100011微程序

17、顺序执行无条件转移，由微指令第34-27提供8位转移微地址按指令操作码0P断定，分支转移按0P与DR目的寻址方式是存放器型或非存放器型断定，分支转移按J转移成功与否与PC指令中指定存放器是否为PC断定，分支转移0101按源寻址方式断定，分支转移0110按目的寻址方式断定，分支转移0111转微子程序，将返回微地址存入一个专设的返回微地址存放器中，并由微指令第34-27位提供微子程序入口，1000从微子程序返回，由返回微地址存放器提供返回地址4.6指令流程图和操作时间表addROTMARRO汕ARWIB"DTR1->IAR£"J!->HBR->DIT

18、>PC、MARKl+KuKIHDTKBR|->R1C-RO->MBRR1->MARPC->MAR结翼jnpMOV旨令FTOEMARCPPCRCPTP*SIRCPFTPA->ACPDTS3S2*S1*S0M*C0CPETDM1->STSR*1->DTSR.DR*1->ETSR.DRSTOR0->AIR5*IR4*CPMARR1->AIR5*IR4CPR0IR5*IR4*PC->AIR5.IR4CPR1IR5*IR4DMCPTP*T+1ST1EMARCPPCRCPTP*SMBRCPSTMBR->BCPDTS3S2*S1S

19、0*MCPETDM1->DTDR*1->ETDRDT0R0->AIR2*IR1*CPMARR1->AIR2*IR1CPR0IR2*IR1*PC->AIR2.IR1CPR1IR2*IR1DMCPTP*1->ETET0R0->AIR5*IR4*CPPCR1->AIR5*IR4CPR0IR5*IR4*PC->AIR5.IR4CPR1IR5*IR4C->ASR*CPMBRDR*CPTP*Y=ADMT+1ET1EMARDR*CPTP*CPMARCPMARWDR*T+1ET2PC->ACPSTY=ACPDTDMCPET1->FTCPT

20、ADDSU取操作指令FT0EMARCPPCRCPTP*SIRCPFTPA->ACPDTS3S2*S1*S0M*C0CPETDM1->STSR*1->DTSR.DR*1->ETSR.DRST0R0->AIR5*IR4*CPMARR1->AIR5*IR4CPR0IR5*IR4*PC->AIR5.IR4CPR1IR5*IR4DMCPTP*T+1ST1EMARCPPCRCPTP*SMBRCPSTMBR->BCPDTS3S2*S1S0*MCPETDM1->DTDR*1->ETDRDT0R0->AIR2*IR1*CPMARR1->AI

21、R2*IR1CPR0IR2*IR1*PC->AIR2.IR1CPR1IR2*IR1DMCPTP*T+1DT1EMARCPDSMBRCPSTMBR->BCPDTS3S2*S1S0*MCPETDMCPT1->ETET0R0->AIR5*IR4*CPMARR1->AIR5*IR4CPR0PC->AIR5.IR4CPR1R0->BIR2*IR1*CPCR1->BIR2*IR1CPDPC->BIR2.IR1CPMBRC->ASR*D->BDR*Y=A+BA-BDMT+1ET1EMARDR*WDR*CPTP*CPMART+1ET2PC-&g

22、t;ACPSTDMCPDT1->FTCPETCPT4.7微指令码微地址操作微代码取指00M->IR01PC+1->PC020000000000000000000000000010MOV030405按OPDR分支，SC=0011MOVDR06C->MBR07MBR->M000000000000000000101000000008PC->MAR0900000000000000001MOVDR0AC->R(j)0B双操作数0C0D0EM->MBR->D0F按OPDR分支，SC=0011ADDDR10C+D->MBR11ADDDR12C+R(j)->R(j)13SUBDR14C-D->MBR15SUBDR16C-R(j)->R(j)17单操作数1819M->MBR->D20按0PDR分支，SC=0011取源操作数