课程设计报告（计算机组成原理）

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一、题目分析

本次课程设计课题是设计基于微程序控制器的简单计算机设计与实现，宏观上利用CPU、cache、存储器以及一些外设设备来组成一台简单计算机，微观上由运算器、译码电路、和存储器指令用的控制存储器构成。此次设计要求完成各个指令的格式以及编码的设计，实现各个机器指令的微代码。

本计算机实现的功能有：IN（输入）,OUT（输出），ADD（加法），SUB（减法），STA（存数），JMP（跳转）。设计进行开始,在了解微程序的基本格式,及各个字段值的作用后,按微指令格式参照指令流程图，设计出程序以及微程序，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码转换为联机操作时的十六进制格式文件。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址。设计的加法和减法中,被加数和被减数都由调试人员输入,而加数和减数都从存储器中读取.最终上机调试，各个功能运行结果正确。

二、基本理论

地址总线ALU(74LS181)AR(74LS273)（存储）器6116OUTPUTDR!(273)DR2(273)PC(74LS161)数据总线RD(74LS374)W/RCS-0CS-1CS-2INPUTIR(74LS273)时序微控器CPU

计算机原理图

（一）、ALU1、功能及组成

它是数据加工处理部。执行所有的算术运算执行所有的规律运算，并进行

规律测试，寻常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个规律操作则产生一个判决。

2、设计图

（二）、CPU

1、如何执行指令（1）MOV指令

a.程序计数器PC中装入第一条指令地址101

b.PC的内容被放到指令总线ABUS上，对指存进行译码，并启动读命令。c.从101号地址读出的MOV指令通过指令总线IBUS装入指令寄放器IR。d.程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备。e.指令寄放器中的操作码被译码。

f.CPU识别出是MOV指令。至此，取值周期终止。

g.操作控制（OC）器送出控制信号到通用寄放器，选择R1作源寄放器，选择R0作目标寄放器。

h.OC送出控制信号到ALU，制定ALU做传送操作。i.OC送出控制信号，开启ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上。（任何时候DBUS上只能有一个数据）

j.OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄放器DR。

k.OC送出控制信号，将DR中的数据打入到目标寄放器R0，R0的内容由00变为10。至此，MOV指令执行终止。（2）LAD指令

a.取指周期与MOV指令取指周期一样，只是PC提供的指命令地址为102，按此地址从指令存储器读出指令放入IR中，然后将PC+1，使PC内容变为103，为取下一条ADD指令做好准备。

b.操作控制器OC发出控制命令开启IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总线DBUS上。

c.OC发出读命令，将地址码6装入数存地址寄放器AR。

d.OC发出命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上。e.OC发出命令，将DBUS上的数据100装入缓冲寄放器DR。

f.OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄放器R，原来R1中的数10被冲掉，至此，LAD指令执行周期终止。

（3）ADD指令

a.取指周期和MOV指令一样。

b.操作控制器OC送出控制命令道通用寄放器，选择R1做源寄放器，R2做目标寄放器。

c.OC送出控制命令，开启ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS上。e.OC送出控制命令，将DBUS上数据打入缓冲寄放器DR，ALU产生的进位信号保存状态字寄放器在PSW中。

f.OC送出控制命令，将DR（120）装入R2，R2中原来的内容20被冲掉。至此，ADD指令执行终止。（4）STO指令

a.取指周期和MOV指令一样。

b.操作控制OC送出操作命令到通用寄放器，选择（R3）=30做数据存储器的地址单元。

c.OC发出操作命令，开启通用寄放器输出三态门，将地址30放到DBUS上。d.OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码。

e.OC发出操作命令到通用寄放器，选择（R2）=120，做为数存的写入数据。.f.OC发出操作命令，开启通用寄放器输出三态门，将数据120放到DBUS上。g.OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元，它原先的数据40被冲掉。至此，STO指令执行终止。（5）JMP指令

a.取指周期和MOV指令一样

b.OC发生操作控制命令，开启指令寄放器IR的输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBUS上。

c.CC发出操作控制命令，将DBUS上的地址码101地打入到程序计数器PC中，PC中的原先内容106被更换。下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此，JMP指令执行终止。2.如何设计

（1）CPU的硬件结构设计

（2）分析构成CPU硬件的各部件的控制信号（3）设计指令系统和指令格式

（4）分析指令在所设计的CPU硬件结构中的执行流程，画出指令周期流程图和各步的控制信号

（5）对指令周期流程图中的控制信号进行优化（6）设计微指令格式

（7）将控制信号以微指令的形式存放在控制存存储器中（8）对控制型信号进行同步控制

（9）将经过同步后的控制信号与构成CPU的各功能部件的相应控制端相连接。

3.指令系统

一条指令就是机器语言的一个语句，由一组二进制代码来表示。一条指令由两部分构成。一条指令必需有一个操作码，可能包含几个地址码。指令涉及指令长度、操作码结构、地址码结构等问题。

操作码：指明指令的操作性质及功能。地址码：指明操作数的地址。

（a）指令长度

指令长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。一般希望指令长度短一些。指令长度与机器字长没有固定的关系。指令长度可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。在一个指令系统中，若所有指令的长度都相等，称为定长指令字结构；若各种指令的长度随指令功能不同而不同，称为变长指令字结构。

（b）寻址方式

所谓寻址就是寻觅操作数的地址或下一条要执行的指令的地址，而形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。寻址方式分为两类，即指令寻址方式和数据寻址方式。下图几种PowerPC寻址方式：

（c）ARM汇编语言

汇编执行指令是机器指令的符号化表示，其操作码用记忆符表示，地址码直接用标号、变量名字、常数等表示。汇编执行指令经汇编程序翻译为机器指令，二者之间基本上保持一一对应的关系。

汇编伪指令又称作汇编指示，用于向汇编程序提供用户自定义的符号、数据的类型、数据空间的长度，以及目标程序的格式、存放位置等提醒性信息，其作用是指示汇编程序如何进行汇编。

S1.分类

存储介质：半导体存储器、磁表面存储器存取方式：随机存储器、顺序存储器

存储器存储内容可变性：只读存储器、随机读写存储器信息易失性：易失性存储器…….系统中的作用：内部存储器、外部存储器…….

2.分级

3.组成

一个半导体触发器由于有0和1两个状态，可以记忆一个二进制代码。寻常，在存储器中把保存一个数的16个触发器称为一个存储单元。存储器是由多个存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为地址。向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻觅所选的存储单元。存储器