中央處理器(cpu)模型設計課程設計

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文檔簡介

1、　　課程設計報告　　課程名稱計算機組成原理 　　設計題目中央處理器（CPU）模型設計　　1 系統分析1　　1.1 設計背景1<

2、;p>　　1.2 設計目標1　　2 設計題目及要求1　　2.1 設計目的1　　2.2 使用設備2　　2.3 設計說明2　　2.4 設計內容3　　3 設計詳細步驟4<

3、;/p>　　3.1 數據通路4　　3.1.1 數據通路設計4　　3.1.2 數據通路分析4　　3.2 指令系統5　　3.2.1 指令分類5　　3.2.2 指令格式6&

4、lt;p>　　3.2.3 指令匯總9　　4.3 指令執(zhí)行流程及其方框圖11　　4.3.1 機器周期和節(jié)拍11　　4.3.2 指令執(zhí)行流程的方框圖11　　4.3.3 微操作節(jié)拍安排13　　4 心得體

5、會19　　中央處理器（CPU）模型設計 　　1 系統分析　　1.1 設計背景　　此次課程設計，是在通過計算機組成原理理論課和幾次實驗課的學習基礎上，嘗試設計一個簡單的模型機指

6、令系統，并設計出模型機的數據通路以及指令系統的指令執(zhí)行流程。　　1.2 設計目標　　設計一個模型計算機的指令系統及指令執(zhí)行流程。指令系統要支持簡單的尋址方式，并且包括算術邏輯類指令、邏輯運算類指令、數據傳送類指令、堆棧操作指令、程序控制類指令、I/O輸入/輸出指令、標志位置位清零指令；指令執(zhí)行流程則要給出微操作的時間

7、安排。　　2 設計題目及要求　　2.1 設計目的　　通過課程設計，進一步加深對中央處理器的結構和功能的理解，初步掌握中央處理器的設計方法和步驟，為今后從事計算機系統設計打下初步的基礎。<b&

8、gt;　　2.2 使用設備　　PC機一臺　　2.3 設計說明　?、臗PU性能指標：　　⑴ CPU字長8位；<

9、p>　?、?數據總線：8位；　?、?地址總線：8位，最大尋址空間為256字；　?、?I/O獨立編址，4位地址碼，最大支持16個I/O端口；　　⑸ 時鐘：1MHz　?、?機器周期： 4個時鐘周期；<p

10、>　?、?CPU輸出的控制信號：/MR、/MW、/IOR、/IOW　?、艭PU基本構成：　?、龠\算器：功能參考74LS181（正邏輯）；　?、谖⒉僮餍盘柊l(fā)生器：采用組合邏輯控制方式；　?、蹠r鐘電路與時序發(fā)生器。

11、;　　⑶CPU主要寄存器：　?、貯LU鎖存器X、Y，指令不可訪問；　?、贏LU輸出移位器，采用三選一數據選擇器實現，具有直通、左移1位、右移1位的功能；　　③通用寄存器組R0～R7；　　④SP：堆棧指針；<

12、/p>　?、軮R：指令寄存器；　?、轕C：程序計數器，具有+1功能；　?、逨LAG：標志寄存器，8位，能獨立置位或清零；　?、郉R：數據緩沖寄存器，雙向，指令不可訪問；　　⑨AR：地址寄存器，單向，指令不可訪問。<

13、p>　　2.4 設計內容　　⑴設計模型機的數據通路；　　⑵設計一個功能相對完整的指令系統：　?、偎阈g運算類指令(加、減、增1、減1)；　?、谶壿嬤\算符指令(與、或、非、異或、移位運算);

14、　　③數據傳送類指令；　?、芏褩２僮髦噶?；　?、莩绦蚩刂祁愔噶?相對轉移、絕對轉移、子程序調用、子程序返回)；　　⑥I/O輸入/輸出指令；　　⑦標志位置位、清零指令；<

15、;p>　　⑶設計指令執(zhí)行流程及其方框圖。　　2.5 設計要求　　⑴指令系統：　?、僦噶铋L度為單字節(jié)和雙字節(jié)兩種；　?、诓僮鞔a長度固定；

16、;　　③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；　?、圃O計指令執(zhí)行流程，給出微操作的時間安排。　　3 設計詳細步驟　　3.1 數據通路　　3.1.1 數

17、據通路設計　　3.1.2 數據通路分析　?、湃≈噶顢祿贩治?lt;/p>　　①PC→AR→MEM→DR→IR　?、赑C+1→PC　?、浦噶顖?zhí)行通路分析</p&

18、gt;　　Ri op Rj →Ri　　Ri →X　　Rj →Y　　F →Ri　　(Ri) →Rj&

19、lt;/p>　　Ri →AR　　data →DR →Rj　?、跼i →(Rj)　　Rj →AR　　Ri →DR

20、→M　　3.2 指令系統　　3.2.1 指令分類　　指令按不同的分類方法可劃分為：　?、虐粗噶铋L度劃分為單字指令和雙字指令；　?、瓢床僮鲾祫澐譃闊o操作數指令、單操作數指令、

21、雙操作數指令；　?、前粗噶畹墓δ芎蛨?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　　擴展指令：ADC，SBB，NOT，RCL，R

22、CR，ASR，JMPR，STC，CLC　　B組：在取指后兩步完成。　　基本指令： MVRD，LDRR，STRR，PUSH，POP，JMPA，RET，IN，OUT　　擴展指令：CALR　　C組：在取指后三步完成。

23、　　基本指令：CALA　　3.2.2 指令格式　　模型機支持單字和雙字指令，第一個指令字的高8位為指令操作碼字段，低8位和雙字指令的第二個字為操作數、地址字段，共有三種格式:　　根據指令長度、操作數不同劃分為5種：

24、　⑴單字、無操作數指令　　格式：　　基本指令：　　NOP ；空操作　　RET ；子程序返回&

25、lt;p>　　擴展指令：　　STC ；置進位標志位C　　CLC ；清進位標志位C　?、茊巫?、單操作數指令　　格式：</b&g

26、t;　　基本指令：　　INC DR ；DR←DR＋1　　DEC DR ；DR←DR－1　　SHL DR ；DR邏輯左移　　SHR

27、DR ；DR邏輯右移　　JR OFFSET ；無條件轉移到ADR　　JRC OFFSET ；當C=1時轉移到ADR　　JRNC OFFSET ；當C=0時轉移到ADR　　JRZ OFFSET ；當Z=1時轉

28、移到ADR　　JRNZ OFFSET ；當Z=0時轉移到ADR　　PUSH SR ；SR入棧　　POP DR ；彈出棧頂數據送入DR　　IN I/O port ；I/O端口輸入<p&g

29、t;　　OUT I/O port ；I/O端口輸出　　擴展指令：　　NOT DR ；DR←DR　　RCL DR ；DR與C循環(huán)左移　　RCR DR ；DR與C循環(huán)右移

30、　　ASR DR ；DR算術右移，最高位保持不變，最高位移入C　　JMPR SR ；無條件轉移到SR指向的地址　　CALR SR ；調用SR指向的子程序　?、菃巫?，雙操作數指令

31、;　　格式：　　基本指令：　　ADD DR,SR ；DR←DR＋SR　　SUB DR,SR ；DR←DR－SR　　AND DR,SR ；DR←DR∧SR&

32、lt;/p>　　OR DR,SR ；DR←DR∨SR　　XOR DR,SR ；DR←DRSR　　MVRR DR,SR ；DR←SR　　LDRR DR,SR ；DR←[SR]　　STRR DR

33、,SR ；[DR]←SR　　擴展指令：　　ADC DR,SR ；DR←DR＋SR＋C　　SBB DR,SR ；DR←DR－SR－C　　⑷雙字、單操作數指令

34、;　　格式：　　基本指令;　　JMPA ADR ；無條件轉移到地址ADR　　CALA ADR ；調用首地址為ADR的子程序　?、呻p字、雙操作數指令</

35、p>　　格式：　　基本指令：　　MVRD DR,DATA ；DR←DATA　　3.2.3 指令匯總　　基本指令<

36、/p>　　說明：表中CZVS一欄，*表示該標志位在指令執(zhí)行后被重置，?表示該標志位不受指令執(zhí)行的影響。　　4.3 指令執(zhí)行流程及其方框圖　　4.3.1 機器周期和節(jié)拍　　取指周期FT；取源操作數周期ST；取目的操作數周期DT；執(zhí)行周期ET。節(jié)拍：P1~P4。&l

37、t;p>　　4.3.2 指令執(zhí)行流程的方框圖　　4.3.3 微操作節(jié)拍安排　?、湃≈噶钪芷?lt;/b>　　T1：OPC=1，LAR=1　　T2：MEMR=1，OPC=1，OPALU+1=1<b

38、>　　T3：LPC=1　　T4：LDR2=1，ODR1=1，LIR=1　　⑵指令NOP執(zhí)行周期　　T1：　　T2：<b&g

39、t;　　T3：　　T4：　　⑶指令ADD Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPADD=1　　T3：OF=1，LRi=1<

40、;/p>　　T4：　　⑷指令SUB Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPSUB=1　　T3：OF=1，LRi=1&l

41、t;b>　　T4：　?、芍噶領NC Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPSUB=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：&l

42、t;/b>　?、手噶頓EC Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPDEC=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：</p

43、>　　⑺指令AND Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPAND=1　　T3：OF=1，LRi=1　　T4：　?、讨噶?/p>

44、OR Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPOR=1　　T3：OF=1，LRi=1　　T4：　?、椭噶頧OR Ri，Rj執(zhí)行周期

45、;　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPXOR=1　　T3：OF=1，LRi=1　　T4：　?、沃噶頢HL Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，

46、LX=1，OPSHL=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：　?、现噶頢HR Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPSHR=1&l

47、t;/p>　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：　?、兄噶頜VRR Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LRj=1<p&g

48、t;　　T2：　　T3：　　T4：　?、阎噶頙R OFFSET執(zhí)行周期　　T1：OPC=1，LX=1　　T2：OOF

49、FSET=1，LY=1，OPADD=1　　T3：OF=1，LPC=1　　T4：　?、抑噶頙RC OFFSET執(zhí)行周期　　T1：OPC=1，LX=1　　T2：OOFFSET=1，LY=1，OPA

50、DD=1　　T3：OF=1，LPC=1　　T4：　?、又噶頙RNC OFFSET執(zhí)行周期　　T1：OPC=1，LX=1　　T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1

51、　　T3：OF=1，LPC=1　　T4：　　⒃指令JRZ OFFSET執(zhí)行周期　　T1：OPC=1，LX=1　　T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1　　T3

52、：OF=1，LPC=1　　T4：　?、罩噶頙RNZ OFFSET執(zhí)行周期　　T1：OPC=1，LX=1　　T2：OOFFSET=1，LY=1，OPADD=1　　T3：OF=1，LPC=1<

53、;/p>　　T4：　　⒅指令ADC Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPADC=1　　T3：OF=1，LRi=1&l

54、t;b>　　T4：　?、字噶頢BB Ri，Rj執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1　　T2：ORj=1，LY=1，OPSBB=1　　T3：OF=1，LRi=1　　T4：</b&g

55、t;　?、刂噶頝OT Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPNOT=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：

56、　　(21)指令RCL Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPRCL=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：

57、(22)指令RCR Ri執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPRCR=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：　　(23)指令ASR R

58、i執(zhí)行周期　　T1：ORi=1，LX=1，OPASR=1　　T2：OF=1，LRi=1　　T3：　　T4：　　(24)指令JMPR Rj執(zhí)行周期</

59、p>　　T1：ORj=1，LPC=1　　T2：　　T3：　　T4：　　(25)指令STC執(zhí)行周期<p

60、>　　T1：OFLAG=1，LX=1，OPSTC=1　　T2：OF=1，LFLAG=1　　T3：　　T4：　　(26)指令CLC執(zhí)行周期　　T1：O

61、FLAG=1，LX=1，OPCLC=1　　T2：OF=1，LFLAG=1　　T3：　　T4：　　6.2 微操作節(jié)拍安排表　　根據表可列出每個微操作命令的初

62、始邏輯表達式，經化簡，整理便可獲得能用現成電路實現微操作命令邏輯表達式。　　例如，跟據表可寫出M(MAR)→MDR微命令的邏輯表達式：　　M(MAR)→MDR　　=FE*T1+IND*T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX*T1(ADD+LDA)　　=T1{

63、FE+IND*(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX*(ADD+LDA)}　　式中ADD,STA,LDA,JMP,BAN均來自操作碼譯碼器的輸出　　4 心得體會　　在這次課程設計之前，先重新復習了一下課本的理論原理，又上網把流程稍微了解了一下，以及結合前幾次實驗，基

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