一個(gè)非常簡單CPU設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)課程名稱：計(jì)算機(jī)硬件及其組成原理設(shè)計(jì)題目：一個(gè)非常簡單的CPU的設(shè)計(jì)學(xué)院：信息工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)年級：09級學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：日期：2011.7.11-2011.9.9教務(wù)處制課程設(shè)計(jì)題目一個(gè)非常簡單的CPU的設(shè)計(jì) -1-摘要 -1-1總體說明 -2-1.1指令系統(tǒng)： -2-1.1.1指令格式分類 -2-1.1.2相關(guān)指令流程圖： -4-1.1.3指令數(shù)據(jù)通路的構(gòu)建： -5-1.2微代碼 -8-1.2.1微代碼定義 -8-1.2.2微指令代碼化 -9-2詳細(xì)設(shè)計(jì) -13-2.1系統(tǒng)分析 -13-2.1.1系統(tǒng)需求分析 -13-2.1.2系統(tǒng)目標(biāo) -13-2.1.3功能分析 -13-2.1.4詳細(xì)步驟 -13-3總結(jié) -16-17-課程設(shè)計(jì)題目一個(gè)非常簡單的CPU的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一模型計(jì)算機(jī)。根據(jù)功能和用途確定指令系統(tǒng)，要求：（1）定義數(shù)據(jù)通路，要把框圖畫出。（2）設(shè)計(jì)每條指令的執(zhí)行流程。（3）可以利用組合邏輯控制器或微程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，至少實(shí)現(xiàn)4條CPU指令（從ADD,SUB,XOR,AND,OR中選擇）；（4）在設(shè)計(jì)中要求詳細(xì)定義指令系統(tǒng)的格式。（5）用具體的芯片以及連線實(shí)現(xiàn)該模型機(jī)，用Protel畫連線邏輯圖

摘要隨著社會科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，人們步入自動(dòng)化、智能化的生活階段。本次課程設(shè)計(jì)課題是基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。利用CPU與簡單模型機(jī)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理課程及實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實(shí)現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達(dá)到將理論與實(shí)踐相聯(lián)系。本次設(shè)計(jì)完成了各指令的格式以及編碼的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各機(jī)器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應(yīng)用程序。部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，本課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元的控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能，通過設(shè)計(jì)流程圖，編寫機(jī)器指令，微指令和控制信號程序。首先向存儲器（RAM）中裝入數(shù)據(jù)和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動(dòng)程序執(zhí)行。另外，還需設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺操作微程序：存儲器讀操作（READ），存儲器寫操作（WRITE），運(yùn)行程序(RUN)。以上各微指令設(shè)計(jì)完畢后，連接線路在ZY15CompSys12BB計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱運(yùn)行程序，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輸出。這一課題的實(shí)現(xiàn)不僅使我們對各種微指令有了熟練的掌握，更對以后的學(xué)習(xí)、工作中有深遠(yuǎn)的影響。關(guān)鍵詞：微指令，機(jī)器指令，READ，WRITE,RUN，ZY15CompSys12BB

1總體說明1.1指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)的指令是用戶使用計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行的最小功能單位。一臺計(jì)算機(jī)支持的全部指令就構(gòu)成該機(jī)的指令系統(tǒng)。從計(jì)算機(jī)本身的組成看，指令系統(tǒng)直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等密切相關(guān)，它是CPU設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)和基本依據(jù)。設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的核心問題是選定指令的格式和功能。具體到我們的設(shè)計(jì)來說，指令的功能應(yīng)該包括簡單的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，移位操作，數(shù)據(jù)傳送，跳轉(zhuǎn)，讀寫內(nèi)存，另外還可能包括一些其他功能如置條件碼等。為了指令的規(guī)整性和便于譯碼，我們主要采用了定長的操作碼組織方案，操作碼為8位。尋址方式包括了寄存器尋址、立即數(shù)尋址、直接地址和相對尋址。1.1.1指令格式分類部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能，這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序。本實(shí)驗(yàn)采用六條機(jī)器指令：IN,OUT,STA,加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC其指格式如下：地址

內(nèi)容

助記符

說明

00

00

IN

；輸入開關(guān)數(shù)據(jù)→R0，采集數(shù)據(jù)

01

10

ADD[0AH]

；R0+[0AH]→R0

02

0A

；地址

03

20

STA[0BH]

；

R0→[0BH]

04

0B

；地址

05

30

OUT[0BH]

；[0BH]

→BUS,輸出顯示

06

0B

；地址

07

40

SUB[0AH]

；R0-[0AH]

→R0

08

0A

；地址

09

50

RLC

0A

01

0B為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù),檢查寫入是否正確,并能啟動(dòng)程序執(zhí)行,還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺操作微程序.存儲器讀操作:撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWB,SWA為”00”時(shí),按START微動(dòng)開關(guān),可對RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作.存儲器寫操作:撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWBSWA置為”01”時(shí),按START微動(dòng)開關(guān)可對RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入.啟動(dòng)程序:撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWBSWA置為“11”時(shí),按START微動(dòng)開關(guān),既可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令,啟動(dòng)程序運(yùn)行.上述三條控制臺指令用兩個(gè)開關(guān)SWBSWA的狀態(tài)來設(shè)置,其定義如下表1讀寫變化SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動(dòng)程序（RP）根據(jù)以上要素設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖,如圖1：圖1數(shù)據(jù)通路框圖1.1.2相關(guān)指令流程圖：1.算術(shù)邏輯運(yùn)算指令2.訪存指令將參與運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)分別放入ALU的A端和B端將參與運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)分別放入ALU的A端和B端ALU進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果存入暫存器Y中將暫存器Y中結(jié)果經(jīng)總線送回指定寄存器將指令中存儲器地址經(jīng)地址總線送入MAR當(dāng)中，并把存儲器讀寫使能端置為讀將存儲器中數(shù)據(jù)送入MDR將MDR中數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入寄存器將寄存器中數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入MDA將地址經(jīng)地址總線送入MAR，并讀寫使能端為寫將MDR中數(shù)據(jù)存入存儲器3.訪寄存器指令4.跳轉(zhuǎn)指令將寄存器中操作數(shù)送入總線將寄存器中操作數(shù)送入總線將立即數(shù)經(jīng)符號擴(kuò)展后送入總線將總線上的數(shù)送往寄存器取指令中立即數(shù)送入ALU的A端，將PC得值送入B端ALU完成加運(yùn)算，將結(jié)果送到暫存器Y中將Y中數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入PC1.1.3指令數(shù)據(jù)通路的構(gòu)建：取指令數(shù)據(jù)通路的構(gòu)建取指令的微操作安排如下：T0:PCBUSMAR,PCBUSA,1READT1:M(MAR)MDRBUSIR,ALU(A+2)YT2:YBUSPC,IRID數(shù)據(jù)通路如下：PCPCMUXIRALUAMEMMARMDRBYBUSMAR_INMDR_INPC_INIR_INA_INB_INALUOPBUS_MUX2.算邏指令執(zhí)行周期數(shù)據(jù)通路構(gòu)建算邏指令執(zhí)行周期微操作安排如下：T0:$R2BUSAT1:$R3BUSBT2:ALU(A，B)YBUS$R1數(shù)據(jù)通路如下：RFRFMUXIRALUABYBUSBUS_MUXALUOPA_INB_INRF_IN3訪存指令執(zhí)行周期數(shù)據(jù)通路構(gòu)建MUXMUXALUAMEMMARMDRBYBUSRFIRMDR_INRF_INBUS_MUXLDRR指令執(zhí)行周期的微操作安排如下：T0:Ad(IR)擴(kuò)位BUSMAR,1READT1:M(MAR)MDRT2:MDRBUS$RSTRR指令執(zhí)行周期的微操作安排如下：T0:$RBUSMDRT1:Ad(IR)擴(kuò)位BUSMAR,1WRITET2:4.訪寄存器組指令執(zhí)行周期數(shù)據(jù)通路構(gòu)建訪寄存器指令執(zhí)行周期微操作安排如下：T0:$R2BUS$R1T1:T2:數(shù)據(jù)通路如下：RFRFMUXIRBUS擴(kuò)位BUS_MUXRF_IN5.跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行周期數(shù)據(jù)通路構(gòu)建跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行周期的微操作安排如下：T0:Im(IR)擴(kuò)位和移位BUSAT1:PCBUSBT2:ALU(A+B)YBUSPCPCMUXPCMUXIRALUABYBUS擴(kuò)位BUS_MUXALUOPPC_IN1.2微代碼1.2.1微代碼定義微代碼定義如表2所示：表2微代碼的定義微程序2423222120-19181716151413控制信號S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0表3A，B，P字段內(nèi)容A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000.000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC當(dāng)擬定“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判別測試字段為P1測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計(jì)用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測試條件，出現(xiàn)6路分支，占用6個(gè)固定微地址單元。控制臺操作為P4測試，它以控制臺開關(guān)SWB，SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫。1.2.2微指令代碼化當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化：PC->ARPC->ARPC+1RAM->BUSBUS->IRP1SW->R0R0->299PC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1RAM->BUSBUS->DR2R0->DR1DR1+DR2->R0DR1->LEDRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARR0->BUSBUS->RAMRAM->BUSBUS->DR1RAM->BUSBUS->DR2DR1->LEDDR1->LEDDR1->LEDR0->DR1DR1-DR2->R0R0->DR1帶進(jìn)位循環(huán)右移299-G->R0R0->DR1010210INADDSTAOUTSUBRLC10111213141501030716313504261732360501253337063425013701012501控制臺0020P4P4WRITE（01）READ(00)RUN(11)212023PC—>ARPC—>ARPC+1PC—>ARPC+1RAM—>BUSBUS—>DR1RAMRAM—>BUSBUS—>DR1RAM—>BUSBUS—>DR12422013027DR1—DR1—>RAMDR1—>RAM圖2微程序流程圖表4二進(jìn)制微代碼表微地址S3~CNRDM17MABPuA5~uA00000000001100000010001000001000000011110110110000010020000000011000000010010000300000000111000000000010004000000001011000000000101050000000110100010000001100610010101100110100000000107000000001110000000010110100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001100115001100011000001000011101160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000101000001000000001270000011100001010000100003000000110100010100001000131000000001110000000000100320000000010110000000001013300000001101000100000011034011000011001101000011111350001100110001000000111103600000001100110000001111137000000011010001000010101下面介紹指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把他從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行測試[P(1)]，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器：”（實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INSDECODE”的芯片）根據(jù)指令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備（INPUTDEVICE）；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備（OUTDEVICE）。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號（W/E）有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。2詳細(xì)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)分析2.1.1系統(tǒng)需求分析一臺計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺特定的計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言。指令系統(tǒng)表征著計(jì)算機(jī)的基本功能和使用屬性，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要括指令功能、操作類型的設(shè)計(jì)，尋址方式和指令格式的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，指令系統(tǒng)反映了計(jì)算機(jī)的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。通常性能較好的計(jì)算機(jī)都設(shè)置有功能齊全、通用性強(qiáng)、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。2.1.2系統(tǒng)目標(biāo)在基本模型機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)IN,OUT,STA,加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC六條指令。2.1.3功能分析該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是對輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的加、減及循環(huán)左移運(yùn)算，并對其結(jié)果進(jìn)行存儲，顯示等功能，從而得到一個(gè)簡易的復(fù)雜模型機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能。2.1.4詳細(xì)步驟(1)按圖3連接實(shí)驗(yàn)線路。B7BUSUNIT|||B0W/RUNITT4T3T2T1WETS4TS3￠TS2TS1STATEUNITH24SIGNALUNITB7S3|||AUJ3|||B0CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITB7LDR0||RO-B|B0REGUNITB7LDAR|LOAD||PC-BB0LDPCADDRESSUNITM24|M18|SE6||M19||SE1LDDR1LDDR2P(1)P(4)ALU-BLDIPLDR1RS-BLDARLOADPC-BM16LDPCM17MICRO-CONTROLLERSWBSWASE6|||SE1I7|P(1)|P(4)|LOGUNITI2SWITCHUNITSWBSWAI7|||I2INTUNITLDIRINPUTDEVICED7|||D0SW-BA8A9Y0EXUNITY1D7||Y2|D0D7LED-B|||W/RD0OUTPUTDEVICEA7|||A0W/RD7|||D0MAINMEMCEAD7D7||||||AD0D0W/REXTBUSB7BUSUNIT|||B0W/RUNITT4T3T2T1WETS4TS3￠TS2TS1STATEUNITH24SIGNALUNITB7S3|||AUJ3|||B0CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITB7LDR0||RO-B|B0REGUNITB7LDAR|LOAD||PC-BB0LDPCADDRESSUNITM24|M18|SE6||M19||SE1LDDR1LDDR2P(1)P(4)ALU-BLDIPLDR1RS-BLDARLOADPC-BM16LDPCM17MICRO-CONTROLLERSWBSWASE6|||SE1I7|P(1)|P(4)|LOGUNITI2SWITCHUNITSWBSWAI7|||I2INTUNITLDIRINPUTDEVICED7|||D0SW-BA8A9Y0EXUNITY1D7||Y2|D0D7LED-B|||W/RD0OUTPUTDEVICEA7|||A0W/RD7|||D0MAINMEMCEAD7D7||||||AD0D0W/REXTBUS圖3實(shí)驗(yàn)線路圖(2)寫程序聯(lián)機(jī)讀/寫程序