计算机组成原理十二条指令.docx
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计算机组成原理十二条指令
计算机学院计算机科学与技术专业
《计算机组成原理课程设计》报告
（2008/2009学年第一学期）
学生姓名：
闫全胜
学生班级：
计算机062202H
学生学号：
200620030227
指导教师：
康葆荣
2009年1月3日
目录
1关于此次课程设计1
1.1设计的目的：
1
1.2设计内容及要求：
1
2分析阶段2
2.1指令译码电路分析2
2.2寄存器译码电路分析3
2.3微指令格式分析4
2.4时序分析6
3初步设计阶段7
3.1数据格式7
3.2指令描述7
3.3存储器分区9
3.4控制台微程序流程：
10
3.5运行微程序11
4详细设计阶段12
4.1控制台流程分解12
4.2运行微程序子流程14
4.3微程序总流程图25
5实现阶段25
5.1所用模型机数据通路的介绍25
5.2微程序代码设计与编写27
微程序二进制代码表27
5.3机器指令的输入及运行28
心得体会31
参考资料31
1关于此次课程设计
1.1设计的目的：
本课程设计是计算机科学与技术专业重要的实践性教学环节之一，是在学生学习完《计算机组成原理》课程后进行的一次全面的综合设计。
目的是通过一个完整的8位指令系统结构（ISA）的设计和实现，加深对计算机组成原理课程内容的理解，建立起整机系统的概念，掌握计算机设计的基本方法，培养学生科学的工作作风和分析、解决实际问题的工作能力。
1.2设计内容及要求：
基于TDN-CM++计算机组成原理实验教学系统，设计和实现一个8位指令系统结构（ISA），通过调试和运行，使设计的计算机系统能够完成指定的功能。
设计过程中要求考虑到以下各方面的问题：
1、指令系统风格（寄存器-寄存器，寄存器-存储器，存储器-存储器）；
2、数据类型（无符号数，有符号数，整型，浮点型）；
3、存储器划分（指令，数据）；
4、寻址方式（立即数寻址，寄存器寻址，直接寻址等）；
5、指令格式（单字节，双字节，多字节）；
6、指令功能类别（算术／逻辑运算，存储器访问，寄存器操作，程序流控制，输入／输出）；
7、依据CPI值对指令系统进行性能分析。
要求学生综合运用计算机组成原理、数字逻辑和汇编语言等相关课程的知识，理解和熟悉计算机系统的组成原理，掌握计算机主要功能部件的工作原理和设计方法，掌握指令系统结构设计的一般方法，掌握并运用微程序设计（Microprogramming）思想，在设计过程中能够发现、分析和解决各种问题，自行设计自己的指令系统结构（ISA）。
2分析阶段
2.1指令译码电路分析
指令译码工作原理图：
图2.1指令译码工作原理图
根据上图得出指令译码器的逻辑表达式如下。
其中P
（1）～P（4）为低电平有效，当选用时该信号为零；I7～I2表示机器指令前六位；SE5～SE1为微控制器但愿位地址锁存器的强制端输出；SWASWB均为1（启动程序时）。
此设计中设定为P
（1）有效，P
（2）P（3）均无效，FCFZT4无需考虑。
由算出的SE5～SE1可知操作码对应的入口微地址。
2.2寄存器译码电路分析
寄存器译码原理图如下：
图2.2寄存器译码原理图
寄存器的输入、输出不仅决定于输入、输出开关，还与机器指令的后四位（即I3～I0）有关，由其决定哪个寄存器被选中。
2.2.1寄存器的输入
LDRi为寄存器的输入开关，且为低电平有效（即LDRi=0），I1、I0对寄存器进行选择，决定数据进入哪个寄存器。
2.2.2寄存器的输出
RS-B、RD-B、RI-B为寄存器的输出开关，且为低电平有效；I3、I2对寄存器进行选择，决定从哪个寄存器输出指令；从原理图上可以得出R2-B的输出，若RI-B有效则无需关注I3、I2因而I3、I2可为任意状态。
2.3微指令格式分析
微代码格式如下
每个字段的具体含义如下:
（1）字段24～19控制运算器的控制端，通过改变S3～CN来决定对数据进行何种算术或逻辑运算。
本设计中全部为正逻辑运算。
（2）字段18为控制对主存W/R的开关
A9
A8
WE
说明
0
1
0
对主存进行对操作
0
1
1
对主存进行写操作
（3）字段17、16控制24译码器的输出端，对Y0、Y1、Y2进行选择。
（4）字段15～7为A、B、C三个开关控制端。
A字段
B字段
12
11
10
开关
说明
0
0
1
RS-B
寄存器R0、R1、R2的输出开关
0
1
0
RD-B
寄存器R0、R1、R2的输出开关
0
1
1
RI-B
寄存器R0、R1、R2的输出开关
1
0
1
ALU-B
运算器ALU的输出开关
1
1
0
PC-B
PC计数器的输出开关
1
0
0
299-B
本设计中不涉及
0
0
1
NULL
空操作
C字段
（5）字段6～1为该条微程序的八位二进制后继地址，其决定顺序执行哪条微程序。
2.4时序分析
T1、T2、T3、T4为节拍控制端，本设计用了T4节拍控制端，当指令通过译码器P
（1）时，P
（1）对操作码进行测试，通过节拍脉冲T4的控制，以便识别所要求的操作。
图2.4时序信号图
TS1时进行微程序控制器控制，TS2时进行微指令寄存器控制，TS时控制LDIR、LDAR，TS4时对P
（1）、P
（2）、P（3）、P（4）、AR、LOPC、LDRi、LDDR1、LDDR2进行控制。
3初步设计阶段
3.1数据格式
本设计中所有需要处理的数据全部采用定点无符号整数表示，8个bit位，格式如下：
7
6
5
4
3
2
1
0
数值
数据的范围是0～28-1，即0～255。
3.2指令描述
指令
类型
指令名称
指令格式
助记符
寻址方式
说明
输
入
输
出
类
指
令
输入指令
7
6
5
4
3
2
1
0
OP
Rd
IN1（R
寄存器寻址
IN→Rd
输出指令
OUTAddr
直接寻址
[Addr]→LED-B
存
储
器
访
问
指
令
取数指令
LDAaddr,Rd
直接寻址
[addr]→Rd
存数指令
STARs,addr
直接寻址
RS→[addr]
指令
类别
指令名称
指令格式
助记符
寻址方式
功能说明
寄存器访问类指令
寄存器间传送指令
7
6
5
4
3
2
1
0
OP
Rs
Rd
MOVRs,Rd
寄存器寻址
Rs→Rd
程
序
控
类
指
令
无条件转移
JMPaddr
立即寻址
Addr→PC
停机指令
STP
程序到此处终止
算
术
逻
辑
运
算
指
令
算术减法指令
SUBRs,Addr,Rd
直接寻址
Rs-[Addr]→Rd
逻辑与运算指令
ANDRs,Addr,Rd
直接寻址
Rs*[Addr]→Rd
3.3存储器分区
设计中将主存储器划分为两部分，地址单元00H～1DH为指令存储区，地址单元1FH～FFH为数据存储区，其中每个地址单元中能够保存一个八位二进制的数据。
划分如下图所示：
3.4控制台微程序流程：
PC计数器在用清零开关CLR清零后，通过控制台开始进行机器指令的读写和执行，此处将00Q的后继地址设为20Q（即010000）。
此时只有P（4）有效，即P（4）=0,P
（1）=P
（2）=P（3）=1。
且SEi为1时无效，不能改变；只有SEi为0时，才能对该位上的数进行改变；但只能由0变成1，而不能逆转。
3.4.1强置写
当进行机器指令写入时，将SWB,SWA置成01状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址。
SE5=1
SE4=1
SE3=1
SE2=1
SE1=0
SE5～SE2均无效，只有SE1有效，即可得出010000改变为010001，即强置写的入口地址为21Q。
3.4.2强置读
当进行机器指令写入时，将SWB,SWA置成00状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址。
SE5=1
SE4=1
SE3=1
SE2=1
SE1=1
SE5～SE1均无效，不能对010000进行改变，即强置写的入口地址为20Q。
3.4.3程序执行
当进行机器指令写入时，将SWB,SWA置成11状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址。
SE5=1
SE4=1
SE3=1
SE2=0
SE1=0
SE5～SE3均无效，SE2和SE1有效，即可得出010000改变为010011，即强置写的入口地址为23Q。
3.5运行微程序
PC计数器在用清零开关CLR清零后，通过控制台进入机器指令执行状态，然后开始运行微程序。
此时只有P
（1）有效，即P
（1）=0,P
（2）=P（3）=P（4）=1，且SWB,SWA仍为11。
此处将运行P
（1）的上一步微指令的后继地址设为40Q（即100000），应用指令译码器的逻辑表达式对其进行改变得出微程序入口地址。
由于决定入口地址的只有机器指令的前四位（即I7～I4），则通过拟定其先得出入口地址，并检验拟定的前四位是否合理，如下表所示。
4详细设计阶段
4.1控制台流程分解
4.1.1公操作
对机器进行总清零CLR1-0-1。
选中P（4），通过译码形成入口地址。
4.1.2强置写
形成入口地址后，执行写操作。
1.
（1）打开PC-B将数据送到总线上；
（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；
（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。
2.
（1）打开SW-B将数据送到总线上，
（2）打开LDDR1将数据从总线流到DR1中。
3.
（1）打开ALU-B将数据送到总线上，其间DR1中的数据相当于在ALU中做F=A的运算；
（2）打开CE、WE置成01状态，将数据从总线流到主存相应地址单元中，完成数据写操作。
4.1.3强置读
形成入口地址后，执行读操作。
1.
（1）打开PC-B将数据送到总线上；
（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；
（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。
2.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
010
000
000
NULL
WE
CE
LDDR1
NULL
（1）打开CE、WE置成00状态，将数据从主存送到总线上；
（2）打开LDDR1将数据从总线流到DR1中。
3.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000001
1
10
000
101
000
F=A
NULL
LED-B
NULL
ALU-B
NULL
（1）打开ALU-B将数据送到总线上，其间DR1中的数据相当于在ALU中做F=A的运算；
（2）打开LED-B，数据从总线流到输出单元，在数码管上显示出来，完成数据读操作。
4.1.4执行程序
形成入口地址后，开始执行程序。
所有都为空操作，只是要通过后继地址转入到运行微程序的流程中。
4..1.5控制台流程图
由上可知控制台的总流程图为：
4.2运行微程序子流程
4.2.1公操作
所有的子流程都要运行取指的公操作，然后才能进行各自的操作。
运行微程序1.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
110
110
110
NULL
LDAR
PC-B
LDPC
（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令操作码地址）送到总线上；
（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；
（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。
2.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
100
000
001
NULL
WE
CE
LDIR
NULL
P
（1）
（1）打开CE、WE置成00状态，对主存进行读操作，访问AR中保存地址的地址单元中指令；
（2）打开LDIR，将主存中被访问的地址单元中指令送到IR；
（3）选中P
（1），根据刚保存到IR中的指令，通过指令译码器，形成执行该指令的微程序入口地址。
4.2.2IN1指令操作
2完成公操作后，根据形成的入口地址运行IN1指令操作。
（1）打开SW-B，将“INPUTDEVICE”中输入的数据流到总线上；
（2）打开LDRi，在T4脉冲作用下打开R0输入端据IN1机器指令的后两位决定让数据从总线上送入R0。
4.2.3ADD指令操作
完成公操作后，根据形成的入口地址运行ADD指令操作。
1.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
110
110
110
NULL
LDAR
PC-B
LDPC
（1）打开PC-B，将PC中的数据送到BUS；
（2）打开LDAR，在T3脉冲作用下将数据从总线流到AR中；
（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。
2.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
1010
000
000
NULL
WE
CE
LDAR
NULL
（1）打开CE、WE置成00状态，将数据从主存送到总线上；
（2）打开LDAR，在T3脉冲作用下将数据从总线流到AR中。
3.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
011
000
000
NULL
WE
CE
LDDR2
NULL
（1）打开CE、WE置成00状态，据AR中保存的指令地址码，在主存相同地址单元中，读出保存的操作数，并放置到总线上；
（2）打开LDDR2，在T4脉冲作用下将数据从总线流到DR2中。
4.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
010
001
000
NULL
LDDR1
RS-B
NULL
（1）打开RS-B，即打开R0的输出，将数据送到总线上；
（2）打开LDDR1，在T4脉冲作用下让操作数经由总线进入到DR1中。
5.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
100101
0
11
001
101
000
F=A+B
NULL
LDRi
ALU-B
NULL
（1）将ALU的控制端S3~CN置成F=A+B，两数相加，打开ALU-B将运算结果送到总线上；
（2）打开LDRi，在T4脉冲作用下打开R0输入端据ADD机器指令的后两位决定让数据从总线上送入R0。
4.2.4SUB指令操作
完成公操作后，根据形成的入口地址运行SUB指令操作。
1.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
010
001
000
NULL
LDDR1
RS-B
NULL
（1）打开RS-B，即打开R0的输出，将数据送到总线上；
（2）打开LDDR1，在T4脉冲作用下让操作数经由总线进入到DR1中。
2.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
011
011
000
NULL
LDDR2
RI-B
NULL
（1）打开RI-B，即打开R2的输出，将数据送到总线上；
（2）打开LDDR2，在T4脉冲作用下让操作数经由总线进入到DR2中。
3.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
011000
0
11
001
101
000
F=A-B
NULL
LDRi
ALU-B
NULL
（1）将ALU的控制端S3~CN置成F=A-B，两数相减，打开ALU-B将运算结果送到总线上；
（2）打开LDRi，在T4脉冲作用下打开R0输入端据SUB机器指令的后两位决定让数据从总线上送入R0。
4.2.5AND指令操作
完成公操作后，根据形成的入口地址运行AND指令操作。
1.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
110
110
110
NULL
LDAR
PC-B
LDPC
（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码地址）送到总线上；
（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；
（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。
2.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
110
000
000
NULL
WE
CE
LDAR
NULL
（1）打开CE、WE置成00状态，将数据从主存送到总线上；
（2）打开LDAR，在T3脉冲作用下将数据从总线流到AR中。
3.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
011
000
000
NULL
WE
CE
LDDR2
NULL
（1）打开CE、WE置成00状态，据AR中保存的指令地址码，在主存相同地址单元中，读出保存的操作数，并放置到总线上；
（2）打开LDDR2，在T4脉冲作用下将数据从总线流到DR2中。
4.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
010
001
000
NULL
LDDR1
RS-B
NULL
（1）打开RS-B，即打开R0的输出，将数据送到总线上；
（2）打开LDDR1，在T4脉冲作用下让操作数经由总线进入到DR1中。
5.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
101111
0
11
001
101
000
F=AANDB
NULL
LDRi
ALU-B
NULL
（1）将ALU的控制端S3~CN置成F=AANDB，两数相与，打开ALU-B将运算结果送到总线上；
（2）打开LDRi，在T4脉冲作用下打开R0输入端据AND机器指令的后两位决定让数据从总线上送入R0。
4.2.6OR指令操作
完成公操作后，根据形成的入口地址运行AND指令操作。
1.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
010
001
000
NULL
LDDR1
RS-B
NULL
（1）打开RS-B，即打开R0的输出，将数据送到总线上；
（2）打开LDDR1，在T4脉冲作用下让操作数经由总线进入到DR1中。
2.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
011
011
000
NULL
LDDR2
RI-B
NULL
（1）打开RI-B，即打开R2的输出，将数据送到总线上；
（2）打开LDDR2，在T4脉冲作用下让操作数经由总线进入到DR2中。
3.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
111011
0
11
001
101
000
F=AORB
NULL
LDRi
ALU-B
NULL
（1）将ALU的控制端S3~CN置成F=AORB，两数相或，打开ALU-B将运算结果送到总线上；
（2）打开LDRi，在T4脉冲作用下打开R0输入端据OR机器指令的后两位决定让数据从总线上送入R0。
4.2.7MOVE指令操作
完成公操作后，根据形成的入口地址运行MOVE指令操作。
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
001
001
000
NULL
LDRi
RS-B
NULL
（1）打开RS-B，即打开R0的输出门让其中保存的数据流到总线上；
（2）打开LDRi，在T4脉冲作用下打开R2的输入端据MOVE机器指令的后两位决定让数据从总线上送入R2。
4.2.8STA指令操作
完成完成公操作后，根据形成的入口地址运行STA指令操作。
1.
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
11
110
110
110
NULL
LDAR
PC-B
LDPC
（1）打开PC-B，将PC中的数据（指令地址码地址）送到总线上；
（2）打开LDAR将数据从总线流到AR中；
（3）打开LDPC，让自动加1的数据进入PC中。
S3S2S1S0MCN
WE
A9A8
A
B
C
000000
0
01
110
000
000
NULL
WE
CE
LDAR
NULL
2.
（1）打开CE、WE置成00状态，将数据（指令地址码）从
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