计算机组成课程设计

计算机学院计算机科学与技术专业

《计算机组成课程设计》报告

（2012/2013学年 第一学期）

学生姓名：

学生班级： 计算机102201H

学生学号：

指导教师： 康葆荣

年 月 日 计算机组成原理课程设计

I

目录

1 课程设计需求分析 ....................................................... 1

1.1 课程设计目的与要求 ................................................ 1

1.2 课程设计内容 ...................................................... 1

1.3 实验器材描述 ...................................................... 2

1.4 存储器划分 ........................................................ 2

1.5 指令译码电路分析 .................................................. 3

1.6 寄存器译码电路分析 ................................................ 4

2详细设计 ................................................................ 5

2.1控制台设计 ........................................................ 5

2.2 单条指令的详细设计 ................................................ 7

2.3指令设计 ......................................................... 15

3编码实现 ............................................................... 20

4设计测试 ............................................................... 20

5实验心得体会 ........................................................... 22

附录一：数据通路图 ...................................................... 22

附录二：实验连线图 ...................................................... 23

参考文献： .............................................................. 24

计算机组成原理课程设计

1

1 课程设计需求分析

1.1 课程设计目的与要求

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。

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）。

1.2 课程设计内容

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）；

计算机组成原理课程设计

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1.3 实验器材描述

硬件：TDN—CN++计算机组成原理实验教学系统, 具备支持开放式实验教学方法的结构特点。

表1-1 TDN—CN++教学系统

电路名称 主要电路内容

运算器单元

（ALU UNIT） 运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、内部总线

计数器与地址寄存器单元

（ADDRESS UNIT） 地址寄存器、程序地址计数器

微控器单元

（MICRO CONTROLLER UNIT） 指令寄存器、指令译码器、微指令控制寄存器及其编程器、逻辑译码单元、时序电路

主存单元（MAIN MEM） SRAM6116

输入设备、输出设备

（INPUT DEVICE& OUTPUT DEVICE） 开关、显示灯、

控制台（读写、启动、停机）

CPLD单元 1片ISP LSI1032 CPLD芯片

接口实验板（系统附件） Intel 8253、8255、8259接口芯片各一片

逻辑信号测量单元 两路逻辑信号PC 示波器

单片机控制单元 控制单片机、RS-232C串口等

电源 采用高效开关单元、

输出为5V/2A、±12V/0.2A

1.4 存储器划分

存储区大小为256个存储单元，分配给代码区17个存储单元，数据区为239个存储单元。存储器地址由“INPUT DEVICE”的8位输入端生成，可对256个地址进行访问。此256个地址空间由代码区和数据区两部分构成（如图1-5所示），其中指令代码区范围为[0000 0000]-[0010 0101],即[00H-25H]，数据区范围为[1101 计算机组成原理课程设计

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0110-1111 1111]，即[26H-FFH]。

I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0

00H

25H

26H

FFH

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

图1.1存储器空间分配

1.5 指令译码电路分析

图1.2 指令译码电路

根据指令译码电路以及寄存器译码电路，得出以下结论：

代码区

数据区

计算机组成原理课程设计

4 14244424434534644754**(4)(2)**(1)****(4)(2)**(1)**(1)**(1)*(3)**()ABcZSESWTPPIIPTISESWTPPTIPTISEPTISEPTISEPTFF

IN： 000000 得SE1=SE2=SE3=SE4=SE5=1，由010000（20）开始跳转。

ADD：000100 I4=1，SE1=0，（010000—010001）微地址由20跳到21。

SUB：001001 I2=I5=1，得SE2=0，(010000—010010)微地址由20跳到22。

MOV：001100 I4=I5=1，得SE1=SE2=0，(010000—010011)微地址由20跳到23。

AND：010001 SE3=0，(010000—010100)由20跳到24。

OR： 010100 I4=I6=1，得SE1=0，SE3=0，（010000—010101）由20跳到25。

STA：011001 I2=I5=I6=1，得SE2=SE3=1，（010000—010110）由20跳到26。

LOAD:011101 I2=I4=I5=I6=1，得SE1=SE2=SE3=1，（010000—010110）由20跳到26。

OUT: 100000 I7=1，得SE4=0，(010000—011000)由20跳到27。

JMP: 100100 I4=I7=1，得SE4=0，(010000—011000)由20跳到30。

STOP:101000 I5=I7=1，得SE1=0，(010000—011001)由20跳到31。

1.6 寄存器译码电路分析

图1.3 寄存器译码电路 计算机组成原理课程设计

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（1） 选中LDRI,对寄存器R0、R1或R2进行操作。

表1-2

I1 I0 说明

0 0 对寄存器R0进行写操作

0 1 对寄存器R1进行写操作

0 0 对寄存器R2进行写操作

（2） 选中R0-B，对寄存器R0、R1或R2进行读操作。

表1-3

I1 I0 说明

0 0 将寄存器R0的内容读出

0 1 将寄存器R1的内容读出

1 0 将寄存器R2的内容读出

（3） 选中RS-B，对寄存器R0、R1或R2进行读操作。

表1-4

I3 I2 说明

0 0 将寄存器R0的内容读出

0 1 将寄存器R1的内容读出

1 0 将寄存器R2的内容读出

（4） 选中RI-B时，只对R2寄存器进行读操作。

2详细设计

2.1控制台设计