计算机科学与技术实验大纲

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1、1.2课程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/

2、输出）。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，学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」微指令格式分析微指令格式如下表：表2-1微代码定义S3S2S1S0MCNWEA9A8ABCuA5〜yA02423222120191817161514121110987654321每个字段的具体含

3、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算术运算逻辑运算无进位有进位M001CN10X（2）字段18为控制对主存W/R的开关A9A8WE说明010对主存进行对操作011对主存进行写操作（3）字段17、16控制24译码器的输出端,对YO、Yl、Y2进行选择。A9A8Yi操作说明00Y0选中SW-BINPUTUNIT的开关01Y1选中CEMAINMEN的控制片选开关10Y2选中LED-BOUTPUTUNIT的开关11XNULL（4）字段15〜7为A

4、、B、C三个开关控制端。A字段151413开关说明001LDDRi控制寄存器Ri的勇入010LDDRI暂存器DR1的控制开关011LDDR2祈存器DR2的控制开关100LDIR指令寄存器IR的控制开关101LOAD非自动输入的数据装载入PC计数器的控制开关110LDAR地址寄存器AR的控制开关000NULL空操作B字段121110开关说明001RS-B寄存器RO、Rl、R2的输出开关010RD-B寄存器RO、Rl、R2的输出开关011RI-B寄存器RO、Rl、R2的输出开关101ALU-B运算器ALU的输出开关110PC-BPC

5、计数器的输出开关100299-B本设计屮不涉及001NULL空操作C字段987开关说明001P(l)指令译码器屮的P(l)为低电平有效010P(2)指令译码器中的P(2)为低电平有效011P(3)指令译码器中的P(3)为低电平有效100P⑷指令译码器中的P(4)为低电平有效110LDPC将自动输入的数据加1后输入到PC计数器屮的控制开关101AR本设计中不涉及001NULL空操作(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2.2指令译码电路分析指令译码工作原理图如下：SW-ASW・BP(l)~P(4

6、)为低电平有效，当选用时该信号为零；17〜12表示机器指令前六位；SE5〜SE1表示能够强置改变入口地址的后五位。根据上图得出指令译码器的逻辑表达式如下：SE5二（FC+FZ）*T4杆（3）SE4二I7*T4*P（1）SE3二I琳T4杆（1）SE2二I5*T4*P（1）+I3*T4杆（2）+T4*P（4）*WBSE1二14*T4*P（1）+12*T4*P⑵+T4杆1（4）*别A拟定机器指令通过上式即可算出每条子程序的入口地址。2.3寄存器译码电路分析寄存器译码原理图如下。1hiLX心丿I」Jl

7、出不仅决定于输入、输出开关，还与机器指令的后四位（即13〜10）有关，由其决定哪个寄存器被选中。2.3.1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）,II、10对寄存器进行选择，决定数据进入哪个寄存需。LDRi1110LDR0000LDR1001LDR20102.3.2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；13、12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R1・B有效则无需关注13、12因而13、12可为任意状态。RS-B

8、RD-BRI-B1312R0-B01100R1-B01101R2-B01110110XX2.4时序分析Tl、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