【正文】 設(shè)計要求，分別建立 CPU 的指令系統(tǒng)，利用運算器設(shè)計實驗結(jié)果，設(shè)計組合邏輯控制器，設(shè)計數(shù)據(jù)通路結(jié)果框圖等。 ⑵ 調(diào)試 把設(shè)計結(jié)果下載到實驗版上，通過執(zhí)行指令對設(shè)計進(jìn)行驗證 ⑶ 實驗設(shè)備 ① PC 機一臺 ② DVCC 試驗箱 ③ 各種實驗多需要的跳線，連接線等 2 CPU 指令系統(tǒng)的 設(shè)計 指令格式 模型機采用定長的指令格式，每條 指令 16 位字長，占據(jù)一個存儲單元。由于指令字長有限，采用寄存器尋址，即指令格式給出寄存器號，根據(jù) 不同的尋址方式形成相應(yīng)的地址。 模型機的指令格式有三類： (1) 雙操作數(shù)值令格式 15 12 11 9 8 6 5 3 2 0 操作碼 寄存器號 尋址方式 寄存器號 尋址方式 目的寄存器 源 寄存器 西安科技大學(xué)高新學(xué)院課程設(shè)計 2 四位操作碼可以表示 16 種操作。 (2) 單 操作指令格式 15 12 11 6 5 3 2 0 操作碼 （可擴(kuò)展） 寄存器號 尋址方式 目的 (3) 轉(zhuǎn)移指令格式 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0 操作碼 寄存器號 尋址方式 N’ Z’ V’ C’ 轉(zhuǎn)移地址 轉(zhuǎn)移條件 尋址方式 模型機的特點是指令中直接給出寄存器編號，供 CPU 訪問。可編程的寄存器包括寄存器 R0 ~ R3，堆棧指針 SP，程序計數(shù)器 PC，程序狀態(tài)字 PSW，針對同一種尋址防護(hù)四編碼，指定不同的寄存器，派生出多種不同的尋址方式。 模型機的常用的尋址方式： 表 1 類型編號 尋址方式 助記符 可指定的寄存器 定義 0 型 (000) 寄存器尋址 R R0 ~ R3， SP， PC，PSW 寄存器的內(nèi)容為操作數(shù) 1 型 (001) 寄存器間址 (R) R0 ~ R3 寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)地址 2 型 (010) 自減型寄存器尋址 (R) (SP) R0 ~ R3 寄存器內(nèi)容減 1 后的操作數(shù)地址 SP 內(nèi)容減 1 后為堆棧地址 3 型 (011) 立即 /自增型寄存器尋址 (R)+ (SP)+ (PC)+ R0 ~ R3 寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)的地址，訪問該地址后寄存器內(nèi)容加 1 SP 內(nèi)容為棧頂?shù)刂?，出棧?SP 加 1 PC 內(nèi)容為立即數(shù)地址，取數(shù)后 PC內(nèi)容加 1 4 型 (100) 直接 /間接尋址 @(R)+ @(PC)+ R0 ~ R3 寄存器的內(nèi)容為間接地址，訪問地址后寄存器內(nèi)容加 1 PC 內(nèi)容為間接地址，訪問后 PC 內(nèi)容加 1 5 型 (101) 變址 /相對尋址 X(R) X(PC) R0 ~ R3 變址寄存器內(nèi)容與形式地址之和為操作數(shù)地址 PC 內(nèi)容與位移量之和為有效地址 6 型 (110) 跳步 SKP 執(zhí)行再下條指令 在正式編碼中就可以用該表中的類型來指定相應(yīng)的尋址方式。 指令類型 西安科技大學(xué)高新學(xué)院課程設(shè)計 3 根據(jù)模型機的指令格式，操作碼有 4 位，線設(shè)置了 15 種指令 (其中兩種指令共用一個操作碼 )，余下的兩種操作碼組合可以供擴(kuò)展。按操作數(shù)的多少，把模型機的指令分為雙操作數(shù)指令和 單 操作數(shù)指令兩大類；按指令本 身的功能，把這 些 指令分為傳送，運算，轉(zhuǎn)移等 3 類。 模型機的指令類型如下表： 表 2 操作碼 助記符 含義 操作碼 助記符 含義 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 MOVE ADD SUB AND OR EOR COM NEG 傳送 加 減 與 或 異或 求反 求補 1000 1001 1010 1011 1100 1100 1101 INC DC SL SR JMP RST JSR 加 1 減 1 左移 右移 轉(zhuǎn)移 返回 轉(zhuǎn)子 ⑴ 傳送指令 MOV 可以采用不同的 尋址方式來預(yù)置寄存器或者存儲單元，實現(xiàn)見存期和寄存器之間，寄存器與存儲單元，各存儲單元之間的信息傳送，還可以實現(xiàn)堆棧操作 POP、 PUSH。 ⑵ 雙操作數(shù)指令 ADD、 SUB、 AND、 OR、 EOR 是帶進(jìn)位的加和減。其他的是邏輯運算指令，可用來實現(xiàn)位檢測，位清除， 位 設(shè)置，位修正等操作。 ⑶ 單操作數(shù)指令 有 COM、 NEG、 INC、 DC、 SL、 SR 他們都是單操作數(shù)指令，可以實現(xiàn)對操作數(shù)的加1 減 1 等操作。 ⑷ 程序控制指令 ① 轉(zhuǎn)移指令 JMP JMP 是用來實現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移的。 ② 返回指令 RST RST 指令 是 JMP 指令的一個特例，但是 RST 只能采用自增性寄存器間 接尋 址表明轉(zhuǎn)移地址，并且指定寄存器為 SP，即尋址方式 (SP)+，則從堆棧中取出返回地址，然后 SP+1。 ③ 轉(zhuǎn)子指令 JSP 執(zhí)行 JSP 指令時，首先將返回地址壓棧，然后按照尋址方式找到轉(zhuǎn)移地址，把 t 它送西安科技大學(xué)高新學(xué)院課程設(shè)計 4 PC 中。 綜上，得到我們的設(shè)計指令為： ⑴ LDR Ri， D 格式 7 4 3 2 1 0 0 0 0 0 Ri 不用 D 功能： Ri← M（ D） （ 2） STR Ri， D 格式 7 4 3 2 1 0 0 0 0 1 Ri 不 用 D 功能： M（ D）←（ Ri） （ 3） ADD Ri， Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 0 1 0 Ri Rj 功能： Ri ←（ Ri）＋ （ Rj） （ 4） SUB Ri， Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 0 1 1 Ri Rj 功能： Ri ←（ Ri）－ （ Rj） （ 5） AND Ri， Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 0 0 Ri Rj 功能： Ri ←（ Ri）∧ （ Rj） （ 6） OR Ri， Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 0 1 Ri Rj 功能： Ri ←（ Ri）∨ （ Rj） （ 7） MUL Ri， Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 1 0 Ri Rj 功能： Ri ←（ Ri） （ Rj） 西安科技大學(xué)高新學(xué)院課程設(shè)計 5 （ 8） 轉(zhuǎn)移指令 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 1 1 條件 不 用 D 功能： 條件碼 00 無條件轉(zhuǎn)移 PC ← D 01 有進(jìn)位轉(zhuǎn)移 PC ← D 10 結(jié)果為 0 轉(zhuǎn)移 PC ← D 11 結(jié)果為負(fù)轉(zhuǎn)移 PC ← D ⑼ IN Ri， M j 格式 7 4 3 2 1 0 1 0 0 1 Ri Mj 其中 M j為設(shè)備地址，可以指定四種外圍設(shè)備，當(dāng) M j=01 時，選中實驗箱的二進(jìn)制代碼開關(guān)。 功能： Ri ← （ M j） ⑽ OUT Ri， M j 格式 7 4 3 2 1 0 1 0 1 0 Ri Mj 當(dāng) M j=10 時，選中實驗箱的顯示燈。 功能： （ M j）← Ri ⑾ HALT（停機指令） 格式 7 4 3 2 1 0 1 0 1 1 不用 不用 功能：用于實現(xiàn)停機。 3 運算器的設(shè)計 運算部件是 CPU 內(nèi)部的重要組成部分，它起到至關(guān)重要 的作用。在此，我們暫不涉及運算器的具體設(shè)計，僅是利用以往實驗所得到的結(jié)果，利用已有的芯片來完成我們需要的運算功能。 在此我們借用 SN74181，利用它來完成我們需要的功能。 SN74181 概述 如下所示。 西安科技大學(xué)高新學(xué)院課程設(shè)計 6 圖 1 SN74181 的引腳框圖 ： 1） A0～ A3:4 位二進(jìn)制數(shù) A 2