【正文】 西安科技大學高新學院計算機組成原理課程設計題 目 16位CPU綜合設計 專業(yè)及班級 計算機科學與技術(shù)06級 組 長 盧燕妮 成 員 趙雯、徐靜蕾、劉佳、王大偉 、焦彤 指 導教 師 溫乃寧 日 期 2009年1月 目 錄1 教學目的、任務與實驗設備 1 學習目的 1 學習任務 12 CPU指令系統(tǒng)的設計 1 指令格式 1 尋址方式 2 指令類型 33 運算器的設計 5 SN74181概述 6 ALU的組成 74 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)的建立 8 部件設置 8 總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu) 9 各類信息的傳送路徑 9 微命令的設置 115 組合邏輯控制器的設計 12 功能描述和結(jié)構(gòu) 12 輸入和輸出端口定義 12 指令譯碼器 13 時序發(fā)生器 16 編碼器 17 微操作信號發(fā)生器 186 下載調(diào)試和驗證 19 實驗接線 19 連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。 20 寫微程序和程序 20 運行程序 227 設計總結(jié)及體會 238 參考文獻 23Ⅰ西安科技大學高新學院課程設計1 教學目的、任務與實驗設備 學習目的從計算機的基本概念、基本組成及基本功能著手，對計算機的各個基本組成部件及控制單元的工作原理進行學習，掌握有關(guān)軟、硬件的基本知識，尤其是各基本組成部件有機連接構(gòu)成整機系統(tǒng)的方法，為培養(yǎng)自身對計算機系統(tǒng)的分析、設計、開發(fā)和使用能力打下基礎。通過本門課程的學習，能在自己的腦中建立計算機的整機概念。 學習任務掌握數(shù)字化信息編碼及運算方法，運算器的邏輯構(gòu)成；熟悉半導體存儲器、磁表面存儲器基本原理，掌握存儲體系構(gòu)成；掌握尋址和指令系統(tǒng)；熟悉中央處理器組成、時序控制方法，掌握控制器設計技術(shù)；熟悉系統(tǒng)總線和I/O系統(tǒng)。⑴ 設計根據(jù)課程設計要求，分別建立CPU的指令系統(tǒng)，利用運算器設計實驗結(jié)果，設計組合邏輯控制器，設計數(shù)據(jù)通路結(jié)果框圖等。⑵ 調(diào)試把設計結(jié)果下載到實驗版上，通過執(zhí)行指令對設計進行驗證⑶ 實驗設備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?？删幊痰募拇嫫靼拇嫫鱎0 ~ 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RR0 ~ 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1SP內(nèi)容為棧頂?shù)刂?，出棧后SP加1PC內(nèi)容為立即數(shù)地址，取數(shù)后PC內(nèi)容加14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1PC內(nèi)容為間接地址，訪問后PC內(nèi)容加15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的尋址方式。 指令類型根據(jù)模型機的指令格式，操作碼有4位，線設置了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00000001001000110100010101100111MOVEADDSUBANDOREORCOMNEG傳送加減與或異或求反求補1000100110101011110011001101INCDCSLSRJMPRSTJSR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JMPJMP是用來實現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移的。② 返回指令RSTRST指令是JMP指令的一個特例，但是RST只能采用自