華科學院電腦科學與技術專業
（2015/2016學年第一學期）
學生姓名：
學生班級：
學生學號：
指導教師：
年月日目錄1、設計的目的及要求： 1
2、總體描述： 1
3、裝置分析： 2
3.1時序分析 2
3.2指令解碼單元工作原理 3
3.3暫存器解碼單元工作原理 5
4、微指令格式分析: 6
5、控制台流程詳細描述： 9
6、 指令系統詳細設計： 12
6.1指令詳細分析 12
6.2微指令流程詳細描述 16
7、微**表及控存率： 16
7.1微**表 16
7.2控存利用率 17
8、測試程式： 17
8.1程式功能描述 17
8.3程式機器碼 18
8.4彙編 19
8.5 cpi計算 20
9、心得體會： 20
參考文獻 21
附錄a 21
附錄b 22
1、設計的目的及要求：
本課程設計是電腦科學與技術專業重要的實踐性教學環節之一，是在學生學習完《計算機組成原理》課程後進行的一次全面的綜合設計。目的是通過乙個完整的8位指令系統結構（isa）的設計和實現，加深對計算機組成原理課程內容的理解，建立起整機系統的概念，掌握計算機設計的基本方法，培養學生科學的工作作風和分析、解決實際問題的工作能力。
要求學生綜合運用計算機組成原理、數字邏輯和組合語言程式設計等相關知識，理解和熟悉計算機系統的組成原理，掌握計算機主要功能部件的工作原理和設計方法，掌握指令系統結構設計的一般方法，掌握並且運用微程式設計（microprogramming）思想，在設計過程中能夠發現、分析和解決各種問題，自行設計自己的指令系統結構（isa）。
基於tdn-cm++計算機組成原理實驗教學系統，設計並實現乙個8位指令系統結構（isa），通過除錯和執行，使設計的計算機系統能夠完成指定的功能。
本設計的具體方案說明如下：
（1）指令系統風格：暫存器-儲存器；
（2）暫存器組：通用暫存器r0；專用暫存器：位址暫存器ar，指令暫存器ir，程式計數器pc；
（3）儲存器組成與劃分：儲存器共256個位址空間,定址能力8;指令區從位址為1a的位址空間開始；資料區從位址為a0h的位址空間開始；
（4）指令編碼格式：單位元組和雙位元組；
（5）指令功能類別：算數/邏輯運算：add、sub；
資料傳送類：in、out、sta；
程式流控制類：jmp；
（6）資料型別：8位無符號二進位制整型無符號數；
（7）定址方式：直接定址、暫存器定址、立即數定址；
（8）條件碼：cy為進製訊號，cy=1時為高電平有進製；cy=0時為低電平無進製；
（9）i/o裝置管理方式：分離式i/0；
（10）依據cpi（靜態、動態）值對指令系統進行效能分析：靜態cpi為4.45，動態cpi為5.52。
時序電路原理如圖3.1所示，可產生4個等間隔的時序訊號ts1-ts4，其中φ為時鐘訊號，由實驗台左上方的方波訊號源提供，可產生頻率及脈寬可調的方波訊號。
圖3.1 時序電路原理圖
當step為0（exec）時，一旦按下啟動鍵，時序訊號ts1-ts4將周而復始地傳送出去；step為1時，一旦按下啟動鍵，機器便處於單步運動狀態，即此時只傳送乙個cwp週期的時序訊號就停機，利用單步方式每次唯讀一條微指令，可以觀察微指令的**與當前微指令的執行結果。另外，當機器連續執行時，如果step開關置「1」(step)，也會使機器停機。clr開關執行1→0→1操作可以使時序清零。
時序電路產生的波形如圖3.2所示。
圖3.2 時序訊號圖
各時鐘脈衝ts1-ts4所對應的功能部件如表3-1所示。
表3-1 時序訊號控制部件分析表
指令解碼電路中i7～i2為指令暫存器的第7～2位輸出，se5～se1為微控器單微位址鎖存器的強置端輸出。指令解碼電路如圖3.3所示。
圖3.3 指令解碼電路圖
根據指令解碼電路得到下列公式：
p(1)，p(2)，p(3)，p(4)均為低電平有效，t4脈衝到來之前，t4為0，t4脈衝到來之後，t4為1，因此，在t4脈衝到來之前，se5，se4，se3，se2，se1均為1，se6預設為1。
微**定義中b欄位中的rs-b、rd-b、ri-b分別為源暫存器選通訊號，目的暫存器選通訊號及變址暫存器選通訊號，其功能是根據機器指令來進行三個工作暫存器r0、r1、r2的選通解碼，其原理如圖3.4所示，圖中i0-i3為指令暫存器的第0—3位，ldri為打入工作暫存器訊號的解碼器使能控制位。
圖3.4 暫存器解碼原理圖
暫存器的輸入與輸出由片選段和i0-i3（指令的低四位）決定，具體分析如下：
（1）暫存器的輸入選通訊號與片選段、指令低四位的關係如表3-2所示。
表3-2 暫存器輸入訊號選通表
（2）暫存器的輸出選通訊號與片選段、指令低四位的關係如表3-3所示。
表3-3 暫存器輸出訊號選通表
注：上圖中×表示無效。
根據以上實驗分析，本次設計的資料通路圖見附錄a，完整的引腳連線圖見附錄b。
微指令字長共24位，其控制位順序如表4-1所示。
每個字段詳細分析如下：
（1）欄位24～19為運算器的控制端，通過改變s3～cn來決定對資料進行何種運算；算術/邏輯運算選端如表4-2所示。
表4-2 算術邏輯運算選端表
移位控制邏輯功能表如表4-3所示。
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