武汉理工大学计算机组成原理课程设计--跳转指令的实现

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

基本模型机的设计 计算机科学与技术 计算机科学与技术

计算机0609

王凌霄 程

艳 芬

2009 年 1 月 2 日

课程设计任务书

学生姓名： 王凌霄 专业班级： 计算机0609 指导教师： 程艳芬 工作单位：计算机科学与技术学院 题 目: 基本模型机的设计——跳转指令的实现 初始条件：

理论：学完“电工电子学”、“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、和“计算机组成原理”课程，掌握计算机组成原理实验平台的使用。

实践：计算机学院科学系实验中心提供计算机、实验的软件、硬件平台，在实验中心硬件平台验证设计结果。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、基本模型机系统分析与设计，利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务，从而建立清晰完整的整机概念。

2、根据课程设计题目的要求，编制实验所需的程序，上机测试并分析所设计的程序。 3、课程设计的书写报告应包括： （1）课程设计的题目。

（2）设计的目的及设计原理。

（3）根据设计要求给出模型机的逻辑框图。 （4）设计指令系统，并分析指令格式。

（5）设计微程序及其实现的方法（包括微指令格式的设计，后续微地址的产生方

法以及微程序入口地址的形成）。

（6）模型机当中时序的设计安排。 （7）设计指令执行流程。

（8）给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序。 （9）说明在使用软件HKCPT的联机方式与脱机方式的实现过程（包括编制程序中

跳转指令的时序分析，累加器A和有关寄存器、存储器的数据变化以及数据流程）。

（10）课程设计总结（设计的特点、不足、收获与体会）。

时间安排：设计时间为第18周

周一：熟悉相关资料。 周二：系统分析,设计程序。 周三、四：编程并上实验平台调试 周五：撰写课程设计报告。

指导教师签名： 2008年 12 月 25 日 系主任（或责任教师）签名： 2008年 12 月 26 日

基本模型机的设计 ——跳转指令的实现

1设计的目的及设计的原理

1.1设计的目的

1、掌握了各个单元模块的工作原理,进一步将其组成整的系统，构造成1台基本的模型计算机。

2、根据实验要求，规划读写内存、寄存器、数值计算等功能，并且编写相应的微程序。用软件HKCPT的微单步功能观察指令运行状态，掌握微程序控制原理。

3、利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务，从而建立清晰完整的整机概念，具体上机调试各个模块单元以便进一步掌握整机的概念。

1.2设计的原理

在各个模型实验中，各模块的控制信号都是由实验者手动模拟产生的。而在真正的试验系统中，模型机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能。在本实验平台中，模型机从内存中取出、解释、执行机器指令都由微指令和与之相配合的时序来完成，既1条机器指令对应1个微程序。

2模型机的总体设计

2.1基本模型机系统分析与设计

1、简单的模型计算机是由算术逻辑运算单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、累加器、

启停、时序单元、总线和存储器单元组成。

2、在模型机中，我们将要实现RAM的读写指令，寄存器的读写指令，跳转指令，ALU的加、减指令。把通用寄存器作为累加器A们进行左、右移等操作指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。

3、根据设计要求，对实验仪硬件资源进行逻辑组合，便可设计出该模型机的整机逻辑框图。

2.2模型机的逻辑框图

3设计指令系统

本实验平台内采用的是8位数据总线和8位地址总线，在设计指令系统时考 虑有如下几种类型的指令和寻址方式及编码方式：

3.1指令类型

3.1.1算术/逻辑运算类指令

如：加法、减法、取反、逻辑运算

ADD A,Ri , SUB A,Ri

3.1.2移位操作类指令

带进位或不带进位的移位指令 RRC A , RLC A , RR A

3.1.3数据传送类指令

CPU内部寄存器之间数据传递 MOV A , Ri MOV Ri , A

3.1.4程序跳转指令

跳转指令分为无条件跳转指令和有条件跳转指令。可根据寄存器内容为零来标志（ZD）、

有无进位来标志（CY），也可根据用户自定义标志。 JMP addr 无条件跳转 JZ addr ZD=0 时跳转 JC addr CY=0 时跳转 JN addr 自定义

3.1.5存储器操作类指令

存储器读/写指令。把内存某单元内容写入寄存器中或把寄存器中的内容写入存储器。如： LDA addr (addr)->A STA addr (A)->addr

3.2操作数寻址方式及编码

3.2.1直接地址寻址

如：双字节指令

LDA addr (addr)->A STA addr (A)->addr

第1字节

操作码 第2字节

操作数地址addr

3.2.2寄存器直接寻址

指令字节中含有寄存器选择码，决定选择哪个寄存器进行操作。 如：单字节指令

MOV A , Ri (Ri)->A

单字节

操作码与Ri选择码

如：双字节指令

MOV Ri ,#data data->Ri

第1字节

操作码与Ri选择码 第2字节

Data

3.2.3寄存器间接寻址

如：单字节指令

MOV A ,@Ri (Ri)->A

Ri选择码

操作码

3.2.4立即数寻址

如：单字节指令

MOV A ,#data data->A MOV Ri,#data data->Ri 第1字节

操作码与Ri选择码 第2字节

Data

4设计微程序及其实现的方法

4.1微指令格式的设计

在本实验平台的硬件设计中，采用24位微指令，若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，那么至多可有24个微操作控制信号，可右微代码直接实现。如果采用多组编码译码，那么24位微代码通过二进制译码可实现2n个互斥的微操作控制信号。

由于模型机指令系统规模较小，功能也不太复杂，所以采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。

4.2后续微地址的产生方法

每条指令由不超过4条的微指令组成，那么可根据下表组成每条微程序的首地址。微

指令的运行顺序为下地址确定法，即采用计数增量方法，每条微指令执行过后微地址自动加1，指向下下一条微指令地址。例如：确定了一条程序的微程序入口地址位07H,那么当执行完07H这条微指令后微地址加1，指向08H微地址。微地址寄存器由2篇74LS161组成，当模型机在停机状态下，微地址被清零。当实验平台开始运行时，微地址从00H开始运行。且00H放置一条取指指令，根据程序开始地址从内存中读出第一条指令。

4.3微程序入口地址的形成

在模型机中，用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地址MD0～MD7，

这种方法成为“按操作码散转”（如下表所示）。

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