中央处理器(CPU)模型设计课程设计

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1、 课程设计报告课程设计报告 课程名称课程名称 计算机组成原理计算机组成原理 设计题目设计题目 中央处理器（中央处理器（CPUCPU）模型设计）模型设计 1 1 系统分析系统分析 3 3 1.1 1.1 设计背景设计背景 3 3 1.2 1.2 设计目标设计目标 3 3 2 2 设计题目及要求设计题目及要求 3 3 2.1 2.1 设计目的设计目的 3 3 2.2 2.2 使用设备使用设备 3 3 2.3 2.3 设计说明设计说明 3 3 2.4 2.4 设计内容设计内容 4 4 3 3 设计详细步骤设计详细步骤 4 4 3.1 3.1 数据通路数据通路 4 4 3.1.1 3.1.1 数据通路

2、设计数据通路设计 4 4 3.1.2 3.1.2 数据通路分析数据通路分析 5 5 3.2 3.2 指令系统指令系统 5 5 3.2.1 3.2.1 指令分类指令分类 6 6 3.2.2 3.2.2 指令格式指令格式 6 6 3.2.3 3.2.3 指令汇总指令汇总 8 8 4.3 4.3 指令执行流程及其方框图指令执行流程及其方框图 1010 4.3.1 4.3.1 机器周期和节拍机器周期和节拍 . . 1010 4.3.2 4.3.2 指令执行流程的方框图指令执行流程的方框图 1010 4.3.3 4.3.3 微操作节拍安排微操作节拍安排 . . 1111 4 4 心得体会心得体会 161

3、6 目录 中央处理器（中央处理器（CPUCPU）模型设计）模型设计 1 1 系统分析系统分析 1.1 1.1 设计背景设计背景 此次课程设计，是在通过计算机组成原理理论课和几次实验课的学习基础 上，尝试设计一个简单的模型机指令系统，并设计出模型机的数据通路以及指令 系统的指令执行流程。 1.2 1.2 设计目标设计目标 设计一个模型计算机的指令系统及指令执行流程。 指令系统要支持简单的寻 址方式，并且包括算术逻辑类指令、逻辑运算类指令、数据传送类指令、堆栈操 作指令、程序控制类指令、I/O 输入/输出指令、标志位置位清零指令；指令执 行流程则要给出微操作的时间安排。 2 2 设计题目及要求设计

4、题目及要求 2.1 2.1 设计目的设计目的 通过课程设计，进一步加深对中央处理器的结构和功能的理解，初步掌握中央处 理器的设计方法和步骤，为今后从事计算机系统设计打下初步的基础。 2.2 2.2 使用设备使用设备 PC 机一台 2.3 2.3 设计说明设计说明 CPU 性能指标： CPU 字长 8 位； 数据总线：8 位； 地址总线：8 位，最大寻址空间为 256 字； I/O 独立编址，4 位地址码，最大支持 16 个 I/O 端口； 时钟：1MHz 机器周期： 4 个时钟周期； CPU 输出的控制信号：/MR、/MW、/IOR、/IOW CPU 基本构成： 运算器：功能参考 74LS18

5、1（正逻辑）； 微操作信号发生器：采用组合逻辑控制方式； 时钟电路与时序发生器。 CPU 主要寄存器： ALU 锁存器 X、Y，指令不可访问； ALU 输出移位器，采用三选一数据选择器实现，具有直通、左移 1 位、右 移 1 位的功能； 通用寄存器组 R0R7； SP：堆栈指针； IR：指令寄存器； PC：程序计数器，具有+1 功能； FLAG：标志寄存器，8 位，能独立置位或清零； DR：数据缓冲寄存器，双向，指令不可访问； AR：地址寄存器，单向，指令不可访问。 2.4 2.4 设计内容设计内容 设计模型机的数据通路； 设计一个功能相对完整的指令系统： 算术运算类指令(加、减、增 1、减

6、1)； 逻辑运算符指令(与、或、非、异或、移位运算); 数据传送类指令； 堆栈操作指令； 程序控制类指令(相对转移、绝对转移、子程序调用、子程序返回)； I/O 输入/输出指令； 标志位置位、清零指令； 设计指令执行流程及其方框图。 2.5 2.5 设计要求设计要求 指令系统： 指令长度为单字节和双字节两种； 操作码长度固定； 支持立即寻址、直接寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址等方式； 设计指令执行流程，给出微操作的时间安排。 3 3 设计详细步骤设计详细步骤 3.1 3.1 数据通路数据通路 3.1.1 3.1.1 数据通路设计数据通路设计 3.13.1.2 .2 数据通路分析数据通路分析 取指令数据通路分析取指令数据通路分析 PCARMEMDRIR PC+1PC 指令执行通路分析指令执行通路分析 Ri op Rj Ri op Rj