组成原理模型机及其指令系统
A1-3-模型机-原理图
…
LA,EA,LA’,Ev,N…
Ec
CLR
LM CLK EPR
内存地址寄存器 MAR
4
4
Lo CLK
Addr Bus
8
输出寄存器 OutReg
8
φ
RESET
存储器 PROM
8
LED显示
2. 各部件原理
PROM
Data Bus
LA EA CLK 8 Ev N 8 LA’ CLK Cp CLK
A ∑
8 4 4 8 8
程序计数器 PC
Ep CLR
指令寄存器 IR
4
LI CLK
EI CLR
A’
8
操作码译码器 OD
LDA,ADD,SUB,OUT,HLT
控制逻辑 CL
CLK 时钟及脉冲分配器 PD
T0,T1,T2,T3,T4,T5
CLR
…
LA,EA,LA’,Ev,N…
Ec
CLR
LM CLK EPR
A ∑
8 4 4 8 8
程序计数器 PC
Ep CLR
指令寄存器 IR
4
LI CLK
EI CLR
A’
8
操作码译码器 OD
LDA,ADD,SUB,OUT,HLT
控制逻辑 CL
CLK 时钟及脉冲分配器 PD
T0,T1,T2,T3,T4,T5
CLR
…
LA,EA,LA’,Ev,N…
Ec
CLR
LM CLK EPR
D7 D6 D0
&
D
LA
CLK
a7
D Q
a6
D Q
a0
Q
计算机组成原理课程设计报告_基本模型机的设计与实现
本次课程设计的任务是完成一个基本模型机的设计与实现。
设计经过综合运用了以前所学计算机原理的知识,依照设计要求和指导,实现了一个基本的模型计算机。
本模型机实现的功能有：IN（输入）,OUT（输出），ADD（加法），SUB（减法），STA（存数），JMP（跳转）。
设计进行开始,在了解微程序的基本格式, 及各个字段值的作用后, 按微指令格式参照指令流程图，设计出程序以及微程序，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码转换为联机操作时的十六进制格式文件。
根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址。
设计的加法和减法中, 被加数和被减数都由调试人员输入, 而加数和减数都从存储器中读取. 最后上机调试，各个功能运行结果正确。
关键词:基本模型机；机器指令；微指令目录1、课程设计题目-----------------------------------------------12、实验设备---------------------------------------------------13、课程设计步骤-----------------------------------------------13.1、所设计计算机的功能和用途------------------------------13.2、指令系统----------------------------------------------23.3、总体结构与数据通路------------------------------------23.4、设计指令执行流程--------------------------------------33.5、微指令代码化------------------------------------------43.6、组装和调试----------------------------------------------54、课程设计总结-----------------------------------------------75、附录-----------------------------------------------------------------------------------8附录1：数据通路图----------------------------------------------------------8 附录2：微程序流程图--------------------------------------------------------9 附录3：实验接线图------------------------------------------------------------10 附录4：实验程序及微程序---------------------------------------------------11 附录5：参考文献（资料）-----------------------------------121、课程设计题目基本模型机的设计与实现2、实验设备TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统一台，微机，虚拟软件，排线若干。
计算机组成原理-指令系统
一地址指令格式： OP10扩bi展t 6bit A 6bit 设为Z 剩余(24-X)26-Z
零地址指令格式： OP16bit ∴Z= (24-X)26- Y 2-6
扩展6bit Y种 ((24-X)26-Z) 26=Y
操作码扩展技术
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
EX2.机器指令长度为16位，地址码长度为6位，包含单地址 指令，双地址指令和无地址指令，试问单地址指令最多有 多少条？此时双地址指令和无地址指令各多少条？
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
强调:操作码扩展技术思考方向
EX2:假设指令字长16位，操作数的地址码为必6须位是，操指作令码有增零长地方址向、
一地址、二地址三种格式。要求：
(1) 设操作码固定，若零地址有P种，一地址指令有Q种，则二 地址最多有多少对种定？长操作码指令格式，应满足最长地址码要求
指令格式-操作码字段
变长操作码指令系统 鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
--随着地址码长度的变化，操作码长度变化 --特点：与定长刚好相反
常用技术： 操作码扩展技术★
OP 4b A1 A2 A3
三地址指令格式
0000 … 1110
三地址指令15条
OP 4b A1 A2
1111 0…000 1110
用于零地址指令扩展的编码最少为1个
指令格式-地址码字段
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
2.指令的一般格式
分析指令地址码类型
地址码
OP A1 A2 A3 A4
作用：用于指明操作数的地址； ① 四地址指令 ② 三地址指令 ③ 二地址指令 ④ 一地址指令 ⑤ 零地址指令
《计算机组成原理》复杂指令模型机设计与实现
根据 设备情况 ． 我们采 用对 Ｉ， （ ３１ 即指令 的第 ２位 和第 ３位 ） 行译 ２ 进 选择寻址方式 ， 其格式如下 ： 《 算机组 成原理》 是高等学校计算机科 学与技术专业的核心基 码 ， 计 础课 ． 要 教学 任 务 是 使 学 生 能 系统 而 完整 地 理解 计 算 机 硬 件 系 统 地 主 单字长指令 双 字 长 指 令 组成结构和工作原理 ， 培养学生对计算 机硬件结构的分析 、 应用 、 设计 ７６５４ ｆ ３２ ｆ ｏ ｌ１ 及开发能力。 因此 。 实验 课 程 的设 计 也应 该 在完 成基 本 的运 算 器 、 制 控 ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ９８ ７６５４３ ｏ ５ ４ ３ ２ ｌ ｏ ｌ ｌ ２ 器、 存储 器、 总想 等单 元的基础 ． 重点将 其整合形成基本 的模型机 ， Ｌ， Ｏ－ＯＥ Ｉ寻 式 Ｉ Ｐ Ｄ 址方 Ｃ 笔 者 在 从 事 计 算 机组 成原 理 课 程 教 学 的 过 程 当 中 ， 现 学 生 律 往 理 论 发 Ｏ－ＯＥ ＦＣＤ Ｉ 操 数 作 课程学的不错 ， 公式 、 概念掌握也很好 。 但是在应用所学知识进行具体 设 计 还 是 觉 得 尤 从 下 手 。 能 够 学 以 致 用 。 现 以复 杂 指 令 模 型 机 的设 不 因 为 本实 验 仪 总 线 为 ８ 计和实现过程来说明如何对组成原理课程 的综合运用。 位， 因此本类指令分两步进行 ， 先取指令码 ， 再取操作数地址进而找到 ２模型机硬 件组成分 析 ， 我 校 使 用 的 实 验 仪 为 Ｔ Ｎ— Ｍ＋ 成 原 理 实 验 仪 。 Ｄ Ｃ 组 在设 计 中 ， 我们 多么操作的数据。 本 模 型机 的指 令 系统 包 括 ： 采用计 算机组 成原理教学 实验 系统上 集成的各元件作 为模 璎机的硬 （） 术 逻 辑 指 令 ９条 ： Ｄ 、Ｕ 、 Ｒ、 Ｌ Ａ Ｄ Ｏ 、 Ｏ １算 Ａ Ｄ Ｓ ＢＳ Ｓ 、Ｎ 、Ｒ Ｎ Ｔ Ｈ Ｈ 件 部分 。首先 ， Ｘ０Ｒ 、 Ｍ０Ｖ ； 根 据 复 杂 模 型 ＡＤＤＲ、 （） ２ 访问内存指令和程序控制指令 ３条 ：Ｄ Ｓ Ａ、ＭＰ Ｌ Ａ、Ｔ Ｊ ； 机 的 构 架 设 计 数 据通路 ． 接 连 （）， 令 ２条 ：Ｎ、 Ｕ ３Ｉ Ｏ指 Ｉ Ｏ Ｔ； （】 机指 令 ：ＩＴ。 ４停 ｌ Ｌ ． 实 验 线 路 ， 后 然 考 虑数 据传送 ， 其中单字长指令有 ５条 ：Ｎ、 Ｕ Ｓ Ｓ Ｉ Ｏ Ｔ、ＨＬ、ＨＲ、 Ｕ’ ＨＡ 。 这 就 需 要 对 各 双字长指令有 １ ０条： 个 部 件 的 状 态 各个指令的名称 、 功能和具体格式见表 １ 。 控 制进行 分析 ， 具体的指令代码及助 记符如下 ： 然 后 根 据 计 算 助记符 机器指令码 说明 机 的 执 行 原 理 对 各 个 元 部 件 Ｉ Ｎ １Ｏ Ｏ ｏ ） ３ Ｏ１ Ｏ（ｏ Ｏ ３ Ｏ ＩＰ ＴＤ ＶＣ 一 Ｒ Ｎ Ｕ Ｅ ＩＥ ＞ ０ 进 行状 态控制 。 Ａ Ｄ ［ Ｄ Ｒ Ｄ ＡＤ】 ０ ０ ０ ０ｆｏ ０ １ ０ ） ０ ｌ Ｒ ＋Ａ Ｄ ］ Ｒ ０ ［ Ｄ Ｒ－ ０ ＞ 最 终 设 计 出 模 犁 机 的 数 据 通
《计算机组成原理》5-指令系统
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(4)-CPU子系统-模型机CPU-3-指令流程与微命令
操作时间表中各微命令的含义:
(1) 控制访存操作的微命令
EMAR, R/W, SIR, … (2) 控制CPU内部数据通路操作微命令 PCA, S3S2S1S0MC0, DM, CPPC, … (3) 控制时序切换的微命令 需要结合控制系统才能表述。ຫໍສະໝຸດ 6/18❶ 传送指令
1）流程图
例1：MOV R0，R1； FT0： M ET0： R1 ET1： PC 例2：MOV(R0),(R1)； FT0： M ST0： R1 ST1： M DT0： R0 ET0： C ET1： MDR ET2： PC
→B
17/18
移位器控制信号S：DM、SL、SR、EX 脉冲型微命令CP：无、CPRi\CPRj\CPC\CPD\CPMAR
CPMDR\CPPC\CPSP 访存控制：EMAR\W(EMDR)\R(SMDR)
IR和PSW的辅助控制ST：无,0→PSW[4],1→PSW[4],SIR 上述是直接根据指令流程归纳的微命令，设计控制系统 时需要先对这些微命令编码，见教材。 对比数据通路，其中Ri→A,Rj→B、CPRi和CPRj属于 间接信号，需结合指令中的寄存器编号，才能确定部 件的直接控制信号（见表3-13、3-14）
15/18
❻ 中断隐指令 IT0： 0 IT1： PC IT2： MDR PSW[4]， SP-1 MDR M SP/MAR
IT3：形成向量地址→MAR
IT4：M→MDR →PC/MAR
16/18
3、指令集的微命令归纳
指令执行过程所需的微命令，取决于： 数据通路结构； 基于数据通路设计的指令流程；
R0~3/C/D/SP/PC/ MDR →B ALU功能： S3S2S1S0、M、CI 移位选择：
8位模型机设计-指令系统及通用寄存器设计
东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院计算机组成原理课程设计专业名称计算机科学与技术班级学号学生姓名指导教师设计时间2014.12.22~2015.1.2课程设计任务书专业：计算机科学与技术学号：学生姓名（签名）：设计题目：8位模型机设计－指令系统及通用寄存器设计一、设计实验条件综合楼808实验室二、设计任务及要求总的设计目标是：设计一个8 位的模型机，其组成为：总线结构:单总线，数据总线位数8位、地址总线8位；●存储器:内存容量64K*8bit●控制器:用硬联线控制器实现26位微操作控制信号●运算器:单累加器，实现加、减等8种操作外设：●输入：用开关输入二进制量●输出：7段数码管和LED显示指令系统规模：64 条指令，7种类型，5种寻址方式本组任务是：1.设计12、15、22、32号指令；2.模型机的通用寄存器R1设计；3.BCD编码器的设计。
三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务（设计任务书）设计内容如下：1、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中2、模型机硬件设计：通用寄存器R13、逻辑电路设计：BCD码编码器2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)1.融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；2.学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；3.培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。
3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）【系统设计】1、模型机逻辑框图图1 模拟机整体逻辑框图图2 XCV200芯片引脚图3 CPU逻辑框图2、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位助记符：ADDC A, #II类型：算数运算指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节001011XX第二字节立即数：SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值助记符：SUB A, EM类型：算数运算指令寻址方式：存储器直接寻址指令格式：第一字节001110XX第二字节存储地址：AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值助记符：AND A, @R?类型：算数运算指令寻址方式：寄存器间接寻址指令格式：第一字节010101XX：MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中助记符：MOV A, #II类型：数据传送指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节011111XX第二字节立即数3、微操作控制信号：外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
计算机组成原理-指令系统
1 2
早期计算机的指令系统
以简单指令为主，操作码短，地址码少，寻址方 式简单。
现代计算机的指令系统
以复杂指令为主，操作码长，地址码多，寻址方 式多样化。
3
未来计算机的指令系统
随着技术的发展，指令系统将更加智能化、自动 化和个性化。
02
指令的格式与寻址方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
指令的格式
操作码字段
表示指令的操作类型，如加、减、乘、除等。
提高指令执行速度
优化操作码与地址码的设计，可以减少指令的解码 时间，从而提高指令的执行速度。
支持更多的操作和寻址方 式
通过扩展操作码和优化地址码的设计，可以 支持更多的操作和寻址方式，从而增强指令 系统的功能和灵活性。
04
指令系统的功能与性能分析
指令系统的功能分析
指令集架构
定义了计算机的基本操作和功能，包括数据类型、 操作码、寻址方式等。
指令执行单元
指令执行单元是计算机硬件的核心组件之一，负责执行解码后的指令。它包括算术逻辑单元 （ALU）、控制单元（CU）和寄存器文件等组件。
指令系统的软件实现技术
汇编语言
汇编语言是一种低级语言，与机器语言相对应。它使用助记符表示指令，方便程序员编写底层程 序。汇编语言编译器将汇编语言程序转换成机器语言程序。
能技术的发展，指令系统将更加注重智能优化能力，以提高程序的执行
效率和准确性。
06
指令系统实例分析
x86指令系统实例
指令集特点
x86指令系统是复杂指令集计算机（CISC）的代表，指令数量庞大， 寻址方式多样，支持多种数据类型和操作。
指令格式
x86指令格式多样，包括单字节、双字节和多字节指令，以及可变 长度的指令。
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计算机组成原理
模型机及其指令系统
班级：计科13-3
学号：1306010307
姓名：雷涵
成绩：
电子与信息工程学院
计算机科学系
模型机及其指令系统
指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。
一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、移位操作型、位（位串）操作型、输入和输出型等指令。
指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如：操作码字段+地址码字段，其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作数或操作数的地址。
其基本指令如下：
数据传送指令
MOV DST, SRC 为双操作数指令,两个操作数中必须有一个是寄存器.
目的数可以是通用寄存器, 存储单元和段寄存器(但不允许用CS段寄存器).
2.立即数不能直接送段寄存器
不允许在两个存储单元直接传送数据
不允许在两个段寄存器间直接传送信息
PUSH SRC 堆栈操作是以"后进先出"的方式进行数据操作.入栈的操作数除不允许用立即数外，可以为通用寄存器，段寄存器(全部)
和存储器. 入栈时高位字节先入栈，低位字节后入栈.
POP DST 出栈操作数除不允许用立即数和CS段寄存器外, 可以
为通用寄存器,段寄存器和存储器. 执行POP SS指令后,堆栈区在存
储区的位置要改变. 执行POP SP 指令后,栈顶的位置要改变.
XCHG OPR1, OPR2 执行操作: Tmp=OPR1 OPR1=OPR2 OPR2=Tmp 1.
必须有一个操作数是在寄存器中 2.不能与段寄存器交换数据 3.存
储器与存储器之间不能交换数据.
XLAT (OPR 可选) 换码指令: 把一种代码转换为另一种代码. 执行操作: AL=(BX+AL) 指令执行时只使用预先已存入BX中的表格
首地址,执行后,AL中内容则是所要转换的代码.
LEA REG, SRC 指令把源操作数SRC的有效地址送到指定的寄存
器中. 执行操作: REG = EAsrc 注: SRC只能是各种寻址方式的存
储器操作数,REG只能是16位寄存器 MOV BX , OFFSET OPER_ONE 等
价于 LEA BX , OPER_ONE MOV SP , [BX] //将BX间接寻址的相继的
二个存储单元的内容送入SP中 LEA SP , [BX] //将BX的内容作为
存储器有效地址送入SP中
LDS REG , SRC //常指定SI寄存器。
执行操作: REG=(SRC), DS=(SRC+2) //将SRC指出的前二个存储单元的内容送入指令中指定
的寄存器中，后二个存储单元送入DS段寄存器中。
LES REG, SRC //常指定DI寄存器执行操作: REG=(SRC) , ES=(SRC+2) //与LDS
大致相同,不同之处是将ES代替DS而已.
LAHF LAHF ( Load AH with Flags ) 标志位送AH指令 //将
PSW寄存器中的低8位的状态标志(条件码)送入AH的相应位, SF送
D7位, ZF送D6位...... 执行操作: AH=PSW的低位字节。
SAHF SAHF ( Store AH into Flags ) AH送标志寄存器指令 //将AH寄
存器的相应位送到PSW寄存器的低8位的相应位, AH的D7位送SF, D6
位送ZF...... 执行操作: PSW的低位字节=AH。
PUSHF PUSHF ( PUSH the Flags) 标志进栈指令 //将标志寄存器的值压入堆栈顶部, 同时栈指针SP值减2 执行操作: SP=SP-1,(SP)=PSW的高8位, SP=SP-1, (SP)=PSW的低8位
POPF POPF ( POP the Flags ) 标志出栈指令 //与PUSHF相反, 从堆栈的顶部弹出两个字节送到PSW寄存器中, 同时堆栈指针
值加2 执行操作: PSW低8位=(SP), SP=SP+1, PSW高8位=(SP) , SP=SP+1
IN 输入输出指令(IN,OUT) 只限于使用累加器AX或AL与外部
设备的端口传送信息. (INput)输入指令：信息从I/O通过累加器
传送到CPU IN AL , PORT //直接的字节输入,PORT是外设端口编号(即端口地址),只能取 00H ~ 0FFH共256个端口地址. IN AX , PORT //直接的字输入,AX存储连续两个端口地址PORT+1,PORT IN AL , DX //间接的字节输入,端口地址范围可通过DX设置为0000H ~ 0FFFFH
共65536个端口地址 IN AX , DX //间接的字输入
OUT ( OUTput)输出指令：信息从CPU通过累加器传送到I/O OUT PORT , AL //直接的字节输出,PORT规定与IN指令相同. OUT PORT , AX OUT DX , AL //间接的字节输出 OUT DX , AX MOV AL,05H
OUT 27H, AL //将字节05H传送到地址
经过一系列硬件课程的学习及相关实验之后，做一个综合的系统性设计，这在硬件方面是一个提高，可进一步培养实践能力。
一条指令的执行过程按时间顺序可分为以下几个步骤。
① CPU发出指令地址。
将指令指针寄存器（IP）的内容——指令地址，经地址总线送入存储器的地址寄存器中。
② 从地址寄存器中读取指令。
将读出的指令暂存于存储器的数据寄存器中。
③ 将指令送往指令寄存器。
将指令从数据寄存器中取出，经数据总线送入控制器的指令寄存器中。
④ 指令译码。
指令寄存器中的操作码部分送指令译码器，经译码器分析产生相应的操作控制信号，送往各个执行部件。
⑤ 按指令操作码执行。
⑥ 修改程序计数器的值，形成下一条要取指令的地址。
若执行的是非转移指令，即顺序执行，则指令指针寄存器的内容加1，形成下一条要取指令的地址。
指令指针寄存器也称为程序计数器。