八位模型机实验报告

实验报告

名称：计算机组成原理大实验题目：8位模型机的设计

院系：计算机系

班级：

学生姓名：

8位模型机的设计

关键词

模型机设计控制器微程序设计

摘要

设计一个简单的8位模型机，主要包括指令系统、运算器、控制器、存储器、时序产生器总线等设计。

前言

原理是计算机科学技术学科的一门核心专业基础课程。从课程地位来说，它在先导课程和后续课程之间起着承上启下的作用。

计算机组成原理讲授单处理机系统的组成和工作原理，课程教学具有知识面广，内容多，难度大，更新快等特点。此次课程设计目的就是为了加深对计算机时间和空间概念的理解，增强对计算机硬件和计算机指令系统的更进一步的了解。

计算机组成原理课程设计是为了加深对计算机工作原理的理解以及计算机软硬件之间的交互关系。不仅能加深对计算机的时间和空间的关系的理解，更能增加如何实现计算机软件对硬件操作，让计算机有条不紊的工作。

正文

一、设计的目的

根据计算机组成原理课程所学知识，设计一个8位的模型计算机。

1．掌握计算机的基本组成和功能；

2．掌握计算机各大部件的功能与设计方法；

3．深入学习计算机各类典型指令的执行流程；

4．深入学习微程序控制器的原理和设计过程；

5．掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表；

6．综合运用所学知识，在掌握部件单元电路设计的基础上，进一步构造一台基本的模型计算机，建立计算机整机概念；

7．通过本次设计，理论联系实践，进一步加强学生分析问题、解决问题的能力，提高自身硬件设计水平。

二、设计的任务

1．查阅文献资料，一般在5篇以上；

2．以TEC-XP教学实验计算机系统为背景，通过调研、分析现有的模型机，建立8位的整机模型；

3．完成8位模型机的整机设计和各部件的具体设计；

4．撰写设计报告书；

5．做好答辩工作。

三、设计的原理及内容

原理：

由运算器ALU、控制器、地址寄存器MAR、数据寄存器MBR、指令寄存器IR、存储器M、程序计数器PC七大部件组成，它们是通过总线连接起来的它们的逻辑结构和数据通路如图所示，控制器是整个模型机的中心，由它来控制计算机指令的执行，模型机执行指令的具体过程为：首先控制器从指令寄存器取得指令、编译指令、再输出微控执信号、控制ALU的运算、PC加1、并且从M中取出数据运算、运算后再把结果通过数据总线存到M，PC送入MAR，再从指令寄存器中读取下一条指令，依次循环。

内容：

1．8位模型机总体结构的设计；

主要是数据通路的设计或选择，要说明如下内容：

1)寄存器的位数

2)总线宽度

3)ALU位数及运算功能

4)微命令的设置（各标识的含义）；

2．拟定指令系统；

主要系统包括哪些指令以及指令格式，寻址方式。

3．控制器的选择；

采用微程序控制器。

4．绘制指令流程图；

5．安排指令操作时间表，设计微指令格式；

6．编写微程序；

7．了解并说明模型机的输入/输出模块；

各部件设计时，说明部件中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序、以及部件之间数据和控制信号的来源、去向、功能和时序等

四、指令系统

1. 指令格式

模拟机采用了定长的单操作数指令格式，指令字长为8位。操作码3位，操作数5位

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模拟机采用了定长的指令格式，每条指令字长为8位。采用的寻址方式为立即数寻址，直接寻址，寄存器间接寻址和寄存器寻址。

2、操作码

所有寄存器都是8位，内部结构是8个D 触发器，代码输入至D 端，CP 同步打入。PSW 的特征位还可由R 、S 端置入，系统总线对MBR

的输入也可由R 、S 端置入。

（1） 可编程寄存器，有通用寄存器R0、R1，堆栈指针SP ，程序状态字寄存器PSW ，程

序计数器PC 。

（2） 暂存器C ，从主存读取的源操作数可暂存于寄存器C 中。

（3） 指令寄存器IR ，存放现行指令，输出为产生微操作命令序列的主要逻辑依据。 （4） 与主存的接口寄存器MAR 、MBR 。CPU 访问主存的地址由MAR 提供，MAR 连接地

址总线的输出门事三态门，当微命令EMAR 为高电平时，MAR 输出送往地址总线；当EMAR 为低电平时，MAR 输出高阻态，与地址总线断开。

6个可编程寄存器，3个用于控制的寄存器 图1 指令格式

计数器PC（指令计数器或指令指针IP）

功能：提供读取指令的地址，或以PC内容为基准计算操作数的地址。用来指示程序的进程；提供后继指令地址，并送往地址寄存器。

4、寻址方式

模型机的编址为按字编址，字长8位。

5、总线与数据通路结构

（1）内总线

ALU汇集，单向内总线实现数据分配，寄存器在逻辑上分立。即各寄存器将其输出分别送至ALU的输入选择器，ALU输出经移位器送到内总线上，内总线是8根单向数据传送线，它们分别连到有关寄存器对应的D输入端。究竟送入哪一个或几个寄存器，取决于控制器发出哪些CP脉冲。

（2）系统总线

系统总线宽度8，可分为地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）三大部分。CPU通过MAR向地址总线提供地址，以选择主存单元或外围设备（接口寄存器）。外围设备也可以向地址总线发送地址代码。

CPU通过MBR向数据总线发送或接受数据，由控制命令R、W决定传送方向及MBR的断开。