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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用课 程 设 计课程名称：运算机组成原理设计题目：一个特别简洁的 CPU的设计学 院： 信息工程与自动化专 业：运算机科学与技术年 级： 08 级 1 班同学姓名：张桥指导老师：李凌宇日 期： 2022-9-9教 务 处 制课 程 设 计 任 务 书信息工程与自动化学院运算机专业 081 年级同学姓名：张桥课程设计题目：一个简洁的 CPU的设计课程设计主要内容：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用设计一台完整的运算机；
2、第一要确定该运算机的功能和用途；在设计中依据功能和用途确定指令系统,定义数据通路,设计每条指令的执行流程,要求利用微程序进行设计,每人至少要求4 条 CPU指令,可以自己挑选；在设计中要求画出指令系统的格式并说明各位的意义；要求画出数据通路并定义微操作信号；要求画出微程序流程图；设 计 指 导 教 师 签字）：教案基层组织负责人 签字）：年月日一台模型运算机的设计 一、教案目的、任务与试验设备 融会贯穿本课程各章节的内容,通过学问的综合运用,加深对运算机系统各模块的工作原理及相互联系 的熟悉,加深运算机工作中“ 时间空间” 概念的懂得,从而清楚地建立运算机的整机概念；二、数据格式和指令系统本模
3、型机是一个8 位定点二进制运算机,具有四个通用寄存器：R0R3,能执行11 条指令,主存容量为 256KB ；1 数据格式数据按规定采纳定点补码表示法,字长为8 位,其中最高位第 7 位）为符号位,小数点位置定在符号位后面,其格式如下：数值相对于十进制数的表示范畴为：71X122 指令格式及功能 由于本模型机机器字只有8 位二进制长度,故使用单字长指令和双字长指令；LDR Ri ,D 格式 7 4 3 2 1 0 0 0 0 0 Ri 不 用D 功能：RiMD ）名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - （2）STR Ri
4、,D 个人资料整理仅限学习使用格式 7 4 3 2 1 0 0 0 0 1 Ri 不 用D 功能：（3）ADD Ri ,Rj MD ） Ri ）格式 7 4 3 2 1 0 0 0 1 0 Ri Rj Ri Ri ） Rj ）功能：（4）SUB Ri , Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 0 1 1 Ri Rj 功能：Ri Ri ） Rj ）（5）AND Ri ,Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 0 0 Ri Rj Ri Ri ） Rj ）功能：（6）OR Ri,Rj 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 0 1 Ri Rj 功能：（7）MUL Ri ,Rj Ri Ri ） R
5、j ）格式 7 4 3 2 1 0 0 1 1 0 Ri Rj 功能：Ri Ri ） Rj ）（8）转移指令 格式 7 4 3 2 1 0 0 1 1 1 条件不 用D 功能：条件码 00 无条件转移 PC D 01 有进位转移 PC D 10 结果为 0 转移 PC D 11 结果为负转移 PC D IN R i, M j 格式 7 4 3 2 1 0 1001 Ri Mj 其中 M j 为设备地址,可以指定四种外围设备,当Ri Mj） OUT R i,M j 格式 7 4 3 2 1 0 1010 Ri Mj M j=01 时,选中试验箱的二进制代码开关；功能：当 M j=10 时,选中试
6、验箱的显示灯；功能： M j） Ri HALT 选定 CPU 中所使用的产要器件；2 依据指令系统、选用的器件和设计指标,设计指令流的数据通路；3 依据指令系统、选用的器件和设计指标,设计数据流的数据通路；运算机的工作过程,实质上是不同的数据流在掌握信号作用下在限定的数据通路中进行传送；数据通路 不同,指令所经过的操作过程也不同,机器的结构也就不样,因此数据通路的设计是至关重要的；所谓数 据通路的设计,也就是确定机器各规律部件相对位置的总框图；数据远路的设计,目前仍没有特别标准的方法；主要是依据设计者的体会,并参考现有机器的三种典型 形式 对指令系统中的各条指令进行分析,得出所需要的指令周期与
7、操作序列,以便打算各器件的类型和 数量； 2 构成一个总框图草图,进行各规律部件之间的相互连接,即初步确定数据通路,使得由指令系统所 包涵的数据通路都能实现,并满意技术指标的要求； 3 检验全部指令周期的操作序列,确定所需要的掌握点和掌握信号； 4 检查所设计的数据通路,尽可能降低成本,简化线路；以上过程可以反复进行,以便得到一个较好的方案；图 1 给出了一个没有考虑乘法除法指令操作的总框图参考方案,留意,在此方案确定之后,应当检查所 选用的各个器件是否满意数据通路的要求；实际上,数据通路的设计与器件的挑选应同时进行而不能分别地 工作；其次,接入总线的器件都要有三态输出,以便与总线连接；另外,
8、在信息传送过程中应当留意器件原 码和反码输出的协作关系；图 1 所示的方案采纳单总线结构,使用的很多器件都是三态输出,这种方案便于总线的连接和扩展,但 缺点是指令和数据的传送都要经过总线,因此对总线的使用权就要安排得当；另外,执行算术规律指令时,先将第一个操作数由通用寄存器 Ri 送至缓冲寄存器 DR 1,然后再由通用寄存器 Rj 取其次个操作数送至缓冲 寄存器 DR2,之后送往 ALU 进行运算；明显,执行条算术规律指令的时间相应要长一些；BUSALU BUSALUMRDRAMS2 S3S1S0WE256 8-1ARDR1DR2PCBUSPCLDARLDDR 1LDDR 2LDLDPCR0
9、图 1 模型机数据通路框图 R1 R2 R3 时序四、微程序掌握器 LDR 0 LDR 1 LDR 2 LDR 3 微程序掌握器 产生器数据通路框图旦确定,指令流与数据流的通路也就随之最终确定,因而运算器和掌握器的大部分结构 也就确定下来了；IR图 1 中各功能器件上仍标注了掌握点及其掌握信号这些掌握信号就是微程序掌握器进行设计的依据；LDIR1微指令格式 微指令格式建议采纳水平型微指令,微命令编码采纳直接表示法和分段直接译码法相结合的混合表示 法,以缩短微指令长度；后继地址采纳肯定方式；微指令格式如下：掌握字段判别字段下址字段同学们应依据本模型的详细情形来确定各字段的长度；2 微程序掌握器名
10、师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用依据微指令和微程序的长度,确定掌握储备器需选用几片EPROM2716 ）用位扩展方式组成；3微程序设计 将机器的全部指令系统采纳微指令序列实现的过程,叫做微程序设计；一条机器指令对应一个微程序,11 条机器指令应当对应 11 个微程序；微指令格式确定后,微程序的横向设计在于正确地挑选数据通路,纵向设计在于确定后继微指令地 址事实上,微程序设计的关键在于纵向设计,即如何确定下一条微指令的地址；通常的做法是先确定微程 序分支处的微地址,由于微程序分支处需要进行判
11、别测试；这些微地址确定以后,就可以在一个“ 微地址 表” 中把相应的微地址单元填进去,以免后面的设计中重复使用而未发觉,以致造成设计错误；五、输入输出 输入输出是人机联系的重要手段,输入可采纳开关、键盘等方式,输出可采纳字符显示或打印输出等方 式；考虑到成本与设备因素,本模型机采纳最简洁的二进制开关输入和发光二极管显示的方法,换句话说,本模型机中只使用两种“ 外部设备” ：一种是二进制代码开关,它作为输入设备；另一种是发光二极管,它 作为输出设备；本设计为了节约器件,输入输出时可以不设置特地的数据缓冲寄存器；例如输入时,二进制开关数据直 接经过三态门送到总线上,只要开关状态不变,输入的信息也就
12、不变；输出时,将输出数据送到数据总线BUS 上,驱动发光二极管进行显示；假如采纳正规的输入输出方法,可采纳相应的器件构成接口电路；实习体会 第一因设计出 ALU 运算器模块、 R4R0 零时寄存器挑选模块、数据通路模块、储备器模块、计数器模块,最终在依据之前设计所需的信号与结果设计支配cpu 掌握模块,这样的设计思路清楚,省时省力；而我在试验室实行了完全相反的步骤,先设计了 cpu 掌握模块,最终依据掌握模块设计其他模块,使得其他模块无法正常匹配 cpu 模块,不断地修正 cpu 模块,前后重写代码 4 次之多严峻影响了试验进程；此体会教训应当谨记；试验步骤：试验步骤会依据正确的次序进行,即将
13、cpu 掌握模块的设计放在最终,先说明其他模块的设计；ALU 运算模块：1X127设计思想：预算模块要求5 种运算,并且运算数据要求补码表示范畴在先将 AND 运算和 OR 运算的电路图做出来,这个比较简洁：运算：OR 运算：名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用接着是加减法器的设计；加减法器：设计思想：符号浮点数的加减法与符号幅值的加减法相像,但两个有重要区分,第一由于有几个需要特殊表示,因此浮点数加法算必需明确地检测出操作数的是否为 0,正负无穷,或 NaNnot a number）,移位
14、,对齐,0,正负无 相加减的方法能处理大部分浮点数的加减法；但它只能对规格化的浮点数进行处理,当操作数为 穷,或 NaN 时,浮点数算法必需作特殊处理；所以,我们可以从符号加减法器开头,然后对结果进行修改,使之成为符号浮点加减法器；但是后来发觉 maxplusII 中有加减器的运算模块,设置好初值后可以直接拿来使用,原件及详细设置如 下：原件：有符号8 位操作数初值设置：Cout 有效只有三处需要设置：打开 cout 输出；LPM_RERERSENTATION= ” SIGNED ”表示操作数为符号数；名师归纳总结 LPM_WIDTH=8 表示操作数为 8 位；第 6 页,共 18 页- -
15、- - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用乘法器设计：同样在 maxplusII 中找到了乘法器原件,设置初值后便可直接使用；详细设置及如下：有符号运算位操作数位输出结果必需与操作数相匹配需要改动的地方有三处：LPM_REPRESENTATION= ” SIGNED ”设置运算为符号赋值运算；LPM_WIDTHA=8 输入操作数 A 为 8 位；LPM_WIDTHB=8 8 位结果；输入操作数B 为 8 位；LPM_WIDTHS=16 输出结果为 16 位,此处的值必需与输入值相匹配；由于该 cpu 只显示 8 位值,所以我只取成法器输出结果
16、的高最终 ALU ：由于设计的需要,必需在每次预算执行前对运算方式进行储备,这样可以节约8 个重复的cpu 状态,同时,为了挑选正确的结果输出,需要一个挑选器进行挑选；在 maxplusII 中发觉多路挑选器件 LPM_MUX ,设置初值后可以直接取用；电路及初值设置如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用运算器运算方式储备器结果挑选器路输入挑选位结果输出LPM,_MUX 初值设置：LPM_SIZE=4 4 路输入挑选 LPM_WIDTH=8 8 位结果输出数据通路模块：数据通路模块的作用
17、是掌握数据在总线上的传输,包括个寄存器的载入、释放,ALU运算器操作数输入、结果的输出等部分R4R1 挑选模块：挑选模块的功能在这个试验中很重要,其可以大量削减cpu 掌握模块的状态设置,挑选器最基础的功能有依据指令的要求确定特定的暂时寄存器的释放和载入；同时依据设计的需要,仍要有储备备选数据的能 力,防止被总线的上的数据影响最终的挑选结果；设计思路：有四个暂时寄存器,可以由两位打算二进制值打算各个寄存起的编号,可由 24 译码器实现此功能；挑选器要能起到挑选正确次序是暂时寄存器工作的作用,所以要有掌握端掌握第一次序操作的暂时寄存器和 其次时间操作的暂时寄存器 该 cpu 对寄存器的操作最多只
18、有两个操作步）；最终要打算对所选的暂时寄存 器是载入仍是释放,或者既不载入也不释放；依据这一思路设计的挑选模块如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用载入挑选：储备预选值操作次序挑选挑选寄存器是否进行操作挑选置有效释放挑选：置有效设计思路：依据试验的要求,数据通路需要一个ALU 运算模块,两个数据寄存器,其功能是储存操作数并将得到的操作数直接送入ALU 预算模块进行预算；4 个零时寄存器R4R1,一个数据挑选模块,掌握外部数据输入的计数器；设计图下：名师归纳总结 - - - - - - -
19、第 9 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - ALU 模块个人资料整理仅限学习使用数据总线数据寄存器数据总线暂时寄存器外部数据输入载入挑选 释放挑选储备器模块：储备器模块的作用即储备程序指令和程序需要的各项数据,以及在恰当的时机读出个指令和数据；包括一个 PC计数器 program counter）一个 AR 寄存器 adress register）,一个内存芯片AR DR1-Ri DR1-Ri DR1-Ri DR1-Ri DR1AR Ri-M M-Ri STOP PC+1 PC+1 M AR-M DR2-Rj DR2-Rj DR2-Rj DR2-Rj DR2M R
20、i-ALU Ri-ALU Ri-ALU Ri-ALU Ri-ALU PC-M C2 FETHC2 FETHC2 FETHC2 FETHC2 FETHC2 FETHC2 PC+1 从这状态图中可以看出,有很多重复的状态,特殊是 5 个运算指令的各个状态完全相同,唯独不同的是每个状态的第一个步骤需要对运算器输入不同的运算挑选以确定不同的运算方式,所以可以考虑将 5 个运算指令的后几个状态整合,以削减 cpu 的状态；更换后的状态图： FETHCH1 FETCH2 FETCH3P CB-IR CL-IR STOP R CL-IR ALU-ALU-ALU-ALU-ALUAR M-Ri RiAR IR
21、IR IR IR IR P AR-M PC+1 名师归纳总结 AR-M PC VARIABLE OUT26.0:NODE； IN4.0:NODE ；名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用BEGIN IN=S,IR7,IR6,IR5,IR4 TABLE ； IN=OUT； B00000 =B010010000000000010000000001 B00001 =B100010000000000111000000010 B00010 =B110010000000010010011010000 B
22、10000 =B010010000000000010000000110；-SW-PC 1%；-PC-AR PC+1 2%；-RAM-IR% %CHUSHI 3%；%CLCTB100010000000000111000010011 ；%ARB110010000000010110000010110 ；%ARB111010000010010010000000001 ；%MB010010000000000010000000110；%CLCTB100010000000000111000011111 ；%ARB110010000000010110000011011 ； %ARB11011000010000
23、1010000000001 ；%RiB010010000000000010000000111；%ALU_SB110111111101000010000000011 ； %DR1B110111110100100010000010111 ； %DR2B111001110010000010000000001 ；%RiB110110111101000010000000011 ； %DR1B110110011101000010000000011 ；%DR1B110110101101000010000000011 ；%DR1B110110001101000001000000011 ；%DR1B100010000000000111000100101 B00100 =B110010000000010000000000001 B00101 =B110010000000000011000000001 B11001 =B010010000000000010000001010 B01010 =B011010000000000010000000001；%AR-PC PC+1 17%；%PC-M 18%；%PC+1% %JUMP 19%；%CLCT-RiRj 20%；%Ri-Mi% %IN 20%名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 18 页