设计指导书.docx
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设计指导书
目录
第一章微指令编码
第二章机器指令集
第三章硬件及时序说明
第一节．门控说明
第二节．锁存器或寄存器
第三节．机器周期寄存器
第四节．微地址产生逻辑
第五节．方式译码及选择电路
第六节．PLA译码逻辑
第七节．存储器读写时序说明
第八节．输入输出设备
第四章典型工作过程说明
第一节微指令设计举例
第二节有关短过程
第三节典型工作过程
第四节典型指令流程
第五章几个典型设计任务及提示
第一节．MOV指令设计
第二节．ROR和ROL指令设计
第三节．AND和OR指令设计
第四节．综合设计任务
第六章实验总体安排
注：
本软件一共有5个文件。
“a.txt”、“cpu（演示版）.exe”、“cpu（设计版）.exe”、“设计总图.bmp”以及“设计指导书.doc”。
解压后请把它们放在同一目录下。
打开“cpu（演示版）.exe”或“cpu（设计版）.exe”后，都请先单击“复位”。
第一章微指令编码
9876543210
下址字段
9号位最高
0000000000
最小下址
0000000001
∶
∶
1111111111
最高下址
10
0
1
JPLA
依指令码转移
151413
000
001
010
0→NO1
置“0”NO1周期
011
（R）→LA
100
（R）→LB
101
DBUS→R
110
DBUS→IR
111
CLEAR
CLEARLA和LB
1211
00
01
JM
依寻址方式转移
10
JC
依C标志转移
11
JZ
依Z标志转移
16
0
1
（PC）+1→PC
212019
S2S1S0
000
001
A加B
010
A
011
B
100
A取反
101
A与B
110
A或B
111
A减1
1817
00
01
DBUS→LA
10
DBUS→LB
11
DBUS→PC
22
0
1
1→C0
252423
SH2SH1SH0
000
001
数据左移（不循环）
010
数据右移（不循环）
011
数据带C循环左移
100
数据带C循环右移
101
数据直通DR
110
移位器送AR
111
（PC）→AR
282726
000
001
MR
010
MW
011
IOR
100
IOW
101
110
111
29
30
31
0
0
0
1
（DR）→DBUS
1
（AR）→ABUS
1
1→NO1
置“1”NO1周期
第二章机器指令集
一．指令格式
本机器采用16长指令字：
其中操作码占6位（b15~b10）；
操作数1（简称NO1）地址占6位（b9~b5）；
操作数2（简称NO2）地址占6位（b4~b0）。
b15b14b13b12b11b10
b9b8b7b6b5
b4b3b2b1b0
操作码
操作数1地址
操作数2地址
其中b9b8和b4b3分别代表操作数1和操作数2的寻址方式：
寻址方式
b9（或b4）
b8（或b3）
0
0
立即数方式
0
1
存储器方式
1
0
寄存器直接方式
1
1
寄存器间接方式
二．指令编码
指令名称
（转移及控制类）
操作码
相应机器指令示例
b15b14b13b12b11b10
b9b8b7b6b5
b4b3b2b1b0
HALT
000000
000000
00000
00000
JZ
000001
JNZ
000010
JC
000011
JNC
000100
000100
000000
00000
00000
00000
01000
以上两行代表“JNC#08H”
JMP
000101
指令名称
（算术运算类）
操作码
相应机器指令示例
b15b14b13b12b11b10
b9b8b7b6b5
b4b3b2b1b0
MOV
000110
000110
000000
10000
00000
01000
10001
以上两行代表“MOVR0，11H”
ADD
000111
000111
10000
10001
上行代表“ADDR0，R1”
SUB
001000
CMP
001001
INC
001010
DEC
001011
指令名称
（逻辑运算类）
操作码
相应机器指令示例
b15b14b13b12b11b10
b9b8b7b6b5
b4b3b2b1b0
AND
001100
001100
10011
10001
上行代表“ANDR3，R1”
OR
001101
COM
001110
NEG
001111
ROR
010000
ROL
010001
ASR
010010
ASL
010011
指令名称
（输入输出类）
操作码
相应机器指令示例
b15b14b13b12b11b10
b9b8b7b6b5
b4b3b2b1b0
IN
010100
OUT
010101
010101
000000
10001
00000
01000
00100
以上两行代表“OUTR1，04H”
第三章硬件及时序说明
第一节．门控说明
所有“门控”均指三态逻辑，当相应微命令为“1”时，该部件连通，否则为高阻态（相当于断开）。
第二节．锁存器或寄存器（软件类专业的学生可不看本段）
所有带“器”字的部件均指锁存器或寄存器，为时序部件，具有记忆能力，它们的左下角均标有一个粗点，表示需要时钟。
工作描述：
①“微指令锁存器”
每周期一开始将新内容锁入，然后输出微命令，且生成下一条微指令地址。
②“微地址寄存器”
在每周期中间时钟下沿，将下一条微指令地址锁存。
③“程序计数器PC”
如果本周一开始就送来了“（PC）+1→PC”，则下跳沿时即可实现PC加1。
本模型机采用按字编址。
即每16位才有一个地址。
④“程序状态字PSW”
周期的正半周ALU和移位器等完成运算，下降沿时存入PSW。
⑤“指令寄存器IR”
如果本周期正半周送来了“DBUS→IR”，则新指令码经IR立即送出，且负跳沿时将其锁入IR。
⑥“通用寄存器Ri”
如果本周一开始就送来了DBUS→R，则负跳沿时将其锁入Ri。
⑦“地址暂存器AR”
如果本周一开始就送来了SH2=1和SH1=1，则新值（PC的内容或移位器的输出）立即送出，且负跳沿时锁存该新值。
⑧“数据暂存器DR”
如果本周一开始就送来了SH五组合的任意一种，则新值经DR立即送出，且负跳沿时将其锁入DR。
⑨“锁存器A”
如果本周一开始就送来了（R）→LA或DBUS→LA之一，则新值经A立即送出，且负跳沿时将其锁入A。
⑩“锁存器B”
类似于锁存器A。
第三节．机器周期寄存器
取指（完毕时置“1”NO1）
↑置“1”NO1周期寄存器
CZ型转移分析（只有JC和JZ时需要本节拍）*
指依据JCJZ
NO1的寻址方式分析（JM型）
更新微地址寄存器，选择Rn
取NO1
根据NO1寻址方式,取NO1
清“0”NO1，分析NO2的寻址方式（JM型）
↑清“0”NO1周期寄存器
取NO2
根据NO2寻址方式,取NO2
执行指令
本设计只用到NO1即可。
一般指令周期流程大致安排如下表。
第四节．微地址产生逻辑（软件类专业的学生只需看“JM=1”对应的一栏）
JZ=1
时
Z=0
JZ指令时：
回取指；或先PC再+1，再回取指。
下址字段总是000H。
JNZ指令时：
下址字段依据“寻址方式”变（转移）
Z=1
JNZ指令时：
回取指；或先PC再+1，再回取指。
下址字段总是000H。
JZ指令时：
下址字段依据“寻址方式”变（转移）
JC=1
时
C=0
JC指令时：
回取指；或先PC再+1，再回取指。
下址字段总是000H。
JNC指令时：
下址字段依据“寻址方式”变（转移）
C=1
JNC指令时：
回取指；或先PC再+1，再回取指。
下址字段总是000H。
JC指令时：
下址字段依据“寻址方式”变（转移）
JM=1
时（即依据
“寻址方式”
变）
立即方式
下址字段固定加0
存储器方式
下址字段固定加1
寄存器直接方式
下址字段固定加2
寄存器间接方式
下址字段固定加3
第五节．方式译码及选择电路
NO1=1
时
选择NO1中的寻址方式
选择NO1中的Rn
NO1=0
时
选择NO2中的寻址方式
选择NO2中的Rn
第六节．PLA译码逻辑
当微指令“PLA”=1时，根据指令码转去相应的微程序首地址。
取指微指令占000H和001H单元，HALT对应002H（全零）和003单元（全零）。
其余指令分配如下表：
指令名称
（转移及控制类）
编码
CROM中的微程序首址
HALT
000000
002H
JZ
000001
004H（共32个单元）
JNZ
000010
024H（共32个单元）
JC
000011
044H（共32个单元）
JNC
000100
064H（共32个单元）
JMP
000101
084H（共32个单元）
指令名称
（算术运算类）
编码
CROM中的微程序首址
MOV
000110
0A4H（共64个单元）
ADD
000111
0E4H（共64个单元）
SUB
001000
124H（共64个单元）
CMP
001001
164H（共64个单元）
INC
001010
1A4H（共32个单元）
DEC
001011
1C4H（共32个单元）
指令名称
（逻辑运算类）
编码
CROM中的微程序首址
AND
001100
1E4H（共64个单元）
OR
001101
224H（共64个单元）
COM
001110
264H（共32个单元）
NEG
001111
284H（共32个单元）
ROR
010000
2A4H（共32个单元）
ROL
010001
2C4H（共32个单元）
ASR
010010
2E4H（共32个单元）
ASL
010011
304H（共32个单元）
指令名称
（转移及控制类）
编码
CROM中的微程序首址
IN
010100
324H（共32个单元）
OUT
010101
344H（共32个单元）
第七节．存储器读写时序说明
为简化模型设计，假定MR在周期一开始就有效，并在正半周结束时可以得到稳定输出；MW在周期中间开始有效，此时数据和地址已稳定准备在总线上。
第八节．输入输出设备（软件类专业的学生可不看本段）
这里一共模拟4个设备：
输入设备0#
查寻方式
状态口
口地址0
数据口
口地址1
输入设备1#
无条件方式
口地址2
输出设备0#
无条件方式
口地址3
输出设备1#
无条件方式
口地址4
第四章典型工作过程说明
特别说明：
本章后3节仅供参考，以给学生实验时提供思路。
第一节．微指令设计举例
ADDR0，R1：
（机器码：
0001111000010001）
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
十六进制
0x000
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0x43800001
0x001
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0xc401c400
0x0e4（JM）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0x000008e5
0x0e5
0x0e6
0x0e7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0x000060e9
0x0e8
0x0e9（JM）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0x000048ea
0x0ea
0x0eb
0x0ec
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0x000080ee
0x0ed
0x0ee
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
0x228800ef
0x0ef
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0x2000a000
0x0f0
流程描述:
1．送出（PC），参见短过程1
SH2=SH1=SH0=1（pc→AR），（AR）→ABUS。
2．指令入IR，参见短过程2
（AR）→ABUS，MR，DBUS→IR，（PC）+1→PC，JPLA，“1”→NO1。
3．NO1的寻址方式分析（要JM），参见短过程14
4．寄存器送LA，参见短过程4
（R0）→LA
5.（要“0”→NO1，JM），参见短过程15
6．寄存器送LB，参见短过程4
（R1）→LB
7．ALU数据运算并送出，参见短过程11
选择S2、S1、S0（001），选择SH2、SH1、SH0（101），发出（DR）→DBUS。
8．从DR写入R，参见短过程6
（DR）→DBUS，DBUS→R。
实验运行步骤:
1．将上述微代码逐行按微地址写入（如果没有的话）a.txt文件，写好后关闭a.txt。
注意a.txt必须与CPU（设计）.exe在同一文件目录下）；
2．打开CPU（设计版）.exe，单击“复位”。
然后将“ADDR0，R1”的机器码IE11H（即0001111000010001的16进制码）手工放在主存储器的00H单元，手工在R0中放入一数（如十六进制1），R1中放入另一个数（如十六进制2）；
3．逐次单击“运行”，直到在R1中得到所求和值（如3）。
MOVR0，11H；（机器码：
00011010000010000000000000010001）
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
十六进制
0x000
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0x43800001
0x001
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0xc401c400
0x0a4（JM）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0x000008a5
0x0a5（+0）
0x0a6（+1）
0x0a7（+2）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0x000060ae
0x0a8（+3）
0x0a9（JM）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0x000048aa
0x0aa（+0）
0x0ab（+1）
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0x438000af
0x0ac（+2）
0x0ad（+3）
0x0ae
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0x029000a9
0x0af
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0x440400b0
0x0b0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0x431900b1
0x0b1
0
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0x68000000
0x0b2
流程描述:
1．送出（PC），参见短过程1
SH2=SH1=SH0=1（pc→ar），（AR）→ABUS。
2．指令入IR，参见短过程2
（AR）→ABUS，MR，DBUS→IR，（PC）+1→PC，JPLA，“1”→NO1。
3．NO1的寻址方式分析，参见短过程14
JM=1
4．寄存器送LA，参见短过程4
（R0）→LA
5．ALU数据运算并送出，参见短过程11
选择S2、S1、S0（010），选择SH2、SH
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