计算机SAP-1 设计与实现（2）

三．详细设计

Ø        CON

控制器产生时序脉冲信号作用下，协调各个部件取出指令，解析并执行指令。而指令周期是指从取指令开始，到该指令执行完毕所经历的时间。循环计数器是将划分指令周期的。

循环计数的时序图

 

在SAP-1中，指令周期为如上图。指令周期由取指周期和执行周期组成。SAP-1中，取指周期包括T0、T1、T2。执行周期为T3、T4、T5。

   取指令周期中，所有的指令都是一样的，分三步

（1）将PC中数据（ROM的地址）读取放到MAR中

（2）根据MAR读取ROM中的数据，放到IR中。

（3）PC = PC + 1

    下图中标出了这三个阶段中，那些部位处于工作状态，那些不工作。其中绿色部位处于工作状态，灰色不工作。

取指周期

 

     第一阶段（T0），EP=1，LM=1，其他控制位是0，这样在CLK到达上升沿时，PC中的内容将通过总线存储到MAR中

   第二阶段（T1），ER=1，LI=1，其他控制位是0，这样从PROM中取出数据，在CLK上升沿时，根据MAR读取ROM中的数据，放到IR中。

   第三阶段（T3），CP=1，其他控制位是0。其中CP为PC的使能端，CP=1时，CLK上升沿时，PC=PC+1。

   因此取指周期中，总结如下表

阶段

CP EP LM ER

LI EI  LA EA

SU EU LB LO

功能

T0

0  1  1  0

0  0  0  0

0  0  0  0

MAR = PC

T1

0  0  0  1

1  0  0  0

0  0  0  0

IR = ROM(PC)

T2

1  0  0  0

0  0  0  0

0  0  0  0

PC = PC + 1

 

执行周期中，各个指令需要执行的操作是不同的。下面对各个指令分别进行介绍。

LDA指令

LDA指令的执行周期包括分三步

  （1）IR将指令分为操作码和操作数。操作码将存入CON中，操作数存入MAR中。其中操作码将存入CON中，操作数（PROM的地址）存入MAR中。

  （2）根据MAR读取PROM中的数据，放到A中。

 （3）LDA指令在这个阶段是空操作。

 

LDA执行周期

   第四阶段（T3），EI=1，LM=1，其他控制位是0，首先IR将操作码直接输出给CON；而操作数，由于EI=1，LM=1，当CLK下一个上升沿到达时，会被存放到MAR中。

   第五阶段（T4），ER=1，LA=1，其他控制位是0，这样根据MAR存储的数据地址从PROM中取出数据，在CLK上升沿时，PROM中的数据通过总线放到A中。

   第六阶段（T5），所有控制位都为0，空操作

总结如下表：

 

阶段

CP EP LM ER

LI EI  LA  EA

SU EU LB LO

功能

T3

0  0   1   0

1  0   0   0

0  0   0   0

MAR = ADDRESS

T4

0  0   0   1

0  0   1   0

0  0   0   0

A = ROM(ADDRESS)

T5

1  0   0   0

0  0   0   0

0  0   0   0

空操作

ADD指令

ADD指令的执行周期包括分三步

（1）IR将指令划分为操作码和操作数。操作码将存入CON中，而操作数存入MAR中。

（2）根据MAR读取PROM中的数据，放到B中。

（3）ALU将A、B中的数据相加，将结果放到A中。

 

ADD执行周期

第四阶段（T3），EI=1，LM=1，其他控制位是0，首先IR将操作码直接输出给CON；而操作数由于EI=1，LM=1，当CLK下一个上升沿到达时，会将操作数存放到MAR中。

   第五阶段（T4），ER=1，LB=1，其他控制位是0，这样根据MAR存储的数据地址从PROM中取出数据，在CLK上升沿时，根据MAR读取ROM中的数据，放到B中。

   第六阶段（T5），LA=1，EU=1，其他控制位是0。由于ALU的加减控制位SU=0，ALU执行加法操作。而LA=1，EU=1，当CLK的上升沿到达时，ALU中计算的结果将通过总线到达A。而这个过程，将经历两个延迟时间段。一个是ALU输出数据的延迟，一个LA接收数据时的延迟。因此ALU只会计算一次。

阶段

CP EP LM ER

LI EI  LA EA

SU EU LB LO

功能

T3

0  0  1  0

0  1  0  0

0  0  0  0

MAR = ADDRESS

T4

0  0  0  1

0  0  0  0

0  0  1  0

B = ROM(ADDRSS)

T5

0  0  0  0

0  0  1  0

0  1  0  0

A = SUM

SUB指令

   SUB指令的执行过程与ADD指令类似，T0——T4阶段相同，只是T5时，ALU的加减法使能端SU=1，ALU执行减法操作。

阶段

CP EP LM ER

LI EI  LA EA

SU EU LB LO

功能

T3

0  0  1  0

0  1  0  0

0  0  0  0

MAR = ADDRESS

T4

0  0  0  1

0  0  0  0

0  0  1  0

B = ROM(ADDRSS)

T5

0  0  0  0

0  0  1  0

1  1  0  0

A = DIFF

OUT指令

OUT指令的执行周期包括分三步

（1）IR将指令分为操作码和操作数，操作码传给CON。将A的内容传输到O寄存器，同时O寄存器的内容将传给D。

（2）、（3）空操作。

OUT执行周期

OUT执行周期

第四阶段（T3），EA=1，LO=1，其他控制位是0，IR将操作码解码输出给CON；CON信号中EA=1，LO=1，这样当CLK上升沿时，将A中的数据通过总线传输给O。同时D（LED等）显示O的内容（计算结果）。

   第五阶段（T4），所有控制位是0。

   第六阶段（T5），所有控制位是0。

阶段

CP EP LM ER

LI EI  LA EA

SU EU LB  LO

功能

T3

0  0  0  0

0  0  0  1

0  0  0  1

OUT = A

T4

0  0  0  0

0  0  0  0

0  0  0  0

空操作

T5

0  0  0  0

0  0  0  0

0  0  0  0

空操作

HLT指令

   HLT指令，将通知CON停止计算。这个操作将通过CON产生关闭时序脉冲来实现。

四．电路

Ø        CON

控制器是计算机操作执行指令的关键部件。

l        指令解码器

指令解码器解析从IR寄存器发送的操作码，也就是IR的高四位。电路图如下，

LDA =非I7·非I6·非I5·非I4

ADD =非I7·非I6·非I5·I4

SUB = 非I7·非I6·I5·非I4

OUT =I7·I6·I5·非I4

HLT = I7·I6·I5·I4

I7 I6 I5 I4 = 0000时, LDA = 1，ADD=0，SUB=0，OUT=0，HLT=0；

I7 I6 I5 I4 = 0001时，ADD = 1；

I7 I6 I5 I4 = 0010时，SUB = 1；

I7 I6 I5 I4 = 1110时，OUT = 1；

I7 I6 I5 I4 = 1111时，HLT = 1。

l        控制器矩阵

从指令解码器解析出来的LDA、ADD、SUB、OUT和循环计数器的输出（T0、T1、T2、T3、T4、T5）共同来解析这个控制矩阵，矩阵的输出为CON信号：CP EP LM ER  LI EI LA EA  SU EU LB LO。

在控制矩阵中，

CP = T2

EP = T0

LM = T0 + (LDA·T3 ) + (ADD·T3) +（SUB·T3）

ER  = T1+（LDA·T4 ) + (ADD·T4)+（SUB· T4）

LI  = T1

EI  = ( LDA·T3 ) + (ADD·T3) +（SUB·T3）

EA  = ( LDA·T4 ) + (ADD·T5) +（SUB·T5）

LA  = OUT· T3

SU = SUB·T5

EU = ( ADD· T5 ) + (SUB· T5)

LB = ( ADD· T4 ) + (SUB· T4)

LO = OUT· T3

取指周期

当T0是高电平时，EP=1，LM=1。其他控制信号为0；

当T1是高电平时，ER=1，LI=1，其他控制信号为0；

当T2是高电平时，CP=1，其他控制信号为0。

执行周期

以LDA为例，即LDA=1。

当T3是高电平时，LM=1，EI=1。其他控制信号为0。

当T4是高电平时，ER=1，EA=1。其他控制信号为0。

当T5是高电平时，所有控制信号为0。

ADD、SUB、OUT取指周期的分析过程与LDA相同。

 

循环计数器、指令解码器、控制矩阵的连接关系如下：

Ø        PROM

ROM相当于很多的寄存器。

ROM可以使用二极管阵列来存取数据。使用解码器来存期ROM中的数据。

ROM实现的电路图如下：

ROM电路图

   在电路图中，当A2 A1 A0 = 000时，选中0号与门，输出为1，1-7号与门输出为0。

因此，二极管矩阵中第一行有二极管的位置将处于导通状态，输出为1，其他位置输出为0。输出结果0001。

在proteus中的仿真结果如下图，红色代表高电平，蓝色代表低电平。

    

Ø        ALU

半加器

二进制半加器电路图

SUM = A⊕B

CARRY = A·B

半加器真值表

    A

B

CARRY

SUM

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

 

全加器

二进制全加器电路图

SUM = A⊕B⊕C

CARRY = ( A·B ) + ( B·C ) + ( A·C )

    A

B

C

CARRY

SUM

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

而四位二进制全加器结果如下

ALU可以执行加法和减法操作。为了设计的电路简单，ALU对补码进行运算。SUB为加减法标志。当SUB=1时，执行减法操作，当SUB=0时，执行加法操作。四位ALU的电路图所下：
 

Ø        PC

PC使用带使能端的计数器实现

在proteus中，使用74161来实现。74161为4位二进制计数器，计数范围为0000—1111。

电路图如下，CP为使能端。CLK是脉冲输入端，CLR是清空计数器，EP是输出使能端。当CP=1时，76161开始计数，CP=0时，76161停止计数。

CLR=1时，清空计数器，CLR为异步清空。

EP=1时，将输出数据，EP=0时，输出处于断开状态。

Ø        A

寄存器A使用两个四位寄存器4076实现。

Ø        B、IR、MAR、O这四个寄存也使用4076实现。

 

五．在Proteus软件仿真

电路图所用的proteus版本是7.1sp2

SAP-1电路图下载地址：http://download.csdn.net/detail/liuling_8008/6906343

proteus 7.12的下载地址：http://pan.baidu.com/share/link?uk=3573585640&shareid=1210&fr=1622965756&fa=4158367599

SAP-1全局图

PC

MAR

ROM

 

 

IR

CON
 

A

 

ALU

 

B

O