计算机SAP-1 设计与实现（2）
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
下图周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
? 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：
? 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。
? 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：
? 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。
? A
寄存器A使用两个四位寄存器4076实现。
? 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，电路图的下载地址如下：
http://user.qzone.qq.com/457204657#!app=905&url=http%3A%2F%2Fqzs.qq.com%2Fqzone%2Fapp%2FqzoneDisk%2FqzoneDisk.html%23qz_height%3D920%26qz_width%3D950%26uin%3D457204657%26pfid%3D2%26qz_ver%3D6%26appcanvas%3D1%26qz_style%3Dv6%2F88%26params%3D%26entertime%3D1356499239203%26canvastype%3D
SAP-1全局图
PC
MAR
ROM
IR
CON
A
ALU
B
O
