計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器

1、第一章 設(shè)計(jì)概述1.1課程設(shè)計(jì)的目的 本課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目是在掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及內(nèi)部工作機(jī)制,理解計(jì)算機(jī)各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上,深入掌握數(shù)據(jù)信息流和控制信息流的流動(dòng)過(guò)程,進(jìn)一步加深計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)和整機(jī)的概念,培養(yǎng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試計(jì)算機(jī)的技能,在設(shè)計(jì)實(shí)踐中提高應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求 本課程設(shè)計(jì)以TDN-CM+計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器。2. 設(shè)計(jì)給定機(jī)器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖,按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。3. 連接邏輯電路完成啟動(dòng),測(cè)試,編程,測(cè)試,效驗(yàn)和

2、運(yùn)行,并觀測(cè)運(yùn)行過(guò)程及結(jié)果。4. 將微程序控制器模塊與運(yùn)算器模塊,存儲(chǔ)器模塊聯(lián)機(jī),組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)。5. 用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路。6. 通過(guò)在模型機(jī)上運(yùn)行由機(jī)器指令組成的簡(jiǎn)單程序,掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念,掌握計(jì)算機(jī)的控制機(jī)制。7. 按指定的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行匯編指令格式及功能設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器指令代碼,按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序.在PC機(jī)上編輯機(jī)器指令和微程序,裝載代碼到TDN-CM+實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求。第二章 規(guī)定項(xiàng)目的驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)2.1規(guī)定項(xiàng)目任務(wù)和要求：任務(wù)：從輸入設(shè)備輸入一個(gè)數(shù)與內(nèi)存中地址為0AH存放的數(shù)字1相加結(jié)果送地址

3、為0BH單元中。并能從內(nèi)存中取出到外圍設(shè)備顯示之。 要求：通過(guò)此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來(lái)學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)通路電路圖的連接、機(jī)器指令的設(shè)計(jì)、微指令設(shè)計(jì)中相關(guān)字段的作用、微程序流程圖的設(shè)計(jì)以及能熟練掌握用微程序控制數(shù)據(jù)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令的功能，為以后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。 2.2規(guī)定項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)原理：（1）在本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成。計(jì)算機(jī)從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。（2）本設(shè)計(jì)采用五條機(jī)器指令：IN、ADD、STA、OUT、JMP；其相應(yīng)的機(jī)器指令和匯編程序如下： 地址(二進(jìn)制) 內(nèi)容(二進(jìn)制) 助記符 注釋 0000

4、 0000 0000 0000 IN R0； “input”> R00000 0001 0001 0000 ADD 0AH, R0 R0 +0AH> R00000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0 , 0BH R0>0BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH ； 0BH-àLED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H-àPC0000 1000 0000 00000000 100100

5、00 1010 0000 00010000 10112.3規(guī)定項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程：（1）連接線路：按圖1鏈接實(shí)驗(yàn)線路。最后保證實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)原件及數(shù)據(jù)線路如圖2所示。圖1 接 線 圖圖2 數(shù)據(jù)通路框圖 （2）讀懂項(xiàng)目給出的程序按照規(guī)定格式，機(jī)器指令及微指令二進(jìn)制代碼表已編輯成十六進(jìn)制文件。本項(xiàng)目的程序如下：程序 機(jī)器指令格式說(shuō)明$P0000 $P060D $PXX XX$P0110 $P0740 機(jī)器指令代碼$P020A $P0800 $P0320 $P0A01 十六進(jìn)制地址$P0530微程序 微指令格式說(shuō)明：$M00018110 $M06959A01 $MXX XXX XXX$M0101ED82 $

6、M0700E00D 微指令代碼$M0200C048 $M08001001$M0300E004 $M0901ED83 十進(jìn)制地址$M0400B005 $M0A01ED87$M0501A206 $M0B01ED8E$M0C01ED96 $M1200A017$M0D028201 $M13018001$M0E00E00F $M14002018$M0F00A015 $M15070A01$M1001ED92 $M1600D181$M1101ED94 $M17070A10$M18068A11（3） 聯(lián)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證： 三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開(kāi)關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來(lái)設(shè)置，其定義如表1：表1 SWB SWA 控制臺(tái)

7、指令 0 0 讀內(nèi)存(KRD ) 0 1 寫內(nèi)存(KRD ) 0 1 啟動(dòng)程序(RP)聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令及微指令后，調(diào)整控制臺(tái)，使SWA=1，SWB=0，即啟動(dòng)程序。接著選擇(運(yùn)行)(通路圖)(復(fù)雜模型機(jī))功能菜單打開(kāi)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。在驗(yàn)證過(guò)程中，首先采用但不運(yùn)行，仔細(xì)看每一條機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程，明白其每一步對(duì)應(yīng)的微指令，為下一步完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。2.4驗(yàn)證結(jié)果：從輸入設(shè)備輸入的數(shù)字4，聯(lián)機(jī)運(yùn)行，得到的輸出結(jié)果是5，與理論計(jì)算結(jié)果一致。說(shuō)明微程序控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)器指令的功能。第三章：指定應(yīng)用項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1 指定

8、項(xiàng)目任務(wù)和要求： 將以K為地址的內(nèi)存單元的內(nèi)容X與以N為間接地址的內(nèi)存單元的內(nèi)容Y，執(zhí)行（X+Y）減6的運(yùn)算，結(jié)果送R03.2 項(xiàng)目任務(wù)分析及解決方案： 在機(jī)器指令中設(shè)置N=0AH在內(nèi)存地址0AH中存放0CH，而內(nèi)存0CH中存放Y的值即4，內(nèi)存地址0BH中存放X的值7. 運(yùn)算時(shí)，通過(guò)微程序控制從內(nèi)存中通過(guò)間接尋址取出Y的值送往R0，從內(nèi)存中直接尋址取出X的值7，進(jìn)行或地運(yùn)算結(jié)果放R0。執(zhí)行減法運(yùn)算時(shí)，把R0的值送往中3.3 實(shí)現(xiàn)原理：（1）機(jī)器匯編指令設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)采用8條機(jī)器指令：IN、STA、MOV、NOT、EOR 、STO、OUT、HLT；其相應(yīng)的機(jī)器指令和匯編程序如下：（其中表示間接尋址

9、，表示直接尋址）地址(二進(jìn)制) 內(nèi)容(二進(jìn)制) 助記符 注釋 0000 0000 0000 0000 IN R0； “X=input”> R00000 0001 0001 0000 STA R0 , 11 ; X= R0> 110000 0010 0000 0001 0000 0011 0010 0000 MOV 10, R0 ; Y=10 >R0 0000 0100 0001 0000 0000 0101 0011 0000 NOT R0 ； Y> R00000 0110 0100 0000 EOR 11, R0 ； XY > R0 0000 0111 0001

10、 0001 0000 1000 0011 0000 NOT R0 ； XY > R0 0000 1001 0111 0000 STO R0 , 13; R0 >13 0000 1010 0001 0011 0000 1011 0101 0000 OUT 13 130000 1100 0001 0011Y=04X=05K=11N=1311=1717=X0000 1101 0110 0000 HLT0001 0000 0000 0100 0001 0001 0001 0111 0001 0010 0000 00000001 0011 0000 00000001 0111 0000 00

11、00（2）微程序設(shè)計(jì)：為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，設(shè)計(jì)如圖4的三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。其功能說(shuō)明見(jiàn)表1。按照數(shù)據(jù)通路可畫出機(jī)器指令的微程序流程圖如圖4所示。當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P(1)測(cè)試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作為測(cè)試條件，出現(xiàn)8路分支，占用8個(gè)固定的微地址單元。 控制臺(tái) 00 20 P(4) KWE(01) KRD(00) RP(11) PCARPC + 1PCARPC + 1 21 20 23 24 22 01RAMBU

12、SBUS DR1SW>BUSBUS>DR1DR1>LED 30 27DR1>RAM圖4微程序控制臺(tái)（3）微指令代碼設(shè)計(jì)：微指令格式如表1所示。當(dāng)微指令格式確定以后，下一步就是確定后續(xù)微指令地址。通常的方法是先確定微程序分支處的微地址，因?yàn)槲⒊绦蚍种幮枰M(jìn)行判斷測(cè)試。這些微地址確定以后，就可以在一個(gè)“微地址表”中將分支微指令填入相應(yīng)得分支地址單元，避免以后的設(shè)計(jì)中因重復(fù)使用而造成錯(cuò)誤。對(duì)于其它位置就可以按一條微指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微地址隨意填寫。表2 微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA

13、9A8ABCA5A4A3A2A1A0A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDRi001RSB001P(1)010LDDR1010RDB010P(2)011LDDR2011RIB011P(3)100LDIR100299B100P(4)101LOAD101ALUB101AR110LDAR110PCB110LDPC當(dāng)全部微指令設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表3即為將圖3微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而得到的“二進(jìn)制代碼表”。表3 二進(jìn)制微代碼表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCA5A00 00000000110000001

14、000100000 10000000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001110 4000000101000 0010000000010 5000000001110 0000000001100 60000000010010000000000010 70000000011100000000001001 00000000000010000000000011 10000000111101101100001101 20000000111101101100001011 300000001101000100

15、00111111 40000000111101101100101011 50000000111101101100111001 6 0000000110000000000011101 70000000111101101101000002 000000001111011011001001021 0000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000001101000110000001

16、2700000111000010100001000030000001101000101000010001310000000010110000000110003200000001101000100001101133011010011001101000000001340000000011100000000110013500000000101000000001111036000001110000101000000001370000100110011010000000014000000000111000000010000141000000101000001000000001指令寄存器(IR)用來(lái)保存當(dāng)

17、前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P(1)，通過(guò)節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作?！爸噶罴拇嫫鳌?實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)得微程序首地址。本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開(kāi)關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUT DEVICE)。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)三態(tài)門送到總線上，只要開(kāi)關(guān)狀

18、態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當(dāng)寫信號(hào)(W/R)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。3.4 指定項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：（1）按圖1連接實(shí)驗(yàn)電路（2）聯(lián)機(jī)寫程序：按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及微指令二進(jìn)制代碼表(如表4)編輯成十六進(jìn)制的.txt文件。機(jī)器代碼：程序$P0000$P0110$P0211$P0320$P0410$P0530$P0640$P0711$P0830$P0970$P0A13$P0B50$P0C13$P0D60$P1004$P1117$P1300$P1700微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E00

19、7$M04028201$M0500E006$M06009001$M0700E004$M08001001$M0901ED83$M0A01ED85$M0B01A21F$M0C01ED95$M0D01ED9C$M0E00000E$M0F01EDA0$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M1500E016$M1600E019$M17070A10$M18068A11$M1900B01A$M1A01A21B$M1B699A01$M1C00E01D$M1D00A01E$M1E070A01$M1F099A01$M2000E021$M21028201（3）聯(lián)機(jī)運(yùn)行： 聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令及微指令后，選擇(運(yùn)行)(通路圖)(復(fù)雜模型機(jī))功能菜單打開(kāi)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。3.5 實(shí)現(xiàn)結(jié)果：理論計(jì)算：Y=04，取反之后其值為