模型機(jī)綜合設(shè)計(jì)之一-加減法指令的實(shí)現(xiàn)

1、模型機(jī)綜合設(shè)計(jì)之一加減法指令的實(shí)現(xiàn)一、設(shè)計(jì)目的在HKCPT中，輸入一段小程序，并且編譯、加載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)普通的加、減法指令。二、設(shè)計(jì)原理在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，模型機(jī)的運(yùn)行是在微程序的控制下進(jìn)行的，可實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，模型機(jī)從內(nèi)存中讀出、解釋、執(zhí)行機(jī)器指令將由微指令和與之相配合的時(shí)序來(lái)完成，即1條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)1個(gè)微程序。三、 邏輯框圖ALUDR1DR2累加器AR0ALU-ORA-OPCCKPC-OIR2CKIR2-ORAM程序指令寄存器微程序存儲(chǔ)器指令譯碼163*2微地址寄存器R1R2R3四、 指令系統(tǒng)與格式分析1根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，系統(tǒng)包括以下幾條指令：MOV A，#DATA ；（數(shù)

2、據(jù)傳送類指令）將立即數(shù)從內(nèi)存讀出寫入累加器AMOV Ri，#DATA ；（數(shù)據(jù)傳送類指令）將立即數(shù)從內(nèi)存單元寫入寄存器RiADD A，Ri ；（算術(shù)運(yùn)算類指令）將寄存器的內(nèi)容與累加器A相加并將結(jié)果寫入ASUB A，Ri ；（算術(shù)運(yùn)算類指令）將累加器A的內(nèi)容減去寄存器的值并將結(jié)果寫入ASTA ADDR ；（存儲(chǔ)器操作類指令）將A的內(nèi)容寫入RAM地址ADDR2由于在本系統(tǒng)內(nèi)采用的是8位數(shù)據(jù)總線，和8位數(shù)據(jù)總線方式，所以在指令系統(tǒng)中存在單字節(jié)指令，和雙字節(jié)指令。單字節(jié)指令有MOV A，Ri 、ADD A，Ri、HALT等。雙字節(jié)指令有MOV Ri，ADDR、MOV A，#DATA、MOV Ri，#D

3、ATA等。（下為雙字節(jié)指令示意圖）例如，雙字節(jié)指令： STA ADDR (A)-ADDR 第1字節(jié) 第2字節(jié)I7I6I5I4 I3I2I1I0A7A6A5A4A3A2A1A0操操作碼 操作數(shù)地址五、 微程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)中，采用24位微指令，若微指令采用全水平不編碼純控制場(chǎng)的格式，那么至多有24個(gè)微操作控制信號(hào)，可由微代碼直接實(shí)現(xiàn)。如果采用多組編碼譯碼，那么24位微代碼通過(guò)二進(jìn)制譯碼可實(shí)現(xiàn)2的n次冪個(gè)互斥的微操作控制信號(hào)。由于模型機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)模較小，功能也不太復(fù)雜，所以采用全水平不編碼純控制場(chǎng)的微指令格式。在模型機(jī)中，用指令操作碼的高4位作為核心擴(kuò)展成8位的微程序入口地址M

4、D0MD7，這種方法稱為“按操作碼散轉(zhuǎn)”，如下表所示：按操作碼換散指令操作碼微程序首地址MD7，MD6I7I6I5I4MD1、MD0MD7MD0000001003H000011007H00010100BH00011100FH001001013H001011017H00110101BH00111101FH010001023H010011027H01010102BH01011102FH011001033H011011037H01110103BH01111103FH每條指令由不超過(guò)4條的微指令組成，那么可根據(jù)下表組成每條微程序的首地址。微程序首地址形成MD7MD6MD5MD4MD3MD2MD1MD0

5、00I7I6I5I411微指令的運(yùn)行順序?yàn)橄碌刂反_定法，即采用計(jì)數(shù)增量方法，每條微指令執(zhí)行過(guò)之后微地址自動(dòng)加1，指向下一條微指令地址。微地址寄存器由2片74LS161組成，在模型機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，微地址被清零。當(dāng)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，微地址從OOH開(kāi)始運(yùn)行。且OOH放置一條取指指令，根據(jù)程序開(kāi)始地址從內(nèi)存中讀出第一條指令。六、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行中時(shí)序安排本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)已確定了指令系統(tǒng)，微指令采用全水平不編碼純控制場(chǎng)的格式，微程序的入口地址采用微操作碼散轉(zhuǎn)換方式，微地址采用計(jì)數(shù)增量方式，所以可確定模型機(jī)中時(shí)序單元所產(chǎn)生的每一拍的作用。本實(shí)驗(yàn)中為了讓實(shí)驗(yàn)者更好地觀察實(shí)驗(yàn)的各個(gè)中間過(guò)程各寄存器的值，由監(jiān)控單元

6、產(chǎn)生了4個(gè)脈沖信號(hào)。4個(gè)脈沖信號(hào)組成一個(gè)微指令周期，為不同地寄存器提供工作脈沖。微指令波形如下圖所示：PLS4PLS3PLS2PLS1SIGNPLS1微地址寄存器的工作脈沖，用來(lái)設(shè)置微程序的首地址及微地址加1。PLS2PC計(jì)數(shù)器的工作脈沖，根據(jù)微指令的控制實(shí)現(xiàn)PC計(jì)數(shù)器加1和重置PC計(jì)數(shù)器加1和重置PC計(jì)數(shù)等功能。PLS3 把24微指令打入3片微指令鎖存器。PLS4 把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入微指令選通的寄存器中。實(shí)際操作時(shí)的截圖：七、指令執(zhí)行流程1MOV A，#DATA 該指令的功能為DATAA，須執(zhí)行如下微操作： (PC)+1PC ；PC+1,為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備RAMODBIDBA ；從內(nèi)存

7、單元中讀出DATA值送入累加器A （PC）LABOAB ；PC計(jì)數(shù)器內(nèi)容作訪問(wèn)內(nèi)存地址 （RAM）ODBIDBIR1 ；從內(nèi)存該地址單元讀出指令字節(jié)送指令寄存器IR1MOV A，#DATA由2個(gè)微指令周期完成指令執(zhí)行：1）PC+1為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備，從內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)送入累加器A。 2）取指微指令，從內(nèi)存讀出指令送指令寄存器。2MOV Ri，#DATA 該指令的功能為DATARi，需執(zhí)行如下微操作: (PC)+1PC ；PC+1,為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備（RAM）ODBIDBRi；從內(nèi)存通過(guò)數(shù)據(jù)總線中讀出數(shù)據(jù)送入Ri （PC）LABOAB ；PC計(jì)數(shù)器內(nèi)容作訪問(wèn)內(nèi)存地址 （RAM）ODBIDBIR1

8、 ；從內(nèi)存該地址單元讀出指令字節(jié)送指令寄存器IR1MOV Ri，#DATA由2個(gè)微指令周期完成指令執(zhí)行： 1）PC+1為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備，從內(nèi)存通過(guò)數(shù)據(jù)總線中讀出數(shù)據(jù)送入寄存器Ri。 2）取指微指令，從內(nèi)存讀出指令送指令寄存器。3ADD A，Ri 該指令的功能為(A)+(Ri)A,需執(zhí)行如下微操作: (PC)+1PC ；PC+1,為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備 （A）DR1 ；累加器A內(nèi)容送ALU （Ri）DR2 ；寄存器Ri內(nèi)容送ALU (A)+(Ri) IDBA ；使ALU執(zhí)行加法,結(jié)果經(jīng)IDB最后送入累加器A CCY ；據(jù)加法結(jié)果置進(jìn)位標(biāo)志CY （PC）LABOAB ；PC計(jì)數(shù)器內(nèi)容作訪問(wèn)內(nèi)存地

9、址 （RAM）ODBIDBIR1 ；從內(nèi)存該地址單元讀出指令字節(jié)送指令寄存器IR1 ADD A,Ri由4個(gè)微指令周期完成指令執(zhí)行： 1）PC+1為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備，累加器A內(nèi)容送ALU的DR1鎖存器。 2）寄存器Ri內(nèi)容送ALU的DR2鎖存器。 3）ALU將計(jì)算結(jié)果送累加器A，據(jù)加法結(jié)果置進(jìn)位標(biāo)志CY。 4）取指微指令，從內(nèi)存讀出指令送指令寄存器。4SUB A，Ri 該指令的功能為(A)-(Ri)A,需執(zhí)行如下微操作: (PC)+1PC ；PC+1,為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備 （A）DR1 ；累加器A內(nèi)容送ALU （Ri）DR2 ；寄存器Ri內(nèi)容送ALU (A)-(Ri) IDBA ；使ALU執(zhí)行

10、減法,結(jié)果經(jīng)IDB最后送入累加器A CCY ；據(jù)減法結(jié)果置進(jìn)位標(biāo)志CY （PC）LABOAB ；PC計(jì)數(shù)器內(nèi)容作訪問(wèn)內(nèi)存地址 （RAM）ODBIDBIR1 ；從內(nèi)存該地址單元讀出指令字節(jié)送指令寄存器IR1 SUB A,Ri由4個(gè)微指令周期完成指令執(zhí)行： 1）PC+1為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備，累加器A內(nèi)容送ALU的DR1鎖存器。 2）寄存器Ri內(nèi)容送ALU的DR2鎖存器。 3）ALU將計(jì)算結(jié)果送累加器A，據(jù)減法結(jié)果置進(jìn)位標(biāo)志CY。 4）取指微指令，從內(nèi)存讀出指令送指令寄存器。5STA ADDR 該指令的功能為（A）ADDR,需執(zhí)行如下微操作: (PC)+1PC ；PC+1,為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備 RA

11、MIDBIR2 ；由內(nèi)存通過(guò)數(shù)據(jù)總線將ADDR地址送地址寄存器IR2 IR2IABOAB ；將IR2的地址送到當(dāng)前的內(nèi)存 ARAM ；將累加器A的內(nèi)容寫入RAM地址ADDR STA ADDR由3個(gè)微指令周期完成指令執(zhí)行： 1）PC+1為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備，置當(dāng)前內(nèi)存單元地址為ADDR。 2）累加器A的內(nèi)容送RAM的ADDR地址單元。 3）取指微指令，從內(nèi)存讀出指令送指令寄存器。八、 源程序，指令代碼及微程序MOV A,#55 MOV R0,#44 ADD A,R0 MOV R1,#33 SUB A,R1 STA 20 HALT內(nèi)存地址源程序指令代碼微程序位： 23 22 21 20 。 2 1

12、微指令：MLD WM RM EIRI。S1 S0（16進(jìn)制）00HMOV A，#550101 1111DDFBFF01H4DFFFF02HMOV R0，#440110 1100DDBFFF03H4DFFFF04HADD A，R00000 1100FFFCF905HFF7F7906HFFFBA907H4DFFFF08HMOV R1，#330110 1101DDBFFF09H4DFFFF0AHSUB A，R10001 1101FFFCD60BHFE7F560CHFFFB860DH4DFFFF0EHSTA 201000 1111D5FFF11HBBFDFF12HHALT1111 1111FFDFFF九、 上機(jī)調(diào)試 十、總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)難度較大,認(rèn)真閱讀了老師給的指導(dǎo)書才把實(shí)驗(yàn)做出來(lái)。不足的地方挺多，時(shí)序分析和