8位模型機(jī)課程設(shè)計(jì)

xxxxx課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院課程課程設(shè)計(jì)專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班級(jí)xxxxx姓名xxxxxxx x學(xué)號(hào)xxxxxxxxxx指導(dǎo)教師xxxxxx日期201x年x月x日課程設(shè)計(jì)目的課程課程設(shè)計(jì)目的課程通過(guò)課程設(shè)計(jì)加深對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及原理的理解。培養(yǎng)綜合分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力。掌握使用Protues工具軟件基本操作。培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。設(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)一臺(tái)8位模型機(jī)。要求包括五大部分。綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，補(bǔ)充新知識(shí)。先分段完成各部分電路的設(shè)計(jì)與仿真，然后綜合完成整體設(shè)計(jì)。撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。裝訂按照學(xué)校的統(tǒng)一要求完成。設(shè)計(jì)所有電路圖盡可能畫(huà)在同一張圖中，同時(shí)注意信號(hào)的流向。設(shè)計(jì)注意總體電路圖的緊湊和協(xié)調(diào)，要求布局合理，排列均勻。注意要嚴(yán)格遵守學(xué)習(xí)紀(jì)律，遵守作息時(shí)間。注意要愛(ài)護(hù)公物，搞好環(huán)境衛(wèi)生。事項(xiàng)課程課程設(shè)計(jì)內(nèi)容輸入/輸出設(shè)備的設(shè)計(jì)與仿真。運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與仿真。存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與仿真。微控制器的設(shè)計(jì)與仿真。基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真。

課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要操作步驟畫(huà)出電路原理圖。設(shè)置仿真環(huán)境。調(diào)試與仿真?？偨Y(jié)。課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)計(jì)算機(jī)組成原理方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次思考與檢查終于找出了問(wèn)題所在，這也暴露出前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手，是我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)及成績(jī)?cè)u(píng)語(yǔ)成績(jī)指導(dǎo)教師（簽名）日期：目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"概述 0\o"CurrentDocument"總體設(shè)計(jì) 0詳細(xì)設(shè)計(jì) 23.1運(yùn)算器 23.2存儲(chǔ)器 33.3微控制器 53.4基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8總結(jié) 10\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 118位模型機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真1.概述在掌握部件單元電路設(shè)計(jì)與仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺(tái)8位模型機(jī)。字長(zhǎng)是8位純整型，包含基本的五大件：運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、I/O設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1-1所示.CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器 控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器

圖1-1模型機(jī)結(jié)構(gòu)框圖這基本的五大件通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和控制。部件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而綜合實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成，CPU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.總體設(shè)計(jì)模型機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)總線、輸入輸出和時(shí)序產(chǎn)生器組成，模型機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1模型機(jī)結(jié)構(gòu)圖在圖2-1中T1、T2、T3和T4等控制信號(hào)都是由時(shí)序產(chǎn)生器生產(chǎn)，時(shí)序產(chǎn)生器由時(shí)序電路實(shí)現(xiàn)如圖2-2所示，時(shí)序產(chǎn)生器一個(gè)周期中產(chǎn)生四個(gè)脈沖信號(hào)T1~T4,這四個(gè)脈沖信號(hào)用于控制組件的執(zhí)行順序，組件在這些信號(hào)的控制下有序的執(zhí)行，一個(gè)周期中完成一條微指令的執(zhí)行。圖2-2時(shí)序產(chǎn)生器模型機(jī)的工作過(guò)程可以歸納如下：控制器把PC中的指令地址送往地址寄存器AR，并發(fā)出讀命令。存儲(chǔ)器按給定的地址讀出指令，經(jīng)由存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDR送往控制器，保存在指令寄存器IR中。指令譯碼器ID對(duì)指令寄存器IR中的指令進(jìn)行譯碼，分析指令的操作性質(zhì)，并由控制電路向存儲(chǔ)器、運(yùn)算器等有關(guān)部件發(fā)出指令所需要的微命令。當(dāng)需要由存儲(chǔ)器向運(yùn)算器提供數(shù)據(jù)時(shí)，控制器根據(jù)指令的地址部分，形成數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)單元地址，并送往地址寄存器AR，然后向存儲(chǔ)器發(fā)出讀命令，從存儲(chǔ)器中讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)由存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDR送往運(yùn)算器。當(dāng)需要由運(yùn)算器向存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，控制器根據(jù)指令的地址部分，形成數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)單元地址，并送往存儲(chǔ)器地址寄存器AR，再將欲寫(xiě)的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDR，最后向存儲(chǔ)器發(fā)出寫(xiě)命令，MDR中的數(shù)據(jù)即被寫(xiě)入由MAR指示地址的存儲(chǔ)單元中。一條指令執(zhí)行完畢后，控制器就要接著執(zhí)行下一條指令。為了把下一條指令從存儲(chǔ)器中取出，通?？刂破靼裀C的內(nèi)容加上一個(gè)數(shù)值，形成下一條指令的地址，但在遇到“轉(zhuǎn)移”指令時(shí)，控制器則把“轉(zhuǎn)移地址”送入PC?？刂破鞑粩嘀貜?fù)上述過(guò)程的(1)到(5)，每重復(fù)一次，就執(zhí)行了一條指令，直到整個(gè)程序執(zhí)行完畢。3.詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1運(yùn)算器運(yùn)算器(arithmeticunit)是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件。運(yùn)算器的基本操作包括加、減、乘、除四則運(yùn)算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作，亦稱算術(shù)邏輯部件(ALU)。計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)算器的操作和操作種類由控制器決定。運(yùn)算器處理的數(shù)據(jù)來(lái)自存儲(chǔ)器；處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通常送回存儲(chǔ)器，或暫時(shí)寄存在運(yùn)算器中。本次8位模型機(jī)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)算器是由兩片74LS181芯片構(gòu)成。74LS181是一個(gè)四位的ALU單元，它是由一個(gè)四位全加器以及進(jìn)位電路構(gòu)成。正邏輯74LS181的邏輯圖3-1所示.圖3-1運(yùn)算器原理圖74LS181運(yùn)算功能發(fā)生器能進(jìn)行16種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。功能表如下：設(shè)計(jì)步驟：按圖3-2連接實(shí)驗(yàn)電路，并檢查無(wú)誤。圖中將用戶需要連接的信號(hào)用圓圈標(biāo)明(其它實(shí)驗(yàn)相同)。圖3-2實(shí)驗(yàn)接線圖將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK2置為，單拍’檔，開(kāi)關(guān)KK1、KK3置為，運(yùn)行’檔。(3)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，如果聽(tīng)到有‘嘀’報(bào)警聲，說(shuō)明有總線競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。然后按動(dòng)CON單元的CLR按鈕，將運(yùn)算器的A、B和FC、FZ清零。用輸入開(kāi)關(guān)向暫存器A置數(shù)。撥動(dòng)CON單元的SD27-SD20數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù)01100101(或其它數(shù)值)，數(shù)據(jù)顯示亮為‘1’，滅為‘0’。置LDA=1，LDB=0，連續(xù)按動(dòng)時(shí)序單元的ST按鈕，產(chǎn)生一個(gè)T4上沿，則將二進(jìn)制數(shù)01100101置入暫存器A中，暫存器A的值通過(guò)ALU單元的A7-A0八位LED燈顯示。用輸入開(kāi)關(guān)向暫存器B置數(shù)。撥動(dòng)CON單元的SD27…②置入暫存器B中，暫存器B的值通過(guò)ALU單元的B7-B0八位LED燈顯示。改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出。置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表1-1-1置S3、S2、S1、S0和Cn的數(shù)值，并觀察數(shù)據(jù)總線LED顯示燈顯示的結(jié)果。如置S3、S2、S1、S0為0010，運(yùn)算器作邏輯與運(yùn)算，置S3、S2、S1、S0為1001，運(yùn)算器作加法運(yùn)算。如果實(shí)驗(yàn)箱和PC聯(lián)機(jī)操作，則可通過(guò)軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來(lái)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(軟件使用說(shuō)明請(qǐng)看附錄一)，方法是：打開(kāi)軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的【實(shí)驗(yàn)】一【運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)】”，打開(kāi)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖3-3所示。進(jìn)行上面的手動(dòng)操作，每按動(dòng)一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會(huì)有數(shù)據(jù)的流動(dòng)，反映當(dāng)前運(yùn)算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】一【單節(jié)拍】”，其作用相當(dāng)于將時(shí)序單元的狀態(tài)開(kāi)關(guān)KK2置為‘單拍’檔后按動(dòng)了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會(huì)反映當(dāng)前運(yùn)算器所做的操作。重復(fù)上述操作，然后改變A、B的值，驗(yàn)證FC、FZ的鎖存功能。圖3-3數(shù)據(jù)通路圖3.2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的主要功能是存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中高速、自動(dòng)地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。存儲(chǔ)器是具有'記憶〃功能的設(shè)備，它采用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來(lái)存儲(chǔ)信息。這些器件也被稱為記憶元件。在計(jì)算機(jī)中采用只有兩個(gè)數(shù)碼”0〃和〃1〃的二進(jìn)制來(lái)表示數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)所采用的半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器電路原理如圖3-4所示。實(shí)驗(yàn)中的靜態(tài)存儲(chǔ)器由一片6116（2k*8）構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，地址總線由地址鎖存器（74LS273）給出，地址燈AD0'AD7與地址線相連，顯示地址內(nèi)容。數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)經(jīng)三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。圖3-4存儲(chǔ)器電路原理圖因?yàn)榈刂芳拇嫫鳛?位，接入6116的地址為A7~A0，而高三位A8~A10接地，所以其實(shí)際容量為256字節(jié)。6116有三個(gè)控制線：CE（片選線）、OE（讀線）、CE（寫(xiě)線）。當(dāng)片選線有效（CE=0）時(shí)，OE=0時(shí)進(jìn)行讀操作，WE=0時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作，其寫(xiě)時(shí)間與T3脈沖寬度一致。操作時(shí)將T3脈沖接至實(shí)驗(yàn)板上時(shí)序電路模塊的TS3相應(yīng)插孔中，其脈沖寬度可調(diào)，其他電平控制信號(hào)由“SWITCHUNIT”單元的二進(jìn)制開(kāi)關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。設(shè)計(jì)步驟：實(shí)驗(yàn)接線如下:⑴MBUS連BUS2；⑵EXJ1連BUS3；⑶跳線器J22的T3連TS3；⑷跳線器J16的SP連H23；⑸跳線器SWB、CE、WE、LDAR撥在左邊（手動(dòng)位置）。連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無(wú)誤后接通電源。形成時(shí)鐘脈沖信號(hào)T3,方法如下：在時(shí)序電路模塊中有兩個(gè)二進(jìn)制開(kāi)關(guān)“運(yùn)行控制sws=r運(yùn)行方式”。將“運(yùn)行控制=1開(kāi)關(guān)置為“運(yùn)行”狀態(tài)=“運(yùn)行方式”開(kāi)關(guān)置為）“連續(xù)00狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)按動(dòng)置數(shù)運(yùn)行*開(kāi)關(guān)"態(tài)：3有連續(xù)的方波信號(hào)輸出，此時(shí)調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實(shí)驗(yàn)要求的脈沖信號(hào)；"本實(shí)驗(yàn)中“運(yùn)行方式”開(kāi)關(guān)置為“單步”狀態(tài)，每按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開(kāi)關(guān)，貝VT3輸出一個(gè)正單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。 CE=03?具體操作:步驟圖示如下： SWB=0 T4=AR=0給存儲(chǔ)器的=000曲址單元中寫(xiě)入數(shù)據(jù)理0具體操作步驟、如下3土頊數(shù)據(jù)置入存儲(chǔ)器RAM如果要對(duì)其它地址單元寫(xiě)入內(nèi)容，方法同上，只是輸入的地址和內(nèi)容不同。

具體操作步驟如下:渺=0

LDAR=1

具體操作步驟如下:渺=0

LDAR=1

「 —~1T3=*開(kāi)輸入三態(tài)門 +數(shù)據(jù)置入地址寄存器SWB=1 CE=14.結(jié)果分嶄曲=00000000［數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置數(shù)〕SWB=01）根據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)原理，填寫(xiě)表3-1。表3-1戳器的讀寫(xiě)信號(hào)配合控制信號(hào)Ar=0「讀內(nèi)容寫(xiě)地從存儲(chǔ)器讀出寫(xiě)內(nèi)容SWB開(kāi)關(guān)101010LDAR?開(kāi)關(guān)1010CE開(kāi)關(guān)？1010WE開(kāi)關(guān)?0102）記錄向存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)的操作過(guò)程。按照前面介紹的實(shí)驗(yàn)步驟向存儲(chǔ)器地址為00H，01H，02H，03H，04H，05H的單元分別寫(xiě)入數(shù)據(jù)：55H，33H，44H，66H，08H，F(xiàn)0H。3） 寫(xiě)出讀出存儲(chǔ)器單元內(nèi)容的操作過(guò)程并記錄以下地址單元讀出的內(nèi)容。表3-2存儲(chǔ)器單元內(nèi)容讀出記錄4） 根據(jù)電路圖分析向存儲(chǔ)器置數(shù)和從存儲(chǔ)器讀數(shù)的工作原理。地址內(nèi)容地址內(nèi)容000000000101010100000100000010000000000100110011000001010000001001000100000010000000000000000011011001100000100100000000存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來(lái)保存程序與數(shù)據(jù)的主要部件。存儲(chǔ)器可以分為易失性和飛易失性存儲(chǔ)器，易失性存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)在關(guān)電后就不復(fù)存在，非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)在關(guān)電后不會(huì)丟失。易失性存儲(chǔ)器又可以分為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)器，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器保存信息的時(shí)間只有2ms，工作時(shí)需要不斷更新，既不斷刷新數(shù)據(jù)靜態(tài)存儲(chǔ)器只有不斷電，信息是不會(huì)丟失的。3.3微控制器控制器(ControlUnit)是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由寄存器IR，程序計(jì)數(shù)器PC和操作控制器OC三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。有兩種由于設(shè)計(jì)方法不同因而結(jié)構(gòu)也不同的控制器：硬布線控制器和微程序控制器。在本次課設(shè)中我們采用的是微程序控制器。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。微控制器的電路圖如下圖3-5.圖3-5微控制器電路原理圖設(shè)計(jì)步驟：(1)將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制代碼，可得到表3-3的二進(jìn)制代碼表。微地址S3S2S1S0MCNWEA9A81ABCUA5—UA000000000011000000100010000010000000111101101100000100200000000110000000100100003000000001110000000000100040000000010110000000001010500000001101000100000011006100101011001101000000001070000000011100000000011011000000000000100000000000111000000011110110110000011120000000111101101100001111300000001111011011000111014000000011110110110010110150000001010000010000000011600000000111000000000111117000000001010000000010101200000000111101101100101002100000001111011011001010022000000001010000000010111230000000110000000000000012400000000001000000001100025000001110000101000000001260000000011010001100000012700000111000010100001000030000001101000101000010001表3-3（2）按圖3-6連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無(wú)誤后接通電源。圖3-6微控制器實(shí)驗(yàn)接線圖（3）觀察微程序控制器的工作原理：將微程序輸入控制存儲(chǔ)器中.將編程開(kāi)關(guān)MJ20置為PROM（編程）狀態(tài)。.將實(shí)驗(yàn)板上“STATEUNIT”中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。.用二進(jìn)制模擬開(kāi)關(guān)uA0~~uA5輸入當(dāng)前微地址MA5——MA0。.在MK24~~MK1開(kāi)關(guān)上置微指令代碼，24位開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)24位顯示燈，開(kāi)關(guān)量為“0”時(shí)燈亮，開(kāi)關(guān)量為“l(fā)”時(shí)燈滅。.啟動(dòng)時(shí)序電路（按動(dòng)啟動(dòng)按鈕“START”），即將微代碼寫(xiě)入到E2PROM2816的相應(yīng)地址對(duì)應(yīng)的單元中。.重復(fù)③一⑥步驟，將表1的微指令代碼寫(xiě)入E2PROM2816中。校驗(yàn).將編程開(kāi)關(guān)MJ20設(shè)置為READ（校驗(yàn)）狀態(tài)。.將實(shí)驗(yàn)板的“STEP”開(kāi)關(guān)置為“STEP”狀態(tài)，“STOP”開(kāi)關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。.用二進(jìn)制模擬開(kāi)關(guān)uA0~~uA5置好微地址MA5——MA0。.按動(dòng)“START”鍵，啟動(dòng)時(shí)序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MD24——MD1的狀態(tài)（燈亮為“0”，滅為“l(fā)”），檢查讀出的微代碼是否與寫(xiě)入的相同。如果不同，則將開(kāi)關(guān)置于PROM編程狀態(tài)，重新輸入微指令代碼即可。單步運(yùn)行.將編程開(kāi)關(guān)MJ20置于“RUN（運(yùn)行）”狀態(tài)。.實(shí)驗(yàn)板的“STEP”及“STOP”開(kāi)關(guān)保持原狀。.操作CLR開(kāi)關(guān)使CLR信號(hào)l-0-1,此時(shí)微地址寄存器MA5一MA0清零，從而確定本機(jī)的運(yùn)行入口微地址為000000（二進(jìn)制）。.按動(dòng)“START”鍵，啟動(dòng)時(shí)序電路，則每按動(dòng)一次啟動(dòng)鍵，讀出一條微指令，此時(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的微地址顯示燈和微命令顯示燈將顯示所讀出的一條微指令。連續(xù)運(yùn)行.將編程開(kāi)關(guān)MJ20置為“RUN（運(yùn)行）”狀態(tài)。.將實(shí)驗(yàn)板的單步開(kāi)關(guān)“STEP”置為“EXEC”狀態(tài)。.撥動(dòng)CLR開(kāi)關(guān)使CLR從1-0-1，此時(shí)微地址寄存器清“0”，從而給出取指微指令的入口地址為000000（二進(jìn)制）。.按動(dòng)“START”鍵，啟動(dòng)時(shí)序電路，則可連續(xù)讀出微指令。3.4基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)1到實(shí)驗(yàn)3中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的。而本次課設(shè)主要是設(shè)計(jì)模型機(jī)在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成，CPU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)一段微程序。本實(shí)驗(yàn)采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無(wú)條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機(jī)器指令碼說(shuō)明IN 00000000ADDaddr 0001 0000IN 00000000ADDaddr 0001 0000R0STAaddr 0010 0000OUTaddr 0011 0000JMPaddr 0100 0000XXXXXXXX二進(jìn)制加法R0+[addr]->XXXXXXXX存數(shù)RO->[addr]XXXXXXXX輸出[addr]->LEDXXXXXXXX無(wú)條件轉(zhuǎn)移addr->PC其中IN為單字長(zhǎng)（8位）指令，其余為雙字長(zhǎng)指令，XXXXXXXX為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。圖3-7模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖根據(jù)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖（如圖3-7所示）和指令的要求定義微代碼如下:表1微代碼定義微程序24~21201918171615~1312~109~76~1控制信號(hào)S3~S0MCNRDM17M16ABPuA5~uA0表2A、B、P字段A字段B字段P字段151413控制信號(hào)121110控制信號(hào)987控制信號(hào)000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表中UA5-UA0為6位后續(xù)微地址，A、B、C為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯碼出多位。P字段中的P（1）?P（4）是四個(gè)測(cè)試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分別為源寄存器選通信號(hào)、目的寄存器選通信號(hào)及變址寄存器選通信號(hào)，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。A字段中的LDRI為從輸入設(shè)備組件中讀入數(shù)據(jù)使能控制信號(hào)。系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖3-4-2所示，這里“取指”是公用微指令，為了能確定不同機(jī)器指令有各自不同的微程序轉(zhuǎn)向，我們?cè)谶@里以指令寄存器的前4位(IR7?IR4)作為測(cè)試條件，引入了P(1)指令測(cè)試字段，如此，對(duì)于五條機(jī)器指令，就可以有五路P(1)測(cè)試分支，對(duì)于每一指令分別予以微程序解釋。由圖3-4-2微程序流程圖中可以看到，在執(zhí)行機(jī)器指令I(lǐng)N的時(shí)候要執(zhí)行三條微指令：01、02和10，每個(gè)微指令需要一個(gè)CPU周期來(lái)執(zhí)行，所以執(zhí)行一條機(jī)器指令I(lǐng)N需要三個(gè)CPU周期。圖3-8微程序流程圖當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化.圖3-6即為將如圖3-8的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的二進(jìn)制微代碼表。設(shè)計(jì)步驟：?jiǎn)尾竭\(yùn)行程序使編程開(kāi)關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR(0-1)，微地址清零，PC計(jì)數(shù)器清零，程序首地址為00H。單步運(yùn)行一條微指令，每按動(dòng)一次START鍵，即單步運(yùn)行一條微指令。對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元(0B)中的結(jié)果是否和理論值一致。連續(xù)運(yùn)行程序使“STATEUNIT”中的STEP開(kāi)關(guān)置于“EXEC”狀態(tài)，STOP開(kāi)關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。撥動(dòng)CLR開(kāi)關(guān)，清微地址及PC計(jì)數(shù)器，按動(dòng)START，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序，稍后將STOP撥