計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)(同名10067)

計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告組員：1.汪學(xué)航(21209010402)2.高申琪(21209010405)3.劉陳臣(21209010403)任務(wù)分配：汪學(xué)航：分配微地址，控制臺(tái)操作編碼，實(shí)驗(yàn)電路連接高申琪：IN指令，ADD指令，OR指令，JMP指令，劉陳臣：新指令（NOP），總體調(diào)試運(yùn)行，解決關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)文檔收集，書寫，整理。微程序控制器的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)思路按照要求設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，該指令系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)行加、減運(yùn)算和無(wú)條件轉(zhuǎn)移，具有累加器尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、存儲(chǔ)器直接尋址、立即數(shù)尋址等五種尋址方式。從而可以想到如下指令：（１）24位控制位分別介紹如下：XRD：外部設(shè)備讀信號(hào)，當(dāng)給出了外設(shè)的地址后，輸出此信號(hào)，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。EMWR：程序存儲(chǔ)器EM寫信號(hào)。EMRD：程序存儲(chǔ)器EM讀信號(hào)。PCOE：將程序計(jì)數(shù)器PC的值送到地址總線ABUS上。EMEN：將程序存儲(chǔ)器EM與數(shù)據(jù)總線DBUS接通，由EMWR和EMRD決定是將DBUS數(shù)據(jù)寫到EM中，還是從EM讀出數(shù)據(jù)送到DBUS。IREN：將程序存儲(chǔ)器EM讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR和微指令計(jì)數(shù)器uPC。EINT：中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請(qǐng)求標(biāo)志，便于下次中斷。ELP：PC打入允許，與指令寄存器的IR3、IR2位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。MAREN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)打入地址寄存器MAR。微指令由ROM讀出后直接給出下一條微指令的地址，這個(gè)地址就放在微地址寄存器中。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)通過地址轉(zhuǎn)移邏輯去修改微地址寄存器內(nèi)容，并按修改好的微地址讀出下條微指令。地址轉(zhuǎn)移邏輯是一個(gè)組合邏輯電路，其輸入是當(dāng)前微指令的判別測(cè)試字段Pi、執(zhí)行部件反饋的“狀態(tài)條件”及時(shí)間因素T4。●控制時(shí)序信號(hào)上圖中標(biāo)明了一個(gè)基本機(jī)器周期中的控制時(shí)序信號(hào)。例如用上一周期的T4時(shí)間按微地址寄存器內(nèi)容從ROM中讀一條微指令，經(jīng)過一段時(shí)間后被讀出，用當(dāng)前周期的T1時(shí)間打入到微指令寄存器。T2、T3時(shí)間用來(lái)控制執(zhí)行部件進(jìn)行操作。T4時(shí)間修改微地址寄存器內(nèi)容并讀出下一條微指令。二、設(shè)計(jì)步驟：(一)、擬訂指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的依據(jù)，擬訂指令系統(tǒng)將涉及基本字長(zhǎng)、指令格式、指令種類、尋址方式等內(nèi)容?；咀珠L(zhǎng)：程序設(shè)計(jì)平臺(tái)中配置的存儲(chǔ)器容量為256*8，可知道基本字長(zhǎng)定為8位。指令格式：指令格式可有單字長(zhǎng)和雙字長(zhǎng)指令兩種，在雙字長(zhǎng)格式中，第二字節(jié)一般定義為操作數(shù)或操作數(shù)地址。指令格式為：操作碼OP源操作數(shù)目的操作數(shù)指令類型：模型機(jī)有單操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令和無(wú)操作數(shù)指令。操作碼OP共四位，最多可定義16條指令。數(shù)據(jù)的傳送單位為8位數(shù)據(jù)的傳送范圍R—>RR—>RAMRAM—>R尋址方式：由于指令較短，操作數(shù)字段僅兩位，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，將操作數(shù)字段和目的操作數(shù)字段的尋址定義為不同的含義。源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式00R000R101（R0）01（R1）10I10I11D11DRi表示操作數(shù)就在寄存器中（Ri）表示操作數(shù)地址在寄存器中I指令的第二個(gè)字節(jié)為操作數(shù)或稱立即尋址（D）指令的第二個(gè)字節(jié)為操作數(shù)的地址源操作數(shù)使用R0尋址目的操作數(shù)R1尋址(二)、確定總體結(jié)構(gòu)根據(jù)要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖：圖2-1數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)框圖2.1流程圖PC->ARPC->AR,PC+1RAM->BUS,BUS->LRP(1)RW->R0(DR1)+(DR2)->R0R0->DR1RAM->BUS,BUS->DRERAM->BUS,BUS->ARPC->AR,PC+1RAM->BUS,BUS->LRRAM->BUS,BUS->ARPC->AR,PC+1DR1->LEDRAM->BUS,BUS->ARRAM->BUS,BUS->DR1PC->AR,PC+1RAM->BUS,BUS->PCPC->AR,PC+1INADDSTAOUTJMP圖2-2微程序流程圖當(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”微指令是所有微指令都使用的公用微指令，因此P（1）的測(cè)試結(jié)果會(huì)出現(xiàn)多路分支。我們使用指令寄存器的前4位（IR7－IR4）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元。控制臺(tái)命令的微程序流程，01為取指令微指令的地址：圖2-3控制臺(tái)流程圖控制臺(tái)操作作為P（4）測(cè)試，它以控制開關(guān)SWB，SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫。2.2微代碼表當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，將每條微指令代碼化，把流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化成“二進(jìn)制微代碼表”，如下：微地址S3S2S1S0MCNWEA9A8ABCUA5…UA00000000001100000010001000001000000011110110110000010020000000011000000010010000300000000100000000100010004000000001011000000000101050000000110101010000001100610010101100110100000000107000000001110000000001101100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001011015000000101000001000000001160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000002400000000001000000001100025000001110000101000000001260000000011010001100000012700000111000010100001000030000001101000101000010001表2-5二進(jìn)制微代碼表2.3確定連線圖根據(jù)各部件的功能，確定好電路各個(gè)芯片的連接，如下：圖2-4接線圖各部件功能：指令寄存器（IR）：指令寄存器用來(lái)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一行指令時(shí)。先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后在傳至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，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）]，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作。指令譯碼器（ID）：根據(jù)指令中的操作碼譯碼強(qiáng)制微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。輸入設(shè)備（INPUTDEVTICE）：是一種二進(jìn)制代碼開關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出設(shè)備（OUTPUTDEVICE）：是一種數(shù)碼塊，完成數(shù)據(jù)輸出。輸出時(shí)，匠輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，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)據(jù)塊顯示。（三）設(shè)置情況1、寄存器的設(shè)置：R0,R1為通用寄存器，8位。IR為指令寄存器，8位。PC程序寄存器，8位。MAR為地址寄存器，8位。2、加法器的設(shè)置：采用8位帶串行進(jìn)位并行加法器。3、選擇器的設(shè)置：連入A選擇器的數(shù)據(jù)來(lái)源是RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0寄存器的數(shù)據(jù)。連入B選擇器的數(shù)據(jù)來(lái)源是PC的數(shù)據(jù)和R1的數(shù)據(jù)。4、數(shù)據(jù)通路：數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，在總體結(jié)構(gòu)中是最重要的一個(gè)問題，模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路是以總線為基礎(chǔ)，以CPU為核心的。信息的傳送路徑：取指令MACPIRRAM—>選擇器A—>Σ—>BUS—>IR送指令地址PBCPMARPC—>選擇器B—>Σ—>BUS—>MAR指令計(jì)數(shù)器+1PBC0CPPCPC—>選擇器B—>Σ—>BUS—>PCR0—>R1RACRR1R0—>選擇器A—>Σ—>BUS—>R1R1—>RAMRBWRR1—>選擇器B—>Σ—>BUS—>RAM(四)邏輯設(shè)計(jì)：總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，便開始總體結(jié)構(gòu)中各部件的邏輯設(shè)計(jì)和部件之間的連接。1、加法器的邏輯設(shè)計(jì)：如附圖2所示，模型機(jī)中的加法器是由八個(gè)一位全加器構(gòu)成，全加器之間采用簡(jiǎn)單的串行進(jìn)位。全加器邏輯原理如附圖3所示：附圖3如下2、選擇器的設(shè)計(jì)：選擇器A和選擇器B的結(jié)構(gòu)形式一樣，如附圖4所示，在控制電位EN0和EN1的控制下，分別選擇R0的或R1的數(shù)據(jù)通過選擇器，進(jìn)入加法器。EN0和EN1是互斥的，高電平有效。3、寄存器的設(shè)計(jì)：不帶復(fù)位的寄存器：結(jié)構(gòu)中R0，R1通用寄存器，可存入操作數(shù)或結(jié)果、中間結(jié)果，每個(gè)寄存器均由8個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在CPRi的作用下接收總線的數(shù)據(jù)送入寄存器，輸出連入選擇器。結(jié)構(gòu)如附圖5所示。指令寄存器IR其結(jié)構(gòu)同通用寄存器。帶復(fù)位的寄存器：結(jié)構(gòu)中MAR地址寄存器是一個(gè)帶復(fù)位的寄存器，帶復(fù)位是指當(dāng)有復(fù)位信號(hào)時(shí)，MAR清零。邏輯圖如附圖6所示。程序計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)：程序計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)如附圖6所示。PC加1是通過加法器實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位信號(hào)RET的作用是有復(fù)位信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器PC清零。部件之間的連接：由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可看出，部位之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式。加法器的輸出通過總線BUS連接到所有寄存器和存儲(chǔ)器的輸入端，除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的輸出端外，其他部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器B。連線圖如附圖1所示。(五)、確定控制方式控制命令是確定信息的流向，不同的數(shù)據(jù)通路需要不同的控制指令。即組合邏輯方式和微程序方式，模型機(jī)采用微程序方式。微程序的執(zhí)行方式采用增量、垂直方式。1、微程序控制器的結(jié)構(gòu)：微程序控制器的部件由設(shè)計(jì)平臺(tái)提供。2、微程序控制器的時(shí)序：微程序控制器的時(shí)序如圖所示：PP’P脈沖的低電平用做控制存儲(chǔ)器讀命令μRDP脈沖的上升邊沿將讀出的微指令μIR負(fù)脈沖P的上升邊沿將形成的后繼地址送微程序計(jì)數(shù)器μPC，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果（總線的數(shù)據(jù)）送指定的寄存器。3、微指令格式：微指令格式由三部分組成，既微指令字段定義，微命令形成邏輯和后繼微地址產(chǎn)生邏輯。后繼微地址產(chǎn)生邏輯：為簡(jiǎn)單起見只選三種后繼微地址生成方式即增量方式、無(wú)條件轉(zhuǎn)移方式、按操作碼轉(zhuǎn)移方式。當(dāng)EN=1時(shí)，微程序計(jì)數(shù)執(zhí)行加1操作當(dāng)EN=0且JP=1時(shí)，無(wú)條件轉(zhuǎn)移當(dāng)EN=0且QJP=1時(shí)，按操作碼轉(zhuǎn)移4、微程序編寫：（1）程序MOV105#,R0MOV201#,R1ADDR0,R1MOV3R1,(R0)（2）操作碼二進(jìn)制代碼MOV1:0001MOV2:0010ADD:0011MOV3:0100（3）微程序入口（16進(jìn)制代碼）取指令入口:00HMOV1入口:10HMOV2入口:20HADD入口:30HMOV3入口:40H（4）指令執(zhí)行流程圖：指令流程：00RAM IRPC+1 PC10203040PCMARPCMARR0+R1R1R0MARPC+1PCPC+1PCPCMARR1RAMRAMR0RAMR1JPPCMARPCMARPCMARJPJPJP(5)編制微程序根據(jù)指令流程跟微指令格式開始編制微程序。二-四譯碼器邏輯原理如附圖3所示。三-八譯碼器邏輯原理如附圖8所示。全部微程序如表1所示。(六)分調(diào)將模式開關(guān)至于分調(diào)1、偉福系統(tǒng)平臺(tái)上的所有開關(guān)和發(fā)光二極管均隨意編制用做數(shù)據(jù)輸入和狀態(tài)顯示典型部件如下：選擇器A帶復(fù)位的寄存器MAR不帶復(fù)位的寄存器R0程序計(jì)數(shù)器PC在部件設(shè)計(jì)無(wú)錯(cuò)、連線無(wú)錯(cuò)、1032E的管腳定義無(wú)錯(cuò)時(shí)可生成下載文件下載到1032E中。2、單片機(jī)系統(tǒng)微程序經(jīng)過檢查無(wú)誤后，將模式開關(guān)至分調(diào)后通過鍵盤寫入響應(yīng)的單元中。(七)統(tǒng)調(diào)將模式開關(guān)置于統(tǒng)調(diào)，此時(shí)平臺(tái)上的開關(guān)及發(fā)光二極管的設(shè)置情況如下：開關(guān)K15--K0無(wú)效，不可編程使用L15--L0用于顯示IR15--IR0的狀態(tài)，不能作他用LED15--LED8用于顯示從存儲(chǔ)器讀出的內(nèi)容和數(shù)據(jù)總線BUS的內(nèi)容不能再作他用LED7--LED0可編程到任意觀測(cè)點(diǎn)，以顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)（1） 按復(fù)位健RET使MAR清洗、指令計(jì)數(shù)器清洗，保證從存儲(chǔ)器0號(hào)單元取指令。使微程序計(jì)數(shù)器PC清洗，保證從而2#ROM，1#ROM的0#單元取指令微程序的第一條微指令。（2） 執(zhí)行微程序按復(fù)位健后，PC、MAR為00號(hào)單元的內(nèi)容是一條指令，指令代碼讀出后，在MA的作用下，進(jìn)入加法器至總線。此時(shí)，總線上的內(nèi)容點(diǎn)亮LED15-8，查看是否正確。注意的是：在沒有按下次脈沖鍵前，數(shù)據(jù)通路的內(nèi)容一直不變。按一次脈沖鍵又產(chǎn)生一負(fù)脈沖。該負(fù)脈沖反相后的上升沿產(chǎn)生CPIR，將上條微指令讀出的指令代碼送IR，同時(shí)上升沿還將PC+1。該負(fù)脈沖的低電平用以讀出PC指示的第二條微指令。這樣一一取出微指令并執(zhí)行微指令就會(huì)讀出并執(zhí)行存放在MAR中的程序。三、測(cè)試流程與結(jié)果3.1連接線路按照?qǐng)D用排線連接好電路3.2寫程序方法一：手動(dòng)寫入先將機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微代碼正確的寫入2816中。使用控制臺(tái)KWE和KRD微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。A．使編程開關(guān)處于“RUN”,STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。B．撥動(dòng)總清開關(guān)CLR（0→1），微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制臺(tái)SWB、SWA開關(guān)置為“01”，按動(dòng)一次啟動(dòng)開關(guān)START，微地址顯示指示燈顯示“010001”，再按動(dòng)一次START，微地址燈顯示“010100”C．寫完程序后須進(jìn)行校驗(yàn)。撥動(dòng)總清開關(guān)CLR（0→1）后，微地址清零。PC程序計(jì)數(shù)器清零，然后使控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“00”，按動(dòng)啟動(dòng)START，微地址燈將顯示“010000”，再按START，微地址燈顯示為“010010”，第三次按START，微地址燈顯示為“010111”，再按START后，此時(shí)輸出單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內(nèi)容。不斷方法二：聯(lián)機(jī)讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及微指令二進(jìn)制表編輯成十六進(jìn)制的如下格式文件。微指令中的微代碼為24位微代碼按從左到右分成3個(gè)8位，將此3個(gè)8位二進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。并將該格式文件用聯(lián)機(jī)軟件的傳輸文件功能傳入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。機(jī)器指令格式說(shuō)明：$PXXYYXX十六進(jìn)制地址YY機(jī)器指令代碼程序：$P4000$P4110$P420A$P4320$P440B$P4530$P460B$P4740$P4800$P4A01微指令格式說(shuō)明：$MXXYYYYYYXX十六進(jìn)制地址YYYYYY微指令代碼微程序：$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01Ed96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A$M1001ED92$M1101Ed94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A113.3運(yùn)行程序單步運(yùn)行程序：A．使編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。B．撥動(dòng)總清開關(guān)CLR（0－>1），微地址清零，程序計(jì)數(shù)器清零。程序首址為00H。C．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)照微指令流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。D．單步運(yùn)行結(jié)束后，檢查存數(shù)單元(0BH)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開關(guān)置為“ECEX”狀態(tài)。STOP開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)撥動(dòng)CLR開關(guān)，清微地址及程序計(jì)數(shù)器，然后撥動(dòng)START,系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。停機(jī)后，檢查存數(shù)單元（0BH）結(jié)果是否正確。3.4測(cè)試驗(yàn)證此次測(cè)試驗(yàn)證的內(nèi)容為FEH驗(yàn)證程序的內(nèi)存映象(裝入起始地址00H)如下：地址(二進(jìn)制)內(nèi)容(二進(jìn)制)助記符說(shuō)明0000000000000000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000000100010000ADD[OAH]0000001000001010RO+[0AH]—>R00000001100100000STA[0BH]0