東南大學(xué)成賢學(xué)院計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué)號：01613211 姓名：王宇學(xué)號：01613248 姓名：杜冰 2015年10月29日一、課題名稱： 微程序控制模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?運(yùn)用“計(jì)算機(jī)組成原理”和“數(shù)字電路”等課程的知識，通過對模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，加深對計(jì)算機(jī)各部件工作原理的認(rèn)識。2進(jìn)一步掌握運(yùn)用EDA 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試的工作方法。三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1 設(shè)計(jì)一臺由微程序控制的模型計(jì)算機(jī)。2 將模型機(jī)調(diào)試成功，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。四、設(shè)計(jì)方案：1.數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)采用 8 位數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)采用8 位二進(jìn)制定點(diǎn)表示。76543210.設(shè)置7 條機(jī)器指令和2條面板操作指令（1） 面板操作指令a.輸

2、入地址為 PC 置初始值，即輸入程序的起始地址，當(dāng)K1 開關(guān)置“1”，K2 開關(guān)置“0”時執(zhí)行此操作；b.輸入程序?qū)⒊绦蜉斎氲絻?nèi)存的指定區(qū)域，當(dāng)K1，K2 開關(guān)均置“1”時，由面板輸入開關(guān)輸入程序；c.本模型機(jī)設(shè)置 K3 開關(guān)，K3 置1 表示執(zhí)行單步操作；d. START 表示啟動開關(guān)。單步操作時，用于執(zhí)行每一條指令；e.CLRN表示總清開關(guān)，置0時系統(tǒng)全部清零。（2） 指令系統(tǒng)a. 指令格式操作碼尋址方式7 6 5 43 2 1 0有二種尋址方式（1）寄存器尋址操作碼R目R源7 6 5 43 2 1 0（2）直接地址尋址由于地址要占用一個字節(jié)，所以此類指令為雙字節(jié)指令。操作碼R目R源內(nèi)存地

3、址7 6 5 43 2 1 0b7條基本機(jī)器指令（1）IN R； 從開關(guān)輸入數(shù)據(jù)送入到指定的寄存器R。格式：0 0 0 1R目R源（2）OUT R；從指定的寄存器R 中取出數(shù)據(jù)送入到輸出緩沖器，顯示燈亮。格式：0 0 1 00 0R源（3）LD R , address ；從內(nèi)存指定單元取出數(shù)據(jù)，送入指定的寄存器R。格式：0 0 1 1R目R源Address（4）ST address, R; 從指定的寄存器R 中取出數(shù)據(jù)，存入內(nèi)存指定單元。格式：0 1 0 0R目R源Address（5）ADD R1， R2；將兩個寄存器中的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果送到R1。格式：0 1 0 1R目R源（6）JMP add

4、ress; 無條件轉(zhuǎn)移，即address ->PC。格式：0 1 1 0R目R源Address（7）HALT ； 停機(jī)指令。0 1 1 10 00 02.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了簡單方便，我們采用單總線結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)和 CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示。3.數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)4.控制器設(shè)計(jì)（1） 控制器組成（2） 微指令格式和微命令首先對數(shù)據(jù)通路進(jìn)行分析，需要16個控制信號。此外還要2個信號：UPC （表示一段微程序結(jié)束），HALT（停機(jī)），共需要18個控制信號。采用水平型格式表示。控制數(shù)據(jù)通路的 16個信號說明如下：G1，G2，G3，G4 分別控制4個多路開關(guān)A，B，C，D，E 分別控制對應(yīng)的寄存器輸入

5、F 控制計(jì)數(shù)器PC 的輸入和計(jì)數(shù)I 控制指令寄存器的輸入DEST 目的寄存器的讀出控制信號SRC 源寄存器的讀出控制信號WE 對RAM 的寫入信號GWN 通用寄存器組的寫入信號LDN PC 置初值的控制信號（3） 時序信號和控存的安排根據(jù)分析，每執(zhí)行一條微指令的操作須用2 個工作脈沖，讀取一條微指令需要1 個工作脈沖執(zhí)行，M1 脈沖將微指令送入微指令寄存器（3 片74273）；M3、M4 用來執(zhí)行該微指令的操作。這樣讀取并執(zhí)行一條微指令總共需要4 個工作脈沖M1、M2、M3、M4，所需的脈沖時序如圖所示。電路實(shí)現(xiàn)：根據(jù)分析，執(zhí)行一條微指令的操作須用2 個工作脈沖。18 位微命令需要占用3 個字

6、節(jié)，本實(shí)驗(yàn)用如下方式來獲得3 個字節(jié)的微指令，由數(shù)字電路的知識可知，當(dāng)ROM 的字?jǐn)?shù)夠用而每個字的位數(shù)不夠用時，我們可以采用位擴(kuò)展的連接方式，將多片ROM 組合成位數(shù)足夠多的存儲器。所以將3 片8 位的ROM 按圖所示方式連接起來實(shí)現(xiàn)24 位的ROM，可以同時輸出24 位的微指令。（4） 微地址入口電路的設(shè)計(jì)為簡單起見，微地址采用8 位，其高4 位由指令操作碼控制，低4 位由一個4 位的計(jì)數(shù)器控制。將ROM 的高段地址區(qū)用于存放面板指令的微程序，低段地址存儲區(qū)存放一般指令的微程序，控制電路如下圖5. 指令的微程序表G1.G2.G3.G4A.B.C.DE.F.I.DESTSRC.WE.GWN.L

7、DNUPC.HALT.X.XX.X.X.XLod pc(10000000)80C0010081310080送數(shù)(11000000)C030C000C1C00400C2010080取指公操作（00000000）0030C00001002000IN(00010000)10C0020011111080OUT(00100000)20110880LD(00110000)3030C000310080003200020033111080ST(01000000)4030C0004100800042100C80ADD(01010000)50181000511608005240020053111080JUMP(0

8、1100000)6030C0006100000062010180HALT(01110000)700000406. 總電路圖及RomROM內(nèi)容截圖：五、設(shè)計(jì)優(yōu)化1更改時序在M2周期，cpu只執(zhí)行了操作upc+1，而這一操作對于同時鐘周期的M3，M4是沒有影響的，所以可將M2周期內(nèi)的操作在M3周期內(nèi)完成。另外M1,M2,M3,M4之間不需要空余的時鐘周期進(jìn)行間隔。綜上，只需要形成如圖所示的時序即可實(shí)現(xiàn)電路如下：2增加指令（1）SUB R1，R2；將兩個寄存器中的數(shù)據(jù)相減，結(jié)果送到R1。格式：1 0 0 1R目R源（2）ANA R1，R2；將兩個寄存器中的數(shù)據(jù)做邏輯與運(yùn)算，結(jié)果送到R1。格式：1 0

9、 1 1R目R源（3）OR R1，R2；將兩個寄存器中的數(shù)據(jù)做邏輯或運(yùn)算，結(jié)果送到R1。格式：1 1 0 1R目R源（4）CMA R1；將R1寄存器中的數(shù)據(jù)取反，結(jié)果送到R1。格式：1 0 1 0R目0 0 （5）SHR R1；將R1寄存器中的數(shù)據(jù)右移，結(jié)果送到R1。格式：1 1 1 0R目0 0（6）SHL R1；將R1寄存器中的數(shù)據(jù)左移，結(jié)果送到R1。格式：1 1 1 1R目0 0在微指令中設(shè)計(jì)3跟控制信號線，用于運(yùn)算的選擇指令助記符控制信號（SEL2 1 0）邏輯與ANA0 0 0邏輯或OR0 0 1取反CMA0 1 0減SUB0 1 1加ADD1 0 0右移SHR1 1 0左移SHL1

10、 1 1新ALU內(nèi)部電路圖新指令的微程序表G1.G2.G3.G4A.B.C.DE.F.I.DESTSRC.WE.GWN.LDNUPC.HALT.X.XXSEL2 1 0Lod pc(1000 0000)80C0010081310080送數(shù)(11000000)C030C000C1C00400C2010080取指公操作（0000 0000）0030C00001002000IN(0001 0000)10C0020011111080OUT(0010 0000)20110880LD(0011 0000)3030C000310080003200020033111080ST(0100 0000)4030C0

11、004100800042100C80ADD(0101 0000)50181005511608055240020553111080JUMP(0110 0000)6030C0006100000062010180HALT(011 10000)70000040SUB(1001 0000)90181004911608049240020493111080ANA(1010 0000)A0181000A1160800A2400200A3111080OR(1011 0000)B0181001B1160801B2400201B3111080CMA(1101 0000)D0181002D1160802D240020

12、2D3111080SHR(1110 0000)E0181006E1160806E2400206E3111080SHL(1111 0000)F0181007F1160807F2400207F31110803減少ROM空間原ROM中大量存儲單元沒有存放數(shù)據(jù)，且部分單元存儲的數(shù)據(jù)相同，造成存儲資源的浪費(fèi)。利用一一映射可以減少Rom的空間。舊地址新地址舊地址新地址舊地址新地址舊地址新地址00000101100211032004300031053206330340004105420750085109520A53036000620B700C800D81OE900F911092119303A012A113A

13、214A303B015B116B217B303C000C118C219D01AD11BD21CD303E01DE11EE21FE303F020F121F222F303由于此轉(zhuǎn)化電路較為復(fù)雜，不宜直接連線，我們采用了Verilog HDL文件進(jìn)行了地址的變換。module TRANS(IN,OUT);input 7:0 IN;output5:0 OUT;reg5:0 OUT;always (IN)begincase(IN)8'b00000000:OUT=6'b000000;8'b00110000:OUT=6'b000000;8'b01100000:OUT=

14、6'b000000;8'b11000000:OUT=6'b000000;8'b01000000:OUT=6'b000000;8'b00000001:OUT=6'b000001;8'b00010000:OUT=6'b000010;8'b00010001:OUT=6'b000011;8'b11100010:OUT=6'b011111;8'b11110000:OUT=6'b100000;8'b11110001:OUT=6'b100001;8'b11110010:OUT=6'b100010;default:OUT=6'b100011;endcaseendendmodule新rom地址轉(zhuǎn)化關(guān)系檢驗(yàn)4總電路圖六、測試結(jié)果與性能分析1.測試程序程序描述：計(jì)算C=A*2+B/2C各位取反，然后只保留低4位，減去D輸出結(jié)果代碼表示：L