微程序控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、微程序控制器的設(shè)計與實現(xiàn)一、設(shè)計目的1、鞏固和深刻理解“計算機(jī)組成原理”課程所講解的原理， 加深對計算機(jī)各模塊協(xié)同工作的認(rèn)識。2、掌握微程序設(shè)計的思想和具體流程、操作方法。3、培養(yǎng)學(xué)生獨立工作和創(chuàng)新思維的能力，取得設(shè)計與調(diào)試的 實踐經(jīng)驗。4、嘗試?yán)镁幊虒崿F(xiàn)微程序指令的識別和解釋的工作流程。二、設(shè)計內(nèi)容按照要求設(shè)計一指令系統(tǒng)，該指令系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)行加、減運算和無條件轉(zhuǎn)移，具有累加器尋址、寄存器尋址、 寄存器間接尋址、存儲器直接尋址、立即數(shù)尋址等五種尋址方 式。三、設(shè)計具體要求1、仔細(xì)復(fù)習(xí)所學(xué)過的理論知識，掌握微程序設(shè)計的思想，并根、 據(jù)掌握的理論寫出要設(shè)計的指令系統(tǒng)的微程序流程。指令

2、系 統(tǒng)至少要包括六條指令，具有上述功能和尋址方式。2、根據(jù)微操作流程及給定的微指令格式寫出相應(yīng)的微程序3、將所設(shè)計的微程序在虛擬環(huán)境中運行調(diào)試程序，并給出測試思 路和具體程序段4、撰寫課程設(shè)計報告。四、設(shè)計環(huán)境1、偉福c0p2000型組成原理實驗儀，c0p2000虛擬軟件。2、vc開發(fā)環(huán)境或者java開發(fā)環(huán)境。五、設(shè)計方案（1）設(shè)計思想編寫一個指令系統(tǒng)，根據(jù)所編寫的指令的功能來設(shè)計相應(yīng)的微程 序。首先利用mov傳送指令來給寄存器和累加器傳送立即數(shù)，實現(xiàn)立 即數(shù)尋址；利用寄存器尋址方式，用addc指令對兩者進(jìn)行相加運算; 利用寄存器間接尋址方式，用sub指令實現(xiàn)減運算；利用累加器尋址 方式，用c

3、pl指令實現(xiàn)對累加器尋址；利用存儲器尋址方式，用jmp 指令實現(xiàn)程序的無條件跳轉(zhuǎn)。這樣，所要設(shè)計的指令系統(tǒng)的功能就全 部實現(xiàn)了。（2）微指令格式采用水平微指令格式的設(shè)計，一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令 的微指令，叫做水平型微指令。其一般格式如下：控制字段判別測試字段下地址字段按照控制字段的編碼方法不同，水平型微指令又分為三種：全水平型 （不譯法）微指令，字段譯碼法水平型微指令，以及直接和譯碼相混合 的水平型微指令。（3）24個微指令的意義c0p2000模型機(jī)包括了一個標(biāo)準(zhǔn)cpu所具備所有部件，這些部件 包括：運算器alu、累加器a、工作寄存器w、左移門l、直通門d、右 移門r、寄存器組r0

4、-r3、程序計數(shù)器pc、地址寄存器mar、堆棧寄存 器st、中斷向量寄存器ia、輸入端口in、輸出端口寄存器out、程序 存儲器em、指令寄存器ir、微程序計數(shù)器upc、微程序存儲器um,以 及中斷控制電路、跳轉(zhuǎn)控制電路。其中運算器和中斷控制電路以及跳 轉(zhuǎn)控制電路用cpld來實現(xiàn)，其它電路都是用離散的數(shù)字電路組成。 微程序控制部分也可以用組合邏輯控制來代替。模型機(jī)為8位機(jī)，數(shù) 據(jù)總線、地址總線都為8位，但其工作原理與16位機(jī)相同。相比而言8 位機(jī)實驗減少了煩瑣的連線，但其原理卻更容易被學(xué)生理解、吸收。模型機(jī)的指令碼為8位，根據(jù)指令類型的不同，可以有0至吆個 操作數(shù)。指令碼的最低兩位用來選擇ro

5、-r3寄存器，在微程序控制方 式中，用指令碼做為微地址來尋址微程序存儲器，找到執(zhí)行該指令的 微程序。而在組合邏輯控制方式中，按時序用指令碼產(chǎn)生相應(yīng)的控 制位。在本模型機(jī)中，一條指令最多分四個狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期 為一個時鐘脈沖，每個狀態(tài)周期產(chǎn)生不同的控制邏輯，實現(xiàn)模型機(jī)的 各種功能。模型機(jī)有24位控制位以控制寄存器的輸入、輸岀，選擇 運算器的運算功能，存儲器的讀寫。24位控制位分別介紹如下： xrd :外部設(shè)備讀信號，當(dāng)給出了外設(shè)的地址后，輸出此信號，從 指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。emwr：程序存儲器em寫信號。emrd：程序存儲器em讀信號。pcoe：將程序計數(shù)器pc的值送到地址總線abus上。em

6、en：將程序存儲器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讀岀數(shù)據(jù)送到dbus。iren：將程序存儲器em讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器ir和微指令計 數(shù)器upc。eint：中斷返回時清除中斷響應(yīng)和中斷請求標(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。maroe：將地址寄存器mar的值送到地址總線abus上。outen：將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器out里。sten：將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器st中。rrd：讀寄存器

7、組r0-r3,寄存器r?的選擇由指令的最低兩位決定。rwr：寫寄存器組r0-r3,寄存器r?的選擇由指令的最低兩位決定。cn：決定運算器是否帶進(jìn)位移位，cn二1帶進(jìn)位，cn二0不帶進(jìn)位。fen：將標(biāo)志位存入alu內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。x2：x2、xi、x0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到dbus上的寄存器。如下表所示：x2xix0輸出寄存器0 0 0tn oe外部輸入門0 0 1ia oe中斷向量0 1 0st oe堆棧寄存器0 1 1pc oepc寄存器1 0 0d oe直通門1 0 1r oe右移門1 1 0l oe左移門1 1 1沒有輸出wen：將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入工作寄存器w中oaen：

8、將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入累加器a中。通過s2,s1,so來選擇運算數(shù)據(jù)由寄存器a及寄存器w給出，運算結(jié)果輸出到直通門d。如下表所示：s2siso功能0 0 0a+w加0 0 1a w減0 1 0a|w或0 1 1a&w與1 0 0a+w+c帶進(jìn)位加1 0 1a-w-c帶進(jìn)位減1 1 0aa取反1 1 1a輸出a（4）微程序的設(shè)計一共設(shè)計七條微程序，如下:mov ro, #55h立即數(shù)尋址，數(shù)據(jù)傳送mov a, #33h立即數(shù)尋址，數(shù)據(jù)傳送mov r0, a將a的值存入以r0為地址的內(nèi)存單元addc a, ro寄存器尋址，帶進(jìn)位加sub a, r0寄存器間接尋址，減運算cpl a累加器

9、尋址，求反jmp 0存儲器尋址，無條件跳轉(zhuǎn)在c0p2000中的設(shè)計如下所截圖:指令系統(tǒng)| um微程序|跟蹤 |助記符1機(jī)器瑪1機(jī)器瑪2|機(jī)器瑪3|注釋-patch.ooooooxx00 -03實驗機(jī)占用 > 不可修改。復(fù)閔mov人#11ooooo1xx04 -07iimovru #110000loxx08 -0biimovr? a000011xxoc -ofaddca, r?ooolooxx10 -13sub人r?ooololxx14 -17cpla0001loxx18 -ibjmpmm0001llxx1c -ifmmooloooxx20 一23未使用=4 一 這七條指令的流程圖如下:3

10、) mov r?, a1) mov a, #112) mov r?, #114) addc a, r? (5) subb a, r?6) cpl apctabuspc+1r? twpcpabuspc+1r? tmarpcpabuspc+1atalu（a取反）alutaa+wpalualutav7） jmp mm（5）詳細(xì)設(shè)計 下面詳細(xì)分析每條程序的設(shè)計: 1、_fatci1_只用一個周期狀態(tài)，程序執(zhí)行的第一條取指的微指令該指令為一個周期狀態(tài)，to狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下：2、 mov a, #11該指令為兩個周期狀態(tài)t1狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徵地址徴程序|數(shù)據(jù)輸岀數(shù)據(jù)打入地址

11、輸岀運算器|移位控制|upc pchov人 #11t104c7fff7 存!t器值em寄存器apc輸岀踹岀+1 +1xrdemwremrdpcoeemen iren eintelpmaren maroe outen stenredrwrchfenx2xixowenaens2sisoprrr09v pprrto狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符慶態(tài)微地址微程序1數(shù)話輸岀數(shù)話打人地址輸岀匡篡器裕位徑制|upcpc |to05cbffff浮空指令寄存器irpc輸岀瞞岀 a 寫入+1xrd emwr emrd pcoe emen iren eiht elp nareh maroe outek sten

12、 red rnr cn fen x2 xi xo wen aeh s2 si so|77 廠蔽廠|7 |7 77 17|77|7i7|73、mov r?,#ii該指令為兩個周期狀態(tài)，t1狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徴地址微程序|數(shù)據(jù)輸岀|數(shù)費打入他址輸岀1運算器移位控制upc pcmovr?, #11t108c7fbff存忙器值em寄存器r?pc輸岀1腌岀+1 +1m emvr emrd pcoe emen iren el肛 elp marek maroe outen steh rrd rwr cn fek x2 xi xo hn aen s2 si so p p l |7 仏 |7

13、"7 77 7“ v j "“to狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徽地址徽程序辭輸岀數(shù)據(jù)打入地址輸岀運算器移位控制|upcpct009cbffff浮空指令寄存劉r諭岀臨岀寫入+1xrd emwr eio pcoe ehen iren eint elpmaf£n maroe outen sten fjhrhcnfenx2xixoyei aens2sisovp 廠v 廠 pv |7 7 v 7 v77v77|77 7|7|74、mov r?,a該指令為三個周期狀態(tài)，t2狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下: 指令系統(tǒng)訓(xùn)瞬序|跟蹤|w狀態(tài)徽地址徽程序|數(shù)跚岀|數(shù)據(jù)打入|地址

14、輸岀1運算器移位控制upc pcmovr?, at2ocff77ff寄存器值r?地址寄存器marj浮空踰岀+1t1狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徴地址徽程序|數(shù)ii輸岀數(shù)據(jù)打入地止輸岀運算器移位控制upc |pc |t1odb7bf9f alu直通menma1瀚岀爛岀+1x2xixo wen aeh s2si so|7p|7|7|7m ebr emrd pcoe emen iren eint elp haren maroe outen stek rrd rhr cn fen|7|7i7|7|7|7pto狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徴地址徴程序數(shù)據(jù)輸岀數(shù)據(jù)打入地址輸岀運算器移位

15、控制upcpcto0ecbffff浮空指令寄存器irpc輸岀爛岀寫入+1xrd m emrd pcoe emen iren eibt eli maren maroe outen ste1i rrd rwr cn fenx2 xi xo wen aeh s2 si so|7 fp f p ppf7|7p|7fppfp|7p|7r|75、addc a, r?該指令為三個周期狀態(tài)，t2狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符ifcs徽地址徴程序|瞬輸岀|齬打入地址輸岀運算器移位控制upcpcaddca, r?t210fff7ef寄存器值的寄存黜浮空聯(lián)岀+1xrd emwr emrd pcoe emen i

16、reh el heit mare1i maroe outen sten red m ch feh x2 xi xo w aen s2 si sot1狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下：助記符狀態(tài)徴地址微程序槻據(jù)輸用數(shù)揭打入地址輸岀運算器移位控制upcpct111fffe94alus®寄存器a標(biāo)志位c,z浮空帶進(jìn)位加運算+1xrd emwr emrd pcoe emen iren eint elpmaren maroe outen sten rrd rwr cnfen x2xi xo venaen s2si sori7ppfffp ppppfi7pf|7 fto狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記

17、符狀態(tài)微地址徴程序|齬輸岀數(shù)據(jù)打入地址輸岀運算器移位控制兀|t012cbffff浮空指令寄存器irfc輸出瞞岀寫入+1xrd ehwr enrd pcoe emeh irenel肛 elpmaren maroe outen steh redorchfenx2xixomaens2sisom p 17 “7 |7 7 717v|77/77/717v6、sub a, r?該指令為四個周期狀態(tài)，t3狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)撒地址徴程序數(shù)據(jù)箱岀數(shù)據(jù)打入地址輸岀運諜移位控制upcpcsub人 0r?t314ff77ff寄存器值r?地址寄存器mar浮空爛岀+1xrd m emrd pcoe e

18、meh iren eint elp maren maroe outen steh rrd rtfr cn fen x2 xi xo wen aen s2 si sopppp"嚴(yán)|7 7 |77 |7 /|7#|77卩177|7t2狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徽地址徴程序|數(shù)跚岀鱷打入|地址輸岀運算器移位控制|upc |pc it215d7bfef存貯器值拠寄存劉躺出爛出+1xrd ebr ehrd fcoe eiien iren eint eumaben haroe ouiek sie1irrdrfficnfen12 xi xo 刪 aer s2 si sopm卩卩&quo

19、t;0 f |7 |7 p177/t1狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徴地址徽程序|數(shù)描礎(chǔ)數(shù)括打入地址輸岀運算器移位控制upcpct116fffe91alu1s寄存器a標(biāo)志位c, z浮空減運算+1xrd emtfr emrd pcoe emen iren eint elf haren maroe outen sten red rwr cn fenx2xi x0 wen aen s2 si so|7|7|7|7f/p|7n7|7vto狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)微地址徴程序|晡岀|數(shù)據(jù)打入地址輸岀|運鱷移位控制upc |pct017cbffff浮空指令寄存器irpc輸岀爛岀寫入+

20、i xrd emwr emrd pcoe enen iren edit elp maren maroe ovten sten rrii or cn fewx2xi x0 m aen s2 si sor /i7pi77r/f/f/v|7f7|7|7|77、cpl a 該指令為兩個周期狀態(tài)，t1狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徴地址徴程序|數(shù)據(jù)輸岀1數(shù)據(jù)打入1地址輸出1運算器|移位控制|upc |pccplat118fffe96 aluia寄存器a標(biāo)志位c,z浮空諏反+1 xrd m emrd pcoe ehen iren eint elpmaren maroe outen sten rrd

21、rwrchfen x2xi x0 maen s2siso7|7|7|7|7|7pp f |7 |7 f f|7|7|7|7|7fto狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徽地址微程序|數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)打入地址輸岀運算器移位控制fcto19cbffff浮空指令寄存器irpc輸岀聯(lián)出寫入+1xrd emb emm pcoe emen iren el肛 elp maren maroe outeh sten rrd rwr ch fehx2 xi x0 wen aen s2 si sop |7|7|7 |7 pffpi7pi7i7fffi7rfpf7. jmp mm 該指令為兩個周期狀態(tài)，t1狀態(tài)的設(shè)計及

22、可控制信號如下:助記符狀態(tài)徴地址徴程序|數(shù)據(jù)輸出1數(shù)據(jù)打入1地址輸出|運算銀|移位控制|upc |pc |jmfmmt11cc6ffff存貯器值em寄存器fc fc輸岀聯(lián)岀+i寫入xrd ehvr eio pcoe ehen iren eint elp maren maroe outen sten rm rwr ch fenx2 xi x0 wen aeh s2 si so|7 77 p f7|7f777f57|77p7p|7|7|7|7pto狀態(tài)的設(shè)計及可控制信號如下:助記符狀態(tài)徽地址徴程序|數(shù)搖輸岀數(shù)據(jù)打入1地址輸岀運算需移位控制upcpcto1dcbffff浮空-亠指令寄存器irfc輸岀

23、、亠a爛岀 a 1 寫入+1xku £mku riue emen hlfll elf makew makue uuten 5ten kku ok um m 趙 xi xu m aem 5251 5uv m 廠廠 p 廠 p v 7 7 |7 7 7/ 7|7“ j7 7 p v " 7六、調(diào)試過程七條指令編寫完成以后，選擇菜單文件丨保存指令系統(tǒng)/微程序 功能，將新建的指令系統(tǒng)/微程序保存下來，以便以后調(diào)用。將新的 指令系統(tǒng)/微程序保存為"inst33. ins"。在c0p2000的asm窗口中輸 入以下幾行源程序：mov a, #66hmov ro,#3

24、3hmov r0, aaddc a, rosub a, r0cpl ajmp 0將程序另存為new_inst33. asm,將程序匯編成機(jī)器碼，觀察反匯編 窗口，會顯示出程序地址、機(jī)器碼、反匯編指令。發(fā)現(xiàn)程序代碼顏色 會發(fā)生改變，點擊復(fù)位按鈕后進(jìn)行單微指令的測試，如下圖所示asm 微程序如下：反匚編 noname33. asmmoumour09 t»33hmouaaddca ,r0subq ,r0cplrjmpoem程序|顯示出程序地址、機(jī)器碼、反匯編指令如下圖所示:程序地址機(jī)器碼反匯編指令指令說明000466mova, #66020833movr0, #3304ocmovr0, a

25、0510addca, r00614suba, r00718cpla081c00jmp00（1）微指令運行結(jié)果1）mov a,#66h測試結(jié)果如圖:結(jié)詢el e示幫助邏輯分析說明立即數(shù)66已經(jīng)寫入累加器a中。2) mov ro, #3311測試結(jié)果如圖:結(jié)構(gòu)閣副示幫助邏輯分析pc:04mar:33ir:08lackrt1 rto de： us: 33 iabus:03ibus:33說明立即數(shù)33已經(jīng)寫入寄存器r0中。3) mov ro,a測試結(jié)果如圖：說明累加器中a的直66已經(jīng)寫入以r0為地址的內(nèi)存單元中。4) addc a, ro測試結(jié)果如下:結(jié)初囹g示幫助邏輯分析先將r0中的33傳送的w中。

26、結(jié)龍酥幫助邏輯分析將a與w通過alu相加的到99,并把結(jié)果通過直通門返回到累加器a 中。5) sub a, r0測試結(jié)果如下:先將ro的地址讀出并送入地址寄存器mar中。結(jié)構(gòu)圉圖示幫助邏輯分析mar將地址輸出到abus, em讀岀該地址的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)66傳送到w中。結(jié)構(gòu)圖e示幫助邏輯分析a與w通過alu相減得33,得到的結(jié)果通過直通門返回到累加器a中。6) cpl a 累加器尋址，求反結(jié)果如下：7) jmpp 0測試結(jié)果如下:結(jié)構(gòu)el圖示幫助邏輯分析a:ccw:66pc將地址輸出到abus, em將值為0打入回pc,說明下條指令從0地 址開始運行。（2）出現(xiàn)問題與解決方案1）程序在運行完中間某個指令后自動