8位CISC計算機設(shè)計

1、精選文檔8位CISC計算機設(shè)計班級：09電子信息工程C班學號：091524*姓名：*日期：2012年4月26日一實驗?zāi)康?深入理解基本模型計算機的功能、組成知識；2深入學習計算機各類典型指令的執(zhí)行流程；3學習微程序控制器的設(shè)計過程和相關(guān)技術(shù)，掌握LPM_ROM的配置方法。4在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將單元電路組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。5定義五條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，上機調(diào)試，掌握計算機整機概念。掌握微程序的設(shè)計方法，學會編寫二進制微指令代碼表。6通過熟悉較完整的計算機的設(shè)計，全面了解并掌握微程序控制方式計算機的設(shè)計方法。二實驗原理1在部件實驗過程中，各部件單元的控制

2、信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本實驗將能在微過程控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定的功能。實驗中，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微過程控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一個微程序。2指令格式本實驗采用五條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（最高4位二進制數(shù)為操作碼）：（1）指令格式采用寄存器直接尋址方式，其格式如下：位 7654 3210功能OP-CODErsrd其中，OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定

3、：Rs或rd選定的寄存器000110R0R1R2助記符機器指令碼Addr地址碼功能說明INADD addrSTA addrOUT addrJMP addr0 0H1 0H XX H2 0H XX H3 0H XX H4 0H XX H“INPUT”中的數(shù)據(jù)R0R0+addr ->R0R0 -> addraddr -> BUSaddr PC其中IN為單字長（8位二進制），其余為雙字長指令，XX H 為addr對應(yīng)的十六進制地址碼。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序。圖6-1 數(shù)據(jù)通路框圖1,存儲器讀操作（KRD）：下

4、載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“0 0”時，可對RAM連續(xù)手動讀入操作。2,存儲器寫操作（KWE）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“0 1”時，可對RAM連續(xù)手動寫操作。3、啟動程序（RP）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“1 1”時，即可轉(zhuǎn)入到微地址“01”號“取指令”微指令，啟動程序運行。SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動程序（RP）根據(jù)以上要求設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖，如圖5-1所示。表6-1 24位微代碼定義：24232221201918171615 14 1312

5、 11 10987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0 表6-2 A、B、C各字段功能說明：A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDRi001RS-B001P（1）010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B101LDAR110LDAR110PC-B110LDPC24位微代碼中各信號的功能(1) uA5uA0：微程序控制器的微地址輸出信號，是下一條要執(zhí)行的微指令的微地址。(2) S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器輸出

6、的ALU操作選擇信號，以控制執(zhí)行16種算術(shù)操作或16種邏輯操作中的某一種操作。(3) M：微程序控制輸出的ALU操作方式選擇信號端。M0執(zhí)行算術(shù)操作；Ml執(zhí)行邏輯操作。(4) Cn：微程序控制器輸出的進位標志信號，Cn0表示ALU運算時最低位有進位，Cn1則表示無進位。 (5)WE：微程序控制器輸出的RAM控制信號。當/CE0時，如WE0為存儲器讀；如WE1為存儲器寫。 (6) A9、A8譯碼后產(chǎn)生CS0、CS1、CS2信號，分別作為SW_B、RAM、LED的選通控制信號。 (7) A字段（15、14、13）譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸入選通信號（見表6-1）。(8) B字段（12、11

7、、10）譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸出選通信號。(9) C字段（9、8、7） 譯碼后產(chǎn)生分支判斷測試信號P(1)P(4)和LDPC信號。系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖6-2。當執(zhí)行“取指令”微指令時，該微指令的判斷測試字段為P(1)測試。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支（見圖6-2左圖）。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定地址單元?？刂婆_操作為P(4)測試（見圖6-2右圖），它以控制臺信號SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就

8、可以一條微指令占用控制存儲器的一個微地址單元，隨意填寫。注意：微程序流程圖上的微地址為8進制！當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表6-2即為圖6-2的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。表6-2 二進制微代碼表微地址微指令S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0000181100000000110000001000100000100ED820000000011101101100000100200C0480000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000

9、000010110000000001010501A20600000001101000100000011006919A011001000110011010000000010700E00D000000001110000000001101100010010000000000010000000000011100ED830000000011101101100000111200ED870000000011101101100001111300ED8E0000000011101101100011101400ED96000000011110110110010110150382010000001100000100

10、00000011600E00F0000000011100000000011111700A0150000000010100000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002200A010000000001010000000010000230080010000000010000000000000012406201100000110001000000001000125070A010000011100001010000000012600D181000000001101000110000001指令寄存器

11、（IR）：指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼段，由二進制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試“P(1)”，通過節(jié)拍脈沖T4的控制，以便識別所要求的操作。 指令譯碼器: 根據(jù)指令中的操作碼強置微控制器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。 圖6-3 模型計算機電路原理圖說明：1、指令I(lǐng)N為單字節(jié)指令，指令碼：00，其功能是將輸入口IN的數(shù)據(jù)送到寄存器R0；2、指令A(yù)DD 0AH為雙字節(jié)指令，指令碼：100A，其功能是將R0中的數(shù)據(jù)加上RAM地址0AH中的數(shù)據(jù)（34

12、H）；3、指令STA 0BH為雙字節(jié)指令，指令碼：200B，其功能是將R0中的數(shù)據(jù)送到RAM的0BH地址單元中；4、指令OUT0BH為雙字節(jié)指令，指令碼：300B，其功能是將RAM的0BH地址單元中的數(shù)據(jù)送到OUT輸出口上；5、指令JMP 12H 為雙字節(jié)指令，指令碼：4012，其功能是將其操作碼下一地址單元（08H）的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)跳地址。三CPU頂層文件CPU組成部件：時鐘發(fā)生器 ；指令寄存器 IR；算術(shù)邏輯運算單元ALU；數(shù)據(jù)寄存器；狀態(tài)控制器 ；程序計數(shù)器PC；地址寄存器AR；微控制器；微指令譯碼器；微地址寄存器；微程序存儲器ROM；地址寄存器RAM；三態(tài)門四測試波形CPU部分波形仿真程序

13、執(zhí)行過程如下：STEP(1)：M輸入微指令018110，控制臺執(zhí)行P（4），進行“讀/寫/運行”功能判斷STEP(2)：檢測到SWA、SWB=11后，進入程序運行RP（11）方式。STEP(3)：進入程序運行的流程，執(zhí)行微地址為23的微指令018001（十六進制），選通LDAR,PC_B,LDPC，后續(xù)微地址uA 為01（八進制）。STEP(4)：執(zhí)行微地址為01的M微指令01ED82，執(zhí)行的操作為PCAR=00H，PC+1=01HPC，AR指向RAM存儲器地址00H，后續(xù)微地址uA為02。STEP(5)：執(zhí)行微地址為02的M微指令00C048，選通RAM,LDIR,P(1)，執(zhí)行取指令操作，

14、將RAM中的指令00通過內(nèi)部總線Bus，送指令寄存器IR：RAM（00H）=00BUSIR=00H。執(zhí)行IN指令，目的寄存器為R0。STEP(6)：執(zhí)行微地址為10的M微指令001001，執(zhí)行的操作SW_B打開，允許輸入裝置鍵盤SW的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線BUS；LDRi打開，允許向寄存器寫數(shù)據(jù)，而指令編碼為00，其中目標寄存器rd=00指向R0，因此輸入數(shù)據(jù)56H送入寄存器R0，執(zhí)行結(jié)果R0=56H。后續(xù)微地址uA為01。STEP(7)：同（4），執(zhí)行01ED82，取指令操作：PCAR=01H,PC+1=02H,AR指向RAM存儲器地址01H，后續(xù)微地址02。STEP(8)：執(zhí)行微地址02的微指令

15、00C048，選通RAM,LDIR,P(1)，取指令，經(jīng)分支判斷P（1），讀出地址為01H單元的內(nèi)容10H，經(jīng)BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H）=10HBUSIR=10H。STEP(9)：執(zhí)行微地址為11的微指令01ED83，進入加法運算微程序。選通LDAR,PC_B,LDPC，通過間接尋址獲得加法運算的另一個操作數(shù)，地址寄存器AR指向取數(shù)的間接地址：PCAR=02H,PC+1=03H，AR指向RAM的02單元。STEP(10)：執(zhí)行微地址為03的微指令00E004，選通LDAR,RAM，RAM_B為高電平，Ram的（02）單元的內(nèi)容通過BUS送AR，取數(shù)地址（AR）=0AH，即要從R

16、AM的（0AH）單元取操作數(shù)：RAM(02)=0AHBUSAR=0AH。STEP(11)：執(zhí)行微地址為04的微指令00B005，選通LDDR2,RAM，RAM_B仍然為高電平，Ram的（0AH）單元的內(nèi)容34H送到BUS，此時LDDR2為高電平，BUS上的數(shù)據(jù)就送給了DR2，執(zhí)行結(jié)果：RAM(0AH)=34HBUSDR2=34H。STEP(12)：執(zhí)行微地址為05的微指令01A206，選通LDDR1,RS_B，將R0的數(shù)據(jù)送DR1。R0_B=1，允許R0的內(nèi)容56H送往BUS，此時LDDR1為高電平，BUS上的數(shù)據(jù)56H寫入ALU的數(shù)據(jù)緩沖器DR1，執(zhí)行結(jié)果：(R0)=56HBUSDR1=56

17、H。STEP(13)：執(zhí)行微地址為06的微指令919A01，選擇ALU的加法功能，選通LDRi,AR，完成加法運算：(DR1)+(DR2) R0,56H+34H=8AHR0=8AH。STEP(14)：同（7），執(zhí)行01ED82，取指令操作：PCAR=03H,PC+1=04H,AR指向RAM存儲器地址03H，后續(xù)微地址02。STEP(15)：執(zhí)行微地址02的微指令00C048，選通RAM,LDIR,P(1)，取指令，經(jīng)分支判斷P（1），讀出地址為03H單元的內(nèi)容20H，經(jīng)BUS送到指令寄存器IR：RAM（03H）=20HBUSIR=20H。STEP(16)：執(zhí)行微地址為12的微指令01ED87，

18、選通LDAR,PC_B,LDPC，進入程序存儲微程序。地址寄存器AR指向存數(shù)的間接地址：PCAR=04H,PC+1=05H，AR指向RAM的04單元。STEP(17)：執(zhí)行微地址為07的微指令00E00D，選通RAM,LDAR，存數(shù)地址送AR：RAM(04)=0BHBUSAR=0BH。STEP(18)：執(zhí)行微地址為15的微指令038201，選通WE,RS_B，R0的內(nèi)容存入RAM(0BH)單元：(R0)=8AHBUSRAM(0BH)=8AH。STEP(19)：同（14），執(zhí)行01ED82，取指令操作：PCAR=05H,PC+1=06H,AR指向RAM存儲器地址05H，后續(xù)微地址02。STEP(

19、20)：執(zhí)行微地址02的微指令00C048，選通RAM,LDIR,P(1)，取指令，經(jīng)分支判斷P（1），讀出地址為05H單元的內(nèi)容30H，經(jīng)BUS送到指令寄存器IR：RAM（05H）=30HBUSIR=30H。STEP(21)：執(zhí)行微地址為13的微指令01ED8E，選通LDAR,PC_B,LDPC，地址寄存器AR指向間接尋址取數(shù)地址：PCAR=06H,PC+1=07H。STEP(22)：執(zhí)行微地址為16的微指令00E00F，選通RAM,LDAR，取數(shù)地址送AR：RAM(06)=0BHBUSAR=0BH。STEP(23)：執(zhí)行微地址為17的微指令00A015，選通RAM,LDDR1，從RAM中取數(shù)送DR1：RAM(0BH)=8AHBUSDR1=8AH。STEP(24)：執(zhí)行微地址為25的微指令010A01，選通LED,ALU_B，DR1的內(nèi)容送輸出單元OUT：DR1=8AHBUSOUT=8AH。STEP(25)：同（19），執(zhí)行01ED82，取指令操作：PCAR=07H,PC+1=08H,AR指向RAM存儲器地址07H，后續(xù)微地址02。STEP(26)：執(zhí)行微地址為02的微指令00C048，選通RAM,LDIR,