計(jì)算機(jī)組成原理-簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)課設(shè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（09級(jí)）題目： 模型機(jī)設(shè)計(jì)1 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班級(jí)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)(2)班 指導(dǎo)老師： 一、 計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介該設(shè)計(jì)要求學(xué)成根據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理課程所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)、開發(fā)一套簡(jiǎn)單的模型就算計(jì)。通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的功能與設(shè)計(jì)、微程序控制器的設(shè)計(jì)，微指令和微程序的編制與調(diào)試等過(guò)程有更深的了解，加深對(duì)理論課程的理解。通過(guò)模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，連貫運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成原理課程學(xué)到的知識(shí)，建立計(jì)算機(jī)整體概念，加深計(jì)算機(jī)時(shí)間與空間概念的理解。二、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)1、查

2、閱文獻(xiàn)資料，一般在5篇以上；2、以教學(xué)實(shí)驗(yàn)用模型機(jī)為背景，通過(guò)調(diào)研、分析現(xiàn)有的模型機(jī)，建立帶有帶8位 自增、自減指令的整機(jī)模型；3、完成系統(tǒng)編程與測(cè)試工作；4、撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書；5、做好答辯工作。3、 計(jì)算機(jī)組成原理課設(shè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、功能及指標(biāo)1、 根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)的方案。2、 存儲(chǔ)系統(tǒng)：使用模型機(jī)的存儲(chǔ)模塊，說(shuō)明存儲(chǔ)器的輸入輸出時(shí)序，模塊連接方式等。3、 運(yùn)算器：使用模型機(jī)的器件，組成帶有片間串行進(jìn)位8位移位運(yùn)算功能的運(yùn)算器。4、 微程序控制器模塊：使用教學(xué)機(jī)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)微程序控制器。5、 設(shè)計(jì)模型機(jī)指令系統(tǒng)：（含設(shè)計(jì)微指令格式，微程序流程圖，每條指令所對(duì)應(yīng)的微程序等）。指令系統(tǒng)包括

3、下列指令：IN、OUT、STA、LDA、JMP、BZC、CLR、MOV、ADD、SUB、ADC、ADT、INC、DEC、SBT、SBC6、 了解并說(shuō)明教學(xué)模型機(jī)的輸入輸出模塊。7、 在自己設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上，編制一個(gè)匯編語(yǔ)言小程序并進(jìn)行調(diào)試通過(guò)。8、 整機(jī)設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行，說(shuō)明模塊中數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的來(lái)源、去向、功能、時(shí)序、以及模塊間數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的來(lái)源、去向、功能、時(shí)序等。4、 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告1、 設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材；2、 整體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)原理與內(nèi)容；3、 畫出模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖；4、 畫出設(shè)計(jì)的模型機(jī)微程序流程圖和微程序；5、 說(shuō)明指令系統(tǒng)的格式；6、 說(shuō)明模塊中數(shù)據(jù)和控制

4、信號(hào)的來(lái)源、去向、功能、時(shí)序、以及模塊間數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的來(lái)源、去向、功能、時(shí)序等。7、 調(diào)試情況，調(diào)試過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題，是如何解決的；對(duì)設(shè)計(jì)和編碼的回顧討論和分析；改進(jìn)設(shè)想；經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)等；1 計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)提交的成果1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，內(nèi)容包括：1） 中文摘要100字；關(guān)鍵詞3-5個(gè)；2） 前言；3) 設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理；4） 模型機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及框架；5) 運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu)；6） 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的組成與說(shuō)明；7） 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與指令格式分析；8) 微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)及功能；9） 微程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（含微指令格式、后續(xù)地址產(chǎn)生方法以及微程 序入口地址的形式）10） 系統(tǒng)調(diào)試報(bào)告

5、；11） 設(shè)計(jì)總結(jié)2. 刻制光盤一張。(1) 設(shè)計(jì)（論文）的主要參考文獻(xiàn)1、白中英. 計(jì)算機(jī)組成原理. 科學(xué)術(shù)出版社，2006.82、白中英. 計(jì)算機(jī)組成原理題解、題庫(kù)、實(shí)驗(yàn). 科學(xué)術(shù)出版社，2006.83、王愛英. 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社，19994、王誠(chéng). 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社，1999清華大學(xué)出版社，19995、唐朔飛. 計(jì)算機(jī)組成原理，高等教育出版社，1993七、各階段時(shí)間安排（共2周）周次 日期內(nèi) 容地點(diǎn)完 成情 況教 師簽 字第1周星期一教師講解設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)備參考資料教室星期二分析系統(tǒng)，方案設(shè)計(jì)教室星期四、五 編程教室第2周星期一、二 調(diào)試系統(tǒng)教室星期三、四編寫

6、設(shè)計(jì)說(shuō)明書教室星期五 答辯教室 2012年6月1 8日目錄專心-專注-專業(yè)摘 要隨著社會(huì)科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，人們步入自動(dòng)化、智能化的生活階段。本次課程設(shè)計(jì)課題是基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。利用CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理課程及實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實(shí)現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達(dá)到將理論與實(shí)踐相聯(lián)系。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)完成一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)部分有運(yùn)算器，存儲(chǔ)器，控制器以及微指令的設(shè)計(jì)。 其中運(yùn)算器由運(yùn)算芯片和寄存器來(lái)完成,存儲(chǔ)器由總線和寄存器構(gòu)成，使用硬布線的方式實(shí)現(xiàn)控制

7、器，從而完成設(shè)計(jì)要求。:關(guān)鍵詞：基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)；運(yùn)算器；存儲(chǔ)器；控制器；前 言計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)科的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。從課程的地位來(lái)說(shuō)，它在先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下的作用。計(jì)算機(jī)組成原理講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理，課程教學(xué)具有知識(shí)面廣，內(nèi)容多，難度大，更新快等特點(diǎn)。此次課程設(shè)計(jì)目的就是為了加深對(duì)計(jì)算機(jī)的時(shí)間和空間概念的理解, 增強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的更進(jìn)一步了解。計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)目的是為加深對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的理解以及計(jì)算機(jī)軟硬件之間的交互關(guān)系。不僅能加深對(duì)計(jì)算機(jī)的時(shí)間和空間的關(guān)系的理解，更能增加如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)硬件操作，讓計(jì)算機(jī)有條不紊的

8、工作。正 文一、設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)原理1.1設(shè)計(jì)目的融會(huì)貫通計(jì)算機(jī)組成原理課程中各章的內(nèi)容，通過(guò)知識(shí)的綜合運(yùn)用，加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)硬連線控制器的認(rèn)識(shí)，建立清晰的整機(jī)概念。對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過(guò)程有更深的了解,加深對(duì)理論課程的理解。在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)地構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。1.2設(shè)計(jì)原理（1）運(yùn)算器設(shè)計(jì)中所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路，其中運(yùn)算器由兩片74LS181以并/串形成8位字長(zhǎng)的ALU構(gòu)成。運(yùn)算器的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)三態(tài)門74LS245(U33)到ALUO1插座

9、，實(shí)驗(yàn)時(shí)用8芯排線和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線BUSD0D7插座BUS16中的任一個(gè)相連，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線通過(guò)LZD0LZD7顯示燈顯示；運(yùn)算器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端分別由二個(gè)鎖存器74LS273（U29、U30）鎖存，兩個(gè)鎖存器的輸入并聯(lián)后連至插座ALUBUS，測(cè)試時(shí)通過(guò)8芯排線連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0D7插座EXJ1EXJ3中的任一個(gè)；參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)來(lái)自于8位數(shù)據(jù)開并KD0KD7，并經(jīng)過(guò)一三態(tài)門74LS245（U51）直接連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7，通過(guò)數(shù)據(jù)開關(guān)輸入的數(shù)據(jù)由LD0LD7顯示。 算術(shù)邏輯運(yùn)算功能發(fā)生器 74LS181（U31、U32）的功能控制信號(hào)S3、S2、S1、S0、CN、M并行相連后連至

10、SJ2插座，測(cè)試時(shí)通過(guò)6芯排線連至6位功能開關(guān)插座UJ2，以手動(dòng)方式用二進(jìn)制開關(guān)S3、S2、S1、S0、CN、M來(lái)模擬74LS181（U31、U32）的功能控制信號(hào)S3、S2、S1、S0、CN、M；其它電平控制信號(hào)LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB以手動(dòng)方式用二進(jìn)制開關(guān)LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB來(lái)模擬，這幾個(gè)信號(hào)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式產(chǎn)生，通過(guò)跳線器切換，其中ALUB、SWB為低電平有效，LDDR1、LDDR2為高電平有效。 另有信號(hào)T4為脈沖信號(hào)，在手動(dòng)方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需將跳線器J23上T4與手動(dòng)脈沖發(fā)生開關(guān)的輸出端SD相連，按動(dòng)手動(dòng)脈沖開關(guān)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖。

11、帶進(jìn)位控制運(yùn)算器增加進(jìn)位控制部分，其中高位74LS181（U31）的進(jìn)位CN4通過(guò)門UN4E、UN2C、UN3B進(jìn)入U(xiǎn)N5B的輸入端D，其寫入脈沖由T4和AR信號(hào)控制，T4是脈沖信號(hào)，在手動(dòng)方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需將跳線器J23上T4與手動(dòng)脈沖發(fā)生開關(guān)的輸出端SD相連，按動(dòng)手動(dòng)脈沖開關(guān)，即可獲得測(cè)試所需的單脈沖。AR是電平控制信號(hào)（低電平有效），可用于實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)。從圖中可以看出，AR必須為“0”電平，D型觸發(fā)器74LS74（UN5B）的時(shí)鐘端CLK才有脈沖信號(hào)輸入。才可以將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果CY鎖存到進(jìn)位鎖存器74LS74（UN5B）中。（2）存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器單元電路主要用于存放實(shí)驗(yàn)機(jī)的機(jī)

12、器指令，它的數(shù)據(jù)總線掛在外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7上；它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器74LS273（U37）給出，地址值由8個(gè)LED燈LAD0LAD7顯示，高電平亮，低電平滅；在手動(dòng)方式下，輸入數(shù)據(jù)由鍵盤提供，并經(jīng)一三態(tài)門74LS245（U51）連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7，實(shí)驗(yàn)時(shí)將外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7用8芯排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線BUSD0BUSD7，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。它的讀信號(hào)直接接地；它的寫信號(hào)和片選信號(hào)由寫入方式確定。該存儲(chǔ)器中機(jī)器指令的讀寫分手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)方式下 ，寫信號(hào)由W/R 提供，片選信號(hào)由CE提供；自動(dòng)方式下，寫信號(hào)由控制CPU的P1.2

13、提供，片選信號(hào)由控制CPU的P1.1提供。 由于地址寄存器為8位，故接入6264的地址為A0A7，而高4位A8A12接地，所以其實(shí)際使用容量為256字節(jié)。6264有四個(gè)控制線：CS1 第一片選線、CS2第二片選線、OE讀線、WE寫線。其功能如表34所示。CS1片選線由CE控制（對(duì)應(yīng)開關(guān)CE）、OE讀線直接接地、WE寫線由W/R控制（對(duì)應(yīng)開關(guān)WE）、CS2直接接+5V。（3）部件測(cè)試過(guò)程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而總體測(cè)試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，測(cè)試計(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

14、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。 為了向主存儲(chǔ)器RAM中裝入程序或數(shù)據(jù)，并且檢查寫入是否正確以及能運(yùn)行主存儲(chǔ)器中的程序，必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制操作微程序。 ·存儲(chǔ)器讀操作：撥動(dòng)總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWB、SWA為“0 0”時(shí)，按要求連線后，連續(xù)按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，可對(duì)主存儲(chǔ)器RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。 ·存儲(chǔ)器寫操作：撥動(dòng)總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWB、SWA為“0 1”時(shí)，按要求連線后，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，可對(duì)主存儲(chǔ)器RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入。 ·運(yùn)行程序：撥動(dòng)總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWB、SWA為“1 1”時(shí)，按要求連線后，

15、再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。 上述三條控制指令用兩個(gè)開關(guān)SWC、SWA的狀態(tài)來(lái)設(shè)置，其定義如下：SWBSWA控制臺(tái)命令001011讀內(nèi)存寫內(nèi)存啟動(dòng)程序(4) 指令寄存器 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)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制構(gòu)成，為了執(zhí)行任何一條給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P(1)，通過(guò)節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”根據(jù)指令中的操作碼進(jìn)行譯碼，強(qiáng)置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。 二、總體設(shè)計(jì)基本整機(jī)模

16、型數(shù)據(jù)框圖如圖2-1所示，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。圖2-1：模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖數(shù)據(jù)的通路從程序計(jì)數(shù)器PC的地址送到主存的地址寄存器，根據(jù)地址寄存器的內(nèi)容找到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是指令時(shí)，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總線，再?gòu)目偩€送到IR中。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是需要加工的數(shù)據(jù)時(shí)，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總線，再動(dòng)總線送到通用寄存器中等待加工。數(shù)據(jù)加工過(guò)程中，兩個(gè)數(shù)據(jù)是從總線上將數(shù)據(jù)分別分時(shí)壓入兩個(gè)暫存器中，等待運(yùn)算部件的加工，在數(shù)據(jù)加工完成以后。運(yùn)算結(jié)果是通過(guò)三

17、太門送到總線上。三態(tài)門的控制時(shí)由微控制器來(lái)控制。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu)運(yùn)算器模塊主要由兩片74LS181、暫存器兩片74LS273等構(gòu)成。其中74LS181可通過(guò)控制器相應(yīng)的控制指令來(lái)進(jìn)行某種運(yùn)算，具體由S0、S1、 S2、S3、S4、M來(lái)決定。T4是它的工作脈沖，正跳變有效。寄存器堆模塊為實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)提供了2個(gè)8位通用寄存器。它們用來(lái)保存操作數(shù)及其中間運(yùn)算結(jié)果，它對(duì)運(yùn)算器的運(yùn)算速度、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等都有密切的關(guān)系。 下面是芯片74LS181的控制邏輯引腳的功能表以及邏輯引腳圖如表3-1所示：表3-1：74LS181的控制邏輯引腳的功能表 Cn+4 A0A3 F0F3 74LS181

18、B0B3 Cn M S0 S1 S2 S3圖3-1：74LS181的邏輯引腳圖其中各個(gè)引腳的功能如下所示：M：算術(shù)/邏輯運(yùn)算選擇輸入M=0算術(shù)運(yùn)算 M=1邏輯運(yùn)算Cn：帶或不帶進(jìn)位運(yùn)算選擇輸入Cn =0帶進(jìn)位 Cn =1不帶進(jìn)位S3S0：函數(shù)選擇輸入，A3A0：4位輸入數(shù)據(jù)，B3B0：4位輸入數(shù)據(jù)F3F0：4位表示運(yùn)算結(jié)果的輸出，C n+4：進(jìn)位輸出Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q874LS273D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CLK CLR圖3-2：74LS273的引腳圖其中，Q0-Q7表示寄存器的8位數(shù)據(jù)輸出，D0D7表示向寄存器中輸入8位數(shù)據(jù)的引腳，CLK是用

19、來(lái)進(jìn)行寄存器的選定操作，當(dāng)其為高電位時(shí)和T4信號(hào)一起選定哪個(gè)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。8位運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示：圖3-3：8位運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)框圖在該運(yùn)算器中，有兩片74LS181組成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。數(shù)據(jù)的來(lái)源由74LS273寄存器提供，74LS273產(chǎn)生8位數(shù)據(jù)，分別送入到74LS181運(yùn)算器中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，而如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送是由LDDR1和LDDR2以及T4信號(hào)控制的，當(dāng)LDDR1和T4都為高電平時(shí)，選定相應(yīng)的寄存器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，同理，LDDR2和T4。然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算之后將產(chǎn)生的結(jié)果通過(guò)總線送回到寄存器中。整個(gè)數(shù)據(jù)的運(yùn)送過(guò)程有相應(yīng)的控制信號(hào)提供，S0、S1、 S2、S3、S4、M

20、都是通過(guò)控制器的相關(guān)指令來(lái)控制。讓其進(jìn)行某種算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。整個(gè)數(shù)據(jù)和指令都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線，控制總線和地址總線來(lái)進(jìn)行傳送。3.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)的組成與說(shuō)明3.2.1存儲(chǔ)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖3-4：存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖說(shuō)明：該主存儲(chǔ)器采用一級(jí)cache-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。主要用于存放試驗(yàn)機(jī)的機(jī)器指令。它的數(shù)據(jù)總線掛在外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7上；它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器74LS273（U37）給出，地址值由8個(gè)LED燈LAD0LAD7顯示，高電平亮，低電平滅；在手動(dòng)方式下，輸入數(shù)據(jù)由8位數(shù)據(jù)開關(guān)KD0KD7提供，并經(jīng)一三態(tài)門74LS245（U51）連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7，實(shí)驗(yàn)時(shí)

21、將外部數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7用8芯排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線BUSD0BUSD7，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。它的讀信號(hào)直接接地；它的寫信號(hào)和片選信號(hào)由寫入方式確定。該存儲(chǔ)器中機(jī)器指令的讀寫分手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)方式下 ，寫信號(hào)由W/R 提供，片選信號(hào)由CE提供；自動(dòng)方式下，寫信號(hào)由控制CPU的P1.2提供，片選信號(hào)由控制CPU的P1.1提供。由于地址寄存器為8位，故接入6264的地址為A0A7，而高4位A8A12接地，所以其實(shí)際使用容量為256字節(jié)。6264有四個(gè)控制線：CS1 第一片選線、CS2第二片選線、OE讀線、WE寫線。CS1片選線由CE控制（對(duì)應(yīng)開關(guān)CE）、OE讀線直接接地、WE寫線由W/

22、R控制（對(duì)應(yīng)開關(guān)WE）、CS2直接接+5V。圖中信號(hào)線LDAR 由開關(guān)LDAR提供，T3由試驗(yàn)機(jī)上時(shí)序模塊電路TS3提供。3.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與指令分析3.3.1數(shù)據(jù)格式 數(shù)據(jù)格式如表3-2所示：表3-2：數(shù)據(jù)格式76 5 4 3 2 1 0符 號(hào)尾 數(shù)3.3.2指令格式模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類指令共十條，其中包括算術(shù)指令邏輯指令，I/O指令，存算指令，取算指令，轉(zhuǎn)移指令。(2) 算術(shù)指令設(shè)計(jì)7條算術(shù)指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器尋址，其格式如表3-3所示：表3-3：算數(shù)指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODERSDS 其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，DS目的寄存器，其規(guī)

23、定如下所示：RS或RD選定的寄存器000110R0R1R2(3) 訪存指令及轉(zhuǎn)移指令設(shè)計(jì)2條訪問(wèn)指令：即存算STA，取算LDA;2條轉(zhuǎn)移指令：即無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令JMP，有進(jìn)位跳轉(zhuǎn)指令BZC，指令格式如表3-4所示：表3-4：訪問(wèn)指令及轉(zhuǎn)移指令格式7 6 5 4 3 2 1 00 0 MOP-CODERD D 其中,OP-CODE為操作碼，RD為源寄存器的地址(LAD,STA指令用)，D 為位移量，M為尋址模式，其定義如下所示：尋址模式M有效地址說(shuō) 明00011011 E=D E=(D) E=(RI)+D E=(RD)+D直接尋址間接尋址RI變址尋址相對(duì)選址 本模型機(jī)規(guī)定變址RI為寄存器R2。(4

24、) I/O指令輸入IN指令和輸出指令OUT指令采用單字節(jié)指令，其格式如表3-5所示：表3-5：I/O指令格式7 6 5 43 2 1 0OP-CODEaddrRD 其中，addr=01時(shí)，選中輸入數(shù)據(jù)開關(guān)KD0KD7作為輸入設(shè)備,addr=10選中2位數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。3.3.3指令系統(tǒng)本模型機(jī)共有13條基本指令，其中算術(shù)指令7條，訪存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條。表3-6列出了各條指令的格式，匯編符合，指令功能。表3-6指令格式匯編符號(hào)指令格式功能CLR rdMOV rs rdADD rs rdSUB rs rd0111 00 rd0110 rs rd1000 rs rd 10

25、01 rs rd0rdrsrdrs+rdrdrd-rsrdXOR rs rdAND rs rdOR rs rd1010 rs rd1o11 rs rd1100 rs rdrs異或rdrdrsrdrdrsrdrdLDA M D rdSTA M D rdJMP M DJMP M D00 M 00 rd00 M 01 rd00 M 10 rd00 M 11 rd(E)rdrd(E)EPC當(dāng)cy=1時(shí) EPCIN addr rdOUT addr rd0100 01 rd 0101 10 rdaddrrdrdaddr3.4微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)及功能微程序控制器的結(jié)構(gòu)與微指令的格式密切相關(guān)。 

26、   微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示。它由控制存儲(chǔ)器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯幾部分組成。微地址寄存器和微命令寄存器兩者的總長(zhǎng)度即為一條微指令的長(zhǎng)度，二者合在一起稱為微指令寄存器。圖3-5：微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖1控制存儲(chǔ)器ROM中存放微程序，也就是全部的微指令。ROM的容量取決于微指令的總數(shù)。假如控制器需要128條微指令，則微地址寄存器長(zhǎng)度為7位。ROM的字長(zhǎng)取決于微指令長(zhǎng)度。如果微指令為32位，則ROM的字長(zhǎng)就是32位。實(shí)際應(yīng)用中ROM可采用EPROM或E2PROM、EAROM，用戶寫入和修改微程序比較方便。2微命令寄存器微命令寄存器暫存由控制存儲(chǔ)

27、器中讀出的當(dāng)前微指令中控制字段與測(cè)試判別字段信息，可由8D寄存器組成。3微地址寄存器微地址寄存器暫存由控制存儲(chǔ)器讀出的當(dāng)前微指令的下址字段信息。它可由帶RD、SD強(qiáng)置端的D觸發(fā)器組成。其中時(shí)鐘端和D端配合用做ROM的讀出打入，用SD進(jìn)行下址修改。4地址轉(zhuǎn)移邏輯微指令由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(guò)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。5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)

28、。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(guò)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。微控制器寄存器使用的是兩片74LS273和一片74LS175構(gòu)成它們從微命令存儲(chǔ)器中讀出并保存，為后續(xù)模塊提供信息。它是根據(jù)節(jié)拍信號(hào)進(jìn)行讀的。 地址轉(zhuǎn)移部分是由一個(gè)74LS245作為6的帶強(qiáng)制端的觸發(fā)器構(gòu)成寄存器和構(gòu)成在強(qiáng)制端沒有輸入時(shí)使用的是從微存儲(chǔ)器讀出下一條地址。如果強(qiáng)制端有輸入就是強(qiáng)制端給定的地址。強(qiáng)制端給地址主要是在分支的時(shí)候給出。還有三個(gè)74LS138夠成地址譯碼部分

29、。分別對(duì)應(yīng)A,B,C字段。微控制器的物理設(shè)計(jì)微控制器的設(shè)計(jì)中根據(jù)其要求，使用的微控制的微控存使用的是3片2816構(gòu)成。其中每一片使用的是256個(gè)字節(jié)并沒有全使用。這主要考慮到是整個(gè)模型機(jī)都使用的都是8位的。三片2816實(shí)現(xiàn)的位擴(kuò)張，構(gòu)成24長(zhǎng)度微指令。因此根據(jù)起設(shè)計(jì)的要求物理設(shè)計(jì)的邏輯圖如圖3-6所示: 圖3-6 物理設(shè)計(jì)圖3.5微程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.5.1指令格式微指令長(zhǎng)共24位，其控制位順序如表3-7所示：表3-7：微指令的格式微程序242322212019181716151413控制信號(hào)3210MCNWEB1B0 A微程序121110987654321控制信號(hào) B CuA5uA4uA3u

30、A2uA1uA0A字段 B字段 C字段對(duì)表3-7解釋： S3 S2 S1 S0 M 微運(yùn)算器74LS181芯片的控制信號(hào)，詳見表3-7。 微WR信號(hào)對(duì)RAM和OUT進(jìn)行寫操作，高電平為寫有效。 B1,B0: 為對(duì)外部設(shè)備（RAM, OUTPUT, INPUT）地址進(jìn)行譯碼，B0B1=00時(shí)， INPUT 選中; B0B1 =01時(shí)，RAM（CE）選中；B0B1=10的，OUTPUT選中; B0B1=11時(shí)，外部設(shè)備不選中。A字段：LDRi：寄存器輸入選中，具體選擇同指令寄存器（IR）的最低2位（I1，I0）配合，當(dāng)I1，I0=00時(shí)為輸入到R0寄存器；I1，I0=01時(shí)為R1；I1，I0=10

31、時(shí)為R2。 LDDR1：暫存器DR1選中。 LDDR2：暫存器DR2選中。 LDIR：指令寄存器IR選中。 LOAD：總線數(shù)據(jù)直接裝載到PC計(jì)數(shù)器。 LDAR：地址寄存器AR選。B字段 ：RS-B：為源寄存器輸出選中。具體選擇同指令寄存器（IR）的3，4位（I3，I2）配合，當(dāng)I3，I2=00時(shí)為輸入到R0寄存器；I3，I2=01時(shí)為R1；I3，I2=10時(shí)為R2。 RD-B：為目的寄存器輸出選中。具體選擇同指令寄存器（IR）的最低2位（I1，I0）配合，當(dāng)I1，I0=00時(shí)為輸入到R0寄存器；I1，I0=01時(shí)為R1；I1，I0=10時(shí)為R2。 RI-B：為變址寄存器選中。本機(jī)定固定為R2

32、。 299-B：移位寄存器輸出選中。 ALU-B：邏輯運(yùn)算單元結(jié)果輸出。 PC-B ：PC計(jì)數(shù)器輸出。C字段 ：P（1）：分支判斷1，和指令寄存器（IR）的高四位（IR7-IR4）作為測(cè)試條件?？煞?6個(gè)分支。 P（2）：分支判斷2，和指令寄存器（IR）的三四位（IR3，IR2）作為測(cè)試條件，有4個(gè)分支。 P（3）：分支判斷3，和CY或ZI作為測(cè)試條件，有兩個(gè)分支。 P（4）：分支判斷4，和開關(guān)SWB，SBA作為測(cè)試條件，有4個(gè)分支。用于控制臺(tái)控制區(qū) （讀程序，寫程序，和運(yùn)行程序）。 AR：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)是否影響進(jìn)位和判零標(biāo)志的控制位。 選中時(shí)進(jìn)行帶進(jìn)位運(yùn)算。 LDPC：為PC計(jì)數(shù)信號(hào)選中。

33、UA5UA0：為下一步微地址指令的后續(xù)地址的產(chǎn)生方法是:在沒有跳轉(zhuǎn)的指令中后六位就是下一條微指令的入口地址。在有跳轉(zhuǎn)的指令根據(jù)跳轉(zhuǎn)的條件微控制器根據(jù)相應(yīng)的條件和地址將下地址直接送到為控制器的地址強(qiáng)制端得到下一條指令的地址。 微程序是按順序在在為控存中存放在系統(tǒng)初始化的是時(shí)候指令是從00H地址開始的00H地址中存放的是一條跳轉(zhuǎn)指令直接可以跳轉(zhuǎn)到01H的中存放的就是真正在控制程序功能的指令。機(jī)器就根據(jù)指令一條的執(zhí)行。在微控制器的控制下讓機(jī)器根據(jù)指令的來(lái)進(jìn)行有條不紊的工作。為指令的入口地址的形成是根據(jù)機(jī)器指令的高四位進(jìn)行判斷后得出的。每一條微指令都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的一個(gè)地址。地址的編制和每一微指令是一一對(duì)應(yīng)

34、。不存在沖突。3.5.2微程序流程圖根據(jù)以上的指令設(shè)計(jì)，得出的微程序流程圖如圖3-7所示：0101011A1931301C2D2B2A292420232221220STALODJMPBZC0B0A090807O60504O318MOVOUT217161521421321221111(相對(duì))10(變址)01(間接)00(直接)101002OR01PCARPC+1RDLEDRSRDALU0RDPCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1RAMBUSBUSIRP(1)RDBUSBUSDR2RAMBUSBUSDR1SWEBUSBUSRDRAMBUSBUSDR1RAMBUSBUSAR

35、RAMBUSBUSARRSBUSBUSDR1RDBUSBUSDR2RSBUSBUSDR1R2DR1PCDR2RAMBUSBUSARDR1+DR2BUSARBUSDR1RSBUSBUSDR1DR1+DR2BUSRDRDBUSBUSDR2RDBUSBUSDR2DR1*DRABUSRDDR1異或DR2BUSDRBUSIRDR1DR1DR1+1DR1DR1+DR2BUSRDRBUSBUSRAMDR1+DR2BUSARP(2)RAMBUSBUSDR1RAMBUSBUSPCRAMBUSBUSRP(3)DR1BUSBUSARRSBUSBUSDR1RDBUSBUSDR2DR1+DRABUSRDCLRIN2AN

36、DXORSUBADD26252428272C010101010101010101RSBUSBUSDR1圖3-7 微程序流程圖在微程序流程圖中總共涉及到13條機(jī)器指令它們分別是： IN OUT STA LDA JMP BZCCLR MOVE ADD SUB XOR ANDOR其中的指令的格式在上面已經(jīng)介紹。這些機(jī)器指令指令都是遵循從 取址 譯碼 執(zhí)行 訪存 寫回 5個(gè)步驟。在取址總它們都有相同的的操作如圖中標(biāo)號(hào) 01H 的作用是從地址指針寄存器中得到指令地址根據(jù)指令地址得出取出指令。這個(gè)取址過(guò)程是所用的指令的需要執(zhí)行的公操作。圖中在執(zhí)行完公操作后又給“P(1)”的功能就是譯碼。這里的譯碼工作是使

37、用微控制器的外圍電路中分支的方式。得到下一條微指令的地址。指令中的STA、 LDA JMP BZC 是四條雙字長(zhǎng)的指令。他們有四種尋址方式分別是直接、間接、變址、相對(duì)。指令在操作地址的時(shí)候都是先得到地址然才能操作。在這里設(shè)計(jì)的過(guò)程使用的也是同樣的思想。在指令譯碼的過(guò)程中對(duì)這四條指令使用的方式不是直接判斷應(yīng)該執(zhí)行什么指令，而是先判斷應(yīng)該使用怎樣的尋址方式先找到應(yīng)該操作的主存地址再進(jìn)行操作。間接尋址的方式的STA指令如下：第一步：(01H)從地址指針(PC)中得到地址,送到地址寄存器（AR）中，PC自動(dòng)加一。第二步：(02H)主存（RAM）中讀出東西送到總線上，送到指令寄存器（IR）中。第三步：(

38、10H)將（IR）中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼。判斷下一條指令的地址。第四步：（12H）由于是STA指令是一條雙子長(zhǎng)指令。所以在此再次執(zhí)行第一步即可。第五步：（06H）將主存中的數(shù)據(jù)寫到DR1中。第六步：(07H) 將R2中的內(nèi)容送到DR2中。 第七步：（08H）將DR1與DR2中的數(shù)據(jù)相加后送到AR中，是STA指令操作地址。并進(jìn)行判斷執(zhí)行的是哪種地址。 第八步：（20H）將相應(yīng)的寄存器中的內(nèi)容送到RAM中。第九步：回到原操作。3.5.3微指令微指令的格式表3-8所示：表3-8： 微指令格式24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 1312 11 109 8 76 5 4 3 2

39、1 微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE B1 B0 ABCuA5 Ua0 0111011011002100000001101101101101111011011012110110110131101101101400100000015000010000160010010001700110100018010001000190110010001A0100010001B0100010001C010001000031100001010411000000005110000010061100000000701100100008110101010090100000000A0111100000B110

40、101010200000100002100100000022101000110230000000112400000000025101000110260110100002700110110128010010000291011010002A0101010002B0011010002C0110100002D0011010002E0110100002F0011010003001101000031001101000設(shè)計(jì)復(fù)雜模型機(jī)的監(jiān)控軟件，詳細(xì)如下：$P00 44 IN 01,R0$P01 46 IN 01,R2$P02 88 ADD R2,R0$P03 61 MOV RO,R1$P04 A4 XOR

41、R1,R0$P05 3C BZC 00,00$P06 00微程序：$ M01 82ED05$ M02 50C004$ M10 83ED05$ M11 84ED05$ M12 86ED05$ M13 89ED05$ M14 $ M15 $ M16 $ M17 019A39$ M18 23B205$ M19 28A205 $ M1A 2CA205$ M1B 2EA205$ M1C 30E005$ M03 A0E004$ M04 05E004$ M05 A0A004$ M06 07B204$ M07 08EA05$ M08 A0A005$ M09 0ABC04$ M0A 0BEA05$ M0B A0

42、8455$ M20 $ M21 $ M22 81D108$ M23 E48005$ M24 $ M25 81E104$ M26 27B405$ M27 419B95$ M28 29A405$ M29 2AAA09$ M2A 2BAA01$ M2B 019A95$ M2C 2EB405$ M2D 019A69$ M2E 2FB405$ M2F 019AB9$ M30 31B405$ M31 019CE9四、系統(tǒng)調(diào)試PC=00PC=01->AR=00->RAM(44)RAM(44)->IR=44->微控器INPUT(01)->R0=01PC=02->AR=01->RAM(46)RAM(45)->IR=46->微控器INPUT(02)->R0=02PC=03->AR=02->RAM(B4)RAM(88)->IR=88->微控器R0