組成原理：采用微程序控制器的模型機(jī)CPU設(shè)計(jì)參考模板

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 計(jì)算機(jī)組成原理 設(shè)計(jì)題目：采用微程序控制器的模型機(jī)CPU設(shè)計(jì)院 系： 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 1 / 13目 錄 課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）報(bào)告1昆明學(xué)院課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）任務(wù)書2一、課題分析5二、總體設(shè)計(jì)5（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)結(jié)構(gòu)5實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)結(jié)構(gòu)61 運(yùn)算器單元（ALU UINT）62 寄存器堆單元（REG UNIT）63 指令寄存器單元（INS UNIT）64 時(shí)序電路單元（STATE UNIT）65 微控器電路單元（MICROCONTROLLER UNIT）66 邏輯譯碼單元（LOG UNIT）67 主存儲(chǔ)器單元（MAIN MEM）68 輸入輸出單元（I

2、NPUT/OUTPUT DEVICE）6（2）機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)和功能71 算術(shù)邏輯指令72 訪存指令及轉(zhuǎn)移指令83 I/O指令84 停機(jī)指令8(3)指令系統(tǒng)81 本模型機(jī)共有16條基本指令。82微指令格式9三、分步設(shè)計(jì)11我們小組共有三位成員，分工分別為：按圖連接實(shí)驗(yàn)線路，寫程序，運(yùn)行程序。下面為運(yùn)行程序的具體步驟。11運(yùn)行程序11四、設(shè)計(jì)成果（重點(diǎn)）11五、存在問題及改進(jìn)建議12六、實(shí)驗(yàn)器材12七、參考文獻(xiàn)及相關(guān)網(wǎng)址12課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）報(bào)告（注：針對(duì)設(shè)計(jì)題目1）一、 課題分析微程序控制器由控制存儲(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

3、為一條微指令的長(zhǎng)度，二者合在一起稱為微指令寄存器。經(jīng)過我們小組成員討論，設(shè)計(jì)順序大致如下：首先畫出了程序的流程，然后寫出了匯編程序，并且寫出了機(jī)器指令，其次我們完成了總體的流程圖，然后根據(jù)流程圖寫出了微指令以及微指令代碼，將機(jī)器指令代碼與微指令代碼寫成了一個(gè)txt文檔用機(jī)器錄入，運(yùn)行程序，對(duì)照程序上面顯示的圖與我們畫的流程圖進(jìn)行對(duì)照，檢查來判斷這次試驗(yàn)的成功與否。二、 總體設(shè)計(jì)（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)結(jié)構(gòu)1 運(yùn)算器單元（ALU UINT）運(yùn)算器單元由以下部分構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并串型8位ALU；兩個(gè)8位寄存器DR1和DR2為暫存工作寄存器，保存參數(shù)或中間運(yùn)算結(jié)果。ALU的S0S3為運(yùn)算控制端

4、，Cn為最低進(jìn)位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過三態(tài)門74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制該三態(tài)門。2 寄存器堆單元（REG UNIT）該部分由3片8位寄存器R0、R1、R2組成，它們用來保存操作數(shù)用中間運(yùn)算結(jié)構(gòu)等。三個(gè)寄存器的輸入輸出均以連入數(shù)據(jù)總線，由LDRi和RS-B根據(jù)機(jī)器指令進(jìn)行選通。3 指令寄存器單元（INS UNIT）指令寄存器單元中指令寄存器（IR）構(gòu)成模型機(jī)時(shí)用它作為指令譯碼電路的輸入，實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，由LDIR控制其選通。4 時(shí)序電路單元（STATE UNIT）用于輸出連續(xù)或單個(gè)方波信號(hào)，來控制機(jī)器的運(yùn)行。5 微控器電路單元（MICROCONTROLLER

5、UNIT）微控器主要用來完成接受機(jī)器指令譯碼器送來的代碼，使控制轉(zhuǎn)向相應(yīng)機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的首條微代碼程序，對(duì)該條機(jī)器指令的功能進(jìn)行解釋或執(zhí)行的工作。由輸入的W/R信號(hào)控制微代碼的輸出鎖存。由程序計(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）實(shí)現(xiàn)程序的取指功能。6 邏輯譯碼單元（LOG UNIT）用來根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行，及工作寄存器R0、R1、R2的選通譯碼。7 主存儲(chǔ)器單元（MAIN MEM）用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器指令。8 輸入輸出單元（INPUT/OUTPUT DEVICE）輸入單元使用八個(gè)撥動(dòng)開關(guān)作為輸入設(shè)備，SW-B控制選通信

6、號(hào)。輸出單元將輸入數(shù)據(jù)置入鎖存器后由兩個(gè)數(shù)碼管顯示其值。*該CPU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通路框圖如下：（2）機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)和功能部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次課設(shè)是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，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，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完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、IO指令、訪問存儲(chǔ)器及轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。1 算術(shù)邏輯指令設(shè)計(jì)9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：D7

7、 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE RsRd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：選中的寄存器（Rs或Rd）R0R1 R2 寄存器的編碼0001102 訪存指令及轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)設(shè)計(jì)2條訪問指令，即存數(shù)(STA)、取數(shù)(LDA)、2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移(JMP)、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令(BZC)。其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0D7····D0OP-CODEM OP-CODE RdD其中，OP-CODE為操作碼， Rd為目的寄存器，D為位移量(正負(fù)均可)，M為尋址方式，其

8、定義如下：尋址方式 有效地址 說 明 00 E=D直接尋址01E=（D）間接尋址10E=（RI）+DRI 變址尋址11E=（PC）+D相對(duì)尋址本模型機(jī)規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。3 I/O指令輸入和輸出指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE addrRd其中，addr=01 時(shí)，表示選中“輸入單元”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時(shí)，表示選中“輸出單元”中的數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。4 停機(jī)指令這類指令只有1條，即停機(jī)指令HALT，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作，指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 1 1 0 0 00

9、 0(3)指令系統(tǒng)1 本模型機(jī)共有16條基本指令。其中，算術(shù)邏輯指令9條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其他它指令1條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號(hào)、指令功能。表1 復(fù)雜模型機(jī)指令系統(tǒng)序號(hào) 匯編符號(hào) 指令格式 功能說明 1CLR Rd0111 00 Rd0Rd 2MOV RS,Rd1000 RS RdRSRd 3ADC RS,Rd1001 RS RdRSRdCyRd 4SBC RS,Rd1010 RS RdRSRdCyRd 5INC Rd1011 - RdRd1Rd 6AND RS,Rd1100 RS RdRSRdRd 7COM Rd1101 00 RdRdRd 8R

10、RC RS,Rd1110 RS RdRS帶進(jìn)位右循環(huán)一位，RSRd 9RLC RS,Rd1111 RS RdRS帶進(jìn)位左循環(huán)一位，RSRd10LDA M,D, Rd00 M 00 Rd，DERd11STA M,D, Rd00 M 01 Rd，DRdE12JMP M,D00 M 10 00，DEPC13BZC M,D00 M 11 00，D當(dāng)CY=1或ZI=1時(shí)，EPC14IN addr, Rd0100 01 RdaddrRd15OUT addr, Rd0101 10 RdRdaddr16HALT 0110 00 00停機(jī)2微指令格式表2 復(fù)雜模型機(jī)微指令結(jié)構(gòu)圖微程序24232221201918

11、1716151413121110987654321控制信號(hào)S3S2S1S0MCNRDM17M16 A B PuA5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段B字段P字段151413控制信號(hào)121110控制信號(hào)987控制信號(hào)000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0為6位的后續(xù)微地址，A、B、P為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯碼出多位。P字段中的P1P4是四個(gè)測(cè)試字位，

12、其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的為地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。具體來說，P1測(cè)試用于“取指令”微指令，它用下址低四位（uA3uA0）與指令寄存器高四位（IR7IR4）相或得到各路分支；P2測(cè)試用下址低2位（uA1uA0）與指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3測(cè)試用于條件轉(zhuǎn)移，它用下址的uA4與(ZI +CY)相或得到各路分支；P4測(cè)試用于控制臺(tái)操作，它用下址低2位（uA1uA0）與SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各測(cè)試下址中未用到的位均直接保留。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS_G、RD_G、

13、RI_G分別為源寄存器選通信號(hào)，目的寄存器選通信號(hào)及變址寄存器選通信號(hào)，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類似與此，均是某芯片的選通信號(hào)，它們的功能都是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行相應(yīng)芯片的選通譯碼。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(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。存儲(chǔ)器讀操作（READ）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“00”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。存儲(chǔ)器寫操作（WRITE）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“01”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對(duì)RAM進(jìn)行連續(xù)

14、手動(dòng)寫入。啟動(dòng)程序：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA置為“11”時(shí)，按START微動(dòng)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。上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：SWB SWA 控制臺(tái)指令001 0 1 1讀內(nèi)存寫內(nèi)存啟動(dòng)程序三、 分步設(shè)計(jì)我們小組共有三位成員，分工分別為：按圖連接實(shí)驗(yàn)線路，寫程序，運(yùn)行程序。下面為運(yùn)行程序的具體步驟。運(yùn)行程序.單步運(yùn)行程序A 使編程開關(guān)處于”RUN的狀態(tài),STEP為”STEP” 狀態(tài),STOP為”RUN”狀態(tài)B 撥動(dòng)總清處于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

15、條微指令,每按動(dòng)一次START鍵,即單步運(yùn)行一條指令,對(duì)照微程序流程圖,觀察微地址顯示是否和流程一致.D 當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后.可檢查存數(shù)單元中的結(jié)果是否和理論植一致. 連續(xù)運(yùn)行程序A 使”START UNIT” 中的STEP開關(guān)置為”ECEX”狀態(tài).STOP開關(guān)置為”RUN”狀態(tài). B 撥動(dòng)CLR開關(guān),清微地址及程序計(jì)數(shù)器,然后按動(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).C 停機(jī)后,可檢查存數(shù)單元結(jié)果是否正確. 若聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí),進(jìn)入DEBUG調(diào)試界面,總清開關(guān)CLR 清零后，程序首址為00H. 按相應(yīng)功能鍵既可聯(lián)機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序。四、 設(shè)計(jì)成果（重點(diǎn)）我們小組在

16、這次的課程設(shè)計(jì)中，通過我們的相互配合基本完成了微程序控制器的模型機(jī)CPU設(shè)計(jì)，我們分工明確，此外我們還做了簡(jiǎn)單模型機(jī)與復(fù)雜模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)。截圖為復(fù)雜模型機(jī)接線圖：五、 存在問題及改進(jìn)建議我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)CPU的一個(gè)較明細(xì)的不足是效率不高。若用組合邏輯控制實(shí)現(xiàn)，三到四個(gè)周期就能做完一條指令，而這里光是取指令就四個(gè)周期。這也跟原來要求靈活的設(shè)計(jì)方案有關(guān)。理論上，只要把組合邏輯的真值表看作微程序放進(jìn)ROM中，則微程序控制的效率與組合邏輯控制是一樣的，只是組合邏輯控制存儲(chǔ)的是語法，微程序控制存儲(chǔ)的是語義。但這樣設(shè)計(jì)就太死板，還不如直接用組合邏輯方便。實(shí)際的CPU設(shè)計(jì)應(yīng)該在靈活性與性能之間根據(jù)需要折中。另一個(gè)不足是微指令格式還是不夠合理。如現(xiàn)在是二地址，目的與源共享地址，造成有些操作極不方便，而不方便性僅僅是編碼的缺陷引入的。這有兩點(diǎn)原因：一是經(jīng)驗(yàn)不足，二是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)過分追求編碼的緊湊。六、 實(shí)驗(yàn)器材1、 湖北眾友公司ZY15CompSys12BB計(jì)算機(jī)組成原理及系統(tǒng)結(jié)