計算機組成原理課程設(shè)計-16位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、一、設(shè)計題目16位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)二、設(shè)計目的通過看懂教學(xué)計算機組合邏輯控制器中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條基本指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JR、RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程，然后自己設(shè)計微程序控制器中的29條基本指令和19條擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確，達到以下目的：1、深入理解計算機控制器的功能、組成知識和各類典型指令的執(zhí)行過程；2、對指令格式、尋址方式、指令系統(tǒng)、指令分類等建立具體的總體概念；3、學(xué)習(xí)微程序控制器的設(shè)計過程和相關(guān)技術(shù)。三、設(shè)計說明控制器設(shè)計是學(xué)習(xí)計算機總體組成和設(shè)計的重要的部分。要在TEC2000

2、教學(xué)計算機上完成這項設(shè)計，必須清楚懂得：1、TEC2000教學(xué)機的微程序控制器主要由作為選件的微程序控制器小板和教學(xué)機大板上的7片GAL20V8組成。2、TEC2000教學(xué)機微程序控制器上要實現(xiàn)的全部基本指令和擴展指令的控制信號都是由微程序小板上的7片控制存儲器給出的。3、應(yīng)了解監(jiān)控程序的A命令只支持基本指令，擴展指令應(yīng)用E命令將指令代碼寫入到相應(yīng)的存儲單元中；不能用T、P命令單步調(diào)試擴展指令，只能用G命令執(zhí)行擴展指令。4、要明白TEC2000教學(xué)機支持的指令格式及指令執(zhí)行流程分組情況；理解TEC2000教學(xué)機中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的各類指令的功能、格式、執(zhí)行流程和控制信號的組成。5、明確自己

3、要實現(xiàn)的指令格式、功能、執(zhí)行流程設(shè)計中必須遵從的約束條件。6、為了完成擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確的實驗內(nèi)容，具體過程包括： 1）確定指令格式和功能，要受教學(xué)機已有硬件的約束，應(yīng)盡量與已實現(xiàn)指令的格式和分類辦法保持一致； 2）劃分指令執(zhí)行步驟并設(shè)計每一步的執(zhí)行功能，設(shè)計節(jié)拍狀態(tài)的取值，應(yīng)參照已實現(xiàn)指令的處理辦法來完成，特別要注意的是，讀取指令的節(jié)拍只能用原來已實現(xiàn)的，其他節(jié)拍的節(jié)拍狀態(tài)也應(yīng)盡可能的與原用節(jié)拍的狀態(tài)保持一致和相近；3）在指令微程序表中填寫每一個控制信號的狀態(tài)值，注意要特別仔細(xì)，并有意識地體會這些信號的控制作用；4）將設(shè)計好的微碼，裝入控制存儲器的

4、相應(yīng)單元；5）寫一個包含你設(shè)計的指令的程序，通過運行該程序檢查執(zhí)行結(jié)果的正確性，來初步判斷你的設(shè)計是否正確；如果有問題，通過幾種辦法查出錯誤并改正，繼續(xù)調(diào)試，直到完全正確。四、設(shè)計內(nèi)容1、完成微程序控制器指令系統(tǒng)設(shè)計，主要內(nèi)容是由學(xué)生自己設(shè)計29條基本指令和19條擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、運行、調(diào)試正確。2、首先看懂TEC2000教學(xué)計算機的功能部件組成和線路邏輯關(guān)系，然后分析教學(xué)計算機組合邏輯控制器中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條典型指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。3、設(shè)計微程序控制器指令系統(tǒng)中各條指令的功能

5、、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確，例如ADC、STC、JRS、JRNS、LDRX、STRX、JMPR、CALR、LDRA等19條擴展指令。4、單條運行指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。5、用監(jiān)控程序的A、E（擴展指令必須用E命令置入）命令編寫一段小程序，觀察運行結(jié)果。五、設(shè)計要求分組及任務(wù)分配每組四名同學(xué)，任務(wù)分配為：朱冠蘭負(fù)責(zé)仿照教學(xué)計算機組合邏輯控制器，設(shè)計微程序控制器中基本指令的功能、格式和執(zhí)行流程，畫出29條基本指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。馮云龍負(fù)責(zé)設(shè)計擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，設(shè)計微指令各字段的具體編碼值，包括控制碼的各字段、下址字段、形成下址用到的條

6、件碼，畫出擴展指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。胡學(xué)智負(fù)責(zé)確定微碼各字段與控制存儲器各個芯片之間的關(guān)系，列表寫出各控制存儲器芯片中存儲單元的內(nèi)容，將設(shè)計好的微碼裝入控制存儲器。王碩負(fù)責(zé)編寫若干個測試程序，包含所有的基本指令和擴展指令，通過運行這些程序可以檢查所有指令設(shè)計是否正確。最后，所有組員共同參與測試，通過運行測試程序，判斷指令設(shè)計是否正確。（二）學(xué)生應(yīng)交材料1、課程設(shè)計報告，每組交一份。2、一塊自定義指令系統(tǒng)的微程序控制器板。3、課程設(shè)計日記，每人交一份。（三）課程設(shè)計報告內(nèi)容1、題目名稱；2、題目內(nèi)容；3、基本指令和擴展指令的執(zhí)行流程框圖；4、基本指令和擴展指令的微程序編碼表；5、八個

7、控制存儲器芯片中各存儲單元的內(nèi)容列表；6、測試程序；7、自評（從實現(xiàn)的功能上評價）；8、遇到的問題及解決方案；9、總結(jié)（主要從綜合應(yīng)用知識、分析問題、解決問題方面總結(jié)）。六、進度安排第1周 周一 上午 課程設(shè)計動員 周二 周五 （1）熟悉匯編、TEC2000機開發(fā)環(huán)境（2）基本指令設(shè)計（3）擴展指令設(shè)計（4）編寫調(diào)試程序。第2周 周一 周五 微指令寫入芯片，運行測試程序，調(diào)試指令。 第3周 周一 周三 編寫課程設(shè)計報告。周四、周五 驗收和答辯總結(jié)。 七、課程設(shè)計環(huán)境1、硬件環(huán)境： PC機一臺、TEC2000實驗機一臺、微程序控制器實驗板一塊。 2、軟件環(huán)境： （1）Win2000、DOS （2

8、）TEC2000仿真終端程序PCEC（3）TEC2000監(jiān)控程序。八、軟件設(shè)計方案1將設(shè)計好的微碼寫入控制存儲器。一次只對一片28C64控制存儲器芯片進行讀寫，該芯片可插在擴展芯片的高位或低位，若插在高位，輸入時信號編碼為高八位，低八位補零；若插在低位，輸入時信號編碼為低八位，高位補零。若一次擴展兩片28C64控制器芯片，要注意信號要與產(chǎn)生該信號的芯片相對。將擴展新片的內(nèi)存單元地址置為40005FFF，將MAPROM插入擴展芯片的位置，微程序入口地址對應(yīng)的內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令的編碼值之和。具體操作如下：E 40004000 00FF：04 00FF：05 00FF：06 00

9、FF：09 00FF：08 00FF：0A 00FF：07 00FF：0B 00FF：0D 00FF：0C 00FF：0E 00FF：0F E 40204020 00FF：50 E 40414041 00FF：11E 40444044 00FF：10 00FF：10 00FF：10 00FF：10 E 40804080 00FF：1E 00FF：1B 00FF：12 00FF：19 00FF：15 00FF：15 00FF：12 00FF：17 00FF：1D E 408C408C 00FF：17 00FF： 00FF： 00FF： 23E 40CE40CE 00FF：1F 將MPROM1MP

10、ROM7依次插入擴展芯片的位置對其編程，內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令操作功能所對應(yīng)的微址之和，操作如下：MPROM1產(chǎn)生下址信號，MPROM2產(chǎn)生CI30、SCC30信號對MPROM1-2的操作為：MPROM1 在高位 MPROM2 在低位E 40004000 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：0020 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：303000FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：303000FF：3

11、034 00FF：3030 00FF：1436 00FF：3030 00FF：3030 00FF：1A37 00FF：3030 00FF：1C37 00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：1C30 00FF：2430 00FF：00E000FF：00E0 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 E 40304030 00FF：3A32 00FF：0230 E 40504050 00FF：3030MPROM3產(chǎn)生0MRW、0I20信號，MPROM4產(chǎn)生SAI8I6、SBI5I3信號，對M

12、PROM3-4的操作為：MPROM3 在高位 MPROM4 在低位E 40004000 00FF：4131 00FF：4320 00FF：1010 00FF：4010 00FF：41B8 00FF：41B9 00FF：41BC 00FF：41BB 00FF：41BE 00FF：4199 00FF：419C 00FF：44B800FF：4338 00FF：4339 00FF：4378 00FF：435800FF：4010 00FF：4530 00FF：4710 00FF：231000FF：3730 00FF：4331 00FF：0010 00FF：4320 00FF：1010 00FF：4318

13、 00FF：0490 00FF：4490 00FF：1738 00FF：4320 00FF：4320 00FF：432000FF：1700 00FF：4331 00FF：0220 00FF：4320 00FF：1730E 40304030 00FF：4700 00FF：4320 E 4050 00FF：41B8MPROM5產(chǎn)生B口、A口信號，MPROM6產(chǎn)生0SST、SSHSCI信號，對MPROM5-6的操作為：MPROM5 在高位 MPROM6 在低位E 40004000 00FF：5501 00FF：5501 00FF：0000 00FF：0000 00FF：0010 00FF：0011

14、00FF：0010 00FF：0010 00FF：0010 00FF：0011 00FF：0010 00FF：001000FF：0011 00FF：0010 00FF：0060 00FF：005000FF：0000 00FF：5500 00FF：0000 00FF：000000FF：0000 00FF：4000 00FF：0000 00FF：4401 00FF：0020 00FF：0000 00FF：0000 00FF：0000 00FF：0000 00FF：5501 00FF：5501 00FF：550100FF：0000 00FF：4000 00FF：5500 00FF：4401 00FF

15、：5000E 40304030 00FF：0000 00FF：5501 E 40504050 00FF：0012 MPROM7產(chǎn)生DC2、DC1信號，對MPROM7的操作為：E 40004000 00FF：70 00FF：B0 00FF：10 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：02 00FF：32 00FF：0100FF：00 00FF：30 00FF：03 00FF：30 00FF：00 00F

16、F：30 00FF：01 00FF：30 00FF：00 00FF：30 00FF：30 00FF：3000FF：00 00FF：30 00FF：01 00FF：30 00FF：00E 40304030 00FF：03 00FF： 0B E 40504050 00FF：00 九、測試程序1測試基本指令的程序：1）測試MVRD，MVRR，PSHF，ADD，SUB，AND，CMP，JRNZ，POPF，RET，XOR，TEST，JRZ的程序程序流程圖：程序：(2000)MVRD R0,0041;MVRDMVRD R1,0016MVRD R2,0084MVRR R3,R1;MVRRMVRR R6,R0

17、MVRD R7,0000(200A)PSHF;PSHFADD R0,R1;ADD,-R0=0057SUB R2,R1;SUB,-R2=006EAND R3,R1;AND,-R3=0016CMP R2,R1;CMPJRNZ 2050;JRNZ(2010)POPF;POPFRET;RET(2050)XOR R1,R6;XOR,-R1=0057TEST R0,R7;TESTJRZ 2010;JRZ運行結(jié)果：2）測試OR，DEC，PUSH，INC，POP，SHR，JRC，SHL，JR，JMPA的程序程序流程圖：程序：(2000)MVRD R0,0046;MVRDMVRD R1,0016MVRR R2,

18、R1;MVRRMVRR R3,R0MVRR R6,R0(2007)OR R0,R1;OR,-R0=0056DEC R1;DEC,-R1=0015PUSH R2;PUSHINC R2;INC,-R2=0017POP R2;POP,-R2=0016SHR R3;SHR,-R3=0023CMP R1,R0;CMPJRC 2050;JRC(200F)SHL R6;SHL,-R6=008CRET;RET(2050)JR 2060;JR(2060)JMPA 200F;JMPA運行結(jié)果：3）測試LDRR，CALA，OUT，STRR，IN，JRNC的程序程序流程圖：程序：(2070)2070: 0041 2071: 0042 2073:0043 2074:0043(2000)MVRD R3,0004;MVRDMVRD R2,2070;MVRD(2004