計算機組成原理課程設(shè)計設(shè)計一個微程序控制器

1、第一章設(shè)計概述1.1課程設(shè)計的目的本課程設(shè)計的教學目是在掌握計算機系統(tǒng)的組成及內(nèi)部工作機制,理解計算機各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上,深入掌握數(shù)據(jù)信息流和控制信息流的流動過程,進一步加深計算機系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認識和整機的概念,培養(yǎng)開發(fā)和調(diào)試計算機的技能,在設(shè)計實踐中提高應用所學專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。1.2設(shè)計任務和基本要求本課程設(shè)計以TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)為平臺設(shè)計完成。按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計一個微程序控制器。設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖,按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。連接邏輯電路完成啟動,測試,編程,測試,效驗和運行,并觀測運行過程及結(jié)

2、果。將微程序控制器模塊與運算器模塊,存儲器模塊聯(lián)機,組成一臺模型計算機。用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。通過在模型機上運行由機器指令組成的簡單程序,掌握機器指令與微指令的關(guān)系,建立計算機整機的概念,掌握計算機的控制機制。按指定的應用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計,并設(shè)計相應的機器指令代碼,按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機器指令功能的微程序在PC機上編輯機器指令和微程序,裝載代碼到TDN-CM+實驗系統(tǒng)并運行，實現(xiàn)應用要求。第二章規(guī)定項目的驗證實現(xiàn)2.1規(guī)定項目任務和要求：任務：從輸入設(shè)備輸入一個數(shù)與內(nèi)存中地址為0AH存放的數(shù)字1相加結(jié)果送地址為0BH單元中。并能從內(nèi)存中取出到外圍設(shè)備顯示之。要

3、求：通過此驗證實驗來學會數(shù)據(jù)通路電路圖的連接、機器指令的設(shè)計、微指令設(shè)計中相關(guān)字段的作用、微程序流程圖的設(shè)計以及能熟練掌握用微程序控制數(shù)據(jù)通路來實現(xiàn)機器指令的功能，為以后的實驗設(shè)計做好準備。2.2規(guī)定項目實現(xiàn)原理：(1)在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成。計算機從內(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一個微程序。(2)本設(shè)計采用五條機器指令：IN、ADD、STA、OUT、JMP；其相應的機器指令和匯編程序如下：地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符注釋0000000000000000INR0;“input”R00000000

4、100010000ADD0AH,R0R0+0AHR000000010000010100000001100100000STAR0,0BHR00BH00000100000010110000010100110000OUT0BH；0BH-9LED00000110000010110000011101000000JMP00HOOH-TPC0000100000000000000010010000101000000001000010112.3規(guī)定項目實現(xiàn)過程：1）連接線路：按圖1鏈接實驗線路。最后保證實驗中的各個原件及數(shù)據(jù)線路如圖2所示。44圖1AD7.w/jtuNirT4SIGKWIUNTTALU曲rrUN

5、?UWT0W7RtxrbusSTATEUWTniofRMAJ諾MMLO&RIH-LDDR2O-AUABJaLU-BOLCildcrQC1R5-&ADDRESSUKFTjLDAK按圖1鏈接實驗線路。最后保證實驗中的各個原件及數(shù)據(jù)線路如圖2所示。44圖1AD7.w/jtuNirT4SIGKWIUNTTALU曲rrUN?UWT0W7RtxrbusSTATEUWTniofRMAJ諾MMLO&RIH-LDDR2O-AUABJaLU-BOLCildcrQC1R5-&ADDRESSUKFTjLDAKILOADOLODRloVJUMJMEXUNFTvaDq-!：*V2D-LSttlTTMLMTCM勺LOGUN

6、rrtKFVTtEVICEVmJTpCVSCEBUSUNITREdUNnrWMS-LJLOADLOAD圖2數(shù)據(jù)通路框圖（2）讀懂項目給出的程序按照規(guī)定格式，機器指令及微指令二進制代碼表已編輯成十六進制文件。本項目的程序如下程序機器指令格式說明$P0000$P060D$PXXXX$P0110$P0740機器指令代碼$P020A$P0800$P0320$P0A01十六進制地址$P0530微程序微指令格式說明：$M00018110$M06959A01$MXXXXXXXX$M0101ED82$M0700E00D微指令代碼$M0200C048$M08001001$M0300E004$M0901ED83十

7、進制地址$M0400B005$M0A01ED87$M0501A206$M0B01ED8E$M0C01ED96$M1200A017$M13018001$M14002018$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M18068A113)聯(lián)機運行驗證三條控制臺指令用兩個開關(guān)、的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如表：表SWBSWA控制臺指令00讀內(nèi)存(KRD)01寫內(nèi)存(KRD)01啟動程序(RP)聯(lián)機運行程序時，進入軟件界面，裝載機器指令及微指令后，調(diào)整控制臺，使SWA=1,

8、SWB=O,即啟動程序。接著選擇(運行一(通路圖一(復雜模型機功能菜單打開相應的動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應功能鍵即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序。在驗證過程中，首先采用但不運行，仔細看每一條機器指令的執(zhí)行過程，明白其每一步對應的微指令，為下一步完成項目的設(shè)計實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。2.4驗證結(jié)果：從輸入設(shè)備輸入的數(shù)字4，聯(lián)機運行，得到的輸出結(jié)果是5，與理論計算結(jié)果一致。說明微程序控制實現(xiàn)了機器指令的功能。第三章：指定應用項目的設(shè)計實現(xiàn)指定項目任務和要求：將以K為地址的內(nèi)存單元的內(nèi)容X與以N為間接地址的內(nèi)存單元的內(nèi)容Y,執(zhí)行(X+Y)減6的運算，結(jié)果送R0項目任務分析及解決方案：在機器指令中設(shè)置N=OAH在內(nèi)存地

9、址OAH中存放0CH,而內(nèi)存0CH中存放Y的值即4,內(nèi)存地址0BH中存放X的值7.運算時，通過微程序控制從內(nèi)存中通過間接尋址取出Y的值送往R0,從內(nèi)存中直接尋址取出X的值7,進行或地運算結(jié)果放R。執(zhí)行減法運算時，把R0的值送往3.3實現(xiàn)原理：（1）機器匯編指令設(shè)計：本設(shè)計采用8條機器指令：IN、STA、MOV、NOT、EOR、STO、OUT、HLT；其相應的機器指令和匯編程序如下：（其中表示間接尋址，表示直接尋址）地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符注釋0000000000000000INR0；“X=input”R00000000100010000STAR0,11;X=R011000000100

10、00000010000001100100000MOV10,R0;Y=10R000000100000100000000010100110000NOTR0；YR00000011001000000EOR11,R0；XY-R000000111000100010000100000110000NOTR0XYR00000100101110000STOR0,13;R01300001010000100110000101101010000OUT131300001100000100110000110101100000HLT0001000000000100Y=040001000100010111X=050001001

11、000000000K=110001001100000000N=13000101110000000011=1717=X2）微程序設(shè)計：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，設(shè)計如圖4的三個控制臺操作微程序。其功能說明見表1。按照數(shù)據(jù)通路可畫出機器指令的微程序流程圖如圖4所示。當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P（l）測試。由于“取指”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。本機用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作為測試條件,出現(xiàn)8路分支，占用8個固定的微地址單元。圖4圖4微程序控制臺3）微指令代碼設(shè)計：微指令格式如表

12、1所示。當微指令格式確定以后，下一步就是確定后續(xù)微指令地址。通常的方法是先確定微程序分支處的微地址，因為微程序分支處需要進行判斷測試。這些微地址確定以后，就可以在一個“微地址表”中將分支微指令填入相應得分支地址單元，避免以后的設(shè)計中因重復使用而造成錯誤。對于其它位置就可以按一條微指令對應一個微地址隨意填寫。151413選擇00151413選擇000001LDRi010LDDR1A字段121110選擇000001RS-B010RD-BB字段987選擇000001P(1)010PC字段表2微指令格式242322212019181716151413121110987654321S3S2SIS0MCn

13、WEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uAluA0011011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR011RI-B100299B101ALUB110PCB011P100P101AR110LDPC當全部微指令設(shè)計完畢后，應將每條微指令代碼化，表3即為將圖3微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而得到的“二進制代碼表”。表3二進制微代碼表微地址S3S2S1S0MCNWEA9A8ABCUA5口A0000000000110000001000100000100000001111011011000001002000000001100000001001000030000000011100000000

14、001110400000010100000100000000105000000001110000000000110060000000010010000000000010700000000111000000000010010000000000001000000000001110000000111101101100001101200000001111011011000010113000000011010001000011111140000000111101101100101011500000001111011011001110016000000011000000000001110170000000

15、111101101101000002000000001111011011001001021000000011110110110010100220000000010100000000101112300000001100000000000000124000000000010000000011000250000011100001010000000012600000000110100011000000127000001110000101000010000300000011010001010000100013100000000101100000001100032000000011010001000011

16、01133011010011001101000000001340000000011100000000110013500000000101000000001111036000001110000101000000001370000100110011010000000014000000000111000000010000141000000101000001000000001指令寄存器(IR)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字段，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（l）,通過節(jié)拍

17、脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶罴拇嫫鳌保▽嶒灠迳蠘擞小癐NSDECODE”的芯片）根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應得微程序首地址。本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備（INPUTDEVICE）;另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備（OUPUTDEVICE）。例如：輸入時，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當寫信號（W/R）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼管顯示。3.4指定項目的實現(xiàn)過程：（1）按圖1連接實驗電路（2）聯(lián)機寫程序：按照規(guī)定

18、格式，將機器指令及微指令二進制代碼表（如表4）編輯成十六進制的.txt文件。機器代碼：程序$P0000$P0410$P0830$P0C13$P1004$P0110$P0530$P0970$P0D60$P1117$P0211$P0640$P0A13$P1300$P0320$P0711$P0B50$P1700微程序$M00018110$M0700E004$M0E00000E$M1500E016$M1C00E01D$M0101ED82$M08001001$M0F01EDA0$M1600E019$M1D00A01E$M0200C048$M0901ED83$M1001ED92$M17070A10$M1E

19、070A01$M0300E007$M0A01ED85$M1101ED94$M18068A11$M1F099A01$M04028201$M0B01A21F$M1200A017$M1900B01A$M2000E021$M0500E006$M0C01ED95$M13018001$M1A01A21B$M21028201$M06009001$M0D01ED9C$M14002018$M1B699A013）聯(lián)機運行：聯(lián)機運行程序時，進入軟件界面，裝載機器指令及微指令后，選擇（運行一（通路圖-（復雜模型機功能菜單打開相應的動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應功能鍵即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序。3.5實現(xiàn)結(jié)果：理論計算：Y=04,取反之后其值為FBH,在