組成原理：采用微程序控制器的模型機(jī)CPU設(shè)計(jì)

.z.-----總結(jié)資料課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)：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：目錄課程設(shè)計(jì)〔大作業(yè)〕報(bào)告1**學(xué)院課程設(shè)計(jì)〔大作業(yè)〕任務(wù)書(shū)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)構(gòu)造5實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)構(gòu)造6[1]運(yùn)算器單元〔ALUUINT〕6[2]存放器堆單元〔REGUNIT〕6[3]指令存放器單元〔INSUNIT〕6[4]時(shí)序電路單元〔STATEUNIT〕6[5]微控器電路單元〔MICRO－CONTROLLERUNIT〕6[6]邏輯譯碼單元〔LOGUNIT〕6[7]主存儲(chǔ)器單元〔MAINMEM〕6[8]輸入輸出單元〔INPUT/OUTPUTDEVICE〕6〔2〕機(jī)器指令的構(gòu)造和功能7[1]算術(shù)邏輯指令7[2]訪存指令及轉(zhuǎn)移指令8[3]I/O指令8[4]停機(jī)指令8(3)指令系統(tǒng)8[1]本模型機(jī)共有16條根本指令。8[2]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(xiě)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(wèn)題及改良建議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〕課題分析微程序控制器由控制存儲(chǔ)器、微地址存放器、微命令存放器和地址轉(zhuǎn)移邏輯幾局部組成。微地址存放器和微命令存放器兩者的總長(zhǎng)度即為一條微指令的長(zhǎng)度，二者合在一起稱(chēng)為微指令存放器。經(jīng)過(guò)我們小組成員討論，設(shè)計(jì)順序大致如下：首先畫(huà)出了程序的流程，然后寫(xiě)出了匯編程序，并且寫(xiě)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(xiě)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(xiě)成了一個(gè)t*t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(huà)的流程圖進(jìn)展對(duì)照，檢查來(lái)判斷這次試驗(yàn)的成功與否?？傮w設(shè)計(jì)〔1〕實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)構(gòu)造[1]運(yùn)算器單元〔ALUUINT〕運(yùn)算器單元由以下局部構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并－串型8位ALU；兩個(gè)8位存放器DR1和DR2為暫存工作存放器，保存參數(shù)或中間運(yùn)算結(jié)果。ALU的S0～S3為運(yùn)算控制端，為最低進(jìn)位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過(guò)三態(tài)門(mén)74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制該三態(tài)門(mén)。[2]存放器堆單元〔REGUNIT〕該局部由3片8位存放器R0、R1、R2組成，它們用來(lái)保存操作數(shù)用中間運(yùn)算構(gòu)造等。三個(gè)存放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)展選通。[3]指令存放器單元〔INSUNIT〕指令存放器單元中指令存放器〔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〔STATEUNIT〕用于輸出連續(xù)或單個(gè)方波信號(hào)，來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)行。[5]微控器電路單元〔MICRO－CONTROLLERUNIT〕微控器主要用來(lái)完成承受機(jī)器指令譯碼器送來(lái)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)展解釋或執(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〕和地址存放器〔AR〕實(shí)現(xiàn)程序的取指功能。[6]邏輯譯碼單元〔LOGUNIT〕用來(lái)根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)展譯碼使微程序轉(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，及工作存放器R0、R1、R2的選通譯碼。[7]主存儲(chǔ)器單元〔MAINMEM〕用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器指令。[8]輸入輸出單元〔INPUT/OUTPUTDEVICE〕輸入單元使用八個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)作為輸入設(shè)備，SW-B控制選通信號(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)構(gòu)造通路框圖如下：〔2〕機(jī)器指令的構(gòu)造和功能部件實(shí)驗(yàn)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(lái)完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行完畢的一個(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。模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類(lèi)指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I／O指令、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，尋址方式采用存放器直接尋址，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODERsRd其中，OP-CODE為操作碼，Rs為源存放器，Rd為目的存放器，并規(guī)定：選中的存放器〔Rs或Rd〕R0R1R2存放器的編碼000110[2]訪存指令及轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)設(shè)計(jì)2條指令，即存數(shù)(STA)、取數(shù)(LDA)、2條轉(zhuǎn)移指令，即無(wú)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：D7D6D5D4D3D2D1D0D7····D0OP-CODEMOP-CODERdD其中，OP-CODE為操作碼，Rd為目的存放器，D為位移量(正負(fù)均可)，M為尋址方式，其定義如下：尋址方式有效地址說(shuō)明00E=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)定變址存放器RI指定為存放器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：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODEaddrRd其中，addr=01時(shí)，表示選中"輸入單元〞中的開(kāi)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(lèi)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：D7D6D5D4D3D2D1D001100000(3)指令系統(tǒng)[1]本模型機(jī)共有16條根本指令。其中，算術(shù)邏輯指令9條，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(shuō)明1CLRRd011100Rd0→Rd2MOVRS,Rd1000RSRdRS→Rd3ADCRS,Rd1001RSRdRS＋Rd＋Cy→Rd4SBCRS,Rd1010RSRdRS－Rd－Cy→Rd5INCRd1011--RdRd＋1→Rd6ANDRS,Rd1100RSRdRS∧Rd→Rd7Rd110100RdRd→Rd8RRCRS,Rd1110RSRdRS帶進(jìn)位右循環(huán)一位，RS→Rd9RLCRS,Rd1111RSRdRS帶進(jìn)位左循環(huán)一位，RS→Rd10LDAM,D,Rd00M00Rd，DE→Rd11STAM,D,Rd00M01Rd，DRd→E12JMPM,D00M1000，DE→PC13BZCM,D00M1100，D當(dāng)CY=1或ZI=1時(shí)，E→PC14INaddr,Rd010001Rdaddr→Rd15OUTaddr,Rd010110RdRd→addr16HALT01100000停機(jī)[2]微指令格式表2復(fù)雜模型機(jī)微指令構(gòu)造圖微程序242322212019181716151413121110987654321控制信號(hào)S3S2S1S0MRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A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uA5~uA0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P1~P4是四個(gè)測(cè)試字位，其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)展譯碼，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(lái)說(shuō)，P1測(cè)試用于"取指令〞微指令，它用下址低四位〔uA3~uA0〕與指令存放器高四位〔IR7~IR4〕相或得到各路分支；P2測(cè)試用下址低2位〔uA1~uA0〕與指令存放器的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〔uA1~uA0〕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存。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、RI_G分別為源存放器選通信號(hào)，目的存放器選通信號(hào)及變址存放器選通信號(hào)，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)展三個(gè)工作存放器R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類(lèi)似與此，均是*芯片的選通信號(hào)，它們的功能都是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)展相應(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(xiě)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(kāi)關(guān)CLR后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA為"00〞時(shí)，按START微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。存儲(chǔ)器寫(xiě)操作〔WRITE〕：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA為"01〞時(shí)，按START微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)RAM進(jìn)展連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)入。啟動(dòng)程序：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA置為"11〞時(shí)，按START微動(dòng)開(kāi)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(kāi)關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來(lái)設(shè)置，其定義如下：SWBSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存寫(xiě)內(nèi)存啟動(dòng)程序分步設(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(xiě)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①.單步運(yùn)行程序A使編程開(kāi)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)行完畢后.可檢查存數(shù)單元中的結(jié)果是否和理論植一致.②.連續(xù)運(yùn)行程序A使〞STARTUNIT〞中的STEP開(kāi)關(guān)置為〞ECE*〞狀態(tài).STOP開(kāi)關(guān)置為〞RUN〞狀態(tài).B撥動(dòng)CLR開(kāi)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.③.假設(shè)聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí),進(jìn)入DE