第4講-設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容(簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì))

第4講—課程設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容

簡(jiǎn)單模型機(jī)的設(shè)計(jì)軟件學(xué)院張瑞華模型機(jī)設(shè)計(jì)步驟

擬定指令系統(tǒng)確定總體結(jié)構(gòu)邏輯設(shè)計(jì)確定控制方式編制指令流程編制微程序調(diào)試5.2.1擬定指令系統(tǒng)擬定指令系統(tǒng)將涉及到基本字長(zhǎng)、指令格式、指令種類(lèi)、尋址方式等內(nèi)容。這些內(nèi)容的確定又和總體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。基本字長(zhǎng)存儲(chǔ)器容量為256×8，基本字長(zhǎng)定為8位指令格式指令格式可有單字長(zhǎng)指令和雙字長(zhǎng)指令兩種在雙字長(zhǎng)格式中，第二字節(jié)一般定義為操作數(shù)或操作數(shù)地址。

操作碼OP源操作數(shù)

目的操作數(shù)基本字長(zhǎng)8位743210指令格式指令類(lèi)型模型機(jī)有單操數(shù)指令、雙操作數(shù)指令和無(wú)操作數(shù)指令。操作碼OP共4位，最多可定義16條指令。尋址方式由于指令較短、操作數(shù)字段僅兩位舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式

00R000R101（R0）01（R1）

10I10I11D11DABR0R1PCIRMAR7-0

#3RAMRDWRMDRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTREST5.2.2確定總體結(jié)構(gòu)MARA18-11(I/O)33-26(I/O)10-3(I/O)寄存器組的設(shè)置R0、R1為通用寄存器，8位。IR為指令寄存器，8位。PC程序計(jì)數(shù)器，8位。MAR為地址寄存器，8位。加法器的設(shè)置為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用為8位帶串行進(jìn)位并行加法器選擇器的設(shè)置連入A選擇器的數(shù)據(jù)來(lái)源是RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0寄存器的數(shù)據(jù)。連入B選擇器的數(shù)據(jù)來(lái)源是PC的數(shù)據(jù)和R1的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通路模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路是以總線為基礎(chǔ),以CPU為核心構(gòu)成的。取指令:

MA

CPIR RAM→選擇器A→∑→Bus→IR送指令地址PBCPMAR PC→選擇器B→∑→Bus→MAR指令計(jì)數(shù)器＋1PBc0cppc PC→選擇器B→∑→Bus→PCR0→R1RACPR1 R0→選擇器A→∑→Bus→R1R1→RAMRBWR R1→選擇器B→∑→Bus→RAM5.2.3邏輯設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)中，虛線框內(nèi)的RAM是1032E之外預(yù)先配置好的。加法器的邏輯設(shè)計(jì)如附圖2所示，模型機(jī)中的加法器是由八個(gè)一位全加器構(gòu)成，全加器之間采用簡(jiǎn)單的串行進(jìn)位。全加器邏輯原理如附圖3所示。ABR0R1PCIRMAR7-0

#3RAMRDWRMDRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTRESTMARA18-11(I/O)33-26(I/O)10-3(I/O)輸出為s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7附圖3一位加法器邏輯圖附圖38位串行進(jìn)位并行加法器a7a6…a0接A選擇器的輸出，b7b6…b0接B選擇器的輸出選擇器的設(shè)計(jì)選擇器A和選擇器B的結(jié)構(gòu)形式一樣，如附圖4所示.在控制電位EN0和EN1的控制下，分別選擇R0的或R1的數(shù)據(jù)通過(guò)選擇器，進(jìn)入加法器。EN0和EN1是互斥的，高電平有效。A選擇器的EN0、EN1分別接MA、RA；B選擇器的EN0、EN1分別接PB、RB；附圖4選擇器設(shè)計(jì)3、寄存器的設(shè)計(jì)不帶復(fù)位的寄存器結(jié)構(gòu)中R0、R1通用寄存器，可存放操作數(shù)或結(jié)果、中間結(jié)果，每個(gè)寄存器均由8個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在CPRi的作用下接收總線的數(shù)據(jù)送入寄存器，輸出連入選擇器。結(jié)構(gòu)如附圖5所示。指令寄存器IR其結(jié)構(gòu)同通用寄存器。附圖5不帶復(fù)位的八位寄存器邏輯圖帶復(fù)位的寄存器結(jié)構(gòu)中MAR地址寄存器是一個(gè)帶復(fù)位的寄存器，帶復(fù)位是指當(dāng)有復(fù)位信號(hào)時(shí)，MAR清零。邏輯圖如附圖6所示。程序計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)程序計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)如附圖6所示。PC加1是通過(guò)加法器實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位信號(hào)RET的作用是有復(fù)位信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器PC清零。附圖6帶復(fù)位的八位寄存器邏輯圖部件之間的連接由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5-10可看出，部件之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式。加法器的輸出通過(guò)總線BUS連接到所有寄存器和存儲(chǔ)器的輸入端，除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的輸出端外，其它部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器B。連線圖如附圖1所示。5.2.4確定控制方式控制命令是確定信息的流向，不同的數(shù)據(jù)通路需要不同的控制命令。圖5-10中，涉及到了許多控制命令例如CPR0、CPMAR、MA、RB、

等等，這些命令如何產(chǎn)生？通常有兩種方式，即組合邏輯方式和微程序方式，模型機(jī)采用微程序方式。微程序的執(zhí)行方式采用增量、垂直方式。ABR0R1PCIRMAR7-0

#3RAMRDWRMDRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTREST確定總體結(jié)構(gòu)MARA18-11(I/O)33-26(I/O)10-3(I/O)微程序控制器的結(jié)構(gòu)

如圖4-4所示，主要由控制存儲(chǔ)器ROM2#、ROM1#、微指令寄存器IR15-8、IR7-0構(gòu)成。L15-8、L7-0用于顯示微指令寄存器IR的內(nèi)容，便于觀察。

微程序控制器時(shí)序PPP脈沖的低電平用做控制存儲(chǔ)器讀命令μRDP脈沖的上升邊沿將讀出的微指令送

μIR脈沖的上升邊沿將形成的后繼地址送微程序計(jì)數(shù)器

μPC，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果（總線的數(shù)據(jù)）送指定的寄存器。3、微指令格式微指令字長(zhǎng)16位即

μIR15～

μIR0。（1）微指令字段定義A選擇器控制：

μIR15·μIR1400備用01RA10MA11備用2-4譯碼器，互斥B選擇器控制：

μIR13·

μIR1200備用01PB10RB11備用2-4譯碼器，互斥輸出分配：

μIR11·

μIR10·

μIR9000備用001CPR0010CPR1011CPPC100CPIR101CPMAR110備用111備用3-8譯碼器，互斥低位進(jìn)位控制：

μIR80C0＝01C0＝1存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制：

μIR5·

μIR410RD01WR后繼微地址形成方式：μIR2·

μIR1·

μIR0000備用001μPC＋1順序執(zhí)行010JP無(wú)條件轉(zhuǎn)移，地址由IR15-8提供。011QJP高四位按操碼轉(zhuǎn)移，低4位為0。100YJP給定高4位低4位按源尋址方式轉(zhuǎn)移。101MJP給定高4位低4位按目尋址方式轉(zhuǎn)移。110備用111備用3-8譯碼器，互斥（2）微命令形成邏輯微命令形成邏輯電路如圖5-12所示。圖中二—四譯碼器邏輯原理如附圖3所示。三—八譯碼器邏輯原理如附圖8所示。

μPC

微地址形成部件PLDJPQJP操作嗎IR8-5微指令μIR15-8后繼地址形成部件是多路選擇器（3）后繼微地址產(chǎn)生邏輯為簡(jiǎn)單起見(jiàn)只選三種后繼微地址生成方式即增量方式、無(wú)條件轉(zhuǎn)移方式、按操作碼轉(zhuǎn)移方式。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5-13所示。當(dāng)LD＝1時(shí)，微程序計(jì)數(shù)

μPC執(zhí)行加1操作。當(dāng)LD＝0時(shí)且JP＝1時(shí)，無(wú)條件轉(zhuǎn)移。當(dāng)LD＝0時(shí)且QJP＝1時(shí)，按操作碼轉(zhuǎn)移。附圖9，圖1中的COUNTERC附圖7后繼微地址形成邏輯附圖7后繼地址形成電路，圖1中CONTROL功能：多路選擇器當(dāng)JP=1，QJP=0時(shí)Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=μIR15μIR14μIR13μIR12μIR11μIR10μIR9μIR8當(dāng)JP=0，QJP=1時(shí)Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=IR7

IR6

IR5

IR4

00004、微程序編寫(xiě)編寫(xiě)程序

MOV105#，R0MOV201#，R1ADDR0，R1MOV3R1，（R0）（2）操作碼二進(jìn)制代碼MOV1：0001MOV2：0010ADD：0011MOV3：0100

操作碼OP源操作數(shù)

目的操作數(shù)基本字長(zhǎng)8位743210指令格式源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式

00R000R101（R0）01（R1）

10I10I11D11D程序代碼：地址代碼地址內(nèi)容000011000100000101200101000300000001400110000501000001（3）微程序入口（十六進(jìn)制代碼）取指令入口：00HMOV1入口：10HMOV2入口：20HADD入口：30HMOV3入口：40H（4）指令執(zhí)行流程00

↓

RAM→IR

↓PC+1→PC10↓20↓30↓40↓PC→MARPC→MARR0+R1

→R1R0→MAR

↓

↓

↓

↓PC+1→PCPC+1→PCPC→MARR1→RAM

↓

↓

↓

↓RAM→R0RAM→R1JPPC→MAR

↓

↓

↓PC→MARPC→MARJP

↓

↓JPJP（5）編制微程序根據(jù)指令流程和微指令格式就可以開(kāi)始編制微程序。指令流程中每一個(gè)流程對(duì)應(yīng)一條微指令，結(jié)合總體結(jié)構(gòu)框圖5-10，寫(xiě)出這個(gè)流程所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通路的控制命令。例RAM→IR所需的控制命令是MA，

，CPIR并在表3-1中的相應(yīng)位置填寫(xiě)上“1”，不需要的命令填寫(xiě)“0”。另外每一條微指令都要確定下條微指令地址的生成方式。微代碼：5.2.5分調(diào)將模式開(kāi)關(guān)置于分調(diào)1、1032E系統(tǒng)平臺(tái)上的所有開(kāi)關(guān)和發(fā)光二極管（除L之外）均隨意編程用作數(shù)據(jù)輸入和狀態(tài)顯示。選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中典型部件進(jìn)行功能測(cè)試看是否滿足要求，若有錯(cuò)改之。典型部件如下：選擇器A

帶復(fù)位的寄存器MAR

不帶復(fù)位的寄存器R0

程序計(jì)數(shù)器PC在部件設(shè)計(jì)無(wú)錯(cuò)、連線無(wú)錯(cuò)、1032E的管腳定義無(wú)錯(cuò)時(shí)可生成下載文件下載到1032E中。（下載時(shí)開(kāi)關(guān)置統(tǒng)調(diào)）2、單片機(jī)系統(tǒng)微程序經(jīng)過(guò)檢查無(wú)誤將模式開(kāi)關(guān)置分調(diào)后通過(guò)鍵盤(pán)以十六進(jìn)制寫(xiě)入2#RAM和1#RAM