組成原理課程設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路微指令格式微程序流程圖一、基本要求：設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路微指令格式微程序流程圖具體內(nèi)容：1.數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)時(shí)3序.系統(tǒng)微5程.序控制器微7程.序代碼表二、模型機(jī)設(shè)計(jì)1.數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)的約定數(shù)據(jù)格式模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，且字長(zhǎng)為位，其格式如下：符號(hào)數(shù) 據(jù)其中第位為符號(hào)位，數(shù)值表示范圍是：1V。指令系統(tǒng)模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類(lèi)指令共條，其中包括算術(shù)邏輯指令（條）/指令（條）訪內(nèi)及轉(zhuǎn)移指令（2條）和停機(jī)指令（1條）。因?yàn)橹噶钕到y(tǒng)共16條指令，所以操作碼是4位。由于模型機(jī)機(jī)器字長(zhǎng)為8位，故設(shè)計(jì)單字長(zhǎng)指令和雙字長(zhǎng)指令供使用。（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：其中， 為操作碼，為源寄存器，為目的寄存器，并規(guī)定：條算術(shù)邏輯指令的名稱(chēng)、功能和具體格式。訪內(nèi)指令及轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)設(shè)計(jì)條訪問(wèn)指令，即存數(shù)、取數(shù)，條轉(zhuǎn)移指令，即無(wú)條件轉(zhuǎn)移、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令 ，指令格式為：其中， 為操作碼， 為目的寄存器，為位移量正負(fù)均可）為尋址方式，其定義如下：尋址方式有效地址說(shuō)明直接尋址間接尋址變址尋址相對(duì)尋址（3）輸入輸出指令格式如下：

其中， 時(shí)，選中“ ”中的開(kāi)關(guān)組作為入設(shè)備， 時(shí)，選中“”中的數(shù)碼快作為輸出設(shè)備。停機(jī)指令格式如下：這類(lèi)指令只有一條，即停機(jī)指令(5停模型機(jī)指令系統(tǒng)指令類(lèi)型操作名稱(chēng)及用法功能指令格式算術(shù)邏輯指令傳送加法減法自增+T與比較的結(jié)果影響狀態(tài)位：若,則清零帶進(jìn)位右循環(huán)一位■■■帶進(jìn)位左循環(huán)一位???訪內(nèi)及轉(zhuǎn)移指令存數(shù)取數(shù)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)若條件位或，！則跳轉(zhuǎn)指令輸入輸出停機(jī)指令停機(jī)數(shù)據(jù)通路簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線、輸入輸出和時(shí)序產(chǎn)生器組成。在模型機(jī)中，我們將要實(shí)現(xiàn)的讀寫(xiě)指令，寄存器的讀寫(xiě)指令，跳轉(zhuǎn)指令，的加、減、與、或指令。把通用寄存器作為累加器，進(jìn)行左、右移等指令，整體構(gòu)成一個(gè)單累加器多寄存器的系統(tǒng)。運(yùn)算器模塊主要由四片 、暫存器兩片 等構(gòu)成。其中 可通過(guò)控制器相應(yīng)的控制指令來(lái)進(jìn)行某種運(yùn)算，具體由、1、、、來(lái)決定。是它的工作脈沖，正跳變有效。寄存器堆模塊為實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)提供了2個(gè)8位通用寄存器。它們用來(lái)

保存操作數(shù)及其中間運(yùn)算結(jié)果，它對(duì)運(yùn)算器的運(yùn)算速度、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等都有密切關(guān)系。在該運(yùn)算器中，有兩片 組成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。數(shù)據(jù)的來(lái)源由 寄存器提供，產(chǎn)生位數(shù)據(jù)分別送入到 運(yùn)算器中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。主存儲(chǔ)器單元電路主要用于存放實(shí)驗(yàn)機(jī)的機(jī)器指令，它的數(shù)據(jù)總線掛在外部數(shù)據(jù)總線 ? 上;它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器 （7給出，地址值由個(gè)燈? 顯示，高電平亮，低電平滅；在手動(dòng)方式下，輸入數(shù)據(jù)由鍵盤(pán)提供，并經(jīng)一三態(tài)門(mén) （5連至外部數(shù)據(jù)總線 ? ，實(shí)驗(yàn)時(shí)將外部數(shù)據(jù)總線?用芯排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 ? ，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。它的讀信號(hào)直接接地；它的寫(xiě)信號(hào)和片選信號(hào)由寫(xiě)入方式確定。該存儲(chǔ)器中機(jī)器指令的讀寫(xiě)分手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)方式下，寫(xiě)信號(hào)由 提供，片選信號(hào)由提供；自動(dòng)方式下，寫(xiě)信號(hào)由控制 的 提供，片選信號(hào)由控制 的提供。由于地址寄存器為位，故接入 的地址為?，而高位?接地，所以其實(shí)際使用容量為 字節(jié)。 有四個(gè)控制線： 第一片選線、 第二片選線、讀線、寫(xiě)線。片選線由控制（對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)）、讀線直接接地、寫(xiě)線由控制（對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)）、直接接。為了向主存儲(chǔ)器 中裝入程序或數(shù)據(jù)，并且檢查寫(xiě)入是否正確以及能運(yùn)行主存儲(chǔ)器中的程序，必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制操作微程序。?存儲(chǔ)器讀操作：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)后，置控制開(kāi)關(guān) 、 為“ ”時(shí)，按要求連線后，連續(xù)按“啟動(dòng)運(yùn)行”開(kāi)關(guān)，可對(duì)主存儲(chǔ)器 連續(xù)手動(dòng)讀操作。?存儲(chǔ)器寫(xiě)操作：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)后，置控制開(kāi)關(guān) 、 為“ ”時(shí)，按要求連線后，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開(kāi)關(guān)，可對(duì)主存儲(chǔ)器 進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)入。?運(yùn)行程序：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)后，置控制開(kāi)關(guān) 、為“”時(shí)，按要求連線后，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開(kāi)關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第?1號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。指令寄存器用來(lái)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把指令從內(nèi)存去到中，然后再傳送至。指令由操作碼和地址碼字段組成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)節(jié)拍脈沖的控制以便識(shí)別所要求的操作。指令譯碼器根據(jù)指令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序的首址。本系統(tǒng)有兩種外部設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開(kāi)關(guān)，它作為輸入設(shè)備；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備。輸入時(shí)二進(jìn)制開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)三態(tài)門(mén)送到外部數(shù)據(jù)總線上，只要開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫(xiě)信號(hào)有效時(shí)將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。根據(jù)計(jì)算機(jī)的執(zhí)行原理對(duì)各個(gè)元部件進(jìn)行狀態(tài)控制，最終設(shè)計(jì)出模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路框圖見(jiàn)附件一的圖。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，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(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。數(shù)據(jù)的通路從程序計(jì)數(shù)器的地址送到主存的地址寄存器，根據(jù)地址寄存器的內(nèi)容找到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是指令時(shí)，那么數(shù)據(jù)是從 送到總線，再?gòu)目偩€送到中。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是需要加工的數(shù)據(jù)時(shí)，那么數(shù)據(jù)是從 送到總線，再?gòu)目偩€送到通用寄存器中等待加工。數(shù)據(jù)加工過(guò)程中，兩個(gè)數(shù)據(jù)是從總線上將數(shù)據(jù)分別分時(shí)壓入兩個(gè)暫存器中，等待運(yùn)算部件的加工，在數(shù)據(jù)加工完成以后。運(yùn)算結(jié)果是通過(guò)三太門(mén)送到總線上。三態(tài)門(mén)的控制時(shí)由微控制器來(lái)控制。時(shí)序系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)裝置的主存模塊和操作控制器模塊都帶有時(shí)序電路，在連續(xù)或單脈沖源的作用下時(shí)序電路能連續(xù)或單步地輸出1、、4信號(hào)，并有啟?？刂菩盘?hào)。在微程序控制器中，機(jī)器指令和微指令的時(shí)序關(guān)系比較簡(jiǎn)單，所以時(shí)序電路也比較簡(jiǎn)單。讀取一個(gè)控存單元的時(shí)間與機(jī)器指令的周期的時(shí)間相同,指令周期等于周期與本質(zhì)了所含微指令條數(shù)的積。時(shí)序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)見(jiàn)附件的圖。節(jié)拍電位與節(jié)拍脈沖時(shí)序關(guān)系圖見(jiàn)附件3的圖3。微指令格式微指令格式采用水平型微指令，微命令編碼采用直接表示法和字段直接譯碼法相結(jié)合的混合表示法，以縮短微指令長(zhǎng)度，后繼地址采用斷定方式，微指令格式如下：控制字段（）判別字段（位）下址字段（位）操作控制字段15位，通過(guò)直接或字段譯碼方式對(duì)數(shù)據(jù)通路進(jìn)行控制。下址字段6位，從而確定控制存儲(chǔ)器容量為64個(gè)單元。判別測(cè)試字段位，通過(guò)字段譯碼可用于規(guī)定種測(cè)試方式，以及一種不測(cè)試。當(dāng)?shù)那闆r下，按下址字段的地址直接取下一條微指令。具體微指令格式內(nèi)容見(jiàn)附件三的圖4，3，，M:為運(yùn)算器 芯片的控制信號(hào)。:為信號(hào)對(duì)和 進(jìn)行讀寫(xiě)操作，高電平為寫(xiě)有效。,9為對(duì)外部設(shè)備（ ）地址進(jìn)行譯碼。字段內(nèi)容具體見(jiàn)附件。:寄存器選中，具體選擇同的最低位（，）配合。當(dāng)I1I0時(shí)=為0輸0入到R0寄存器；當(dāng)I1I時(shí)=為0輸1入到1寄存器當(dāng)I1I時(shí)=為1輸0入到2寄存器:暫存器選中。:暫存器選中。指令寄存器選中。A總線數(shù)據(jù)直接裝載在計(jì)數(shù)器中。A地址寄存器選中。字段內(nèi)容具體見(jiàn)附件3。:為源寄存器輸出選中。具體選擇同的，位（，2配合。當(dāng) 時(shí)為輸入到寄存器；當(dāng) 時(shí)為輸入到寄存器；當(dāng) 時(shí)為輸入到寄存器；-為目的寄存器輸出選中。具體選擇同指令寄存器（）的最低位（，）配當(dāng)I1時(shí)為0寄存器輸出；當(dāng)I1時(shí)為1寄存器輸出當(dāng)I1時(shí)為2寄存器輸出；:為變址寄存器選中。本機(jī)固定為。:為移位寄存器輸出選中。:邏輯運(yùn)算單元結(jié)果輸出。: 計(jì)數(shù)器輸出。字段：C）：分支判斷，和指令寄存器（）的高四位（ ）作為測(cè)試條件?？煞謧€(gè)分支。（）：分支判斷，和指令寄存器（）的三四位（， ）作為測(cè)試條件，有個(gè)分支。（）：分支判斷，和或作為測(cè)試條件，有兩個(gè)分支。（）：分支判斷，和開(kāi)關(guān)， 作為測(cè)試條件，有個(gè)分支。用于控制臺(tái)控制區(qū)（讀程序，寫(xiě)程序，和運(yùn)行程序）。:進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)是否影響進(jìn)位和判零標(biāo)志的控制位。選中時(shí)進(jìn)行帶進(jìn)位運(yùn)算。L為計(jì)數(shù)信號(hào)選中。微程序控制器微程序控制器的結(jié)構(gòu)與微指令的格式密切相關(guān)。它由控制存儲(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)度即為一條微指令的長(zhǎng)度，二者合在一起稱(chēng)為微指令寄存器。微控制器寄存器使用的是兩片 和一片 構(gòu)成它們從微命令存儲(chǔ)器中讀出并保存，為后續(xù)模塊提供信息。它是根據(jù)節(jié)拍信號(hào)進(jìn)行讀的。微程序控制器的工作過(guò)程：開(kāi)始運(yùn)行程序時(shí)自動(dòng)將取指令的微程序入口地址送入 ，啟動(dòng)控制存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作將微指令送入 。指令的操作碼部分經(jīng)譯碼器產(chǎn)生一組微命令，送到有關(guān)部件控制完成一組微操作。c.由微地址產(chǎn)生邏輯或微指令的下字址給出下一條微指令的地址。再按取微指令。執(zhí)行微指令的過(guò)程重復(fù)。微程序控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)附件3圖五。微程序流程圖當(dāng)擬定“取址”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為）（1）測(cè)試。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此）（1）的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支?？刂婆_(tái)操作為（）測(cè)試，它以控制臺(tái)開(kāi)關(guān)、 作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用一個(gè)微地址單元隨意填寫(xiě)。注意：微程序流程圖上的地址為進(jìn)制。指令中的、 是四條雙字長(zhǎng)的指令。他們有四種尋址方式分別是直接、間接、變址、相對(duì)。指令在操作地址的時(shí)候都是先得到地址然才能操作。在這里設(shè)計(jì)的過(guò)程使用的也是同樣的思想。在指令譯碼的過(guò)程中對(duì)這四條指令使用的方式不是直接判斷應(yīng)該執(zhí)行什么指令，而是先判斷應(yīng)該使用怎樣的尋址方式先找到應(yīng)該操作的主存地址再進(jìn)行操作。間接尋址的方式的 指令如下：第一步： 從地址指針 中得到地址送到地址寄存器（）中，自動(dòng)加一。第二步： 主存（）中讀出東西送到總線上，送到指令寄存器（）中。第三步：將（）中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼。判斷下一條指令的地址。第四步：（）由于是 指令是一條雙子長(zhǎng)指令。所以在此再次執(zhí)行第一步即可。TOC\o"1-5"\h\z第五步：（）將主存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到 中。第六步： 將中的內(nèi)容送到 中。第七步：（）將與 中的數(shù)據(jù)相加后送到中，是 指令操作地址。并進(jìn)行判斷執(zhí)行的是哪種地址。第八步：（）將相應(yīng)的寄存器中的內(nèi)容送到 中。第九步：回到原操作。微程序流程圖、控制臺(tái)流程圖見(jiàn)附件4圖6。微程序代碼表微程序代碼表見(jiàn)附件5圖7。三、總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)我們要設(shè)計(jì)一臺(tái)微程序控制的模型機(jī)，使我們對(duì)計(jì)算機(jī)能有一個(gè)整機(jī)的概念,以完成對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理這門(mén)課程的綜合應(yīng)用，達(dá)到學(xué)習(xí)本書(shū)的作用。通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)使我進(jìn)一步熟悉了計(jì)算機(jī)組成原理的基本知識(shí)，同時(shí)也了解了模型機(jī)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，掌握了一些基本的軟硬件設(shè)計(jì)知識(shí)并對(duì)其進(jìn)行了基本的運(yùn)用。在模型機(jī)的設(shè)計(jì)中運(yùn)用了很多知識(shí)，也學(xué)習(xí)了許多設(shè)計(jì)技巧。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我主要是通過(guò)查閱書(shū)本及其他資料及瀏覽網(wǎng)頁(yè)完成對(duì)基本功能部件的功能的了解。在課程設(shè)計(jì)中，微控制器的設(shè)計(jì)是最為復(fù)雜的一項(xiàng)，在微控