指令微指令系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-副本

目錄1.需求分析 11.1DJ-CPTH簡(jiǎn)介 11.2DJ-CPTH特點(diǎn) 1采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu) 1計(jì)算機(jī)功能模塊化設(shè)計(jì) 1智能化控制 1提供兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?2開(kāi)放性設(shè)計(jì) 2支持中斷實(shí)驗(yàn) 2支持兩種控制器實(shí)驗(yàn) 2支持子程序調(diào)用、返回、指令流水線(xiàn)和RISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。 2配備以Win98/2000/XP為操作平臺(tái)的集成調(diào)試軟件包 21.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成 31.4構(gòu)建指令系統(tǒng)的方法 32．系統(tǒng)設(shè)計(jì) 42.1設(shè)計(jì)指令集 42.2構(gòu)建指令系統(tǒng)文件 42.3下載運(yùn)行并調(diào)試 83．總結(jié) 93.1設(shè)計(jì)體會(huì) 93.2系統(tǒng)改良 104．參考文獻(xiàn) 101.需求分析1.1DJ-CPTH簡(jiǎn)介DJ-CPTH型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)<以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)>，是由江蘇啟東市東疆計(jì)算機(jī)結(jié)合國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，最新研制開(kāi)發(fā)的超強(qiáng)型實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)裝置<以下簡(jiǎn)稱(chēng)模型機(jī)>。該系統(tǒng)采用單片機(jī)管理和EDA控制技術(shù)，自帶鍵盤(pán)和液晶顯示器，支持脫機(jī)和聯(lián)PC機(jī)兩種工作模式，運(yùn)用系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)碼管等實(shí)時(shí)監(jiān)視，全面動(dòng)態(tài)管理模型機(jī)的運(yùn)行和內(nèi)部資源。模型機(jī)軟硬件配置完整，支持8位字長(zhǎng)的多種尋址方式，指令豐富，系統(tǒng)支持RS-232C串行通訊，并配有以win98/2000/XP為操作平臺(tái)的動(dòng)態(tài)跟蹤集成調(diào)試軟件，示教效果極佳，特別適用于計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。1.2DJ-CPTH特點(diǎn)采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)具有結(jié)構(gòu)清晰，擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。DJ-CPTH實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用三組總線(xiàn)即地址總線(xiàn)ABUS、數(shù)據(jù)總線(xiàn)DBUS、指令總線(xiàn)IBUS和控制信號(hào)，CPU、主存、外設(shè)和管理單片機(jī)等部件之間通過(guò)外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳輸，CPU內(nèi)部那么通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳輸信息。各部件之間，通過(guò)三態(tài)緩沖器作接口連接，這樣一方面增強(qiáng)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力，另一方面在模型機(jī)停機(jī)時(shí)，三態(tài)門(mén)輸出浮空，能保證不管模型機(jī)的CPU工作是否正常，管理單片機(jī)總能讀/寫(xiě)主存或控存。計(jì)算機(jī)功能模塊化設(shè)計(jì)DJ-CPTH為實(shí)驗(yàn)者提供運(yùn)算器模塊ALU，眾多存放器模塊〔A，W，IA，ST，MAR，R0…R3等〕，程序計(jì)數(shù)器模塊PC，指令部件模塊IR，主存模塊EM，微程序控制模塊〈控存〉uM，微地址計(jì)數(shù)器模塊UPC，組合邏輯控制模塊及I/O等控制模塊。各模塊間的電源線(xiàn)、地線(xiàn)、地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)等已分別連通，模塊內(nèi)各芯片間數(shù)據(jù)通路也已連好，各模塊的控制信號(hào)及必要的輸出信號(hào)已被引出到主板插孔，供實(shí)驗(yàn)者按自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行連接。智能化控制系統(tǒng)在單片機(jī)監(jiān)控下，管理模型機(jī)運(yùn)行和讀寫(xiě)，當(dāng)模型機(jī)停機(jī)時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可通過(guò)系統(tǒng)鍵盤(pán)，讀寫(xiě)主存或控存指定單元的內(nèi)容，使模型機(jī)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)開(kāi)發(fā)。模型機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)提供單步一條微指令〔微單步〕、單步一條機(jī)器指令〔程單步〕，連續(xù)運(yùn)行程序及無(wú)限止暫停等調(diào)試手段，能動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，流向、捕捉各種控制信息，實(shí)時(shí)反映模型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，使實(shí)驗(yàn)者及時(shí)了解程序和微程序設(shè)計(jì)的正確性，便以修改。提供兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ舰偈謩?dòng)運(yùn)行“Hand……”：通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和發(fā)光二極管二進(jìn)制電平顯示，支持最底層的手動(dòng)操作方式的輸入/輸出和機(jī)器調(diào)試。②自動(dòng)運(yùn)行：通過(guò)系統(tǒng)鍵盤(pán)及液晶顯示器或PC機(jī)，直接接輸入或編譯裝載用戶(hù)程序<機(jī)器碼程序和微程序>，實(shí)現(xiàn)微程序控制運(yùn)行，運(yùn)用多種調(diào)試手段運(yùn)行用戶(hù)程序，使實(shí)驗(yàn)者對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理一目了然。開(kāi)放性設(shè)計(jì)運(yùn)算器采用了EDA技術(shù)設(shè)計(jì)，隨機(jī)出廠(chǎng)時(shí)，已提供一套已裝載的方案，能進(jìn)行加、減、與、或、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、取反、直通八種運(yùn)算方式，假設(shè)用戶(hù)不滿(mǎn)意該套方案，可自行重新設(shè)計(jì)并通過(guò)JTAG口下載。邏輯控制器由CPLD實(shí)現(xiàn)，也可進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并通過(guò)JTAG口下載。用戶(hù)還可以設(shè)計(jì)自己的指令/微指令系統(tǒng)。系統(tǒng)中已帶三套指令/微程序系統(tǒng)，用戶(hù)可參照來(lái)設(shè)計(jì)新的指令/微程序系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)均在總線(xiàn)接口區(qū)引出，并設(shè)計(jì)了40芯鎖進(jìn)插座，供用戶(hù)進(jìn)行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。支持中斷實(shí)驗(yàn)采用最底層的器件設(shè)計(jì)，讓學(xué)生可以從微程序?qū)用嫔蠈W(xué)習(xí)中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷入口地址的產(chǎn)生、中斷效勞程序及中斷返回〔RETI〕整個(gè)過(guò)程。支持兩種控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供兩種控制器方式，即微程序控制器和組合邏輯控制器。在微程序控制器中，系統(tǒng)能提供在線(xiàn)編程，實(shí)時(shí)修改程序，顯示程序并進(jìn)行調(diào)試的操作環(huán)境。組合邏輯控制器，已下載有一套完整的實(shí)驗(yàn)方案，用戶(hù)也可使用CPLD工具在PC機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。支持子程序調(diào)用、返回、指令流水線(xiàn)和RISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。配備以Win98/2000/XP為操作平臺(tái)的集成調(diào)試軟件包系統(tǒng)支持RS-232C串行通訊，借助PC資源形成了強(qiáng)大的在線(xiàn)文檔與圖形的動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，自帶編譯器，支持匯編語(yǔ)言的編輯、編譯、調(diào)試，一次點(diǎn)擊即可完成程序和與其對(duì)應(yīng)微程序的鏈接裝載并自動(dòng)彈出調(diào)試窗口，在主界面中開(kāi)辟了程序和與其對(duì)應(yīng)微程序的調(diào)試、模型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖〔點(diǎn)擊各模塊即可修改雙向模塊參數(shù)〕、微程序等跟蹤顯示窗口，供用戶(hù)選擇，可動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)流向、實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)、地址、控制總線(xiàn)的各種信息，使調(diào)試過(guò)程極為生動(dòng)形象。1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成CPTH計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開(kāi)關(guān)電源、軟件三大局部組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上有存放器組R0-R3、運(yùn)算單元、累加器A、暫存器W、直通/左移/右移單元、地址存放器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲(chǔ)器單元、微地址存放器、指令存放器、微程序控制器、組合邏輯控制器、擴(kuò)展單元、總線(xiàn)接口區(qū)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)/指示燈、邏輯筆、脈沖源、管理單片機(jī)、24個(gè)按鍵、字符式LCD、RS232。1.4構(gòu)建指令系統(tǒng)的方法CPTH內(nèi)已經(jīng)內(nèi)嵌了一個(gè)智能化匯編語(yǔ)言編譯器，可以對(duì)用戶(hù)設(shè)定的指令助記符進(jìn)行匯編。(1).結(jié)合模型機(jī)的尋址方式設(shè)計(jì)以及硬件要求指令助記符。(2).根據(jù)CPTH實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所給的24個(gè)控制位，分別對(duì)其賦予0或1以產(chǎn)生24位作信號(hào)，即產(chǎn)生一條微指令。(3).據(jù)設(shè)計(jì)指令的功能，產(chǎn)生一個(gè)微指令序列，以實(shí)現(xiàn)該指令。

2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)指令集根據(jù)要求可設(shè)計(jì)如下的指令集：指令助記符指令意義描述MOVA,#II將立即數(shù)II的值送到累加器A里MOVR?,A將累加器A的值送到存放器R?中ANDA,R?累加器A“與”存放器R？的值RRA累加器A右移ORA,R?累加器A“或”存放器R？的值CPLA累加器A取反，再存入累加器A中ADDA,R?將存放器R？的值參加累加器A中IN從輸入端口讀入數(shù)據(jù)到累加器A中OUT將累加器A中數(shù)據(jù)輸出到輸出端口2.2構(gòu)建指令系統(tǒng)文件因?yàn)橛布到y(tǒng)需要指令機(jī)器碼的最低兩位做為R0-R3存放器尋址用，所以指令機(jī)器碼要忽略掉這兩位。一.創(chuàng)立指令系統(tǒng)(助記符、機(jī)器碼)1．翻開(kāi)CPTH組成原理實(shí)驗(yàn)軟件，選擇[文件|新建指令系統(tǒng)/微程序]，去除原來(lái)的指令/微程序系統(tǒng)，觀察軟件下方的“指令系統(tǒng)”窗口，所有指令碼都“未使用”?！惨?jiàn)圖1〕圖12．選擇第二行，即“機(jī)器碼1”為000001XX行，在下方的“助記符”欄填入數(shù)據(jù)裝載功能的指令助記符“MOV”，在“操作數(shù)1”欄選擇“A”，表示第一個(gè)操作數(shù)為累加器A。在“操作數(shù)2”3．選擇第三行，即“機(jī)器碼1”為000010XX行，在下方的“助記符”欄填入數(shù)據(jù)裝載功能的指令助記符“MOV”，在“操作碼1”欄選擇“R?”，表示第一操作數(shù)為存放器R？，在“操作數(shù)2”欄選擇“A4．選擇第四行，即“機(jī)器碼1”為000011XX行，在下方的“助記符”欄填入與功能的指令助記符“AND”，在“操作數(shù)1”欄選擇“A”，表示第一個(gè)操作數(shù)為累加器A。在“操作數(shù)2”欄選擇“R?”，表示第二個(gè)操作數(shù)為存放5．選擇第五行，即“機(jī)器碼1”為000100XX行，在下方的“助記符”欄填入右移功能的指令助記符“RR”，在“操作碼1”欄選擇“A”6．選擇第六行，即“機(jī)器碼1”為000011XX行，在下方的“助記符”欄填入或功能的指令助記符“OR”，在“操作碼1”欄選擇“A”，表示第一操作數(shù)為累加器A，。在“操作數(shù)2”欄選擇“R?”，表示第二個(gè)操作數(shù)為存放7．選擇第七行，即“機(jī)器碼1”為000011XX行，在下方的“助記符”欄填入取反功能的指令助記符“CPL”，在“操作碼1”欄選擇“A”，表示第一操作數(shù)為累加器8．選擇第八行，即“機(jī)器碼1”為000011XX行，在下方的“助記符”欄填入?yún)⒓庸δ艿闹噶钪浄癆DD”，在“操作碼1”欄選擇“A”，表示第一操作數(shù)為累加器A，。在“操作數(shù)2”欄選擇“R？”，表示第二個(gè)操作數(shù)為存放二．下面我們根據(jù)指令的功能來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的微程序。將窗口切換到“uM微程序”窗口，現(xiàn)在此窗口中所有微指令值都是0FFFFFFH，也就是無(wú)任何操作，我們需要在此窗口輸入每條指令的微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)該指令的功能。(1)每個(gè)程序開(kāi)始要執(zhí)行的第一條微指令應(yīng)是取指操作，因?yàn)槌绦驈?fù)位后，PC和uPC的值都為0，所以微程序的0地址處就是程序執(zhí)行的第一條取指的微指令。取指操作要做的工作是從程序存儲(chǔ)器EM中讀出下條將要執(zhí)行的指令，并將指令的機(jī)器碼存入指令存放器IR和微程序計(jì)數(shù)器uPC中，讀出下條操作的微指令。根據(jù)此功能，觀察窗口下方的各控制信號(hào)，有“勾”表示信號(hào)為高，處于無(wú)效狀態(tài)，去掉“勾”信號(hào)為低，為有效狀態(tài)。要從EM中讀數(shù)，EMRD必需有效，去掉信號(hào)下面的“勾”使其有效；讀EM的地址要從PC輸出，所以PCOE要有效，允許PC輸出，去掉PCOE下面的“勾”，PCOE有效同時(shí)還會(huì)使PC加1，準(zhǔn)備讀EM的下一地址；IREN是將EM讀出的指令碼存入uPC和IR，所以要去掉IREN的“勾”使其有效。這樣，取指操作的微指令就設(shè)計(jì)好了，取指操作的微指令的值為CBFFFFH。然后把助記符＂_FATCH_＂，狀態(tài)＂T0＂，微地址＂００＂，微程序＂CBFFFFH＂．．〔其余為注釋可略〕，按照上表格式填入，其余類(lèi)同．MOVA，#*：本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)時(shí)，上次讀出的指令機(jī)器碼為7CH，存入uPC中做為微程序存儲(chǔ)器uM的地址，讀出微指令的值為0C7FFF7H，對(duì)應(yīng)到各個(gè)控制位就是EMRDPCOE、EMEN及AEN為低，處于有效狀態(tài)，其它控制位為無(wú)效狀態(tài)。由于上條微指令〔取指操作〕已將PC加1，此時(shí)PCOE是將加1后的PC輸出到ABUS做為程序存儲(chǔ)器EM的地址，EMRD就是從程序存儲(chǔ)EM中讀出數(shù)據(jù)，本指令中讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)為01H，EMEN將讀出的數(shù)據(jù)送到DBUS總線(xiàn)上，AEN是將DBUS總線(xiàn)上的值存入累加器A中。同時(shí)uPC加1為執(zhí)行下條微指令做準(zhǔn)備，PC加1為讀取下一條指令做準(zhǔn)備。每條指令的最后一條微指令一定是取指令操作，本指令的T0狀態(tài)周期即為取指令，執(zhí)行上一條微指令時(shí)uPC已經(jīng)加1，按照此uPC為地址從微程序存儲(chǔ)器uM讀出的微指令的值為0CBFFFFH，參照第步的說(shuō)明，此微指令從程序存儲(chǔ)器EM中讀取指令?！惨?jiàn)圖2〕〔圖2〕RRA：本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)，由上次取指操作取出的指令碼為D0H，訪(fǎng)問(wèn)微程序存儲(chǔ)器的20H單元，讀出微指令值為0FFFCB7H，有效位為CN、FEN及AEN，表示不帶進(jìn)位移位，運(yùn)算器控制S2S1S0=111(二進(jìn)制)表示運(yùn)算不運(yùn)算，輸出結(jié)果就為A的值，X2X1X0=101(二進(jìn)制)表示，運(yùn)算器“右移”輸出到總線(xiàn)，F(xiàn)EN將標(biāo)志位保存，AEN將DBUS內(nèi)容存入A中，uPC加1取出下條微令。在T0狀態(tài)，取出下條將要執(zhí)行的指令。RLCA：本指令有兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)微指令為0FFFED7H，CN=1表示帶進(jìn)位移位，S2S1S0=111表示ALU不做運(yùn)算，直接輸出A內(nèi)容，X2X1X0=110(二進(jìn)制)表示，運(yùn)算器“左移”輸出到DBUS，AEN表示DBUS內(nèi)容存入A中，F(xiàn)EN表示保存標(biāo)志位。T0狀態(tài)為取指操作。取出下條將要執(zhí)行的指令。MOVR?，A：本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)，微指令為0FFFB9FH,將累加器A的數(shù)值送到存放器R？中。T0狀態(tài)為取指操作。取出下條將要執(zhí)行的指令。SUBA，#*：本指令有三個(gè)狀態(tài)周期。在T2狀態(tài)，微指令為0C7FFEFH，表示從EM中讀出數(shù)據(jù)送到DBUS再存到W中。在T1狀態(tài)微指令為0FFFE95H，表示ALU做“減運(yùn)算”，其結(jié)果直通到DBUS，再存入中，同時(shí)保存標(biāo)志位。T0狀態(tài)為取指操作。ADDA，R?：本指令為三個(gè)狀態(tài)周期。在T2狀態(tài)，微指令值為0FFF7EFH，表示從EM中讀出數(shù)據(jù)送到DBUS，再將DBUS數(shù)據(jù)存W中。在T1狀態(tài)，微指令為0FFFE90H，表示A和W做“邏輯與”運(yùn)算，結(jié)果直通到DBUS，再存入A中，并保存標(biāo)志位。ORA，R?：本指令有三個(gè)狀態(tài)周期。在T3狀態(tài)，微指令為0FFF7EFH，從EM中讀出數(shù)據(jù)送到DBUS，并存W中。在T1狀態(tài)，微指令為0FFFE92H，表示A和W做“邏輯或”運(yùn)算，結(jié)果“直通”到DBUS并存入A中。T0狀態(tài)為取指操作。CPLA：本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)，微指令為0FFFE96H，S2S1S0=110表示ALU做“取反”運(yùn)算，X2X1X0=100(二進(jìn)制)表示，運(yùn)算器結(jié)果直通到DBUS，再存入A中，并保存標(biāo)志位。T0狀態(tài)為取指操作。取出下條將要執(zhí)行的指令。ANDA，R?：本指令為三個(gè)狀態(tài)周期。在T2狀態(tài)，微指令值為0C7FFEFH，表示以PC做為地址，從EM中讀出數(shù)據(jù)送到DBUS，再將DBUS數(shù)據(jù)存W中。在T1狀態(tài)，微指令為0FFFE93H，表示A和W做“邏輯與”運(yùn)算，結(jié)果直通到DBUS，再存入A中，并保存標(biāo)志位。(2)選擇菜單[文件|保存指令系統(tǒng)/微程序]功能，將新建的指令系統(tǒng)/微程序保存下來(lái)，以便以后調(diào)用。為不與已有的指令系統(tǒng)沖突，將新的指令系統(tǒng)/微程序保存為“gkx.mac”，如圖3圖〔3〕三、在源程序窗口輸入下面程序〔圖4〕圖4將程序另存為gkx.asm，選擇[文件|調(diào)入指令系統(tǒng)/微程序]，調(diào)入gkx.mac，將程序匯編成機(jī)器碼，觀察反匯編窗口，會(huì)顯示出程序地址、機(jī)器碼、反匯編指令。到此為止，我們利用CPTH軟件系統(tǒng)已經(jīng)建成了一個(gè)新的指令系統(tǒng)/微程序。新的指令系統(tǒng)從匯編助記符到指令機(jī)器碼到微指令都與原來(lái)的指令系統(tǒng)有所不同。2.3下載運(yùn)行并調(diào)試(1).翻開(kāi)模型機(jī)，連接串口1，連接J1,J2,將KC撥至微程序控制方向。(2).選擇[文件|新建指令系統(tǒng)/微程序],調(diào)入構(gòu)建的指令系統(tǒng)文件。(3).在源程序窗口輸入3.2的匯編程序,將程序另存為gkx.asm。(4).匯編下載。(5)按快捷圖標(biāo)的F7，執(zhí)