组成原理课程设计-设计一台模型计算机(完整资料).docx

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1、此文档下载后即可编辑2. 数据通路4. 微指令格式6. 微程序流程图且字长为 8 位，其格计算机组成原理课程设计 一、基本要求： 设计一台模型计算机 具体内容： 1. 数据格式和指令系统 3. 时序系统 5. 微程序控制器 7. 微程序代码表 二、模型机设计1. 数据格式和指令系统的约定1） 数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据， 式如下：7 6 5 4 3 2 1 0符 号数据其中: 第 7位为符号位，数值表示范围是： -1XRd1000R sRdADD Rs,Rd 加 法(Rs)+(Rd)-Rd1001R sR dSUB Rs,Rd 减 法(Rs)-(Rd)-Rd1010R sR

2、 dINC Rd 自增(Rd)1Rd101100R dAND Rs,Rd 与(Rs)&(Rd)-Rd1100RsRdCOM Rs,Rd 比 较(Rd)-(Rs) 的 结 果 影响 状 态位：若 N=1 ， 则 RsRd1101RsR dCLA Rd 清零0-Rd11100R dRRC Rd 带 进 位右循环一位0-MSB-MSB-1- -LSB-C-1111100RdRLC Rd 带进位 左循环一位C-MSB-MSB- 1- - LSBE00X00RdDLDA X,D,Rd 取数E-Rd00X01RdDJMP X,D 无条 件跳转E-PC00X100 0DBZC X,D 若条 件 位 Z=1

3、或 C=1，则跳转E-PC00X110 0DI/O 指 令IN addr,Rd 输 入(addr)-Rd010001RdOUT addr,Rd 输出Rd-(addr)010110Rd停机指令HALT停机0110000 02. 数据通路 简单的模型计算机是由运算器、控制器、存储器、总线、输 入输出和时序产生器组成。在模型机中，我们将要实现 RAM 的读写指令，寄存器的读 写指令，跳转指令， ALU 的加、减、与、或指令。把通用寄存器 作为累加器 A，进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多 寄存器的系统。运算器模块主要由四片 74LS181、暂存器两片 74LS273 等构 成。其中 74LS

4、181可通过控制器相应的控制指令来进行某种运算， 具体由 S0、S1、S2、S3、 M、 CN 来决定。 T4 是它的工作脉冲， 正跳变有效。寄存器堆模块为实验计算机提供了 2个 8位通用寄 存器。 它们用来保存操作数及其中间运算结果， 它对运算器的运 算速度、指令系统的设计等都有密切关系。在该运算器中，有两 片 74LS181 组成算术和逻辑运算。数据的来源由 74LS273寄存器 提供，74LS273产生 16 位数据分别送入到 74LS181运算器中进行 相应的运算。主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令， 它的数 据总线挂在外部 数据总线 EXD0 EXD7 上；它的地址总线由地

5、址寄存器单元电 路中的地址寄存器 74LS273（ U37）给出，地址值由 8 个 LED 灯LAD0 LAD7 显示，高电平亮， 低电平灭； 在手动方式下， 输入 数据由键盘提供， 并经一三态门 74LS245（U51）连至外部数据总 线 EXD0 EXD7 ，实验时将外部数据总线 EXD0 EXD7 用 8芯 排线连到内部数据总线 BUSD0 BUSD7，分时给出地址和数据。 它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。 该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式 下 ，写信号由 W/R 提供，片选信号由 CE 提供；自动方式下， 写信号由控制 CPU的 P1.2提

6、供，片选信号由控制 CPU的 P1.1 提供。由于地址寄存器为 8 位，故接入 6264 的地址为 A0 A7， 而高 4位 A8 A12接地，所以其实际使用容量为 256字节。 6264 有四个控制线： CS1 第一片选线、 CS2 第二片选线、 OE 读线、 WE 写线。 CS1 片选线由 CE控制（对应开关 CE）、OE 读线直接 接地、WE 写线由 W/R 控制（对应开关 WE）、CS2直接接 +5V 。为了向主存储器 RAM 中装入程序或数据，并且检查写入是 否正确以及能运行主存储器中的程序， 必须设计三个控制操作微 程序。存储器读操作： 拨动总清开关后， 置控制开关 SWB、SWA

7、 为 “0 0”时，按要求连线后，连续按“启动运行”开关，可对主存 储器 RAM 连续手动读操作。存储器写操作： 拨动总清开关后， 置控制开关 SWB、SWA 为 “0 1”时，按要求连线后，再按“启动运行”开关，可对主存储 器 RAM 进行连续手动写入。运行程序：拨动总清开关后， 置控制开关 SWB、SWA为“1 1” 时，按要求连线后， 再按“启动运行” 开关，即可转入到第 01 号 “取址”微指令，启动程序运行。IR 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行 一条指令时， 先把指令从内存去到 DR 中，然后再传送至 IR。指 令由操作码和地址码字段组成， 为了执行任何给定的指令，

8、 必须 对操作码进行 P测试，通过节拍脉冲 T4 的控制以便识别所要求 的操作。指令译码器根据指令中的操作码译码强置微控器单元的 地址，使下一条微指令指向相应的微程序的首址。本系统有两种外部 IO 设备，一种是二进制代码开关， 它作 为输入设备；另一种是数码块，它作为输出设备。输入时二进制 开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上， 只要开关状态不 变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线 上，当写信号有效时将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。根据计算机的执行原理对各个元部件进行状态控制， 最终设 计出模型机的数据通路框图见附件一的图 1。计算机数据通路的控制将由微程序控制器

9、来完成， CPU 从内 存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由 微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。数据的通路从程序计数器 PC 的地址送到主存的地址寄存器， 根据地址寄存器的内容找到相应的存储单元。 存储器中的数据是 指令时，那么数据是从 RAM 送到总线，再从总线送到 IR 中。存 储器中的数据是需要加工的数据时，那么数据是从 RAM 送到总 线，再从总线 送到通用寄存器中等待加工。数据加工过程中， 两个数据是从总线上将数据分别分时压入 两个暂存器中，等待运算部件的加工，在数据加工完成以后。运 算结果是通过三太门送到总线上。 三态门的控制时由微控制器 来控

10、制。3. 时序系统本实验装置的主存模块和操作控制器模块都带有时序电路， 在连续或单脉冲源的作用下时序电路能连续或单步地输出T1、T2、T3、T4、信号，并有启停控制信号。在微程序控制器中，机 器指令和微指令的时序关系比较简单， 所以时序电路也比较简单。 读取一个控存单元的时间与机器指令的 CPU 周期的时间相同， 指令周期等于 CPU 周期与本质了所含微指令条数的积。时序系统的设计见附件 2 的图 2。 节拍电位与节拍脉冲时序关系图见附件 3 的图 3。4. 微指令格式微指令格式采用水平型微指令，微命令编码采用直接表示法 和字段直接译码法相结合的混合表示法， 以缩短微指令长度， 后 继地址采用

11、断定方式，微指令格式如下：2309 86 5控制字段判别字段（3下址字段（ 6（15）位）位）操作控制字段 15 位，通过直接或字段译码方式对数据通路进行控制。下址字段 6 位，从而确定控制存储器容量为 64个单元。判别测试字段 3位，通过字段译码可用于规定 7种 P测试方 式，以及一种不测试 P0。当 P0=000 的情况下，按下址字段的地 址直接取下一条微指令。具体微指令格式内容见附件三的图 4。S3，S2，S1，S0，M，Cn：为运算器 74LS181芯片的控制信号。WE：为 W/R 信号对 RAM 和 OUT 进行读写操作，高电平为 写有效。A9，A8：为对外部设备 （RAM,OUTP

12、UT,INPUT ）地址进行译 码。A 字段 内容具体见附件 3。LD299：寄存器选中， 具体选择同 IR 的最低 2 位（I1，I0）配 合。当 I1I0=00 时为输入到 R0 寄存器；当 I1I0=01 时为输入到 R1 寄存器；当 I1I0=10 时为输入到 R2 寄存器；LDDR1 ：暂存器 DR1 选中。LDDR2 ：暂存器 DR2 选中。LDIR ：指令寄存器 IR 选中。LOAD ：总线数据直接装载在 PC 计数器中。LDAR ：地址寄存器 AR 选中。B 字段 内容具体见附件 3。B- RS：为源寄存器输出选中。 具体选择同 IR 的 3，4 位（I3， I2）配合。当 I

13、3I2=00 时为输入到 R0 寄存器； 当 I3I2=01 时为输入到 R1 寄存器； 当 I3I2=10 时为输入到 R2 寄存器；RD-B：为目的寄存器输出选中。 具体选择同指令寄存器 （IR） 的最低 2 位（ I1，I0）配合。当 I1I0=00 时为 R0 寄存器输出；当 I1I0=01 时为 R1 寄存器输出；当 I1I0=10 时为 R2 寄存器输出；RI-B：为变址寄存器选中。本机固定为 R2。 299-B：为移位寄存器输出选中。ALU-B ：逻辑运算单元结果输出。 PC-B：PC计数器输出。P字段：P（1）：分支判断 1，和指令寄存器 （IR）的高四位（IR7-IR4） 作

14、为测试条件。可分 16 个分支。P（ 2）：分支判断 2，和指令寄存器（ IR）的三四位（ IR3， IR2）作为测试条件，有 4 个分支。P（3）：分支判断 3，和 CY 或 ZI 作为测试条件，有两个分 支。P（4）：分支判断 4，和开关 SWB，SBA 作为测试条件，有4 个分支。 用于控制台控制区 （读程序， 写程序， 和运行程序）。AR ：进行算术运算时是否影响进位和判零标志的控制位。 选 中时进行带进位运算。LDPC ：为 PC 计数信号选中。5. 微程序控制器微程序控制器的结构与微指令的格式密切相关。 它由控制存 储器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几部分组成。 微地址

15、寄存器和微命令寄存器两者的总长度即为一条微指令的 长度，二者合在一起称为微指令寄存器。微控制器寄存器使用的是两片 74LS273和一片 74LS175构成 它们从微命令存储器中读出并保存， 为后续模块提供信息。 它是 根据节拍信号进行读的。 微程序控制器的工作过程：开始运行程序时a. CPU 自动将取指令的微程序入口地址送入uAR ，启动控制存储器进行读操作 ,将微指令送入 uIR 。b. 指令的操作码部分经译码器产生一组微命令，送到有关 部件控制完成一组微操作。c. 由微地址产生逻辑或微指令的下字址给出下一条微指令 的地址。再按取微指令。执行微指令的过程重复。微程序控制器结构见附件 3 图五

16、。6. 微程序流程图 当拟定“取址”微指令时，该微指令的判别测试字段为 P（1） 测试。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令， 因此 P（ 1）的测试结果出现多路分支。控制台操作为 P（4）测试，它以控制台开关 SWB、SWA 作为 测试条件，出现了 3路分支，占用 3 个固定微地址单元。当分支 微地址单元固定后， 剩下的其它地方就可以一条微指令占用一个 微地址单元随意填写。 注意：微程序流程图上的地址为 16 进制。 指令中的 STA、LDA JMP BZC 是四条双字长的指令。 他们有四 种寻址方式分别是直接、间接、变址、相对。指令在操作地址的 时候都是先得到地址然才能操作。

17、在这里设计的过程使用的也是 同样的思想。 在指令译码的过程中对这四条指令使用的方式不是 直接判断应该执行什么指令， 而是先判断应该使用怎样的寻址方 式先找到应该操作的主存地址再进行操作。间接寻址的方式的 STA 指令如下：第一步： （01H） 从地址指针 （PC）中得到地址 ,送到地址寄存器 （AR）中， PC 自 动加一。第二步： （02H）主存（ RAM ）中读出东西送到总线上，送到指 令寄存器（ IR ） 中。第三步： （10H）将（IR）中的内容进行译码。 判断下一条指令的 地址。第四步：（12H）由于是 STA 指令是一条双子长指令。所以在 此再次执行第一步即可。第五步：（ 06H）

18、将主存中的数据写到 DR1 中。第六步： （07H） 将 R2 中的内容送到 DR2 中。第七步：（ 08H）将 DR1 与 DR2 中的数据相加后送到 AR 中， 是 STA 指令操作地址。并进行判断执行的是哪种地址。第八步：（20H）将相应的寄存器中的内容送到 RAM 中。 第九步：回到原操作。微程序流程图、控制台流程图见附件 4图 6。7. 微程序代码表 微程序代码表见附件 5图 7。三、总结本次课程设计我们要设计一台微程序控制的模型机， 使我们 对计算机能有一个整机的概念 ,以完成对计算机组成原理这门课 程的综合应用，达到学习本书的作用。通过本次的课程设计使我进一步熟悉了计算机组成原理

19、的基本 知识，同时也了解了模型机设计的基本过程， 掌握了一些基本的 软硬件设计知识并对其进行了基本的运用。 在模型机的设计中运 用了很多知识，也学习了许多设计技巧。在本次课程设计过程中，我主要是通过查阅书本及其他资料 及浏览网页完成对基本功能部件的功能的了解。在课程设计中， 微控制器的设计是最为复杂的一项， 在微控制器设计中译码电路 和翻译电路的设计是最为困难。 微指令的设计中要求的就是精益 求精，细微至极。设计过程需要对 24 位的微指令中的每一位都要细微设计。因此花的时间最多。但是由于课程设计时间较短，所以该模型机还有许多不尽人 意的地方。二周的课程设计，提高了我的实际操作能力，从以前 所学理论上升到实践， 真正做到了学有所用。 设计中遇到的最为 困难的也是在微指令设计中对微指令的每一位的正确判断， 为了 能正确识别每一位微指令， 我们再次做了组成原理实验， 加深对 时序和数据流向的认识和理解。