16位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、計算機組成原理課程設(shè)計報告16 位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 院（系、部）： 信 息 工 程 學(xué) 院 小組成員姓名： 班 級： 計-10 指導(dǎo)教師： 秦彩云 吳藝娟 2013 年 1月 11 日北京目 錄一、設(shè)計題目.1 二、設(shè)計目的.1 三、設(shè)計說明.1 四、設(shè)計內(nèi)容.1 五、任務(wù)分工.2六、課程設(shè)計環(huán)境.2 七、基本指令和擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程框圖.2 1.基本指令流程框圖.3 2.擴(kuò)展指令流程框圖.4 八、基本指令和擴(kuò)展指令的微程序編碼表.4 九、基本、擴(kuò)展指令映射表.6 基本指令入口地址映射表.6擴(kuò)展指令入口地址映射表.8十、指令設(shè)計方案.8 將設(shè)計好的微碼寫入控制存儲器.11十一

2、、測試程序. .13 在單步方式下，通過指示燈觀察各類擴(kuò)展指令的微碼.13 測試基本指令的程序.15十二、自評.31 十三、遇到的問題及解決方案.31 十四、總結(jié).33 十五、課程設(shè)計日記.33 十六、參考文獻(xiàn).35一、設(shè)計題目16位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)二、設(shè)計目的通過看懂教學(xué)計算機組合邏輯控制器中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條基本指令（例如add、mvrr、out、mvrd、jr、ret等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程，然后自己設(shè)計微程序控制器中的29條基本指令和19條擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確，達(dá)到以下目的：1、深入理解計算機控制器的功能、組成知

3、識和各類典型指令的執(zhí)行過程；2、對指令格式、尋址方式、指令系統(tǒng)、指令分類等建立具體的總體概念；3、學(xué)習(xí)微程序控制器的設(shè)計過程和相關(guān)技術(shù)。三、設(shè)計說明控制器設(shè)計是學(xué)習(xí)計算機總體組成和設(shè)計的重要的部分。要在tec2000教學(xué)計算機上完成這項設(shè)計，必須清楚懂得：1、 tec2000教學(xué)機的微程序控制器主要由作為選件的微程序控制器小板和教學(xué)機大板上的7gal20v8組成。2、 tec2000教學(xué)機微程序控制器上要實現(xiàn)的全部基本指令和擴(kuò)展指令的控制信號都是由微程序小板上的7片控制存儲器給出的。3、 應(yīng)了解監(jiān)控程序的a命令只支持基本指令，擴(kuò)展指令應(yīng)用e命令將指令代碼寫入到相應(yīng)的存儲單元中；不能用t、p命令

4、單步調(diào)試擴(kuò)展指令，只能用g命令執(zhí)行擴(kuò)展指令。4、 要明白tec2000教學(xué)機支持的指令格式及指令執(zhí)行流程分組情況；理解tec2000教學(xué)中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的各類指令的功能、格式、執(zhí)行流程和控制信號的組成。5、明確自己要實現(xiàn)的指令格式、功能、執(zhí)行流程設(shè)計中必須遵從的約束條件。6、為了完成擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確的實驗內(nèi)容，具體過程包括： 1）確定指令格式和功能，要受教學(xué)機已有硬件的約束，應(yīng)盡量與已實現(xiàn)指令的格式和分類辦法保持一致；2） 劃分指令執(zhí)行步驟并設(shè)計每一步的執(zhí)行功能，設(shè)計節(jié)拍狀態(tài)的取值，應(yīng)參照已實現(xiàn)指令的處理辦法來完成，特別要注意的是，讀取指令的

5、節(jié)拍只能用原來已實現(xiàn)的，其他節(jié)拍的節(jié)拍狀態(tài)也應(yīng)盡可能的與原用節(jié)拍的狀態(tài)保持一致和相近；3） 在指令微程序表中填寫每一個控制信號的狀態(tài)值，注意要特別仔細(xì)，并有意識地體會這些信號的控制作用；4）將設(shè)計好的微碼，裝入控制存儲器的相應(yīng)單元；5）寫一個包含你設(shè)計的指令的程序，通過運行該程序檢查執(zhí)行結(jié)果的正確性，來初步判斷你的設(shè)計是否正確；如果有問題，通過幾種辦法查出錯誤并改正，繼續(xù)調(diào)試，直到完全正確。四、設(shè)計內(nèi)容1、完成微程序控制器指令系統(tǒng)設(shè)計，主要內(nèi)容是由學(xué)生自己設(shè)計29條基本指令和19條擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、運行、調(diào)試正確。2、首先看懂tec2000教學(xué)計算機的功能部

6、件組成和線路邏輯關(guān)系，然后分析教學(xué)計算機組合邏輯控制器中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條典型指令（例如add、mvrr、out、mvrd、jrc、ret等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。3、設(shè)計微程序控制器指令系統(tǒng)中各條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確，例如adc、stc、jrs、jrns、ldrx、strx、jmpr、calr、ldra等19條擴(kuò)展指令。4、單條運行指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。5、用監(jiān)控程序的a、e（擴(kuò)展指令必須用e命令置入）命令編寫一段小程序，觀察運行結(jié)果。五、任務(wù)分工 每組四名同學(xué)，任務(wù)分配或分工為： 1、設(shè)計基本指令的執(zhí)行流程，畫出 29條基

7、本指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。 2、設(shè)計擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程，畫出 1條擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。3、確定微碼各字段與控制存儲器各個芯片之間的關(guān)系，列表寫出各控制存儲器芯片中存儲單元的內(nèi) 容，將設(shè)計好的微碼裝入芯片。 4、編寫包含所有指令的測試程序，通過運行這些程序檢查指令設(shè)計是否正確。六、課程設(shè)計環(huán)境1、硬件環(huán)境： pc機一臺、tec2000實驗機一臺、微程序控制器實驗板一塊。 2、軟件環(huán)境： （1）win2000、dos （2）tec2000仿真終端程序pcec（3）tec2000監(jiān)控程序。7、 基本指令和擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程框圖 1、 基本指令流程框圖2、 擴(kuò)展指令流程框圖

8、八、基本指令和擴(kuò)展指令的微程序編碼表基本指令和擴(kuò)展指令的微程序編碼表（十六進(jìn)制）指令名微址下址ci3-0scc3-00mew0i2-0sai8-6sbi5-3basstsshscidc2dc1all00ff00e0413155017001ff00e043205501b002ff00e0101000001003ff002040100000001aff303004900000011cff3030173800000030ff3a32470000000331ff023043205501b0中斷隱指令3aff00e040100000703bff00e043314000303cff00e004100500

9、513dff00e043314000303eff00e002100000013fff31304730500005add400004ff303041b8001000sub400105ff303041b9001100and400206ff303041bc001000cmp400309ff30304199001100xor400408ff303041be001000test40050aff3030419c001000or400607ff303041bb001000mvrr40070bff303044b8001000dec40080dff30304339001000inc40090cff3030433

10、8001100shl400a0eff30304378006000shr400b0fff30304358005000jr404111ff30304530550002jrc404410ff30344010000000jrnc404510ff30344010000000jrz404610ff30344010000000jrnz404710ff30344010000000jmpa40801eff24304320550130lorr40811bff00e04490000030in408212ff14364710000032out408612ff1436471000003213ff303023100000

11、0114ff30303730000000strr408319ff00e04318000030psh/f408415ff1a374331400030408515ff1a37433140003016ff30300010000003pop/f408717ff1c374320440130408c17ff1c37432044013018ff30301010002000mvrd40881dff1c304320550130ret408f23ff00e0432044013024ff30301730500000cala40ce1fff00e0432055013020ff00e0170000000021ff00e

12、0433140003022ff30300220550001adc402050ff303041b8001200sbb402151ff303041b9001200rcl402a54ff30304378006400rcr402b55ff30304358005400asr402c53ff30304358005c00not402d52ff3030433f001000jmpr40605aff303044b0500000jrs406469ff30354010000000jrns406569ff303540100000006aff30304530550002clc406c56ff30304010003000s

13、tc406d57ff30304010004000ei406e58ff30304010000060di406f59ff30304010000070calr40e064ff00e0433140003065ff00e0041005000166ff303044b0500000ldra40e45bff00e043205501305cff1c301710000030ldrx40e55dff00e043205501305eff1c301590000030strx40e661ff00e0432055013062ff00e015b000003063ff30300390000001stra40e75fff00e0

14、432055013060ff1a301710000030iret40ef67ff00e0432044013068ff23301010002040九、基本、擴(kuò)展指令映射表 1、基本指令入口地址映射表序號指令編碼入口地址1add dr,sr0000 0000042sub dr,sr0000 0001053and dr,sr0000 0010064or dr,sr0000 0110075xor dr,sr0000 0100086cmp dr,sr0000 0011097text dr,sr0000 01010a8mvrr dr,sr0000 01110b9inc dr0000 10010c10dec

15、 dr0000 10000d11shl dr0000 10100e12shr dr0000 10110f13jrc offset0100 01001014jrnc offset0100 01011015jrz offset0100 01101016jrnz offset0100 01111017jr offset0100 00011118in port1000 00101219out port1000 01101220pshf1000 01001521push dr1000 01011522pop dr1000 01111723popf1000 11001724strr dr,sr1000 0

16、0111925ldrr dr,sr1000 00011b26mvrd dr,data1000 10001d27jmpa adr1000 00001e28cala adr1100 11101f29ret1000 1111232、擴(kuò)展指令入口地址映射表序號指令編碼入口地址07jmpr0110 00005a十、指令設(shè)計方案1將設(shè)計好的微碼寫入控制存儲器。（包括29條基本命令和我組分配到的jmpr擴(kuò)展指令的微碼）一次只對一片28c64控制存儲器芯片進(jìn)行讀寫，該芯片可插在擴(kuò)展芯片的高位或低位，若插在高位，輸入時信號編碼為高八位，低八位補零；若插在低位，輸入時信號編碼為低八位，高位補零。若一次擴(kuò)展兩片28

17、c64控制器芯片，要注意信號要與產(chǎn)生該信號的芯片相對。(1) 將擴(kuò)展新片的內(nèi)存單元地址置為40005fff，將maprom插入擴(kuò)展芯片的位置，微程序入口地址對應(yīng)的內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令的編碼值之和。具體操作如下：e 40004000 00ff：04 00ff：05 00ff：06 00ff：09 00ff：08 00ff：0a 00ff：07 00ff：0b 00ff：0d 00ff：0c 00ff：0e 00ff：0f e 40414041 00ff：11e 40444044 00ff：10 00ff：10 00ff：10 00ff：10 e 4060 4060 00ff：0

18、05a 4080 00ff：1e 00ff：1b 00ff：12 00ff：19 00ff：15 00ff：15 00ff：12 00ff：1700ff：1d e 408c408c 00ff：17 00ff： 00ff： 00ff： 23e 40ce40ce 00ff：1f (2) 將mprom1mprom7依次插入擴(kuò)展芯片的位置對其編程，內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令操作功能所對應(yīng)的微址之和，操作如下：mprom1產(chǎn)生下址信號，mprom2產(chǎn)生ci30、scc30信號，對mprom1-2的操作為：mprom1 在高位 mprom2 在低位e 40004000 00ff：00e0 00

19、ff：00e0 00ff：00e0 00ff：0020 00ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 00ff：303000ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 00ff：3030 4010 00ff：3034 00ff：3030 00ff：1436 00ff：3030 00ff：3030 00ff：1a37 00ff：3030 00ff：1c37 00ff：3030 00ff：00e0 00ff：3030 00ff：00e0 00ff：3030 00ff：1c30 00ff：243

20、0 00ff：00e04020 00ff：00e0 00ff：00e0 00ff：3030 00ff：00e0 00ff：3030 e 40304030 00ff：3a32 00ff：0230 e 405a 00ff：3030(3) mprom3產(chǎn)生0mrw、0i20信號，mprom4產(chǎn)生sai8i6、sbi5i3信號，對mprom3-4的操作為：mprom3 在高位 mprom4 在低位e 40004000 00ff：4131 00ff：4320 00ff：1010 00ff：4010 00ff：41b8 00ff：41b9 00ff：41bc 00ff：41bb 00ff：41be 00f

21、f：4199 00ff：419c 00ff：44b800ff：4338 00ff：4339 00ff：4378 00ff：4358 4010 00ff：4010 00ff：4530 00ff：4710 00ff：231000ff：3730 00ff：4331 00ff：0010 00ff：4320 00ff：1010 00ff：4318 00ff：0490 00ff：4490 00ff：1738 00ff：4320 00ff：4320 00ff：43204020 00ff：1700 00ff：4331 00ff：0220 00ff：4320 00ff：1730e 40304030 00ff：4

22、700 00ff：4320 e 405a 00ff：44b0(4) mprom5產(chǎn)生b口、a口信號，mprom6產(chǎn)生0sst、sshsci信號，對mprom5-6的操作為：mprom5 在高位 mprom6 在低位e 40004000 00ff：5501 00ff：5501 00ff：0000 00ff：0000 00ff：0010 00ff：0011 00ff：0010 00ff：0010 00ff：0010 00ff：0011 00ff：0010 00ff：001000ff：0011 00ff：0010 00ff：0060 00ff：0050 4010 00ff：0000 00ff：550

23、0 00ff：0000 00ff：000000ff：0000 00ff：4000 00ff：0000 00ff：4401 00ff：0020 00ff：0000 00ff：0000 00ff：0000 00ff：0000 00ff：5501 00ff：5501 00ff：55014020 00ff：0000 00ff：4000 00ff：5500 00ff：4401 00ff：5000e 40304030 00ff：0000 00ff：5501 e 405a 00ff：5000(5) mprom7產(chǎn)生dc2、dc1信號，對mprom7的操作為：e 40004000 00ff：70 00ff：b

24、0 00ff：10 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 00ff：00 4010 00ff：00 00ff：02 00ff：32 00ff：0100ff：00 00ff：30 00ff：03 00ff：30 00ff：00 00ff：30 00ff：01 00ff：30 00ff：00 00ff：30 00ff：30 00ff：304020 00ff：00 00ff：30 00ff：01 00ff：30 00ff：00e 40304030

25、00ff：03 00ff： b0 e 405a 00ff：00ff芯片的截圖如下寫入基本指令，擴(kuò)展指令的芯片存儲狀態(tài)：maprommprom1-2 mprom3-4mprom5-6 mprom7十一、測試程序1在單步方式下，通過指示燈觀察各類擴(kuò)展指令的微碼。（在此，僅在a組、c組中各列舉一條指令為例。）通過驗證可知各指令的微碼無誤。選擇基本指令的a組指令中的add指令，觀察其節(jié)拍流程（1）置撥動開關(guān)sw=00000000 00000001；（表示指令add r0，r1）（2）按reset按鍵；小板指示燈microp亮（只要選擇微程序，該燈在指令執(zhí)行過程中一直亮），其它燈全滅； （3）按star

26、t按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0000 ； 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成公共操作0pc、di#=0）（4）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0001 ，下 址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成公共操作pcar、pc+1pc）（5）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0010 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成公共操作memir）（6）以上三步為公共

27、操作，其它指令同；（7）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0010 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0011 ， 下址的指示燈顯示 0000 0100 ；（本拍完成map操作功能）（8）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0011 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0100 ， 下址的指示燈顯示 0011 0000 ；（本拍執(zhí)行add指令，drdr+sr操作）（9）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0011 0010 ，微址指示燈顯示 0011 0000 ， 下址的指示燈顯示 0011 1010 ；（本拍完成strq、cc#=

28、int#公共操作功能）（10）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0011 0000 ，微址指示燈顯示 0011 0001 ， 下址的指示燈顯示 0000 0010 ；（本拍完成pcar、pc+1pc、cc#=0的公共操作功能）選擇基本指令的d組指令中的cala指令，觀察其節(jié)拍流程（1）置撥動開關(guān)sw= 1100 1110 0000 0000 ；（表示指令cala）（2）按reset按鍵；小板指示燈microp亮（只要選擇微程序，該燈在指令執(zhí)行過程中一直亮），其它燈全滅；（3）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000

29、 0000 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（4）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0001 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（5）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0010 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（6）以上三步為公共操作，其它指令同。（7）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0010 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0011 ， 下址的指示燈顯示 0001 1111 ；（8）按start按

30、鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0001 1111 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成pcar、pc+lpc操作）（9）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0010 0000 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成memq操作）（10）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0010 0001 ， 下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成sp-1sp、pcar操作）（11）按start按鍵；小板指

31、示燈ci30、scc30顯示 0011 0000 ，微址指示燈顯示 0010 0010 ， 下址的指示燈顯示 0011 0000 ；（本拍完成pcmem、qpc、cc#=o操作）（12）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0011 0010 ，微址指示燈顯示 0011 0000 ， 下址的指示燈顯示 0011 1010 ；（本拍完成strq、cc#=int#操作）（13）按start按鍵；小板指示燈ci30、scc30顯示 0011 0000 ，微址指示燈顯示 0011 0001 ， 下址的指示燈顯示 0000 0010 ；（本拍完成pcar、pc+lpc、cc#=0操作）。

32、2測試基本指令的程序：（1）驗證指令mvrd,and,add,sub,dec,inc,cmp,jrnz,xor,or,ret. （2）驗證指令test,jrz,jr, shr,shl,mvrr （3）測試jrnc的程序（4）測試pshf，popf（5）測試in,out，push，pop(6)測試jrc(7)測試strr,cala（8）測試jmpa（9）測試ldrr（10）測試擴(kuò)展指令jmpr驗證jmpr指令的程序jmpra 21002100：mvrd r1，0011 ；給r1賦值00112102：mvrd r2，1100 ；給r2賦值11002104：add r1，r2 ；r1r1+r2210

33、5：ret ；程序結(jié)束2106：a 20002000：mvrd r3，2100 ；轉(zhuǎn)跳地址為21002002：e 20022002：內(nèi)存單元原值：6003 ；轉(zhuǎn)跳到r3指明的地址，60是jmpr的16進(jìn)制表示，03是r3的16進(jìn)制表示用 g命令運行前面剛鍵入的源程序，在命令提示符狀態(tài)下輸入：g 2000運行結(jié)果為：r1=1111，r2=1100，r3=2100十二、自評 單步執(zhí)行檢測，證明了29條基本指令和1條擴(kuò)展指令是正確的。 測試程序的運行結(jié)果，也進(jìn)一步證明所有指令準(zhǔn)確無誤。由此我們可以知道 16 位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計是正確的。我們的設(shè)計基本上達(dá)到了實驗?zāi)康乃蟮摹?良 良 良

34、 良十三、遇到的問題及解決方案 在實現(xiàn)擴(kuò)展指令jmpr的時候，實驗結(jié)果總與理論結(jié)果不符。經(jīng)過多次檢驗測試程序并上機實測，結(jié)果仍不正確。最后我們從微程序控制器下手才發(fā)現(xiàn)了錯誤的原因。這是由于在向maprom34芯片輸入時,該指令（e 405a 00ff:44b0）中的44b0因輸入錯誤（43b0）而導(dǎo)致結(jié)果異常的。值得一說的是，由于我們在每次向maprom芯片寫入最后都使用了d命令查詢了內(nèi)存單元地址中的數(shù)據(jù)，這樣我們在檢查的時候可以直接通過截圖快速查看每個芯片中的數(shù)據(jù)是否輸錯，就這樣，我們很快便鎖定了maprom3號芯片，并將其改正。我們通過對此次錯誤的排查和解決過程，讓我們明白了細(xì)節(jié)和實時備份的重要性，這對我們以后的學(xué)習(xí)和工作都帶來了很大的啟示，以避免重蹈覆轍！以下為檢錯過程 十四、總結(jié) 通過此次計算機組成原理課程設(shè)計，使我們不僅對理論知識的認(rèn)識更加深刻和透徹，而且還極大的鍛煉了我們的實踐動手能力，這也是我們所極為欠缺的地方，需要我們以后多進(jìn)行此方面的嘗試。在課設(shè)的過程中我們雖然遇到了很多問題，比如因輸入錯誤而導(dǎo)致的指令錯誤等，但都在全組的