微程序控制器的流水模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)：微程序控制器的流水模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)通過(guò)知識(shí)的綜合運(yùn)用，加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊協(xié)同工作的認(rèn)識(shí)，特 別是對(duì)并行、流水的認(rèn)識(shí)，加深計(jì)算機(jī)工作中“時(shí)間-空間”概念的理解，從而建 立基本的流水計(jì)算機(jī)的概念。(2)學(xué)習(xí)通過(guò)“固件升級(jí)”即改寫微程序的方法來(lái)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的 方法，體會(huì)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣對(duì)性能發(fā)揮的重要性。(3)培養(yǎng)科學(xué)研究的獨(dú)立工作和創(chuàng)新能力，取得設(shè)計(jì)與調(diào)試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。2.設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)在常規(guī)微程序控制器實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)微程序控制的指令級(jí)標(biāo)量流水 模型計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)過(guò)程：1微程序控制器邏輯圖；2微程序流程圖；3微程序代碼表；4元件排列圖；5總框圖(

2、數(shù)據(jù)通路圖)；6調(diào)試小結(jié)；3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1) TEC-4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)(2)邏輯測(cè)試筆一支(3)集成電路若干片，取決于實(shí)際方案二、指令系統(tǒng)采用與模型機(jī)相同的指令系統(tǒng)，即12條機(jī)器指令?？紤]到復(fù)雜度和時(shí)間問(wèn) 題，一般應(yīng)降低難度，采用該指令系統(tǒng)的子集：去掉中斷指令后的3條機(jī)器指令,只保留前面的9條指令。(1) LDR Ri , D0 0 0 0Ri不用D格式743210功能:RiM (D)(2) STR Ri , D格式7432100 0 0 1Ri不用D功能:M (D) ( Ri)(3) ADD Ri, Rj0 0 1 0RiRj格式7功能:43210Ri ( Ri) +(Rj)(4)

3、 SUB Ri, Rj0 0 1 1RiRj格式7功能:43210Ri ( Ri) (Rj)(5) AND Ri, Rj格式功能：Ri ( Ri) A (Rj)(6) OR Ri , Rj格式7432100 1 0 1RiRj功能：Ri ( Ri) V (Rj) MUL Ri, Rj格式7432100 1 1 0RiRj功能:Ri ( Ri) x (Rj)(8)轉(zhuǎn)移指令格式0 1 1 1條件不用D功能:條件碼 00無(wú)條件轉(zhuǎn)移01有進(jìn)位轉(zhuǎn)移10結(jié)果為0轉(zhuǎn)移11結(jié)果為負(fù)轉(zhuǎn)移IN Ri , M j1 0 0 1RiMj格式743210其中M j為設(shè)備地址，可以指定四種外圍設(shè)備，當(dāng) M j=01時(shí)，選

4、中實(shí)驗(yàn)箱的 二進(jìn)制代碼開(kāi)關(guān)。功能：(10) OUT Ri , M j格式7432101 0 1 0RiMj當(dāng)M j=10時(shí)，選中實(shí)驗(yàn)箱的顯示燈。功能:、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)流水方案時(shí)，牢記設(shè)計(jì)的目的是提高系統(tǒng)性能。沒(méi)有性能改善、為流水 而流水的方案是毫無(wú)意義的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器將一個(gè)微指令周期分為 T1至T4四段，原則上，本次 實(shí)驗(yàn)只利用四段劃分，即仍使用 T1-T4作為時(shí)序脈沖。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮控制信號(hào)的綜合和化簡(jiǎn)，出廠時(shí)的模型機(jī)提供了這方面 的某些化簡(jiǎn)實(shí)例，但還可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)。四、總體設(shè)計(jì)指令級(jí)標(biāo)量流水，是指機(jī)器指令的解析過(guò)程分解為取指、譯碼、訪存、執(zhí) 行、寫回等子過(guò)程，各子過(guò)程以流水方式運(yùn)

5、行?？紤]到復(fù)雜度，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可 以分解得不那么細(xì)。例如可只分為取指、執(zhí)行、寫回三個(gè)子過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)流水，至少需要具備兩個(gè)條件：(1)數(shù)據(jù)通路(包括其上的執(zhí)行部件)要支持流水。設(shè)計(jì)這種支持流水的數(shù)據(jù)通路時(shí)，需要解決幾個(gè)主要問(wèn)題： 流水線各段爭(zhēng)用總線的問(wèn)題； 各段之間互通信息、相互等待的問(wèn)題； 各段工作時(shí)序協(xié)調(diào)一致的問(wèn)題；中斷、程序轉(zhuǎn)移的處理問(wèn)題；本實(shí)驗(yàn)儀采用了不少具有并行操作功能的器件，如存儲(chǔ)器、寄存器組等，對(duì) 支持流水有一定的幫助，但還需要使它們組成流水線。從廣義上理解并行，則流水是并行的一個(gè)特例，只有具備先后、因果關(guān)系的并行，才能稱為流水。例如，圖12中，DR1和DR2可以并行操作，但它們

6、的關(guān)系不是流水。實(shí)際上，圖12的數(shù)據(jù)通路已經(jīng)基本布置好了流水線，它可以劃分為如下功能 部件： 取指段：包括 RAM勺右端口、AR2 MUX3 PC和IR; 執(zhí)行段：包括 ALU DR1 MUX1 DR2 MUX2 RF、 ER RAM勺左端口、ARI IR、R4 MUX4 ALU2?口 PC;寫回段：包括ER RF;注意：在數(shù)據(jù)通路中可能需要對(duì)寫回寄存器選擇信息進(jìn)行緩沖，為此要增加 如圖14所示的緩沖寄存器(否則， WR1 WR0勺信息會(huì)在寫回操作之前改變)。設(shè) 計(jì)的方案不同，可能需要的緩沖寄存器也會(huì)有所不同。圖14操作數(shù)緩沖寄存器也可采用別的劃分，上述劃分方法僅供參考(2)控制器要有能力驅(qū)動(dòng)

7、流水線在模型機(jī)中，使用的是常規(guī)的微程序控制器，雖然數(shù)據(jù)通路相同，但沒(méi)有利 用其中的流水功能，因此得到的整體系統(tǒng)仍是常規(guī)模型計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中，可能要 對(duì)原有的微程序控制器進(jìn)行必要的改進(jìn)，使之稱為流水微程序控制器。五、流水微程序控制器由于數(shù)據(jù)通路基本仍然沿用第二節(jié)圖 4,無(wú)須重新設(shè)計(jì)，因此本次實(shí)驗(yàn)的重 點(diǎn)就集中在控制器的設(shè)計(jì)上。這里使用指令系統(tǒng)的子集，只有9條指令。由于流水控制中，對(duì)中斷斷點(diǎn)的處理會(huì)增加流水的復(fù)雜度，增大理解的難度，因此不包括中 斷部分。相信善于思考的同學(xué)是可以設(shè)計(jì)出支持中斷的方案的。(1)微指令格式在本實(shí)驗(yàn)中仍采用水平型微指令格式，這是由于采用垂直型微指令來(lái)控制并 行度較高的流水

8、線將會(huì)困難重重。微命令編碼仍然可以用直接表示法，后繼地址用 斷定方式。嚴(yán)格的說(shuō)，沒(méi)有中斷控制，相應(yīng)的控制信號(hào)可以省略，因此微指令字長(zhǎng)可以 縮短。為了兼容模型機(jī)方案，仍需保留這些控制信號(hào)，以減少接線的難度。(2)微程序控制器支持流水并未對(duì)控制器的硬件結(jié)構(gòu)提出更高的要求。微程序控制器的邏輯結(jié) 構(gòu)與模型機(jī)的差異只是順序控制部分，即微程序轉(zhuǎn)移邏輯電路，原因是微程序需要 重新設(shè)計(jì)，重新分配微地址。新設(shè)計(jì)的微程序轉(zhuǎn)移邏輯電路，可以用儀器上的 ispLSI1032實(shí)現(xiàn)，也可用中小規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)。(3)時(shí)空?qǐng)D如果要從頭設(shè)計(jì)一套流水系統(tǒng)，時(shí)空?qǐng)D應(yīng)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路之前確定，因?yàn)榫?體的流水線是跟時(shí)空?qǐng)D緊密相

9、聯(lián)的。本實(shí)驗(yàn)是在已有的數(shù)據(jù)通路的基礎(chǔ)上(已知該數(shù)據(jù)通路支持流水)，通過(guò)改進(jìn)控制來(lái)提升系統(tǒng)性能，因此將時(shí)空?qǐng)D放在控制器部 分進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面是3個(gè)時(shí)空?qǐng)D。周期123456789101112131415161718取指12345678執(zhí)行1122334455667788寫回12345678圖15參考時(shí)空?qǐng)D1周期1234567891011121314151617功能段:11122334455667788功能段:21122334455667788圖16參考時(shí)空?qǐng)D2周期123456789101112131415功能段:1123456789101112功能段:2123456789101112功能段:3123

10、456789101112功能段:4123456789101112圖17參考時(shí)空?qǐng)D3選用的時(shí)空?qǐng)D只要設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)即可，不同的時(shí)空?qǐng)D直接影響系統(tǒng)的性能。(4)微程序設(shè)計(jì)控制器的強(qiáng)大與否，機(jī)器性能能發(fā)揮出多少，就取決于如何設(shè)計(jì)控制流程， 并轉(zhuǎn)化為微程序。微程序設(shè)計(jì)包括了橫向設(shè)計(jì)和縱向設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)流水控制，縱向 設(shè)計(jì)仍然重要，而橫行設(shè)計(jì)也同樣需要仔細(xì)考慮。因?yàn)榱魉€中要求盡量多的并行 操作，以便充分利用硬件資源，減少閑置，橫行設(shè)計(jì)中就應(yīng)把不沖突的、可以同時(shí) 實(shí)現(xiàn)的控制放在同一微指令中?？v向設(shè)計(jì)中，考慮控制順序要連同并發(fā)控制一起考 慮，尤其是出現(xiàn)沖突時(shí)，需要前后錯(cuò)開(kāi)。此外就是注意在機(jī)器指令發(fā)生轉(zhuǎn)移（無(wú)條

11、 件、有條件或中斷）的地方，要丟棄已取的指令，重新做一次取指操作。設(shè)計(jì)流水控制的微程序與設(shè)計(jì)常規(guī)的微程序相比，難度要大一些，主要是因 為常規(guī)流程是單線索的，每一微指令周期要做什么，思路很清晰，而流水控制的流 出則同時(shí)保護(hù)多重線索，每個(gè)微指令周期都可能含有兩個(gè)以上不相干的操作，比較 復(fù)雜，需要用并發(fā)的思維去考慮。由于可能出現(xiàn)的情況大大增多，設(shè)計(jì)時(shí)容易出 錯(cuò)，因此一定要細(xì)心，規(guī)劃周全。如果先設(shè)計(jì)出常規(guī)的微程序控制流程圖，然后進(jìn) 行微指令合并，出錯(cuò)的可能性會(huì)比直接設(shè)計(jì)流水控制的微程序要小一些。合并的方 法是：觀察每個(gè)微指令周期和上一周期的操作是否沖突，不沖突則將本周期的操作 疊加至上一周期。流水控制

12、的微程序流出必須涵蓋所有可能的情況，為此可以用地 址不同、操作類似的微指令來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的分支。前面所敘述的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明，是對(duì)學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的計(jì)算機(jī)系 所有學(xué)生的基本教學(xué)要求：按給定的指令系統(tǒng)和指令格式，完成一臺(tái)微程序控制的 模型流水計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。六、組裝與調(diào)試對(duì)微程序控制器流水方案設(shè)計(jì)好了以后，形成初步的設(shè)計(jì)文件，然后按照設(shè) 計(jì)文件進(jìn)行組裝與調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，需要修改設(shè) 計(jì)，再根據(jù)修改后的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，直到完全成功為止。調(diào)試成功后，整理出最后 的設(shè)計(jì)文件。ALU計(jì)算模塊:設(shè)計(jì)思想:預(yù)算模塊要求5種運(yùn)算，并且運(yùn)算數(shù)據(jù)要求補(bǔ)碼表示范圍在- 1&X& 127先將AND!算和0愁算的電路圖做出來(lái)，這個(gè)比較簡(jiǎn)單：加減法器:設(shè)計(jì)思想:符號(hào)浮點(diǎn)數(shù)的加減法與符號(hào)幅值的加減