組成原理模型機說明文檔

1、此文檔為模型計算機的電路說明文檔。共分為四個部分。具體如下：第一部分：ALU，PC及I/O部分1PC（74LS161） 圖 X-174LS161的計數(shù)是同步的，靠 CLOCK 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。輸入部分D0D3都接入數(shù)據(jù)總線，兩片74LS161構(gòu)成八位。MR接總清零信號，當(dāng)清零脈沖到達時，芯片內(nèi)數(shù)據(jù)將被擦除；LOAD信號由微控制器在T2時譯碼給出，高電平有效。LDPC由微控制器在T2時譯碼給出，高電平有效，當(dāng)此信號變?yōu)楦唠娖讲⒈３值絋4時，與門7408輸出邏輯值1，此時74LS161 的CLK引腳獲得脈沖。每次獲得脈沖將使中的數(shù)據(jù)加，即程序計數(shù)器的低位增，當(dāng)?shù)臀蛔栽鲋習(xí)r產(chǎn)生溢出進位

2、，由RC0向高位進；總線上的數(shù)據(jù)進入74LS161的條件是LOAD信號是高電平且CLK獲得脈沖。當(dāng) ENP、ENT 均為高電平時，在時鐘脈沖上升沿作用下 D0D3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。74LS161 的 ENP、ENT 跳變與時鐘脈沖無關(guān)。圖X-274LS245具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。AB/AB為高電平時，A0A7為數(shù)據(jù)輸入端，B0B7為數(shù)據(jù)輸出端。CE為片選信號，接信號PC_B，PC_B由微控制器在T2時刻譯碼產(chǎn)生，當(dāng)PC_B為高電平且AB/AB為高電平時，數(shù)據(jù)由DA0DA7 輸出至數(shù)據(jù)總線 74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， D7

3、D0為數(shù)據(jù)輸入端， Q7Q0為數(shù)據(jù)輸出端，CLK正脈沖觸發(fā)，低電平清除，用作8位地址鎖存器。2存儲器（6116）6116為此模型機的RAM，用于存放機器指令和操作數(shù)，A0A10為地址線，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線至74LS273輸入，OE和CE同時接由M17和M16經(jīng)2-4譯碼器輸出的RAM讀寫控制信號，WE-R由單片機控制，用于單片機向6116中寫入模擬機運行所需的指令及數(shù)據(jù)。3寄存器（74LS374）74LS374是數(shù)據(jù)寄存器，輸入端D0D7與輸出端Q0Q7都接在數(shù)據(jù)總線上。T4和LDIR同時為高電平的74LS08輸出邏輯值1，給CLK一個上升沿的脈沖，此時數(shù)據(jù)進入寄存器。RI_B，RS_B，RD_B

4、均由微控制器在T2時譯碼給出，作74LS374的輸出允許信號，低電平有效，此時寄存器中的數(shù)據(jù)輸出至總線。4ALU（74LS181）74LS181為運算器，左側(cè)的74LS181負責(zé)計算低4位，右側(cè)的74LS181負責(zé)計算高4位，CN+4為低4位運算產(chǎn)生的進位，設(shè)有兩個參與運算的8位無符號整數(shù)A和B，A和B的低四位分別接左側(cè)74LS181的A0A3和B0B3，高四位分別接右側(cè)74LS181的A0A3和B0B3。S0S3控制工作方式。M控制運算是邏輯運算還是算術(shù)運算。F0F3為運算結(jié)果的輸出，兩組構(gòu)成八位的運算結(jié)果。74LS244只具有單向三態(tài)功能，只可以輸出。A0A3為數(shù)據(jù)輸入端，Y0Y7為數(shù)據(jù)輸

5、出端。OE為輸出允許信號，接信號ALU_B，ALU_B由微控制器在T2時刻譯碼產(chǎn)生，當(dāng)ALU_B為低電平時，數(shù)據(jù)由Y0Y3 輸出至數(shù)據(jù)總線。5I/O部分下圖為輸入部分，其中開關(guān)可以控制數(shù)據(jù)輸入，開關(guān)由上到下分別為高到低位，SW-B為245選通信號。SW-B為低電平時，數(shù)據(jù)可輸入到總線。下圖為LED輸出部分。245默認的數(shù)據(jù)方向為A到B。LED-B為低電平時選中245，使輸出有效。第二部分：微控制部分微程序是英國劍橋大學(xué)教授M.V.Wilkes在1951年首先提出的，它是實現(xiàn)程序的一種手段,具體就是將一條機器指令編寫成一段微程序。每一個微程序包含若干條微指令，每一條微指令對應(yīng)一條或多條微操作。在

6、有微程序的系統(tǒng)中,CPU內(nèi)部有一個控制存儲器,用于存放各種機器指令對應(yīng)的微程序段.當(dāng)CPU執(zhí)行機器指令時,會在控制存儲器里尋找與該機器指令對應(yīng)的微程序，取出相應(yīng)的微指令來控制執(zhí)行各個微操作，從而完成該程序語句的功能.1.控制臺轉(zhuǎn)移上圖為由控制臺輸入轉(zhuǎn)移邏輯，通過下圖進行轉(zhuǎn)移。00P(4)20KEW(01)PC->ARPC+1INPUT->BUSBUS->DR1DR1->RAMKRD(00)PC->ARPC+1RAM->BUSBUS->DR1DR1->LED212430202220RP(11)2301電路圖中包括兩個反向器，兩個3輸入端與非門，兩個

7、D觸發(fā)器以及一個三態(tài)門組成。對于該模塊，共有6個輸入端，分別為SWA，SWB，P（4），微地址的低兩位，以及時序產(chǎn)生的T3。反向器U48的作用是對P（4）進行反向，因為P（4）是由微控器經(jīng)過3-8譯碼器給出的控制信號，平時為高電平，所以需要經(jīng)過反向才能符合要求。U57:A和U57:B為兩個相同的3輸入端與非門，連接D觸發(fā)器的S端，任意一個輸入為0時，輸出為1，不影響D觸發(fā)器，只有當(dāng)3個輸入端均為1時，才將相應(yīng)D觸發(fā)器強制置為1。U46：A和U46：B為兩個D觸發(fā)器時鐘信號由T3控制，兩個D輸入端為微地址低兩位，當(dāng)S端為1時，輸入不變；否則，相應(yīng)輸出置為1。U490為一個4輸入輸出的3態(tài)門，輸出

8、允許由T3控制，由于時鐘在T3時變?yōu)楦唠娖剑孕枰由弦粋€反向器才能實現(xiàn)所需要的功能。該模塊的工作原理為：由P（4），SWA，SWB來判定是否轉(zhuǎn)移，T3為時序， P（4）平時為高電平，經(jīng)過反向器以后輸入到與非門，使兩個與非門都輸出為1，連接D觸發(fā)器的S端，強制置1端無效，微地址的低兩位保持原來的輸入不變。當(dāng)P（4）為低電平時，經(jīng)過反向器到與非門的輸入端為1，當(dāng)SWA，SWB為1時，且時序進行到T3時，相應(yīng)與非門輸出端為0，強制D觸發(fā)器的輸出為1，從而改變了微地址的低兩位，從而實現(xiàn)了下一條的轉(zhuǎn)移。2.地址轉(zhuǎn)移上圖為地址轉(zhuǎn)移邏輯模塊，包括4個3輸入端與非門，6個D觸發(fā)器。U54：A，U54：B，

9、U54：C，U55：A為4個3輸入端的與非門，3個輸入端分別為T4，P（1）連接一個反向器以及I4，I5，I6，I7。其中I4，I5，I6，I7為微控器外面的地址寄存器IR的高4位。這4個與非門的作用是通過輸入端輸出控制D觸發(fā)器的S端，在需要轉(zhuǎn)移地址時對D觸發(fā)器進行強制置1。P（1）為微控器通過3-8譯碼器產(chǎn)生的微控制信號，平時為1，經(jīng)過反向器后為0，經(jīng)過與非門，使與非門輸出為1，不影響D觸發(fā)器。U52：A，U52：B，U53：A，U53：B，U49：A，U49：B，為6個D觸發(fā)器，D輸入端為微命令的地6位，即下一條微地址，左面是低位，右面是高位，其中低兩位由上述的控制臺轉(zhuǎn)移的輸出端給出，高四

10、位為存儲器輸出。時鐘控制由T4進行，低四位的S端連接四個與非門的輸出，R端連接CLR信號，當(dāng)CLR為低電平時，所有的D觸發(fā)器輸出均為0。該模塊的工作原理為：由P（1），I4，I5，I6，I7來判斷是否轉(zhuǎn)移，T4為時序。平時P（1）為1，經(jīng)過反向器后為0，與非門輸出為1，對D觸發(fā)器無影響，微地址不變，此時不進行地址轉(zhuǎn)移。當(dāng)P（1）為0時，經(jīng)過反向器的輸出為1， I4，I5，I6，I7的任意一位為1時，且T4時序有效時，對應(yīng)與非門輸出為0，強制D觸發(fā)器輸出為1，從而進行了地址的轉(zhuǎn)移。3微地址輸入此圖為微地址輸入模塊，其中包括一個74374鎖存器以及3個6116存儲器。U45為一個74LS374鎖存

11、器，它的6個輸入端即為微地址，按照我們的設(shè)計，6個輸入端由單片機來控制，因此ADDR0ADDR5連接的是單片機的6個相應(yīng)端口，通過編程改變微地址，從而實現(xiàn)微命令的輸入。U35，U36，U37為3個6116的RAM，由于PROTEUS 7中沒有ROM，所以只能使用該芯片。其中5個控制端為單片機的控制，具體情況會在單片機模塊中指出。該模塊的工作原理為：首先輸入微地址，指明對存儲器進行操作的地址單元，然后輸入微命令，通過控制信號對WE進行操作，實現(xiàn)微命令的寫操作，然后改變微地址的輸入，進行下一條微命令的寫操作，直到寫完所有的微命令為止。4微命令輸入上圖為微命令輸入模塊，包括3個控制開關(guān)，3個8輸入端

12、雙向三態(tài)門，以及24個LED顯示燈。DSW1，DSW2，DSW3為3個控制開關(guān)，控制微命令的輸入。從左到右分別為從高位到低位。U42，U43，U44為3個8輸入端雙向三態(tài)門，AB/BA信號端為1，表示由A端向B端傳輸數(shù)據(jù)。片選有效信號由一個邏輯門控制。它們的24個輸出端為24位微命令，它們連接24個LED顯示燈以及6116存儲器。D15D38為24個LED顯示燈，用于顯示24位微命令，為1時燈亮，為0時燈滅。該模塊的工作原理為：由輸入端輸入微命令，經(jīng)過三態(tài)門輸出到LED燈進行顯示，以及到6116存儲器進行存儲。5微控制輸出上圖為微控制信號的輸出模塊，包括3個鎖存器，3個3-8譯碼器，以及若干個

13、反向器。U32，U33，U58為3個鎖存器，只是使用的芯片不同，左邊兩個為74LS273，右邊一個為74LS175，CLK端由T2控制，MR端由CLR控制，即CLR為0時，鎖存器清零。U38，U39，U40為3個3-8譯碼器，E1,E2,E3為1，0，0。輸入端為A，B，C字段，譯碼的情況如下：由于LDR0，LDDR1，LDDR2，LDIR，LDAR以及LDPC均為高電平有效，所以需要在輸出前加上一個反向器。該模塊的工作原理為：由存儲器輸出的前18位為控制信號，經(jīng)過鎖存器的鎖存，其中，高9位直接輸出，剩余9為需要經(jīng)過3-8譯碼器的譯碼輸出，具體輸出入上圖所示。第三部分：自動輸入本系統(tǒng)若使用開關(guān)

14、撥代碼及微程序，則由于數(shù)據(jù)量較多且容易撥錯，致使調(diào)試效率低下。因此用一個AT89C51來自動寫入代碼及微程序，省卻撥動開關(guān)的時間。下面是具體電路及寫入51的代碼，經(jīng)驗證可正確寫入及讀出。1 AT89C51部分下圖為寫入程序的AT89C51引腳圖。其中P0腳提供微程序；P1.7為地址寄存器提供時序信號；P1.5P1.0為微地址寄存器提供微地址；P2提供各種控制信號（各控制信號用途見代碼注釋）；P3提供程序/地址。因AT89C51引腳有限，因此有些腳要復(fù)用。其中P0口在一個周期內(nèi)提供24位微程序，根據(jù)片選信號分別寫入不同存儲器；P3分時復(fù)用。2微程序存儲寫入部分下圖為微地址寄存器（74LS374）

15、與三個微程序存儲器（6116）的連接示意圖。其中ADDR0ADDR7與上圖AT89C51的ADDR0ADDR7相對應(yīng)。用來提供微地址。而三個微程序存儲器的讀允許，寫允許，片選分別與上圖的P2.7P2.3相對應(yīng)。其中微地址寄存器的T與上圖的T相對應(yīng)，用來提供時序信號，以保證其正確運行。微地址寄存器默認設(shè)置為輸出允許。首先由單片機提供微地址，然后由T提供一個脈沖，使之寫入374。這時總線上位微地址信號。為微程序的寫入提供地址。下圖為三個74LS245（三態(tài)門）相連，用來同時給三個微程序存儲器寫入微程序，寫入時三個245的片選都被選中，即數(shù)據(jù)可以通過這三個三態(tài)門。首先三個微程序存儲器的地址可由上面步

16、驟給出。然后再由單片機寫入數(shù)據(jù)。AT89C51每次寫8位數(shù)據(jù)，然后配合下面三個6116存儲器的片選，寫有效，分別寫入數(shù)據(jù)。3存儲器寫入部分下圖為寫入主存程序的電路。包含一個74LS245，一個74LS273（地址寄存器），一個6116主存儲器，其中藍色粗線為總線。它將這三個部件都連接了起來。向主存寫程序時先將LDRAM置為低電平，再通過R7R0寫入地址，這時TR腳發(fā)過來一個脈沖，使地址寫入地址寄存器（74LS273），然后再通過R7R0寫入數(shù)據(jù)，這時WE-RAM腳置低電平，數(shù)據(jù)就寫入6116了。其中片選默認為有效，讀允許默認為無效。寫完程序后可把SW15, SW18 ,SW10,SW9撥至左邊

17、，以使其按照信號正常工作。4代碼部分具體代碼如下：#include "reg51.h"sbit OE =P27;/控制微控器里三個6116（RAM）的輸出sbit WE =P26;/控制微控器里三個6116（RAM）的寫入sbit CS2=P25;/控制微控器里三個6116（RAM）的片選sbit CS1=P24;sbit CS0=P23;sbit t=P22;/給微地址寄存器寫入地址提供時序信號sbit WE_RAM=P21;/為主存儲器提供寫允許信號sbit LDRAM=P20;/給主存儲器寫入地址或數(shù)據(jù)的74LS245的允許信號sbit tr=P17;/為主存儲器提供

18、地址的74LS273的時序信號#define n 100/用于提供延時的變量void delay(void)/延時功能函數(shù)char i,j;for(i=0;i<n;i+)for(j=0;j<n;j+)void init(void)/初始化函數(shù)OE=1;WE=1;CS2=1;CS1=1;CS0=1;WE_RAM=1;LDRAM=1;t=0;void main(void)char c225= 0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x01,0x95,0x00,0x00,0x01,0x01,0x01,0x01,0x02,0x00,0x00,0x01,0x01,0x00,0x0

19、1,0x00,0x07,0x00,0x07,0x06;/微程序的高八位數(shù)據(jù)char c125= 0x81,0xed,0xc0,0xe0,0xb0,0xa2,0x9a,0xe0,0x10,0xed,0xed,0xed,0xed,0x82,0xe0,0xa0,0xed,0xed,0xa0,0x80,0x20,0x0a,0xd1,0x0a,0x8a;/微程序的中八位數(shù)據(jù)char c025= 0x10,0x82,0x48,0x04,0x05,0x06,0x01,0x0d,0x01,0x83,0x87,0x8e,0x96,0x01,0x0f,0x15,0x92,0x94,0x17,0x01,0x18,0

20、x01,0x81,0x10,0x11;/微程序的低八位數(shù)據(jù)char ram11=0x00,0x10,0x0a,0x20,0x0b,0x30,0x0b,0x40,0x00,0x00,0x01;/主存儲器里的數(shù)據(jù)及指令char i;init();WE=0;for(i=0;i<=24;i+)P1=i;/P1口用來提供微程序地址t=!t;/微地址寄存器的時序信號P0=c2i;/P0口用來提供微程序，先提供高八位程序CS2=0;/選中高八位的存儲器delay();/延時CS2=1;/片選無效P0=c1i;CS1=0;/選中中八位存儲器delay();CS1=1;/片選無效P0=c0i;CS0=0;

21、/選中低八位存儲器delay();CS0=1;/片選無效t=!t;WE=1;CS2=0;CS1=0;CS0=0;OE=0;P0=0x00;/置微地址為0x00for(i=0;i<25;i+)/顯示微程序數(shù)據(jù)，用來檢查是否輸入有誤P1=i;t=!t;t=!t;delay();P1=0x01;t=!t;t=!t;delay();LDRAM=0;tr=0;for(i=0;i<11;i+)P3=i;/提供主存儲器地址tr=!tr;tr=!tr;/將地址寫入地址寄存器P3=rami;/提供主存儲器數(shù)據(jù)或指令WE_RAM=0;/主存儲器寫有效delay();WE_RAM=1;P3=0x00;tr=!tr;tr=!tr;LDRAM=1;while(1)此代碼在Keil Version2中編譯為*.hex文件，然后加載到Proteus中的AT89C51，便可運行。第四部分：時序及控制如圖所示，此為時序信號的發(fā)生器。具體分析見下：設(shè)D觸發(fā)器U21:A，U21:B，U22:A，U29:B分別為Dtrigger1，Dtrigger2，Dtrigger3，Dtrigger4。相應(yīng)的管腳為Qn，n，Dn，Sn，Rn；與Q1相連的腳有：T10，T20一腳，D2；與Q2相連的腳有T30一腳，D3；與2相連的腳有T20一腳；與Q3相連的腳為D4；與3相連的腳有T30一腳