位CPU綜合設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)

1、西安科技大學(xué)高新學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)題 目 16位CPU綜合設(shè)計(jì) 專業(yè)及班級 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)06級 組 長 盧燕妮 成 員 趙雯、徐靜蕾、劉佳、王大偉 、焦彤 指 導(dǎo)教 師 溫乃寧 日 期 2009年1月 目 錄1 教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備11.1 學(xué)習(xí)目的11.2 學(xué)習(xí)任務(wù)12 CPU指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12.1 指令格式12.2 尋址方式22.3 指令類型33 運(yùn)算器的設(shè)計(jì)53.1 SN74181概述63.2 ALU的組成74 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)的建立84.1 部件設(shè)置84.2 總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)94.3 各類信息的傳送路徑94.4 微命令的設(shè)置115 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)125.1 功能描述

2、和結(jié)構(gòu)125.2 輸入和輸出端口定義125.3 指令譯碼器135.4 時(shí)序發(fā)生器165.5 編碼器175.6 微操作信號(hào)發(fā)生器186 下載調(diào)試和驗(yàn)證196.1 實(shí)驗(yàn)接線196.2 連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。206.3 寫微程序和程序206.4 運(yùn)行程序227 設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)238 參考文獻(xiàn)231 教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.1 學(xué)習(xí)目的從計(jì)算機(jī)的基本概念、基本組成及基本功能著手，對計(jì)算機(jī)的各個(gè)基本組成部件及控制單元的工作原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握有關(guān)軟、硬件的基本知識(shí)，尤其是各基本組成部件有機(jī)連接構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的方法，為培養(yǎng)自身對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用能力打下基礎(chǔ)。通過本門課程的

3、學(xué)習(xí)，能在自己的腦中建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。1.2 學(xué)習(xí)任務(wù)掌握數(shù)字化信息編碼及運(yùn)算方法，運(yùn)算器的邏輯構(gòu)成；熟悉半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器基本原理，掌握存儲(chǔ)體系構(gòu)成；掌握尋址和指令系統(tǒng)；熟悉中央處理器組成、時(shí)序控制方法，掌握控制器設(shè)計(jì)技術(shù)；熟悉系統(tǒng)總線和I/O系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，分別建立CPU的指令系統(tǒng)，利用運(yùn)算器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)組合邏輯控制器，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路結(jié)果框圖等。 調(diào)試把設(shè)計(jì)結(jié)果下載到實(shí)驗(yàn)版上，通過執(zhí)行指令對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 PC機(jī)一臺(tái) DVCC試驗(yàn)箱 各種實(shí)驗(yàn)多需要的跳線，連接線等2 CPU指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 指令格式模型機(jī)采用定長的指令格式，每條 指令16位字長，占

4、據(jù)一個(gè)存儲(chǔ)單元。由于指令字長有限，采用寄存器尋址，即指令格式給出寄存器號(hào)，根據(jù)不同的尋址方式形成相應(yīng)的地址。模型機(jī)的指令格式有三類：(1) 雙操作數(shù)值令格式15 12 11 9 8 6 5 3 2 0 操作碼寄存器號(hào)尋址方式寄存器號(hào)尋址方式 目的寄存器 源寄存器四位操作碼可以表示16種操作。(2) 單操作指令格式15 12 11 6 5 3 2 0操作碼（可擴(kuò)展）寄存器號(hào)尋址方式 目的(3) 轉(zhuǎn)移指令格式 15 12 11 9 8 6 5 4 3 2 1 0操作碼寄存器號(hào)尋址方式NZVC 轉(zhuǎn)移地址 轉(zhuǎn)移條件2.2 尋址方式模型機(jī)的特點(diǎn)是指令中直接給出寄存器編號(hào)，供CPU訪問?？删幊痰募拇嫫靼?/p>

5、寄存器R0 R3，堆棧指針SP，程序計(jì)數(shù)器PC，程序狀態(tài)字PSW，針對同一種尋址防護(hù)四編碼，指定不同的寄存器，派生出多種不同的尋址方式。模型機(jī)的常用的尋址方式：表1 類型編號(hào)尋址方式助記符可指定的寄存器定義0型(000)寄存器尋址RR0 R3，SP，PC，PSW寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)1型(001)寄存器間址(R)R0 R3寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)地址2型(010)自減型寄存器尋址-(R)-(SP)R0 R3寄存器內(nèi)容減1后的操作數(shù)地址SP內(nèi)容減1后為堆棧地址3型(011)立即/自增型寄存器尋址(R)+(SP)+(PC)+R0 R3寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)的地址，訪問該地址后寄存器內(nèi)容加1SP內(nèi)容為棧頂?shù)?/p>

6、址，出棧后SP加1PC內(nèi)容為立即數(shù)地址，取數(shù)后PC內(nèi)容加14型(100)直接/間接尋址(R)+(PC)+R0 R3寄存器的內(nèi)容為間接地址，訪問地址后寄存器內(nèi)容加1PC內(nèi)容為間接地址，訪問后PC內(nèi)容加15型(101)變址/相對尋址X(R)X(PC)R0 R3變址寄存器內(nèi)容與形式地址之和為操作數(shù)地址PC內(nèi)容與位移量之和為有效地址6型(110)跳步SKP執(zhí)行再下條指令 在正式編碼中就可以用該表中的類型來指定相應(yīng)的尋址方式。2.3 指令類型根據(jù)模型機(jī)的指令格式，操作碼有4位，線設(shè)置了15種指令(其中兩種指令共用一個(gè)操作碼)，余下的兩種操作碼組合可以供擴(kuò)展。按操作數(shù)的多少，把模型機(jī)的指令分為雙操作數(shù)指令

7、和單操作數(shù)指令兩大類；按指令本身的功能，把這些指令分為傳送，運(yùn)算，轉(zhuǎn)移等3類。模型機(jī)的指令類型如下表：表2 操作碼助記符含義操作碼助記符含義00000001001000110100010101100111MOVEADDSUBANDOREORCOMNEG傳送加減與或異或求反求補(bǔ)1000100110101011110011001101INCDCSLSRJMPRSTJSR加1減1左移右移轉(zhuǎn)移返回轉(zhuǎn)子 傳送指令MOV可以采用不同的尋址方式來預(yù)置寄存器或者存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)見存期和寄存器之間，寄存器與存儲(chǔ)單元，各存儲(chǔ)單元之間的信息傳送，還可以實(shí)現(xiàn)堆棧操作POP、PUSH。 雙操作數(shù)指令A(yù)DD、SUB、AND

8、、OR、EOR是帶進(jìn)位的加和減。其他的是邏輯運(yùn)算指令，可用來實(shí)現(xiàn)位檢測，位清除，位設(shè)置，位修正等操作。 單操作數(shù)指令有COM、NEG、INC、DC、SL、SR他們都是單操作數(shù)指令，可以實(shí)現(xiàn)對操作數(shù)的加1減1等操作。 程序控制指令 轉(zhuǎn)移指令JMPJMP是用來實(shí)現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移的。 返回指令RSTRST指令是JMP指令的一個(gè)特例，但是RST只能采用自增性寄存器間接尋址表明轉(zhuǎn)移地址，并且指定寄存器為SP，即尋址方式(SP)+，則從堆棧中取出返回地址，然后SP+1。 轉(zhuǎn)子指令JSP執(zhí)行JSP指令時(shí)，首先將返回地址壓棧，然后按照尋址方式找到轉(zhuǎn)移地址，把t它送PC中。綜上，得到我們的設(shè)計(jì)指令為： L

9、DR Ri，D格式 7 4 3 2 1 00 0 0 0Ri不用D功能： RiM（D）（2） STR Ri，D格式 7 4 3 2 1 00 0 0 1Ri不 用D功能： M（D）（Ri）（3） ADD Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 0 1 0RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（4） SUB Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 0 1 1RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（5） AND Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 1 0 0RiRj功能：Ri （Ri） （Rj）（6） OR Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 1 0 1RiRj功能：Ri （Ri）

10、 （Rj）（7） MUL Ri，Rj格式 7 4 3 2 1 00 1 1 0RiRj功能：Ri （Ri）× （Rj）（8） 轉(zhuǎn)移指令格式 7 4 3 2 1 00 1 1 1條件不 用D功能： 條件碼 00 無條件轉(zhuǎn)移 PC D01 有進(jìn)位轉(zhuǎn)移 PC D10 結(jié)果為0轉(zhuǎn)移 PC D11 結(jié)果為負(fù)轉(zhuǎn)移 PC D IN Ri，M j格式 7 4 3 2 1 01 0 0 1RiMj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)，選中實(shí)驗(yàn)箱的二進(jìn)制代碼開關(guān)。功能： Ri （M j） OUT Ri，M j格式 7 4 3 2 1 01 0 1 0RiMj當(dāng)M j=10時(shí)，選中

11、實(shí)驗(yàn)箱的顯示燈。功能： （M j） Ri HALT（停機(jī)指令）格式 7 4 3 2 1 01 0 1 1不用不用功能：用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)。3 運(yùn)算器的設(shè)計(jì)運(yùn)算部件是CPU內(nèi)部的重要組成部分，它起到至關(guān)重要的作用。在此，我們暫不涉及運(yùn)算器的具體設(shè)計(jì)，僅是利用以往實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果，利用已有的芯片來完成我們需要的運(yùn)算功能。在此我們借用SN74181，利用它來完成我們需要的功能。3.1 SN74181概述1、如下所示。圖1 SN74181的引腳框圖2.引腳功能：1）A0A3:4位二進(jìn)制數(shù)A2）B0B3:4位二進(jìn)制數(shù)B3）F0F3:運(yùn)算結(jié)果4）S0S3:狀態(tài)控制信號(hào)，控制運(yùn)算類型，控制16中運(yùn)算。5）M:運(yùn)算

12、選擇 M=1 邏輯運(yùn)算；M=0 算術(shù)運(yùn)算。3、SN74181功能表表3 工作方式選擇S3S2S1S0邏輯運(yùn)算M=1算術(shù)運(yùn)算M=00000AA減10001(AB)AB減10010A+BAB減10011邏輯1全10100(A+B)A加(A+B)0101BAB加(A+B)0110(AB)A加B0111A+BA+B1000ABA加（A+B）1001ABA加B1010BAB加(A+B)1011A+BA+B1100邏輯001101ABAB加A1110ABAB加A1111AA3.2 ALU的組成通過74181可以形成相應(yīng)的進(jìn)位邏輯，組成相應(yīng)的ALU。(1) 組間串行進(jìn)位的ALU圖1(2) 組間并行進(jìn)位的AL

13、U圖2運(yùn)算器的組織如圖：移位器ALU鎖存器1鎖存器2R0Rn+1MS0S3 圖34 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)的建立綜合以上的相關(guān)知識(shí)，我們知道，總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的內(nèi)容包含確定各種不見的設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，就可以擬出各種信息傳送路徑，以及為實(shí)現(xiàn)這些傳送所需要的命令。數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)了如圖：移位器 ALU選擇器A選擇器BR0R1R2R3CDMARMDRIRPCSPPSWR0R3C,D,SP,PCR0R3C,D,PSW,MDR 圖44.1 部件設(shè)置 寄存器 可編程寄存器R0(000),R1(001),R2(010),R3(011),PSW(101),SP(100),PC(111)。它們都設(shè)置3

14、位編號(hào)，供CPU變成訪問。 暫存器C,D取源操作數(shù)地址或者源操作數(shù)時(shí)，使用寄存器C，讀目的操作數(shù)地址或著謎底操作數(shù)時(shí)，使用寄存器D。 指令寄存器IR為了提高取指令的速度，把指令從主存讀出以后，經(jīng)數(shù)據(jù)總線直接置入IR。 與主存的借口寄存器MAR,MDRCPU訪問主存的地址由地址寄存器MAR提供，而MDR則用來暫存CPU與主存之間要交換的數(shù)據(jù)，其實(shí)就是一個(gè)中轉(zhuǎn)效果。 運(yùn)算部件 ALU部件ALU部件采用SN74181。 輸入邏輯輸入有兩個(gè)選擇器A,B,它們都有八選一功能。通用寄存器和暫存器既可以送往A，也可以送往B，但是PC和SP只能送往A，PSW和MDR只能送往B。ALU輸出設(shè)置一個(gè)移位器， 輸出

15、邏輯ALU輸出設(shè)置一個(gè)移位器，利用對應(yīng)位的連接關(guān)系實(shí)現(xiàn)直傳，左移，右移。4.2 總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu) 內(nèi)總線單向內(nèi)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分配，寄存器在邏輯上分立。 系統(tǒng)總線CPU通過系統(tǒng)總線也外界相連，但是為了簡化，讓CPU直接連到總線上，不考慮信號(hào)的轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展。4.3 各類信息的傳送路徑 指令信息的傳送指令由主存讀出，送人指令寄存器IR：M 數(shù)據(jù)總線 IR。 地址信息的傳送地址信息包還指令地址，順序執(zhí)行的后繼指令地址，轉(zhuǎn)移地址和操作數(shù)地址等四類。 指令地址指令地址從PC取出，送人MAR：PC 選擇器 A ALU 移位器 內(nèi)總線 MAR。 順序執(zhí)行的后繼指令地址現(xiàn)行指令地址PC + 1，得到后繼指令地址：

16、PC A 移位器內(nèi)總線 PC。 轉(zhuǎn)移地址按尋址方式形成轉(zhuǎn)移地址。并送入MAR。同樣，傳送路徑也因?qū)ぶ贩绞蕉?。如：寄存器尋址：Ri A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 PC 寄存器間址：Ri A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 MAR 地址總線 M；M 數(shù)據(jù)總線 MDR B ALU 移位器 內(nèi)總線 PC。 操作數(shù)地址按尋址方式形成轉(zhuǎn)移地址。并送入MAR。同樣，傳送路徑也因?qū)ぶ贩绞蕉?。如：寄存器間址：Ri A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 MAR變址：由于形式地址放在緊跟現(xiàn)行指令的下一存儲(chǔ)單元中，并由PC指示，所以先訪問存取出形式地址，暫存于C，在進(jìn)行變址計(jì)算。取形式地址：PC A ALU 移位器 內(nèi)總

17、線 MAR 地址總線 M；M 數(shù)據(jù)總線 MDR B ALU 移位器 內(nèi)總線 C。做變址計(jì)算：變址寄存器 A ALU 移位器 內(nèi)總線 MAR。 數(shù)據(jù)信息的傳送 寄存器 寄存器Ri A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 Rj。 寄存器 主存Ri A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 MDR 數(shù)據(jù)總線 M。 主存 寄存器M 數(shù)據(jù)總線 MDR B ALU 移位器 內(nèi)總線 Rj。 寄存器 外設(shè)R i A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 MDR 數(shù)據(jù)總線 I/O 外設(shè) 寄存器I/O接口 數(shù)據(jù)總線 MDR B ALU 移位器 內(nèi)總線 Rj. 主存 主存主存單元的內(nèi)容搬遷似乎只需要通過MDR作為中間緩沖即可，但在尋找目的單元

18、地址時(shí)有可能采取間址方式或其他更復(fù)雜的尋址方式，即需要從主存單元中讀取目的地址，且將讀得的目的地址經(jīng)MDR傳送到MAR，所以，一般需分成兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)主存各單元間的傳送，先將讀出數(shù)據(jù)暫存于C中，形成目的地址后再將C內(nèi)容MDR寫入目的單元。M(源單元) 數(shù)據(jù)總線 MDR B ALU 移位器 內(nèi)總線 C; C A/B ALU 移位器 內(nèi)總線 MDR 數(shù)據(jù)總線 M。 主存 外設(shè)有兩種方式實(shí)現(xiàn)主存與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送。一種方式是由CPU執(zhí)行通用傳送指令，以某種尋址方式指明主存單元與外圍接口寄存器的地址，從而實(shí)現(xiàn)主存與外圍設(shè)備間的傳送。這樣的傳送一般以MDR為中間緩沖，以便與其他傳送指令的執(zhí)行流程相吻合

19、。即：M 數(shù)據(jù)總線 MDRMDR 數(shù)據(jù)總線 I/O接口另一種是DMA方式，即CPU放棄系統(tǒng)總線，由DMA控制器控制，通過數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)主存與I/O設(shè)備之間的直接傳送，不動(dòng)用CPU中的寄存器與暫存器。即：M 數(shù)據(jù)總線 I/O接口4.4 微命令的設(shè)置在全面分析了各類信息的傳送路徑之后，對指令將如何執(zhí)行就有了進(jìn)一步的了解，且為時(shí)序的安排與相應(yīng)微命令的設(shè)置打下了基礎(chǔ)。以上傳送過程包含了兩大類操作：內(nèi)部數(shù)據(jù)通路操作和外部訪存操作。 數(shù)據(jù)通路操作 ALU輸入選擇如：R0 A ALU功能選擇如：微命令S3S0、M、C0。根據(jù)它們的組合選擇ALU的運(yùn)算功能。 移位器功能選擇如：微命令DM，左移，右移 結(jié)果分配如

20、：打入脈沖CPR0、CPMAR 訪存操作所需要的命令如下：EMAR、R、W、SMDR、SIR5 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)5.1 功能描述和結(jié)構(gòu)功能描述根據(jù)現(xiàn)行指令、PSW、控制臺(tái)命令、IO設(shè)備接口狀態(tài)、中斷請求、時(shí)序系統(tǒng)等產(chǎn)生所需微命令；控制整個(gè)CPU的運(yùn)行。結(jié)構(gòu) 指令譯碼器 時(shí)序發(fā)生器 編碼器 微操作信號(hào)發(fā)生器 5.2 輸入和輸出端口定義輸入RST /*復(fù)位信號(hào)CONSOL /*控制臺(tái)輸入（鍵盤）；IO /*IO設(shè)備接口；PSW /*寄存器PSW；TIM_QUE /*時(shí)序系統(tǒng)（三級時(shí)序）；IR_CODE /*指令輸入(16 位)；輸出READ /*讀存儲(chǔ)器；WRITE /*寫存儲(chǔ)器；CPR0 /

21、*寄存器R0的打入脈沖CPR1 /*寄存器R1的打入脈沖CPR2 /*寄存器R2的打入脈沖CPR3 /*寄存器R3的打入脈沖CPC /*寄存器C的打入脈沖CPD /*寄存器D的打入脈沖CPPC /*寄存器PC的打入脈沖CPSP /*寄存器SP的打入脈沖CPMBR /*寄存器MBR的打入脈沖CPMAR /*寄存器MAR的打入脈沖CPPSW /*寄存器PSW的打入脈沖SMBR /*寄存器MBR的置入端;SIR /*寄存器R1的置入端;EMAR /*寄存器MAR的使能端;SELA3 /*選擇器A的選擇控制（3位）SELB3 /*選擇器B的選擇控制（3位）CON_ALU6 /*ALU的功能控制（6位）

22、SHIFT_REG2 /*移位器的控制（2位）左移、右移、直傳（DM）;5.3 指令譯碼器 說明由于譯碼后輸出較多，所以按操作類型（IR15IR12），源寄存器號(hào)（IR11IR9），源尋址方式（IR8-IR6），目的寄存器號(hào)（IR5IR3），目的尋址方式（IR2IR0）分為五個(gè)譯碼器。 操作類型碼輸入：IR15，IR14，IR13，IR12輸出：MOV，ADD，SUB，AND，OR，EOR，COM，NEG， INC，DEG，SL，SR，JMP_RST，JSR 功能表： 表4IR15IR14IR13IR12IR_OPER_TYPEIR15IR14IR13IR12IR_OPER_TYPE0000M

23、OV1000INC0001ADD1001DEC0010SUB1010SL0011AND1011RL0100OR1100JMP/RST0101EOR1101JSR0110COM1110sti0111NEG1110cli 源寄存器號(hào)譯碼 U_SREG_DECOD輸入：IR11，IR10，IR9 輸出：S_R0,S_R1，S_R2 ,S_R3,S_SP,S_PSW ,S_PC功能表： 表5IR(11 DOWNTO 9)IR_SREG_TYPE000S_R0001S_R1010S_R2011S_R3100S_SP101S_PSW110S_temp(未用)111S_PC 源寄存器尋址方式譯碼 U_SAD

24、DR_DECOD輸入：IR8，IR7，IR6輸出：S_ADDR_REG , S_ADDR_INDI , S_ADDR_DECR , S_ADDR_INCR , S_DOUB_INDI , S_ADDR_VARI , S_ADDR_SKP功能描述表： 表6IR(8 DOWNTO 6)IR_SREG_ ADDR000S_ADDR_REG001S_ADDR _INDI010S_ADDR _DECR011S_ADDR _INCR100S_ADDR _VARI101S_ADDR _VARI110S_ADDR _SKP111未用 目的寄存器號(hào)譯碼輸入：IR11，IR10，IR9 輸出：S_R0,S_R1，

25、S_R2 ,S_R3,S_SP,S_PSW ,S_PC功能表： 表7IR(11 DOWNTO 9)IR_SREG_TYPE000S_R0001S_R1010S_R2011S_R3100S_SP101S_PSW110S_temp(未用)111S_PC 目的寄存器尋址譯碼 輸入：IR8，IR7，IR6 輸出：S_ADDR_REG , S_ADDR_INDI , S_ADDR_DECR , S_ADDR_INCR , S_DOUB_INDI , S_ADDR_VARI , S_ADDR_SKP功能描述表： 表8IR(8 DOWNTO 6)IR_SREG_ ADDR000S_ADDR_REG001S_

26、ADDR _INDI010S_ADDR _DECR011S_ADDR _INCR100S_ADDR _VARI101S_ADDR _VARI110S_ADDR _SKP111未用5.4 時(shí)序發(fā)生器 說明： 模型機(jī)的時(shí)序系統(tǒng)采取三級時(shí)序（工作周期，時(shí)鐘周期，工作脈沖） 工作周期 模型機(jī)設(shè)置六種工作周期狀態(tài)，用六個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器作為它們的標(biāo)志。某一時(shí)期內(nèi)只有其中一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器為1，指明CPU現(xiàn)在所處的工作周期狀態(tài)，為該階段的工作提供時(shí)間標(biāo)志與依據(jù)。由于暫時(shí)不考慮DMA，所以只設(shè)置五個(gè)工作周期。 取指周期FT 源周期ST 目的周期DT 執(zhí)行周期ET 中斷周期IT不同類型指令所需的工作周期可能不同

27、。在每一工作周期結(jié)束前，判斷下一個(gè)周期狀態(tài)是什么，并為此準(zhǔn)備好進(jìn)入該周期的條件，如發(fā)出電位信號(hào)ST4->DT0等，到本周期結(jié)束的時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)周期狀態(tài)的定時(shí)切換。 時(shí)鐘周期（節(jié)拍）以主存訪問周期所需時(shí)間為時(shí)間周期的寬度。一個(gè)工作周期包含若干節(jié)拍，根據(jù)不同指令的需要，節(jié)拍數(shù)可變。設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器T，從T=0開始進(jìn)入一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)，表示進(jìn)入新的工作周期。如果本工作周期還需延長，則發(fā)T+1，計(jì)數(shù)器T將繼續(xù)計(jì)數(shù)，開始新的節(jié)拍。如果本工作周期應(yīng)當(dāng)結(jié)束，則發(fā)命令T=0。計(jì)數(shù)器T的狀態(tài)進(jìn)經(jīng)譯碼產(chǎn)生節(jié)拍狀態(tài)，如：T0，T1，T2等。作為分步操作的時(shí)間標(biāo)志。 工作脈沖模型機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘周期的末尾發(fā)一個(gè)工作脈

28、沖P，作為各種同步脈沖的來源。工作脈沖P的前沿作為打入寄存器的定時(shí)，標(biāo)志一個(gè)數(shù)據(jù)通路操作的完成。P的后沿作為周期切換的定時(shí)，在次時(shí)刻對時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器T計(jì)數(shù)、打入新的工作周期狀態(tài)。 5.5 編碼器 輸入選擇器A的控制信號(hào)的編碼 輸入：R0_TO_A , R1_TO_A , R2_TO_A ,R3_TO_A , C_TO_A , D_TO_A , PC_TO_A , SP_TO_A;輸出：SEL_A功能描述表： 表9R0_TO_AR1_TO_AR2_TO_AR3_TO_Ac_TO_Ad_TO_Apc_TO_Asp_TO_ASEL_A100000000000100000000100100000010

29、0001000001100001000100000001001010000001011000000001111 輸入選擇器B的控制信號(hào)的編碼輸入：R0_TO_B , R1_TO_B , R2_TO_B , R3_TO_B , C_TO_B , D_TO_B , PSW_TO_B , MBR_TO_B;輸出：SEL_B 功能表： 表10R0_TO_AR1_TO_AR2_TO_AR3_TO_Ac_TO_Ad_TO_Apc_TO_Asp_TO_ASEL_A1000000000001000000001001000000100001000001100001000100000001001010000001

30、011000000001111 ALU的控制信號(hào)編碼 輸入：A，B，A_ADD_B, A_SUB_B, A_COM,B_COM, A_ADD_1, A_SUB_1, A_NEG, A_AND_B, A_OR_B, A_EOR_B;輸出：ALU_CON6S3S2S1S0 & M & C0 功能描述表： 表11R0_TO_AR1_TO_AR2_TO_AR3_TO_Ac_TO_Ad_TO_Apc_TO_Asp_TO_ASEL_A1000000000001000000001001000000100001000001100001000100000001001010000001011000

31、0000011115.6 微操作信號(hào)發(fā)生器 輸入源寄存器、目的寄存器的譯碼和它們的尋址方式譯碼后的輸出、指令碼譯碼后的輸出、時(shí)序信號(hào)。 輸出打入各個(gè)寄存器的打入脈沖信號(hào)，對輸入選擇器的操作信號(hào)，指令寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器的使能信號(hào)等。 實(shí)現(xiàn)方式每個(gè)輸出都是多個(gè)輸入的邏輯運(yùn)算（與或非）的結(jié)果。6 下載調(diào)試和驗(yàn)證綜合以上的設(shè)計(jì)結(jié)果，得到如下數(shù)據(jù)框圖： 圖5根據(jù)以上的數(shù)據(jù)通路框圖設(shè)計(jì)電路連接對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。6.1 實(shí)驗(yàn)接線a、跳線器J1J12全部撥在右邊（自動(dòng)工作方式）；b、跳線器J16、J18、J23、J24全部撥在左邊；c、跳線器J15、J19、J25全部撥在右邊，跳線器J13、

32、J14撥在左邊；d、跳線器J20J22、J26、J27連上短路片；e、UJ1連UJ2，JSE1連JSE2，SJ1連SJ2；f、MBUS連BUS2；g、REGBUS連BUS5；h、PCBUS連EXJ2；i、 ALUBUS連EXJ3；j、 ALUO1連BUS1；k、EXJ1連BUS3；l、 ALUO2連BUS4；m、IJ1連IJ2。6.2 連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。6.3 寫微程序和程序表12手動(dòng)寫微程序： 寫微程序A. "編程開關(guān)"置為"寫入"狀態(tài)。B. "運(yùn)行控制"開關(guān)置為"運(yùn)行"，"運(yùn)行方式

33、"開關(guān)置為"單步"狀態(tài)。C. 用二進(jìn)制模擬開關(guān)UA0UA5置6位微地址，UA0UA5的電平由LK0LK5顯示，高電平亮，低電平滅。D. 用二進(jìn)制模擬開關(guān)MK1MK24置24位微代碼，24位微代碼由LMD1LMD24顯示燈顯示，高電平亮，低電平滅。E. 按動(dòng)"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，啟動(dòng)時(shí)序電路，即可將微代碼寫入到E2PROM 2816的相應(yīng)地址單元中。F .重復(fù)CE步驟，將上表的微代碼全部寫入E2PROM 2816中。 讀微程序A. 將"編程開關(guān)"設(shè)置為"讀"狀態(tài)。B. "運(yùn)行控制"開關(guān)置為&

34、quot;運(yùn)行"，"運(yùn)行方式"開關(guān)置為"單步"狀態(tài)。C. 用二進(jìn)制模擬開關(guān)UA0UA5置6位微地址。D. 按動(dòng)"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，啟動(dòng)時(shí)序電路，讀出微代碼，觀察顯示燈LMD1LMD24的狀態(tài)，檢查讀出的微代碼是否與寫入的相同，如果不同，則將"編程開關(guān)"置為"寫入"狀態(tài)。重新執(zhí)行即可。 單步運(yùn)行A. "編程開關(guān)"置于"運(yùn)行"狀態(tài)。B. "運(yùn)行控制"開關(guān)置為"運(yùn)行"，"運(yùn)行方式"開關(guān)置為&qu

35、ot;單步"狀態(tài)。C. 系統(tǒng)總清，即"總清"開關(guān)撥01。使微地址寄存器U14U16清零，從而明確本機(jī)的運(yùn)行入口微地址為000000（二進(jìn)制）。D. 按動(dòng)"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，啟動(dòng)時(shí)序電路，則每按動(dòng)一次，讀出一條微指令后停機(jī)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)上的微地址顯示燈和微程序顯示燈將顯示所讀出的一條指令。注意：在當(dāng)前條件下，可將6芯排座"JSE1"和"UJ2"相連，可通過強(qiáng)置端SE1SE6,人為設(shè)置微地址，從而改變下一條微指令的地址。設(shè)置方法如下：先將微地址開關(guān)置"1"，再將UJ1上的排線換插到"

36、JSE1"，然后將某個(gè)或幾個(gè)二進(jìn)制開關(guān)置為"0"，相應(yīng)的微地址位即被強(qiáng)置為"1"，從而改變下一條微指令的地址。 連續(xù)運(yùn)行A. 將"編程開關(guān)"置為"運(yùn)行"狀態(tài)。B. "運(yùn)行控制"開關(guān)置為"運(yùn)行"，"運(yùn)行方式"開關(guān)置為"連續(xù)"狀態(tài)。C. 系統(tǒng)總清，即"總清"開關(guān)撥01。使微地址寄存器U14U16清零，從而明確本機(jī)的運(yùn)行入口微地址為000000（二進(jìn)制）。D. 按動(dòng)"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，啟動(dòng)時(shí)序電

37、路，則可連續(xù)讀出微指令。手動(dòng)方法寫代碼程序（機(jī)器指令）步驟如下：通過上一步將機(jī)器指令對應(yīng)的微代碼正確地寫入E2ROM 2816芯片后，再進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。A. 將"編程開關(guān)"置"運(yùn)行"位置，"運(yùn)行方式"開關(guān)置"單步"位置。B. 撥動(dòng)總清開關(guān)（01），微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制開關(guān)SWC、SWA開關(guān)置為"0 1"，按動(dòng)一次"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，微地址顯示燈LUA0LUA5顯示"001001"，再按動(dòng)一次"啟動(dòng)運(yùn)行"

38、;開關(guān)，微地址顯示燈LUA0LUA5顯示"001100"，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，再按動(dòng)一次"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀微程序流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址只要第一次給入即可，PC會(huì)自動(dòng)加1，所以，每次按動(dòng)"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，只有在微地址燈顯示"001100"時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫完。C. 寫完程序后須進(jìn)行檢驗(yàn)。撥動(dòng)總清開關(guān)(01)后，微地址清零，PC程序計(jì)數(shù)器清零，然后使控制開關(guān)SWC、SWA為"0 0",按動(dòng)"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，微地址燈將顯示"001000"，再按"啟動(dòng)運(yùn)行"開關(guān)，微地址燈顯示為"001010&qu