微程序控制器的CPU設(shè)計課程設(shè)計

1、課程設(shè)計（大作業(yè)）報告課程名稱： 計算機組成原理 設(shè)計題目:微程序控制器模型機CPU設(shè)計院 系： 信息技術(shù)學(xué)院 班 級： 2011級3班 設(shè) 計 者： 蔣興發(fā) 學(xué) 號： 201111010309 指導(dǎo)教師： 華 瑞 設(shè)計時間： 2013.7.12013.7.5 信息技術(shù)學(xué)院昆明學(xué)院課程設(shè)計（大作業(yè)）任務(wù)書姓 名：蔣興發(fā) 院（系）： 信息技術(shù)學(xué)院專 業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號：201111010309任務(wù)起止日期：2013-07-012013-07-05課程設(shè)計題目：1、 采用硬連線控制器或微程序控制器的模型機CPU設(shè)計。2、 分析Intel公司Pentium系列CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出改進設(shè)計思

2、想。3、 新一代或未來計算機大致結(jié)構(gòu)框架及主要設(shè)計原理構(gòu)想。課程設(shè)計要求：1、 可以單人設(shè)計，也可分組設(shè)計。若分組，組員自由組合，每組2-3人，通過組員協(xié)作共同完成設(shè)計任務(wù)，各組員工作量要均衡飽滿，組內(nèi)各組員設(shè)計內(nèi)容不得雷同。2、 根據(jù)個人或小組的實際情況，以上三個設(shè)計題目任選其一作為正式課程設(shè)計題目。也可自擬設(shè)計題目，但必須經(jīng)指導(dǎo)教師認可批準后才能作為正式課程設(shè)計題目。3、 對于設(shè)計題目1，要求在完成基本模型機實驗與復(fù)雜模型機實驗的基礎(chǔ)上，參考主教材P.347§12.1具體設(shè)計要求，并且結(jié)合上網(wǎng)搜索與圖書館查找相關(guān)資料進行具體設(shè)計。4、 對于設(shè)計題目2，要求在完成基本模型機實驗與復(fù)

3、雜模型機實驗的基礎(chǔ)上，參考主教材P.166P.171并結(jié)合上網(wǎng)搜索與圖書館查找相關(guān)資料進行較為全面到位的分析，以支持主教材中對該CPU“堪稱為當(dāng)代CISC機器的經(jīng)典之作”的評價。并且提出你對該CPU的若干改進設(shè)計思想（原設(shè)計何處有何不足，如何改進？）。5、 對于設(shè)計題目3，要求在完成基本模型機實驗與復(fù)雜模型機實驗的基礎(chǔ)上，到圖書館查找相關(guān)資料并結(jié)合上網(wǎng)搜索，再加上自己大膽與合理的想象進行設(shè)計?！安慌伦霾坏?，只怕想不到”。6、 不管上述哪個設(shè)計題目，均要求有較完善的設(shè)計文檔，并結(jié)合實際，按后文要求寫出課程設(shè)計報告并打印裝訂與電子版一起提交（大作業(yè)），紙質(zhì)版與電子版缺一不可。7、 請自覺遵守課程設(shè)

4、計紀律，出勤、實驗情況、設(shè)計態(tài)度等平時設(shè)計過程表現(xiàn)將與最終設(shè)計成果一起綜合評定本次課程設(shè)計總成績，過程與結(jié)果同樣重要。工作計劃及安排：1、 分組，明確設(shè)計目標，搜集相關(guān)設(shè)計資料，熟悉基本模型機原理實驗。 7.1日2、 整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計，撰寫初步設(shè)計文檔，進一步搜集設(shè)計資料，熟悉復(fù)雜模型機實驗。 7.2日3、 按分工要求進行具體內(nèi)容設(shè)計，撰寫具體設(shè)計文檔，熟悉復(fù)雜模型機實驗。 7.3日4、 具體設(shè)計內(nèi)容進一步修改完善，繼續(xù)撰寫并修改完善設(shè)計文檔（大作業(yè)報告）。 7.4日5、 按設(shè)計要求提交最終設(shè)計成果及課程設(shè)計大作業(yè)報告，指導(dǎo)教師檢查評閱。 7.5日（共 一 周）指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 課程設(shè)

5、計（大作業(yè)）成績學(xué)號：201111010309 姓名：蔣興發(fā)指導(dǎo)教師：華 瑞 課程設(shè)計題目：微程序控制器模型機CPU設(shè)計總結(jié)： 指導(dǎo)教師評語：成績：填表時間： 指導(dǎo)教師簽名：目錄課程設(shè)計（大作業(yè)）報告0一、課題分析41.1、設(shè)計目的41.2、設(shè)計任務(wù)41.3、課程設(shè)計題目分析41.3.1課題設(shè)計準備41.3.2讀/寫操作的認識5二、總體設(shè)計52.1、設(shè)計原理62.2功能設(shè)計6三、方案比較7四、分步設(shè)計84.1小組成員設(shè)計任務(wù)分配84.2微程序控制器的設(shè)計84.2.1 設(shè)計要求84.2.2 設(shè)計內(nèi)容84.3、指令周期流程圖94.4、機器指令設(shè)計94.5系統(tǒng)組成框圖104.6、各部件功能114.7

6、微指令格式124.8微程序流程圖134.10數(shù)據(jù)連通圖和接線圖14五、設(shè)計成果155.1運行結(jié)果155.2復(fù)雜模型機實圖連接165.3課程設(shè)計的收獲16六、存在問題及改進建議16七、實驗器材17八、參考文獻及相關(guān)網(wǎng)址17課程設(shè)計（大作業(yè)）報告一、 課題分析通過計算機組成原理理論課和幾次實驗的學(xué)習(xí)，編寫相應(yīng)的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺基本模型機，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號。在設(shè)計基本模型機的實驗基礎(chǔ)上，完成這次的課程設(shè)計。這次的課程設(shè)計將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序

7、控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一條微程序。1.1、設(shè)計目的計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程的后續(xù)設(shè)計性課程，通過設(shè)計一臺模型計算機，使學(xué)生更好地理解計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的基本內(nèi)容，掌握計算機設(shè)計與實現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力和創(chuàng)新意識，為以后進行計算機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。1.2、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個8位模型計算機系統(tǒng)，包括運算器，微程序控制器，存儲器,簡單輸入輸出接口和設(shè)備。在計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)上搭建模型計算機系統(tǒng)，完成運算器、微程序控制器的設(shè)計調(diào)試任務(wù)，并

8、用所設(shè)計的指令系統(tǒng)編寫一個實現(xiàn)簡單功能的程序，在搭建的模型機系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運行程序。最后總結(jié)實驗結(jié)果，完善所設(shè)計的模型機系統(tǒng)方案和電路圖，寫出完整的設(shè)計報告。1.3、課程設(shè)計題目分析 基于我們對簡單和復(fù)雜模型機的理解和實驗，我們對課程設(shè)計分析1.3.1、課題設(shè)計準備、確定設(shè)計目標確定所設(shè)計計算機的功能和用途。、確定指令系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、指令的編碼、類型、需要設(shè)計哪些指令及使用的尋址方式。確定相對應(yīng)指令所包含的微操作。、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括確定各部件設(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輸路徑，以及實現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。綜合考慮計算機

9、的速率、性能價格比、可靠性等要求，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的操作就不同，計算機的結(jié)構(gòu)也就不一樣。、設(shè)計指令執(zhí)行流程數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計指令系統(tǒng)中每條指令所需要的機器周期數(shù)。對于微程序控制的計算機，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需考慮哪些微操作可以安排在同一條微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。、確定微程序地址根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每個微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。、微指令代碼化根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進制代碼寫入到控制存儲器中的相應(yīng)單元中。、組裝、調(diào)試在總調(diào)試前，先按功能模塊進行組裝和分調(diào)

10、，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證整機的正常運行。1.3.2讀/寫操作的認識 機器指令碼的前4位為操作碼。其中IN為單字長，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應(yīng)的二進制地址碼。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序。存儲器讀操作（READ）：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“00”時，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作（WRITE）：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA設(shè)置為“01”時，按START微動開關(guān)可對RAM進行連續(xù)手動寫入。啟動程序（RUN）：撥動總清開關(guān)C

11、LR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA設(shè)置為“11”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程序運行。上述三條控制臺指令用兩個開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：SWBSWA控制臺命令00讀內(nèi)存（READ）01寫內(nèi)存（WRITE）11啟動程序運行（RUN）二、 總體設(shè)計2.1、設(shè)計原理CPU由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（RO）、指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成，如圖1所示。這個CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU必須和主存掛接后，才有實際的意義，所以還需要在

12、該CPU的基礎(chǔ)上增加一個主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。圖1 基本CPU構(gòu)成原理圖2.2功能設(shè)計本模型機和前面微程序控制器實驗相比,共有5條指令：IN(輸入)、ADD（二進制加法）、OUT(輸出)、JMP(無條件轉(zhuǎn)移)、HLT（停機），其指令格式如下：助記符 實現(xiàn)功能 機器指令代碼IN0(R0) A->R0 0010 0000IN1(R1) B->R1 0011 0000ADD(R0，R1)A+B->R0 0000 0000MUL(R0，R1)AvB->R0 0101 0000AND(R0,R1) AB->R0 0110 0000OUT(R0

13、) A->OUT 0111 0000 HLT NOP 1000 0000均為單字節(jié)指令，*為addr對應(yīng)的二進制地址碼。微程序控制器實驗的指令是通過手動給出的，現(xiàn)在要求CPU自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。三、 方案比較方案一：(1) 選定CPU中所使用的產(chǎn)要器件；(2) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計指標，設(shè)計指令流的數(shù)據(jù)通路；(3) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計指標，設(shè)計數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通路。計算機的工作過程，實質(zhì)上是不同的數(shù)據(jù)流在控制信號作用下在限定的數(shù)據(jù)通路中進行傳送。數(shù)據(jù)通路不同，指令所經(jīng)過的操作過程也不同，機器的結(jié)構(gòu)也就不樣，因此數(shù)據(jù)通路的設(shè)計是至關(guān)重要的。所謂數(shù)據(jù)通路的設(shè)計，也就

14、是確定機器各邏輯部件相對位置的總框圖。數(shù)據(jù)遠路的設(shè)計，目前還沒有非常標準的方法。主要是依據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗，并參考現(xiàn)有機器的三種典型形式（單總線、雙總線或三總線結(jié)構(gòu)），根據(jù)指令系統(tǒng)的要求，可采用試探方法來完成。其主要步驟如下：(1) 對指令系統(tǒng)中的各條指令進行分析，得出所需要的指令周期與操作序列，以便決定各器件的類型和數(shù)量。(2) 構(gòu)成一個總框圖草圖，進行各邏輯部件之間的互相連接，即初步確定數(shù)據(jù)通路，使得由指令系統(tǒng)所包涵的數(shù)據(jù)通路都能實現(xiàn)，并滿足技術(shù)指標的要求。(3) 檢驗全部指令周期的操作序列，確定所需要的控制點和控制信號。(4) 檢查所設(shè)計的數(shù)據(jù)通路，盡可能降低成本，簡化線路。方案二: 、用基

15、本的五條機器指令編寫實驗程序。程序如下：（地址和內(nèi)容都是十六進制，機器指令的前4位為操作碼。）地址內(nèi)容助記符說明0000IN R0, 80H80H R0。數(shù)據(jù)80H從實驗儀左下方“INPUT DEVICE”中的8位數(shù)據(jù)開關(guān)D7D0輸入，存入R0寄存器。0110ADD R0, (0A)(R0)+(0A) R0。R0寄存器的內(nèi)容與存儲器0A地址單元的內(nèi)容相加，結(jié)果存入R0寄存器。020A 0320STA(0B), R0R0 (0B)。R0寄存器的內(nèi)容與存入存儲器0B地址單元。040B 0530OUT BUS, (0B)(0B) BUS。通過總線輸出存儲器0B地址單元的內(nèi)容。060B 0740JMP

16、 0000 PC。無條件轉(zhuǎn)移到00地址。0800 0A01 存儲器0A地址單元的數(shù)據(jù)，可自定。0B 求和結(jié)果保存在存儲器0B地址單元。微指令的微代碼如下：（內(nèi)容是十六進制）十六進制地址八進制地址內(nèi)容十六進制地址八進制地址內(nèi)容00001081010D15018202010182ED010E160FE000020248C0000F1715A000030304E000102092ED01040405B000112194ED01050506A201122217A0000606019A95132301800107070DE000142418200008100110001525010A07091183ED

17、01162681D1000A1287ED011727100A070B138EED011830118A060C1496ED01 、修改和編寫實驗儀RAM和ROM數(shù)據(jù)。 方案比較：由于方案二更符合本次課程設(shè)計的內(nèi)容，而且是基于我們平時做的基本模型機（包括簡單模型機和復(fù)雜模型機兩部分）的基礎(chǔ)，所以做起來比較容易。因此，我們選擇了方案二。四、 分步設(shè)計4.1小組成員設(shè)計任務(wù)分配 表一 任務(wù)分配表小組成員任務(wù)蔣興發(fā)廖宇梅設(shè)計機器指令執(zhí)行流程微程序流程圖指令周期流程圖數(shù)據(jù)通路圖二進制代碼表微指令格式微指令代碼化4.2微程序控制器的設(shè)計4.2.1 設(shè)計要求1將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中；2用單步執(zhí)行微

18、指令方式執(zhí)行微程序并觀測所發(fā)出的控制信號；3每組編寫的程序必須有助記符表示的匯編語言源程序，并把源程序翻譯成機器指令代碼，并記錄相關(guān)實驗結(jié)果；4. 提交微程序流程圖、對應(yīng)的二進制微代碼表4.2.2 設(shè)計內(nèi)容1編寫出實現(xiàn)自定義指令系統(tǒng)的微程序；2將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中；3在實驗箱調(diào)試和完成微程序控制器的設(shè)計工作；4.3、指令周期流程圖開始MMDIRMMAC取指指令MOV指令運算指令MMIRMMIRALU運算PC+1IRuIRDR2ACMMIRMMIRIRuIRIRuIR結(jié)束圖 2 指令周期流程4.4、機器指令設(shè)計表二 機器指令碼設(shè)計:助記符實現(xiàn)功能機器指令代碼IN0(R0)A->

19、;R00010 0000IN1(R1)B->R10011 0000ADD(R0，R1)A+B->R00000 0000MUL(R0，R1)AvB->R00101 0000AND(R0,R1)AB->R00110 0000OUT(R0)A->OUT0111 0000 HLTNOP1000 0000表三 機器指令程序地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說明0000 00000000 0000IN R0"INPUT DEVICE"R00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001 00000000 0

20、0110010 0000STA R0,11HR011H0000 01000001 00010000 0101 0011 0000OUT 11H11HLED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0"INPUT DEVICE"R00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10HR00000 10010001 00000000 10100010 0000STA R0,12HR012H0000 1011 0001 00100000 11000011 0000OUT 12H12HLED0000 11010001 00100

21、000 11100100 0000JMP 00H00HPC0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和結(jié)果0001 0011求差結(jié)果4.5系統(tǒng)組成框圖 圖3 復(fù)雜模型機控制器4.6、各部件功能1LDPC 微程序控制器輸出的PC加1信號。2LOAD 微程序控制器的輸出信號。LOAD0時，PC程序計數(shù)器處于并行置數(shù)狀態(tài)；LOAD1時，PC處于計數(shù)狀態(tài)。3ALUBUS 微程序控制器的輸出信號，控制運算器的運算結(jié)果是否送到總線BUS，低電平有效。4PCBUS 微程序控制器的輸出信號，控制程序計數(shù)器的內(nèi)容是否送到總線BUS，低電平有效。5R0BUS

22、微程序控制器的輸出信號，控制寄存器R0的內(nèi)容是否送到總線BUS，低電平有效。6SWBUS 微程序控制器的輸出信號，控制8位數(shù)據(jù)開關(guān)SW7SW0的開關(guān)量是否送到總線，低電平有效。7LDR0 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入寄存器R0。8LDDR1 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運算暫存器DR1。9LDDR2 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運算暫存器DR2。10LDIR 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)（指令）輸入到指令寄存器IR中。4.7微指令格式表四 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRR

23、DIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A、B、C各字段功能說明：A字段B字段C字段141312選擇11109選擇876選擇000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P<1>010LDB010R0_B010保留011LDR0011保留011保留100保留100保留100保留101保留101保留101保留110保留110保留110保留111LDIR111保留111保留4.8微程序流程圖33IN->R001R0->OUT3101OUTOUTHUOADDININ0101320705060430343635030100NOPPC->A

24、RPC+1MEM->IRR0->AIN->R1R0->AR1->OUTP<1>R1->BR1->BA+B=R0AB=R00101圖4 微程序流程圖4.9二進制代碼表 表五 二進制代碼表地址十六進制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 26 050000000000100110000001010504 B2 01 000000

25、0010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 010001100001000000000000013218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D0000000001101101010111014.10數(shù)據(jù)連通圖和接線圖 圖5 數(shù)據(jù)通路圖五、 設(shè)計成果5.1運行結(jié)果按照以下功能分別執(zhí)行：外設(shè)輸入指令I(lǐng)N0 R0、IN1 R1二進制加法指令add R0，R1輸出到外設(shè)指令OUT0 R0、OUT1 R1停機指令HLT5.2復(fù)雜模型機實圖連接5.3課程設(shè)計的