組成原理：采用微程序控制器的模型機CPU設計

.z.-----總結(jié)資料課程設計報告課程名稱：計算機組成原理設計題目：采用微程序控制器的模型機CPU設計院系：班級：設計者：學號：指導教師：目錄課程設計〔大作業(yè)〕報告1**學院課程設計〔大作業(yè)〕任務書2一、課題分析5二、總體設計5〔1〕實驗模型機構(gòu)造5實驗模型機構(gòu)造6[1]運算器單元〔ALUUINT〕6[2]存放器堆單元〔REGUNIT〕6[3]指令存放器單元〔INSUNIT〕6[4]時序電路單元〔STATEUNIT〕6[5]微控器電路單元〔MICRO－CONTROLLERUNIT〕6[6]邏輯譯碼單元〔LOGUNIT〕6[7]主存儲器單元〔MAINMEM〕6[8]輸入輸出單元〔INPUT/OUTPUTDEVICE〕6〔2〕機器指令的構(gòu)造和功能7[1]算術(shù)邏輯指令7[2]訪存指令及轉(zhuǎn)移指令8[3]I/O指令8[4]停機指令8(3)指令系統(tǒng)8[1]本模型機共有16條根本指令。8[2]微指令格式9三、分步設計11我們小組共有三位成員，分工分別為：按圖連接實驗線路，寫程序，運行程序。下面為運行程序的具體步驟。11運行程序11四、設計成果〔重點〕11五、存在問題及改良建議12六、實驗器材12七、參考文獻及相關(guān)網(wǎng)址12課程設計〔大作業(yè)〕報告〔注：針對設計題目1〕課題分析微程序控制器由控制存儲器、微地址存放器、微命令存放器和地址轉(zhuǎn)移邏輯幾局部組成。微地址存放器和微命令存放器兩者的總長度即為一條微指令的長度，二者合在一起稱為微指令存放器。經(jīng)過我們小組成員討論，設計順序大致如下：首先畫出了程序的流程，然后寫出了匯編程序，并且寫出了機器指令，其次我們完成了總體的流程圖，然后根據(jù)流程圖寫出了微指令以及微指令代碼，將機器指令代碼與微指令代碼寫成了一個t*t文檔用機器錄入，運行程序，對照程序上面顯示的圖與我們畫的流程圖進展對照，檢查來判斷這次試驗的成功與否?？傮w設計〔1〕實驗模型機構(gòu)造[1]運算器單元〔ALUUINT〕運算器單元由以下局部構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并－串型8位ALU；兩個8位存放器DR1和DR2為暫存工作存放器，保存參數(shù)或中間運算結(jié)果。ALU的S0～S3為運算控制端，為最低進位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過三態(tài)門74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制該三態(tài)門。[2]存放器堆單元〔REGUNIT〕該局部由3片8位存放器R0、R1、R2組成，它們用來保存操作數(shù)用中間運算構(gòu)造等。三個存放器的輸入輸出均以連入數(shù)據(jù)總線，由LDRi和RS-B根據(jù)機器指令進展選通。[3]指令存放器單元〔INSUNIT〕指令存放器單元中指令存放器〔IR〕構(gòu)成模型機時用它作為指令譯碼電路的輸入，實現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，由LDIR控制其選通。[4]時序電路單元〔STATEUNIT〕用于輸出連續(xù)或單個方波信號，來控制機器的運行。[5]微控器電路單元〔MICRO－CONTROLLERUNIT〕微控器主要用來完成承受機器指令譯碼器送來的代碼，使控制轉(zhuǎn)向相應機器指令對應的首條微代碼程序，對該條機器指令的功能進展解釋或執(zhí)行的工作。由輸入的W/R信號控制微代碼的輸出鎖存。由程序計數(shù)器〔PC〕和地址存放器〔AR〕實現(xiàn)程序的取指功能。[6]邏輯譯碼單元〔LOGUNIT〕用來根據(jù)機器指令及相應微代碼進展譯碼使微程序轉(zhuǎn)入相應的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行，及工作存放器R0、R1、R2的選通譯碼。[7]主存儲器單元〔MAINMEM〕用于存儲實驗中的機器指令。[8]輸入輸出單元〔INPUT/OUTPUTDEVICE〕輸入單元使用八個撥動開關(guān)作為輸入設備，SW-B控制選通信號。輸出單元將輸入數(shù)據(jù)置入鎖存器后由兩個數(shù)碼管顯示其值。*該CPU數(shù)據(jù)構(gòu)造通路框圖如下：〔2〕機器指令的構(gòu)造和功能部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次課設是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)行完畢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一個微程序。模型機設計四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I／O指令、存儲器及轉(zhuǎn)移指令和停機指令。[1]算術(shù)邏輯指令設計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用存放器直接尋址，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODERsRd其中，OP-CODE為操作碼，Rs為源存放器，Rd為目的存放器，并規(guī)定：選中的存放器〔Rs或Rd〕R0R1R2存放器的編碼000110[2]訪存指令及轉(zhuǎn)移指令模型機設計2條指令，即存數(shù)(STA)、取數(shù)(LDA)、2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移(JMP)、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令(BZC)。其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0D7····D0OP-CODEMOP-CODERdD其中，OP-CODE為操作碼，Rd為目的存放器，D為位移量(正負均可)，M為尋址方式，其定義如下：尋址方式有效地址說明00E=D直接尋址01E=〔D〕間接尋址10E=〔RI〕+DRI變址尋址11E=〔PC〕+D相對尋址本模型機規(guī)定變址存放器RI指定為存放器R2。[3]I/O指令輸入和輸出指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODEaddrRd其中，addr=01時，表示選中"輸入單元〞中的開關(guān)組作為輸入設備，addr=10時，表示選中"輸出單元〞中的數(shù)碼管作為輸出設備。[4]停機指令這類指令只有1條，即停機指令HALT，用于實現(xiàn)停機操作，指令格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D001100000(3)指令系統(tǒng)[1]本模型機共有16條根本指令。其中，算術(shù)邏輯指令9條，內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其他它指令1條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。表1復雜模型機指令系統(tǒng)序號匯編符號指令格式功能說明1CLRRd011100Rd0→Rd2MOVRS,Rd1000RSRdRS→Rd3ADCRS,Rd1001RSRdRS＋Rd＋Cy→Rd4SBCRS,Rd1010RSRdRS－Rd－Cy→Rd5INCRd1011--RdRd＋1→Rd6ANDRS,Rd1100RSRdRS∧Rd→Rd7Rd110100RdRd→Rd8RRCRS,Rd1110RSRdRS帶進位右循環(huán)一位，RS→Rd9RLCRS,Rd1111RSRdRS帶進位左循環(huán)一位，RS→Rd10LDAM,D,Rd00M00Rd，DE→Rd11STAM,D,Rd00M01Rd，DRd→E12JMPM,D00M1000，DE→PC13BZCM,D00M1100，D當CY=1或ZI=1時，E→PC14INaddr,Rd010001Rdaddr→Rd15OUTaddr,Rd010110RdRd→addr16HALT01100000停機[2]微指令格式表2復雜模型機微指令構(gòu)造圖微程序242322212019181716151413121110987654321控制信號S3S2S1S0MRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5~uA0為6位的后續(xù)微地址，A、B、P為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。P字段中的P1~P4是四個測試字位，其功能是根據(jù)機器指令及相應微代碼進展譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應的為地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。具體來說，P1測試用于"取指令〞微指令，它用下址低四位〔uA3~uA0〕與指令存放器高四位〔IR7~IR4〕相或得到各路分支；P2測試用下址低2位〔uA1~uA0〕與指令存放器的IR3IR2相或得到各路分支；P3測試用于條件轉(zhuǎn)移，它用下址的uA4與(ZI+CY)相或得到各路分支；P4測試用于控制臺操作，它用下址低2位〔uA1~uA0〕與SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各測試下址中未用到的位均直接保存。AR為算術(shù)運算是否影響進位及判零標志控制位，其為零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分別為源存放器選通信號，目的存放器選通信號及變址存放器選通信號，其功能是根據(jù)機器指令來進展三個工作存放器R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類似與此，均是*芯片的選通信號，它們的功能都是根據(jù)機器指令來進展相應芯片的選通譯碼。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為"01〞時，按START微動開關(guān)，可對RAM進展連續(xù)手動寫入。啟動程序：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA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)來設置，其定義如下：SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存寫內(nèi)存啟動程序分步設計我們小組共有三位成員，分工分別為：按圖連接實驗線路，寫程序，運行程序。下面為運行程序的具體步驟。運行程序①.單步運行程序A使編程開關(guān)處于〞RUN’的狀態(tài),STEP為〞STEP〞狀態(tài),STOP為〞RUN〞狀態(tài)’B撥動總清處于CLR(0_1),微地址清零,程序計數(shù)器清零,程序首址為00H..C單步運行一條微指令,每按動一次START鍵,即單步運行一條指令,對照微程序流程圖,觀察微地址顯示是否和流程一致.D當運行完畢后.可檢查存數(shù)單元中的結(jié)果是否和理論植一致.②.連續(xù)運行程序A使〞STARTUNIT〞中的STEP開關(guān)置為〞ECE*〞狀態(tài).STOP開關(guān)置為〞RUN〞狀態(tài).B撥動CLR開關(guān),清微地址及程序計數(shù)器,然后按動START,系統(tǒng)連續(xù)運行程序,稍后將〞STOP〞撥至〞STOP〞時,系統(tǒng)停機.C停機后,可檢查存數(shù)單元結(jié)果是否正確.③.假設聯(lián)機運行程序時,進入DE