計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)一個(gè)簡單主機(jī)的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1一、擬定指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的依據(jù)，擬定指令系統(tǒng)將涉及基本字長、指令格式、指令種類、尋址方式等內(nèi)容。1、基本字長：程序設(shè)計(jì)平臺中配置的存儲器容量為256*8，可知道基本字長定為8位。2、指令格式：指令格式可有單字長和雙字長指令兩種，在雙字長格式中，第二字節(jié)一般定義為操作數(shù)或操作數(shù)地址。指令格式為：743210操作碼OP源操作數(shù)目的操作數(shù)3、指令類型：模型機(jī)有單操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令和無操作數(shù)指令。操作碼OP共四位，最多可定義16條指令。數(shù)據(jù)的傳送單位為8位數(shù)據(jù)的傳送范圍R→RR→RAMRAM→R4、尋址方式：由于指令較短，操作數(shù)字段僅兩位，為了簡化硬件設(shè)計(jì)，將操作數(shù)字段和目的操作數(shù)字段的尋址定義為不同的含義。源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式00R0或R100R101（R0）01（R1）10I10I11D11DRi表示操作數(shù)就在寄存器中（Ri）表示操作數(shù)地址在寄存器中I指令的第二個(gè)字節(jié)為操作數(shù)或稱立即尋址（D）指令的第二個(gè)字節(jié)為操作數(shù)的地址源操作數(shù)使用R0或R1尋址目的操作數(shù)R1尋址確定總體結(jié)構(gòu)寄存器的設(shè)置：R0,R1為通用寄存器，8位。IR為指令寄存器，8位。PC程序計(jì)數(shù)器，8位。MAR為地址寄存器，8位。2、加法器的設(shè)置：采用8位帶串行進(jìn)位加法器。3、選擇器的設(shè)置：連入A選擇器的數(shù)據(jù)來源是RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0寄存器的數(shù)據(jù)。連入B選擇器的數(shù)據(jù)來源是PC的數(shù)據(jù)和R1的數(shù)據(jù)。4、數(shù)據(jù)通路：數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，在總體結(jié)構(gòu)中是最重要的一個(gè)問題，模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路是以總線為基礎(chǔ)，以CPU為核心的。信息的傳送路徑：取指令：MACPIRRAM→選擇器A→Σ→BUS→IR送指令地址：PBCPMARPC→選擇器B→Σ→BUS→MAR指令計(jì)數(shù)器+1：PBC0CPPCPC→選擇器B→Σ→BUS→PCR0→R1：RACRR1R0→選擇器A→Σ→BUS→R1R1→RAM：RBWRR1→選擇器B→Σ→BUS→RAM總體結(jié)構(gòu)框圖：RR0R1PCIRMARA選擇器B選擇器3#RAMAD7-0MDMR0PCR1CPR0CPR1CPPCCPMACPIRRESTREST微程序控制器邏輯設(shè)計(jì)：總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，便開始總體結(jié)構(gòu)中各部件的邏輯設(shè)計(jì)和部件之間的連接。1、加法器的邏輯設(shè)計(jì)：模型機(jī)中的加法器是由二個(gè)四位全加器構(gòu)成，全加器之間采用簡單的串行進(jìn)位。見附錄中圖表1、5、6。2、選擇器的設(shè)計(jì)：選擇器A和選擇器B的結(jié)構(gòu)形式一樣，在EN和S0的控制下，分別選擇R0的或R1的數(shù)據(jù)通過選擇器，進(jìn)入加法器。選擇器使用MUX82E，其符號和真值表見附錄。3、寄存器的設(shè)計(jì)：不帶復(fù)位的寄存器：結(jié)構(gòu)中R0，R1通用寄存器，可存入操作數(shù)或結(jié)果、中間結(jié)果，每個(gè)寄存器均由8個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在CPRi的作用下接收總線的數(shù)據(jù)送入寄存器，輸出連入選擇器。指令寄存器IR其結(jié)構(gòu)同通用寄存器。邏輯圖如附錄圖表4所示。帶復(fù)位的寄存器：結(jié)構(gòu)中MAR地址寄存器是一個(gè)帶復(fù)位的寄存器，帶復(fù)位是指當(dāng)有復(fù)位信號時(shí)，MAR清零。邏輯圖如附錄圖表3所示。程序計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)：PC加1是通過加法器實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位信號RET的作用是有復(fù)位信號時(shí)，計(jì)數(shù)器PC清零。部件之間的連接：由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可看出，部位之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式。加法器的輸出通過總線BUS連接到所有寄存器和存儲器的輸入端，除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的輸出端外，其他部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器B。四、確定控制方式控制命令是確定信息的流向，不同的數(shù)據(jù)通路需要不同的控制指令。即組合邏輯方式和微程序方式，模型機(jī)采用微程序方式。微程序的執(zhí)行方式采用增量、垂直方式。1、微程序控制器的結(jié)構(gòu)：微程序控制器由微地址計(jì)數(shù)器、微程序存儲器、微指令寄存器、譯碼器等組成。2、微程序控制器的時(shí)序：微程序控制器的時(shí)序如圖所示：PPP脈沖的低電平用做控制存儲器讀命令μRDP脈沖的上升邊沿將讀出的微指令μIRP的上升邊沿將形成的后繼地址送微程序計(jì)數(shù)器μPC，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果（總線的數(shù)據(jù)）送指定的寄存器。3、微指令格式：微指令字長共16位，即μIR15-μIR0。（1）微指令字段定義：A選擇控制器：μIR15-μIR140 0 備用0 1 RA1 0 MA1 1 備用B選擇控制器：μIR13-μIR120 0 備用0 1 PB1 0 RB1 1 備用輸出分配：μIR11-μIR90 0 0 備用0 0 1 CPR00 1 0 CPR10 1 1 CPPC1 0 0 CPIR1 0 1 CPMAR1 1 0 備用1 1 1 備用低位進(jìn)位控制：μIR8C0=0C0=1存儲器讀寫控制：μIR5-μIR41 0 RD0 1 WR后繼微地址形成方式：μIR2-μIR00 0 0 備用0 0 1 PC+1順序執(zhí)行0 1 0 JP轉(zhuǎn)至取指微程序0 1 1 QJP按操作碼轉(zhuǎn)移1 0 0 備用1 0 1 備用1 1 0 備用1 1 1 備用（2）微命令形成邏輯微指令格式由三部分組成，既微指令字段定義，微命令形成邏輯和后繼微地址產(chǎn)生邏輯。（3）后繼微地址產(chǎn)生邏輯：為簡單起見只選三種后繼微地址生成方式即增量方式、無條件轉(zhuǎn)移方式、按操作碼轉(zhuǎn)移方式。為簡化設(shè)計(jì)，機(jī)器指令的操作碼直接為該指令的微程序入口地址。微地址計(jì)數(shù)器使用CBU38，其符號和真值表見附錄。當(dāng)EN=1，PS=0，CAI=1時(shí)，微程序計(jì)數(shù)執(zhí)行加1操作。JQ接計(jì)數(shù)器的異步清零端使計(jì)數(shù)器清零，無條件轉(zhuǎn)移至取指微程序。QJP接計(jì)數(shù)器的置數(shù)端進(jìn)行同步置數(shù)，按操作碼轉(zhuǎn)移。4、微指令編寫：機(jī)器指令共2種，即MOV指令和ADD指令，對這兩種指令的每一種尋址方式都有一段微程序與之相對應(yīng)。部分微程序編制如下：微操作微地址1514131211109854210十六進(jìn)制代碼AB輸出分配C0RDWR轉(zhuǎn)移方式ROM2#ROM1#PC→MAR0000011010000011A01PC+1→PC0100010110000011701RAM→IR0210001000000018821JQ0300000000000110003MOVR1,R0R1→R01000100010000102202MOVD,R1PC→MAR1300011010000011A01PC+1→PC1400010111000011701D→MAR1510001010000018A21R1→RAM1600100000010102012MOVI,R1PC→MAR1800011010000011A01PC+1→PC1900010111000011701I→R11A10000100100108422ADDR0,R1R0+R1→R12001100100000106402ADDR1,IPC→MAR2800011010000011A01PC+1→PC2900010111000011701I+R1→R12A1010010010010A422為調(diào)試編制的程序：地址指令十六進(jìn)制代碼00MOV7,R118010702MOVR1,R01003MOV3,R118040305ADDR0,R12006MOVR1,指令執(zhí)行流程：PCPC→MARPC+1→PCRAM→IRJQPC→MARR1→R0R0+R1→R1PC→MARPC+1→PC18I→R1D→MARR1→RAM10PC+1→PC201300分調(diào)將模式開關(guān)至于分調(diào)1、1032E系統(tǒng)平臺上的所有開關(guān)和發(fā)光二極管均隨意編制用做數(shù)據(jù)輸入和狀態(tài)顯示。典型部件如下：1、選擇器A，B 2、帶復(fù)位的寄存器MAR 3、不帶復(fù)位的寄存器R0，R14、程序計(jì)數(shù)器PC在部件設(shè)計(jì)無錯(cuò)、連線無錯(cuò)、1032E的管腳定義無錯(cuò)時(shí)可生成下載文件下載到1032E中。2、單片機(jī)系統(tǒng)微程序經(jīng)過檢查無誤后，將模式開關(guān)至分調(diào)后通過鍵盤寫入響應(yīng)的單元中。統(tǒng)調(diào)將模式開關(guān)置于統(tǒng)調(diào)，此時(shí)平臺上的開關(guān)及發(fā)光二極管的設(shè)置情況如下：開關(guān)K15--K0無效，不可編程使用。L15--L0用于顯示IR15--IR0的狀態(tài)，不能作他用。LED15--LED8用于顯示從存儲器讀出的內(nèi)容和數(shù)據(jù)總線BUS的內(nèi)容不能再作他用。LED7--LED0用來觀察8位加法器的輸出。（1） 按復(fù)位健RET使MAR清零、指令計(jì)數(shù)器清零，保證從存儲器0號單元取指令。使微程序計(jì)數(shù)器PC清零，保證從而2#ROM，1#ROM的0#單元取指令微程序的第一條微指令。（2） 執(zhí)行微程序按復(fù)位健后，PC、MAR的值為0。0號單元的內(nèi)容是一條指令，指令代碼讀出后，在MA的作用下，進(jìn)入加法器至總線。此時(shí)，總線上的內(nèi)容點(diǎn)亮LED15-8，查看是否正確。注意的是：在沒有按下次脈沖鍵前，數(shù)據(jù)通路的內(nèi)容一直不變。按一次脈沖鍵又產(chǎn)生一負(fù)脈沖。該負(fù)脈沖反相后的上升沿產(chǎn)生CPIR，將上條微指令讀出的指令代碼送IR，同時(shí)上升沿還將PC+1。該負(fù)脈沖的低電平用以讀出PC指示的第二條微指令。這樣一一取出微指令并執(zhí)行微指令就會讀出并執(zhí)行存放在MA中的程序。總結(jié)開始編寫微程序時(shí)，取微指令部分沒有JQ。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)第二條指令無法取出。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，RAM→IR一句執(zhí)行時(shí)第二條指令還未打入IR寄存器，因此無法通過這條指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。加上JQ后程序執(zhí)行正常。通過這次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步理解了計(jì)算機(jī)的工作原理。八、附錄ThetruthtableofDEC4E：InputOutputENS1S0Z0Z1Z2Z310010001010100110001011100010xx0000ThetruthtableofCBU38：InputOutputCDPSLDDENCAICLKQCAO1xxxxxx0001xxxx↑1CAI×EN001dxx↑d*000x0xxQ0000xx0xQ0000x11↑c(diǎn)ountup**ThetruthtableofMUX82E：InputOutputENS0Z0Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z