計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn) 3.1 微程序版CPU 賴曉錚

1、 QQ: 68046508 設(shè)計(jì)一個(gè)微程序版設(shè)計(jì)一個(gè)微程序版CPUCPU，包括微程序控制器、運(yùn)算器、存儲，包括微程序控制器、運(yùn)算器、存儲 器、寄存器堆及外部器、寄存器堆及外部IOIO接口。定義一套較完備的機(jī)器指令集，接口。定義一套較完備的機(jī)器指令集， 編寫每條機(jī)器指令對應(yīng)的微程序，在編寫每條機(jī)器指令對應(yīng)的微程序，在CPUCPU電路上運(yùn)行基于上電路上運(yùn)行基于上 述機(jī)器指令集的機(jī)器語言程序，述機(jī)器指令集的機(jī)器語言程序，并并且用且用匯編匯編助記符加以注釋。助記符加以注釋。 掌握基于微程序控制器的掌握基于微程序控制器的CPUCPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，了解，了解CPUCPU中斷工作機(jī)制。中斷工作機(jī)制。 熟悉熟悉C

2、PUCPU微指令設(shè)計(jì)，掌握機(jī)器指令的微程序?qū)崿F(xiàn)方法。微指令設(shè)計(jì)，掌握機(jī)器指令的微程序?qū)崿F(xiàn)方法。 OP碼碼 ( I7 I6 I5 I4 ) 指令助記符指令助記符OP碼碼 ( I7 I6 I5 I4 ) 指令助記符指令助記符 0111IRET1111OR/ORI 0110MOV1110AND/ANDI 0101OUT/OUTA1101ADD/ADDI 0100IN1100SUB/SUBI 0011SET1011XOR/XORI 0010SOP (INC/DEC/NOT/THR) 1010SHT (RLC/ LLC/ RRC/ LRC) 0001JMP/JMPR/Jx/JxR1001STO/PUSH

3、 0000NOP/HLT1000LAD/POP 一、系統(tǒng)指令：一、系統(tǒng)指令： 匯匯編編語言語言功能功能I7 I6 I5 I4 I3 I2I1 I0 NOP;無操作（延時(shí)無操作（延時(shí)4個(gè)個(gè)T）00000/0 x/0 HLT;停機(jī)（斷點(diǎn)）停機(jī)（斷點(diǎn)）00000/0 x/1 IRET;中斷返中斷返回回 BP_PCPC；BP_PSWPSW 01110/0 x/x 匯編語言匯編語言注釋注釋I7 I6 I5 I4 I3 I2I1 I0 MOV RA, RB;(RB)RA0110RARB SET RA, IMM;IMMRA0011RAx/x IMM 二、二、寄存器及寄存器及I/O操作操作指令：指令： 匯編語

4、言匯編語言功能功能I7 I6 I5 I4 I3 I2I1 I0 IN RA, PORTx;(PORTx)RA0100RAPORTx OUT RA, PORTx;(RA)PORTx0101RA0/PORTx OUTA RA, PORTx;(RA)PORTx0101RA1/PORTx 匯編語言匯編語言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 LAD RA, ADDR;ADDRRA1000RA0/0 ADDR POP RA, RB;RBRA1000RARB STO RA, ADDR;(RA)ADDR1001RA0/0 ADDR PUSH RA, RB;(RA)RB1001RARB 三、三、

5、存儲器及堆棧操作指令存儲器及堆棧操作指令： 匯編語言匯編語言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 JMP ADDR;ADDRPC00010/00/0 ADDR JMPR RB;(RB)PC00010/0RB JC ADDR;IF CF=1, ADDRPC 00010/10/0 ADDR JCR RB;IF CF=1, (RB)PC00010/1RB JZ ADDR;IF ZF=1, ADDRPC 00011/00/0 ADDR JZR RB;IF ZF=1, (RB)PC00011/0RB JS ADDR;IF SF=1, ADDRPC 00011/10/0 ADDR JSR R

6、B;IF SF=1, (RB)PC00011/1RB 四、四、跳轉(zhuǎn)系列指跳轉(zhuǎn)系列指令：令： 五、五、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令算術(shù)邏輯運(yùn)算指令： 匯編語言匯編語言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2 I1 I0 RLC RA;(RA)右邏輯移位右邏輯移位1010RA0/0 LLC RA;(RA)左邏輯移位左邏輯移位1010RA1/0 RRC RA;(RA)右循環(huán)移位右循環(huán)移位1010RA0/1 LRC RA;(RA)左循環(huán)移位左循環(huán)移位1010RA1/1 匯編語言匯編語言功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 INC RA;(RA)1RA0010RA0/0 DEC RA;(RA)1RA0

7、010RA0/1 NOT RA;#(RA)RA0010RA1/0 THR RA;(RA)RA0010RA1/1 五、五、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令算術(shù)邏輯運(yùn)算指令： 匯編語言格式匯編語言格式功能功能I7 I6 I5 I4I3 I2I1 I0 ADD RA, RB;(RA) (RB)RA1101RARB ADDI RA, IMM; (RA) IMMRA 1101RA0/0 IMM SUB RA, RB;(RA)(RB)RA1100RARB SUBI RA, IMM;(RA)IMMRA1100RA0/0 IMM AND RA, RB;(RA)(RB)RA1110RARB ANDI RA, IMM;(RA)I

8、MMRA1110RA0/0 IMM OR RA. RB;(RA)(RB)RA1111RARB ORI RA, IMM;(RA)IMMRA1111RA0/0 IMM XOR RA, RB;(RA) (RB)RA1011RARB XORI RA, IMM;(RA) IMMRA1011RA0/0 IMM 注：跳出注：跳出“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”后后，CPUCPU進(jìn)入進(jìn)入HLTHLT指令指令的的 后續(xù)下一條指令的取指周期后續(xù)下一條指令的取指周期。 1 1） 在微程序版在微程序版CPUCPU項(xiàng)目工程的子文件夾項(xiàng)目工程的子文件夾PROGRAMSPROGRAMS里，存放著機(jī)里，存放著機(jī) 器指令的器指令的示例示例源程序（

9、源程序（asmasm文件）。除了文件）。除了JSJS、SOP_JZSOP_JZ和和 INT_IRETINT_IRET三個(gè)源程序外，其他源程序都是順序結(jié)構(gòu)的程序三個(gè)源程序外，其他源程序都是順序結(jié)構(gòu)的程序。 2 2） 編譯編譯ADDADD指令指令示例示例程序程序ADD.asmADD.asm，生成，生成hexhex文件燒寫到文件燒寫到CPUCPU的的 存儲器存儲器ROMROM，如后頁所示。，如后頁所示。（編譯和燒寫（編譯和燒寫asmasm文件的方法參文件的方法參 見見“2.6“2.6存儲器實(shí)驗(yàn)存儲器實(shí)驗(yàn)”） 3 3） 手動(dòng)執(zhí)行程序，對照手動(dòng)執(zhí)行程序，對照ADDADD指令流程圖及其微指令代碼表，觀指令

10、流程圖及其微指令代碼表，觀 察每次手動(dòng)單步執(zhí)行結(jié)果，記錄寄存器察每次手動(dòng)單步執(zhí)行結(jié)果，記錄寄存器ARAR、IRIR、PCPC、通用、通用 寄存器寄存器RxRx及總線及總線BUSBUS上的數(shù)據(jù)變化。上的數(shù)據(jù)變化。 4 4） 自動(dòng)運(yùn)行程序，采用自動(dòng)運(yùn)行程序，采用HLTHLT指令在程序需要調(diào)試的位置設(shè)置指令在程序需要調(diào)試的位置設(shè)置 “斷點(diǎn)斷點(diǎn)”，觀察，觀察“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，寄存器暫停時(shí)刻，寄存器ARAR、IRIR、PCPC、 通用寄存器通用寄存器RxRx及總線及總線BUSBUS上的數(shù)據(jù)（上的數(shù)據(jù)（注意：增加注意：增加HLTHLT指令指令 “斷點(diǎn)斷點(diǎn)”會出現(xiàn)會出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址偏移跳轉(zhuǎn)指令的目

11、標(biāo)地址偏移問題問題）。）。 5 5） 參照上述過程，編譯、燒寫、手動(dòng)參照上述過程，編譯、燒寫、手動(dòng)、或自動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行在在文件夾文件夾 PROGRAMSPROGRAMS中中（除了除了JSJS和和SOP_JZSOP_JZ外外）所有機(jī)器指令所有機(jī)器指令示例程序示例程序 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 03H 00H:00110000 01H:00000011 SET R1, 30H 02H:00110100 03H:00110000 SET R2, F0H 04H:00111000 05H:11110000 ADD R0, R106H:11010001 A

12、DD R2, R107H:11011001 HLT08H:00000001 1 1） 條件跳轉(zhuǎn)指令驗(yàn)證程序條件跳轉(zhuǎn)指令驗(yàn)證程序JSJS是典型的分支結(jié)構(gòu)程序，其功能是典型的分支結(jié)構(gòu)程序，其功能 類似于匯編語言的類似于匯編語言的“CMP”“CMP”語句，實(shí)現(xiàn)了比較寄存器語句，實(shí)現(xiàn)了比較寄存器R0R0和和R1R1 所存數(shù)據(jù)的大小，輸出較大的數(shù)據(jù)到所存數(shù)據(jù)的大小，輸出較大的數(shù)據(jù)到IOIO端口外掛設(shè)備（數(shù)端口外掛設(shè)備（數(shù) 碼顯示管），碼顯示管），代碼代碼如如后頁后頁所示：所示： 2 2） 編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行JSJS源程序。觀察程序自動(dòng)運(yùn)行過程源程序。觀察程序自動(dòng)運(yùn)行過程 中兩個(gè)中兩

13、個(gè)“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”的暫停時(shí)刻，寄存器的暫停時(shí)刻，寄存器R0R0和和R1R1的數(shù)據(jù)變化。的數(shù)據(jù)變化。 3 3） 修改修改JSJS源程序，賦予源程序，賦予R0R0和和R1R1不同大小的值，記錄寄存器不同大小的值，記錄寄存器R0R0 和和R1R1在程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)變化在程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)變化，并且觀察并且觀察IOIO接口外掛接口外掛 的數(shù)碼管顯示。的數(shù)碼管顯示。 4 4） 請問本程序中的請問本程序中的ADDADD指令起什么作用？如果要求比較的過程指令起什么作用？如果要求比較的過程 不能改動(dòng)不能改動(dòng)R0R0和和R1R1的值，那的值，那JSJS源程序需要如何修改？源程序需要如何修改？ 5 5） 編譯、

14、執(zhí)行編譯、執(zhí)行后頁所示的后頁所示的源程序源程序ADD0_SUB0.asmADD0_SUB0.asm。試問。試問0+0=00+0=0 和和0-0=00-0=0，為何兩個(gè)運(yùn)算后執(zhí)行，為何兩個(gè)運(yùn)算后執(zhí)行JCJC的結(jié)果不一致的結(jié)果不一致？（一個(gè)跳（一個(gè)跳 轉(zhuǎn)，另一個(gè)不跳轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)，另一個(gè)不跳轉(zhuǎn)） 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 04H 00H:00110000 01H:00000100 SET R1, 03H 02H:00110100 03H:00000011 HLT04H:00000001 SUB R0, R105H:11000001 JS 0CH 06H:000

15、11100 07H:00001100 ADD R0, R108H:11010001 OUT R0, PORT009H:01010000 JMP 0DH 0AH:00010000 0BH:00001101 OUT R1, PORT00CH:01010100 HLT0DH:00000001 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 0 00H:00110000 01H:00000000 SET R1, 0 02H:00110100 03H:00000000 ADD R0, R104H:11010001 JC 0CH 05H:00010100 06H:00001100

16、OUT R0, PORT007H:01010000 SUB R0, R108H:11000001 JC 0CH 09H:00010100 0AH:00001100 OUT R0, PORT00BH:01010000 HLT0CH:00000001 1 1） 單操作數(shù)運(yùn)算指令驗(yàn)證程序單操作數(shù)運(yùn)算指令驗(yàn)證程序SOP_JZSOP_JZ是典型的循環(huán)結(jié)構(gòu)程序，是典型的循環(huán)結(jié)構(gòu)程序， 其功能類似于匯編語言的其功能類似于匯編語言的“LOOP”“LOOP”語句，實(shí)現(xiàn)了語句，實(shí)現(xiàn)了“1+2+ “1+2+ +9+10”+9+10”的連續(xù)十次相加求和的連續(xù)十次相加求和，代碼如后頁所示，代碼如后頁所示。 2 2） 編

17、譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行程序程序SOP_JZSOP_JZ。觀察自動(dòng)運(yùn)行過程中。觀察自動(dòng)運(yùn)行過程中 的的“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，寄存器暫停時(shí)刻，寄存器R0R0、R1R1和和R2R2的數(shù)據(jù)變化。的數(shù)據(jù)變化。 3 3） 請問請問R0R0和和R1R1總共循環(huán)相加了幾次？為何統(tǒng)計(jì)次數(shù)的總共循環(huán)相加了幾次？為何統(tǒng)計(jì)次數(shù)的R2=09R2=09？ 最后最后R0R0輸出的結(jié)果是多少？輸出的結(jié)果是多少？“THR R2” “THR R2” 指令執(zhí)行的意義是指令執(zhí)行的意義是 什么？能否只使用兩個(gè)通用寄存器完成連續(xù)相加求和的任什么？能否只使用兩個(gè)通用寄存器完成連續(xù)相加求和的任 務(wù)？如果可以，程序要如何修改？

18、務(wù)？如果可以，程序要如何修改？ 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) SET R0, 01H 00H:00110000 01H:00000001 SET R1, 02H 02H:00110100 03H:00000010 SET R2, 09H 04H:00111000 05H:00001001 HLT06H:00000001 ADD R0, R107H:11010001 DEC R208H:00101001 INC R109H:00100100 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) THR R20AH:00101011 JZ 0FH 0BH:0001100

19、0 0CH:00001111 JMP 07H 0DH:00010000 0EH:00000111 OUT R0, PORT00FH:01010000 HLT10H:00000001 1 1） INT_IRETINT_IRET是基于中斷向量二次跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的單級中斷程序，是基于中斷向量二次跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的單級中斷程序， 主程序功能是寄存器主程序功能是寄存器R0R0的數(shù)值累加，而中斷子程序則是顯的數(shù)值累加，而中斷子程序則是顯 示中斷時(shí)刻示中斷時(shí)刻R0R0數(shù)值并且清零。數(shù)值并且清零。代碼代碼如如后頁后頁所示：所示： 2 2） 編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行中斷程序編譯、燒寫、自動(dòng)運(yùn)行中斷程序INT_IRETINT_IR

20、ET，隨機(jī)觸發(fā)，隨機(jī)觸發(fā) INTERRUPTINTERRUPT按鈕（模擬外部中斷），觀察按鈕（模擬外部中斷），觀察R0R0的變化。的變化。 3 3） 在程序在程序中中設(shè)置設(shè)置HLT“HLT“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”，在在“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”暫停時(shí)刻，信號暫停時(shí)刻，信號 CLKCLK改用手動(dòng)單步執(zhí)行，觸發(fā)改用手動(dòng)單步執(zhí)行，觸發(fā)INTERRUPTINTERRUPT按鈕，模擬外部中按鈕，模擬外部中 斷，觀測記錄中斷處理過程中，寄存器斷，觀測記錄中斷處理過程中，寄存器PCPC、BP_PCBP_PC、PSWPSW、 BP_PSWBP_PSW及總線及總線BUSBUS的變化的變化。 4 4） 在本實(shí)驗(yàn)中，中斷出現(xiàn)會令寄存器在本實(shí)

21、驗(yàn)中，中斷出現(xiàn)會令寄存器R0R0清零，改變主程序的清零，改變主程序的 參數(shù)。因?yàn)橹袛嗍请S機(jī)發(fā)生的，不確定中斷發(fā)生時(shí)刻主程參數(shù)。因?yàn)橹袛嗍请S機(jī)發(fā)生的，不確定中斷發(fā)生時(shí)刻主程 序運(yùn)行的位置。所以，應(yīng)該盡量使中斷子程序和主程序的序運(yùn)行的位置。所以，應(yīng)該盡量使中斷子程序和主程序的 參數(shù)（主要是寄存器）互相獨(dú)立。請問在寄存器資源有限參數(shù)（主要是寄存器）互相獨(dú)立。請問在寄存器資源有限 情況下，可以采用什么方法實(shí)現(xiàn)？情況下，可以采用什么方法實(shí)現(xiàn)？ 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) JMP 08H 00H:00010000 01H:00001000 ;vector02H:00000011

22、 HLT; sub03H:00000001 OUT R0, PORT004H:01010000 SET R0, 005H:00110000 06H:00000000 IRET07H:01110000 SET R0, 02H; main 08H:00110000 09H:00000010 ADDI R0, 02H 0AH:11010000 0BH:00000010 匯編助記符匯編助記符(M地址：機(jī)器指令地址：機(jī)器指令) JMP 0AH 0CH:00010000 0DH:00001010 HLT0EH:00000001 中斷返回指令中斷返回指令I(lǐng)RETIRET只能在中斷子程序出現(xiàn)，不允許在主程只能

23、在中斷子程序出現(xiàn)，不允許在主程 序使用序使用。請請說明原因，并且說明原因，并且設(shè)計(jì)一個(gè)硬件電路的保護(hù)機(jī)制：設(shè)計(jì)一個(gè)硬件電路的保護(hù)機(jī)制： 若在主程序中出現(xiàn)若在主程序中出現(xiàn)IRETIRET指令，則指令，則CPUCPU不執(zhí)行打入不執(zhí)行打入PCPC的操作，的操作， 避免系統(tǒng)崩潰？避免系統(tǒng)崩潰？ 可否修改硬件電路和微指令列表，只用一個(gè)可否修改硬件電路和微指令列表，只用一個(gè)CPUCPU周期實(shí)現(xiàn)周期實(shí)現(xiàn)微微 程序版程序版CPUCPU的取指周期和中斷處理周期的取指周期和中斷處理周期？ （提示：拆分獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲器ROM/RAM和程序存儲器 PROGRAM，數(shù)據(jù)存儲器的地址寄存器仍為AR，程序計(jì)數(shù)器PC 則作為

24、程序存儲器的地址寄存器，不再直連到總線BUS。注 意，因?yàn)槿≈钢芷谥挥幸粋€(gè)CPU周期，需要謹(jǐn)慎考慮取指周 期末尾PC+1的問題，以及取指周期開頭把IR寄存器輸出的OP 碼清零，從而避免影響微地址P1跳轉(zhuǎn)的問題。） 在在上述上述思考題思考題的的基礎(chǔ)上，可否利用節(jié)省出來的空閑微指令基礎(chǔ)上，可否利用節(jié)省出來的空閑微指令 地址安排新的微指令或增加指令功能？例如使地址安排新的微指令或增加指令功能？例如使OUT/OUTAOUT/OUTA指令指令 既既可以可以輸出通用寄存器輸出通用寄存器RxRx內(nèi)容（單字節(jié)指令），也內(nèi)容（單字節(jié)指令），也可以可以輸出輸出 立即數(shù)立即數(shù)IMMIMM（雙字節(jié)指令）（雙字節(jié)指令）

25、，從而，從而在在I/OI/O端端口口的操作中減少對的操作中減少對 寄存器資源的占用。寄存器資源的占用。 取指周期、中斷處理周期及系統(tǒng)指令取指周期、中斷處理周期及系統(tǒng)指令 寄存器及寄存器及I/OI/O操作指令操作指令 存儲器及堆棧操作指令存儲器及堆棧操作指令 跳轉(zhuǎn)系列指令跳轉(zhuǎn)系列指令 算術(shù)邏輯運(yùn)算系列指令算術(shù)邏輯運(yùn)算系列指令 狀態(tài)狀態(tài)微程序控制器通路微程序控制器通路數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路 T1T1使能使能當(dāng)當(dāng)前微指令的前微指令的微微命令命令信號信號有效有效信息從源部件輸出到總線信息從源部件輸出到總線BUSBUS T2T2微指令下址取址微指令下址取址；根；根據(jù)據(jù)OPOP碼決定微指碼決定微指 令下址令下址

26、 0I0I7 7I I6 6I I5 5I I4 4 （?。ㄈ≈肝⒅肝⒅噶睿┲噶睿?信息從總線信息從總線BUSBUS打入目的部件；打入目的部件； 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC+1PC+1（?。ㄈ≈肝⒅肝⒅噶睿┲噶睿?狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路 T1T1信息從源部件輸出到信息從源部件輸出到 總線總線BUSBUS T2T2信息從總線信息從總線BUSBUS打入打入 目的部件；目的部件； 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC+1PC+1（?。ㄈ?指微指微指令）指令） 微命令字段中每一位表示一個(gè)微命令：微命令字段中每一位表示一個(gè)微命令： 第第N位位= 1 有有微操作微操作 0 無微操作無微操作 微指令結(jié)構(gòu)圖微指令結(jié)構(gòu)圖

27、2423 22 21 20 19 18 17 1615141312111098 7 65 4 32 INTR PC_INC JMP_ CLR P2 uA4 uA3 uA2 uA1 uA0 微命令字段微命令字段下址字段下址字段 1 BUS P字段字段 S3 S2 S1 S0 M SOP_EN SHT_EN BUS P1 P3 “BUS”字段“BUS”字段 151413微命令121110微命令 000000 100PC_BUS100LDAR 010MEM_OE010LDIR 110IO_R110LDD 001RA_BUS001LDR 101RB_BUS101RAM_WE 011ALU_BUS011

28、IO_W 111IRET111LDPC 狀態(tài)狀態(tài)微程序控制器微程序控制器 通路通路 T1T1使能使能當(dāng)當(dāng)前微指前微指 令的令的微微命令命令信信 號號有效有效 T2T2微指令下址取微指令下址取 址址；根；根據(jù)據(jù)OPOP碼碼 決定微指令下決定微指令下 址址 0I0I7 7I I6 6I I5 5I I4 4 （?。ㄈ≈肝⒅肝⒅噶睿┲噶睿?Addr24232221201918171615-1312-10987654321 00000000000000100100000010101 10101000000011010010010000000 10000000000010000100000011110

29、11110000000001010111001000000 00111000000001111111001000000 微指令代碼表微指令代碼表 微指令代碼表微指令代碼表 Addr24232221201918171615-1312-10987654321 00110000000000101001001000000 00011000000000100100000010010 10010000000001010001001000000 00100000000000110001001000000 00101000000000001011001000000 存儲器及堆棧操作指令存儲器及堆棧操作指令 微指令代碼表微指令代碼表 Addr24232221201918171615-1312-10987654321 0100000000000010010