計算機組成原理課設計

1、計算機組成原理課程設計報告16 位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 院（系、部）： 信 息 工 程 學 院 小組成員姓名： x x x x 班 級： x 指導教師： x 2013年 1月 16 日北京目 錄一、設計題目.2 二、設計目的.2 三、設計說明.2 四、設計內(nèi)容.3 五、任務分工.4 六、課程設計環(huán)境.4 七、基本指令和擴展指令的執(zhí)行流程框圖.4 1.基本指令流程框圖.5 2.擴展指令流程框圖.6 八、基本指令和擴展指令的微程序編碼表.7 九、基本、擴展指令映射表.10 基本指令入口地址映射表.10擴展指令入口地址映射表.12十、指令設計方案及微碼寫入.12 十一、測試程序. .1

2、8 在單步方式下，通過指示燈觀察各類擴展指令的微碼.18 測試基本指令及ASR擴展指令的程序.22 十二、自評.28 十三、遇到的問題及解決方案.29 十四、總結.29一、設計題目16位機微程序控制器指令系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)二、設計目的通過看懂教學計算機組合邏輯控制器中已經(jīng)設計好并正常運行的幾條基本指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JR、RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程，然后自己設計微程序控制器中的29條基本指令和19條擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確，達到以下目的：1、深入理解計算機控制器的功能、組成知識和各類典型指令的執(zhí)行過程；2、對指令格式、尋址

3、方式、指令系統(tǒng)、指令分類等建立具體的總體概念；3、學習微程序控制器的設計過程和相關技術。三、設計說明控制器設計是學習計算機總體組成和設計的重要的部分。要在TEC2000教學計算機上完成這項設計，必須清楚懂得：1、TEC2000教學機的微程序控制器主要由作為選件的微程序控制器小板和教學機大板上的7片GAL20V8組成。2、TEC2000教學機微程序控制器上要實現(xiàn)的全部基本指令和擴展指令的控制信號都是由微程序小板上的7片控制存儲器給出的。3、應了解監(jiān)控程序的A命令只支持基本指令，擴展指令應用E命令將指令代碼寫入到相應的存儲單元中；不能用T、P命令單步調(diào)試擴展指令，只能用G命令執(zhí)行擴展指令。4、要明

4、白TEC2000教學機支持的指令格式及指令執(zhí)行流程分組情況；理解TEC2000教學機中已經(jīng)設計好并正常運行的各類指令的功能、格式、執(zhí)行流程和控制信號的組成。5、明確自己要實現(xiàn)的指令格式、功能、執(zhí)行流程設計中必須遵從的約束條件。6、為了完成擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確的實驗內(nèi)容，具體過程包括： 1）確定指令格式和功能，要受教學機已有硬件的約束，應盡量與已實現(xiàn)指令的格式和分類辦法保持一致；2）劃分指令執(zhí)行步驟并設計每一步的執(zhí)行功能，設計節(jié)拍狀態(tài)的取值，應參照已實現(xiàn)指令的處理辦法來完成，特別要注意的是，讀取指令的節(jié)拍只能用原來已實現(xiàn)的，其他節(jié)拍的節(jié)拍狀態(tài)也應盡可能的

5、與原用節(jié)拍的狀態(tài)保持一致和相近；3）在指令微程序表中填寫每一個控制信號的狀態(tài)值，注意要特別仔細，并有意識地體會這些信號的控制作用；4）將設計好的微碼，裝入控制存儲器的相應單元；5）寫一個包含你設計的指令的程序，通過運行該程序檢查執(zhí)行結果的正確性，來初步判斷你的設計是否正確；如果有問題，通過幾種辦法查出錯誤并改正，繼續(xù)調(diào)試，直到完全正確。四、設計內(nèi)容1、完成微程序控制器指令系統(tǒng)設計，主要內(nèi)容是由學生自己設計29條基本指令和19條擴展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學計算機上實現(xiàn)、運行、調(diào)試正確。2、首先看懂TEC2000教學計算機的功能部件組成和線路邏輯關系，然后分析教學計算機組合邏輯控制器中

6、已經(jīng)設計好并正常運行的幾條典型指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。3、設計微程序控制器指令系統(tǒng)中各條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確，例如ADC、STC、JRS、JRNS、LDRX、STRX、JMPR、CALR、LDRA等19條擴展指令。4、單條運行指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。5、用監(jiān)控程序的A、E（擴展指令必須用E命令置入）命令編寫一段小程序，觀察運行結果。五、任務分工 1、x負責設計基本指令的執(zhí)行流程，畫出 29條基本指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。2、x負責設計擴展指令的執(zhí)行流程，畫出 1條擴展

7、指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。3、x負責確定微碼各字段與控制存儲器各個芯片之間的關系，列表寫出各控制存儲器芯片中存儲單元的內(nèi)容，將設計好的微碼裝入芯片。 4、x負責編寫包含所有指令的測試程序，通過運行這些程序檢查指令設計是否正確。六、課程設計環(huán)境1、硬件環(huán)境： PC機一臺、TEC2000實驗機一臺、微程序控制器實驗板一塊。 2、軟件環(huán)境： （1）Win2000、DOS （2）TEC2000仿真終端程序PCEC（3）TEC2000監(jiān)控程序。七、基本指令和擴展指令的執(zhí)行流程框圖 1、 基本指令流程框圖2、 擴展指令流程框圖八、基本指令和擴展指令的微程序編碼表基本指令和擴展指令的微程序編碼表（十

8、六進制）指令名微址下址CI3-0SCC3-00MEW0I2-0SAI8-6SBI5-3BASSTSSHSCIDC2DC1ALL00FF00E0413155017001FF00E043205501B002FF00E0101000001003FF002040100000001AFF303004900000011CFF3030173800000030FF3A32470000000331FF023043205501B0中斷隱指令3AFF00E040100000703BFF00E043314000303CFF00E004100500513DFF00E043314000303EFF00E002100000

9、013FFF31304730500005ADD400004FF303041B8001000SUB400105FF303041B9001100AND400206FF303041BC001000CMP400309FF30304199001100XOR400408FF303041BE001000TEST40050AFF3030419C001000OR400607FF303041BB001000MVRR40070BFF303044B8001000DEC40080DFF30304339001000INC40090CFF30304338001100SHL400A0EFF30304378006000SHR4

10、00B0FFF30304358005000JR404111FF30304530550002JRC404410FF30344010000000JRNC404510FF30344010000000JRZ404610FF30344010000000JRNZ404710FF30344010000000JMPA40801EFF24304320550130LORR40811BFF00E04490000030IN408212FF14364710000032OUT408612FF1436471000003213FF3030231000000114FF30303730000000STRR408319FF00E0

11、4318000030PSH/F408415FF1A374331400030408515FF1A37433140003016FF30300010000003POP/F408717FF1C374320440130408C17FF1C37432044013018FF30301010002000MVRD40881DFF1C304320550130RET408F23FF00E0432044013024FF30301730500000CALA40CE1FFF00E0432055013020FF00E0170000000021FF00E0433140003022FF30300220550001ADC4020

12、50FF303041B8001200SBB402151FF303041B9001200RCL402A54FF30304378006400RCR402B55FF30304358005400ASR402C53FF30304358005C00NOT402D52FF3030433F001000JMPR40605AFF303044B0500000JRS406469FF30354010000000JRNS406569FF303540100000006AFF30304530550002CLC406C56FF30304010003000STC406D57FF30304010004000EI406E58FF30

13、304010000060DI406F59FF30304010000070CALR40E064FF00E0433140003065FF00E0041005000166FF303044B0500000LDRA40E45BFF00E043205501305CFF1C301710000030LDRX40E55DFF00E043205501305EFF1C301590000030STRX40E661FF00E0432055013062FF00E015B000003063FF30300390000001STRA40E75FFF00E0432055013060FF1A301710000030IRET40EF

14、67FF00E0432044013068FF23301010002040基本指令和擴展指令的微程序編碼表（二進制）指令名微址下址CI3-0SCC3-00MEW0I2-0SAI8-6SBI5-3BASSTSSHSCIDC2DC1ALL00FF0011100000010000010011000101010101000000010111000001FF0011100000010000110010000001010101000000011011000002FF0011100000000100000001000000000000000000000001000003FF000010000001000000

15、000100000000000000000000000000001AFF300011000000000100100100000000000000000000000000011CFF3000110000000101110011100000000000000000000000000030FF3A00110010010001110000000000000000000000000000001131FF02001100000100001100100000010101010000000110110000中斷隱指令3AFF0011100000010000000001000000000000000000000

16、11100003BFF001110000001000011001100010100000000000000001100003CFF001110000000000100000100000000010100000000010100013DFF001110000001000011001100010100000000000000001100003EFF001110000000000010000100000000000000000000000000013FFF31001100000100011100110000010100000000000000000101ADD400004FF300011000001

17、00000110111000000000000001000000000000SUB400105FF30001100000100000110111001000000000001000100000000AND400206FF30001100000100000110111100000000000001000000000000CMP400309FF30001100000100000110011001000000000001000100000000XOR400408FF30001100000100000110111110000000000001000000000000TEST40050AFF300011

18、00000100000110011100000000000001000000000000OR400607FF30001100000100000110111011000000000001000000000000MVRR40070BFF30001100000100010010111000000000000001000000000000DEC40080DFF30001100000100001100111001000000000001000000000000INC40090CFF30001100000100001100111000000000000001000100000000SHL400A0EFF3

19、0001100000100001101111000000000000110000000000000SHR400B0FFF30001100000100001101011000000000000101000000000000JR404111FF30001100000100010100110000010101010000000000000010JRC404410FF30001101000100000000010000000000000000000000000000JRNC404510FF30001101000100000000010000000000000000000000000000JRZ4046

20、10FF30001101000100000000010000000000000000000000000000JRNZ404710FF30001101000100000000010000000000000000000000000000JMPA40801EFF24001100000100001100100000010101010000000100110000LORR40811BFF00111000000100010010010000000000000000000000110000IN408212FF14001101100100011100010000000000000000000000110010

21、OUT408612FF1400110110010001110001000000000000000000000011001013FF3000110000001000110001000000000000000000000000000114FF30001100000011011100110000000000000000000000000000STRR408319FF00111000000100001100011000000000000000000000110000PSH/F408415FF1A001101110100001100110001010000000000000000110000408515

22、FF1A00110111010000110011000101000000000000000011000016FF30001100000000000000010000000000000000000000000011POP/F408717FF1C001101110100001100100000010001000000000100110000408C17FF1C00110111010000110010000001000100000000010011000018FF30001100000001000000010000000000000010000000000000MVRD40881DFF1C00110

23、0000100001100100000010101010000000100110000RET408F23FF0011100000010000110010000001000100000000010011000024FF30001100000001011100110000010100000000000000000000CALA40CE1FFF0011100000010000110010000001010101000000010011000020FF0011100000000101110000000000000000000000000000000021FF0011100000010000110011

24、000101000000000000000011000022FF30001100000000001000100000010101010000000000000001CLC406C56FF30001100000100000000010000000000000011000000000000九、基本、擴展指令映射表 1、基本指令入口地址映射表序號指令編碼入口地址1ADD DR,SR0000 0000042SUB DR,SR0000 0001053AND DR,SR0000 0010064OR DR,SR0000 0110075XOR DR,SR0000 0100086CMP DR,SR0000 00

25、11097TEXT DR,SR0000 01010A8MVRR DR,SR0000 01110B9INC DR0000 10010C10DEC DR0000 10000D11SHL DR0000 10100E12SHR DR0000 10110F13JRC OFFSET0100 01001014JRNC OFFSET0100 01011015JRZ OFFSET0100 01101016JRNZ OFFSET0100 01111017JR OFFSET0100 00011118IN PORT1000 00101219OUT PORT1000 01101220PSHF1000 01001521P

26、USH DR1000 01011522POP DR1000 01111723POPF1000 11001724STRR DR,SR1000 00111925LDRR DR,SR1000 00011B26MVRD DR,DATA1000 10001D27JMPA ADR1000 00001E28CALA ADR1100 11101F29RET1000 1111232、擴展指令入口地址映射表序號指令編碼入口地址5ASR0010110054十、指令設計方案及微碼寫入1將設計好的微碼寫入控制存儲器。（包括29條基本命令和我組分配到的ASR擴展指令的微碼）一次只對一片28C64控制存儲器芯片進行讀寫，該

27、芯片可插在擴展芯片的高位或低位，若插在高位，輸入時信號編碼為高八位，低八位補零；若插在低位，輸入時信號編碼為低八位，高位補零。若一次擴展兩片28C64控制器芯片，要注意信號要與產(chǎn)生該信號的芯片相對。(1) 將擴展新片的內(nèi)存單元地址置為60007FFF，將MAPROM插入擴展芯片的位置，微程序入口地址對應的內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令的編碼值之和。具體操作如下：E 60006000 00FF：04 00FF：05 00FF：06 00FF：09 00FF：08 00FF：0A 00FF：07 00FF：0B 00FF：0D 00FF：0C 00FF：0E 00FF：0F E 60416

28、041 00FF：11E 60446044 00FF：10 00FF：10 00FF：10 00FF：10 E 60E5 602C 00FF：0053 6080 00FF：1E 00FF：1B 00FF：12 00FF：19 00FF：15 00FF：15 00FF：12 00FF：1700FF：1D E 608C608C 00FF：17 00FF： 00FF： 00FF： 23E 60CE60CE 00FF：1F MAPROM芯片存儲狀態(tài)如下： (2) 將MPROM1MPROM7依次插入擴展芯片的位置對其編程，內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令操作功能所對應的微址之和，操作如下：MPRO

29、M1產(chǎn)生下址信號，MPROM2產(chǎn)生CI30、SCC30信號對MPROM1-2的操作為：MPROM1 在高位 MPROM2 在低位E 60006000 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：0020 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：303000FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 6010 00FF：3034 00FF：3030 00FF：1436 00FF：3030 00FF：3030 00FF：1A37 0

30、0FF：3030 00FF：1C37 00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：1C30 00FF：2430 00FF：00E06020 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 E 60306030 00FF：3A32 00FF：0230 E 603AE 6053 00FF：00ED 3030MPROM1MPROM2芯片存儲狀態(tài)如下： (3) MPROM3產(chǎn)生0MRW、0I20信號，MPROM4產(chǎn)生SAI8I6、SBI5I3信號，對MPROM3-4的操作為：MPROM

31、3 在高位 MPROM4 在低位E 60006000 00FF：4131 00FF：4320 00FF：1010 00FF：4010 00FF：41B8 00FF：41B9 00FF：41BC 00FF：41BB 00FF：41BE 00FF：4199 00FF：419C 00FF：44B800FF：4338 00FF：4339 00FF：4378 00FF：4358 6010 00FF：4010 00FF：4530 00FF：4710 00FF：231000FF：3730 00FF：4331 00FF：0010 00FF：4320 00FF：1010 00FF：4318 00FF：0490

32、00FF：4490 00FF：1738 00FF：4320 00FF：4320 00FF：43206020 00FF：1700 00FF：4331 00FF：0220 00FF：4320 00FF：1730E 60306030 00FF：4700 00FF：4320 E 6053 00FF：4358 MPROM3MPROM4芯片存儲狀態(tài)如下：(4) MPROM5產(chǎn)生B口、A口信號，MPROM6產(chǎn)生0SST、SSHSCI信號，對MPROM5-6的操作為：MPROM5 在高位 MPROM6 在低位E 60006000 00FF：5501 00FF：5501 00FF：0000 00FF：0000

33、00FF：0010 00FF：0011 00FF：0010 00FF：0010 00FF：0010 00FF：0011 00FF：0010 00FF：001000FF：0011 00FF：0010 00FF：0060 00FF：0050 6010 00FF：0000 00FF：5500 00FF：0000 00FF：000000FF：0000 00FF：4000 00FF：0000 00FF：4401 00FF：0020 00FF：0000 00FF：0000 00FF：0000 00FF：0000 00FF：5501 00FF：5501 00FF：55016020 00FF：0000 00F

34、F：4000 00FF：5500 00FF：4401 00FF：5000E 60306030 00FF：0000 00FF：5501 E 6053 00FF：005CMPROM5MPROM6芯片存儲狀態(tài)如下：(5) MPROM7產(chǎn)生DC2、DC1信號，對MPROM7的操作為：E 60006000 00FF：70 00FF：B0 00FF：10 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 6010 00FF：00 00FF：02 00

35、FF：32 00FF：0100FF：00 00FF：30 00FF：03 00FF：30 00FF：00 00FF：30 00FF：01 00FF：30 00FF：00 00FF：30 00FF：30 00FF：306020 00FF：00 00FF：30 00FF：01 00FF：30 00FF：00E 60306030 00FF：03 00FF： B0 E 6053 00FF：0000MPROM7芯片存儲狀態(tài)如下： 十一、測試程序1在單步方式下，通過指示燈觀察各類擴展指令的微碼。（僅在A組、C組中各列舉一條基本指令以及本組所用的ASR擴展指令為例。）通過驗證可知各指令的微碼無誤。選擇基本指

36、令的A組指令中的ADD指令，觀察其節(jié)拍流程（1）置撥動開關SW=00000000 00000001；（表示指令ADD R0，R1）（2）按RESET按鍵；小板指示燈Microp亮（只要選擇微程序，該燈在指令執(zhí)行過程中一直亮），其它燈全滅； （3）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0000 ；下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成公共操作0PC、DI#=0）（4）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0001 ，下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（

37、本拍完成公共操作PCAR、PC+1PC）（5）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 1110 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0010 ，下址的指示燈顯示 0000 0000 ；（本拍完成公共操作MEMIR）（6）以上三步為公共操作，其它指令同；（7）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 0010 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0011 ，下址的指示燈顯示 0000 0100 ；（本拍完成MAP操作功能）（8）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 0011 0000 ，微址指示燈顯示 0000 0100 ，下址的指示燈顯示 0011

38、 0000 ；（本拍執(zhí)行ADD指令，DRDR+SR操作）（9）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 0011 0010 ，微址指示燈顯示 0011 0000 ，下址的指示燈顯示 0011 1010 ；（本拍完成STRQ、CC#=INT#公共操作功能）（10）按START按鍵；小板指示燈CI30、SCC30顯示 0011 0000 ，微址指示燈顯示 0011 0001 ，下址的指示燈顯示0000 0010 ；（本拍完成PCAR、PC+1PC、CC#=0的公共操作功能）選擇基本指令的D組指令中的CALA指令，觀察其節(jié)拍流程（1）置撥動開關SW= 1100 1110 0000 0000 ；（表示指令CALA）（2）按RESET按鍵；小板指示燈Microp亮（只要選擇微程序，該燈在指令執(zhí)行過程中一直亮），其它燈全滅；（3）按START按鍵；小板指示燈