組成原理課程設(shè)計-設(shè)計一臺模型計算機(完整資料).doc

1、此文檔下載后即可編輯2. 數(shù)據(jù)通路4. 微指令格式6. 微程序流程圖且字長為 8 位，其格計算機組成原理課程設(shè)計 一、基本要求： 設(shè)計一臺模型計算機 具體內(nèi)容： 1. 數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng) 3. 時序系統(tǒng) 5. 微程序控制器 7. 微程序代碼表 二、模型機設(shè)計1. 數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)的約定1） 數(shù)據(jù)格式 模型機規(guī)定采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)， 式如下：7 6 5 4 3 2 1 0符 號數(shù)據(jù)其中: 第 7位為符號位，數(shù)值表示范圍是： -1X<12） 指令系統(tǒng)模型機設(shè)計四大類指令共 16 條，其中包括算術(shù)邏輯指令（ 9 條）、IO 指令（4 條）、訪內(nèi)及轉(zhuǎn)移指令（ 2條）和停機指令（ 1條）

2、。因為指令系統(tǒng)共 16條指令，所以操作碼是 4 位。由于模型機機器字長為 8 位，故設(shè)計單字長指令和雙字長指 令供使用。（1） 算術(shù)邏輯指令設(shè)計 9 條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用 寄存器直接尋址，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0OPCODERsRd其中，OP-CODE 為操作碼， Rs為源寄存器， Rd 為目的寄存器， 并規(guī)定： 9 條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式。(2) 訪內(nèi)指令及轉(zhuǎn)移指令 模型機設(shè)計 2 條訪問指令，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)，指令格式為：7 6 5 4

3、 3 2 1 00 0XOPCODERdD其中， OP-CODE 為操作碼， Rd為目的寄存器， D 為位移量 (正 負均可)，X 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=(R2)+DR2 變址尋址11E=(PC)+D相對尋址(3) 輸入輸出指令 格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0OPCODEaddrRd其中， addr=01 時，選中“ INPUT DEVICE ”中的開關(guān)組作為入 設(shè)備， addr=10 時，選中“ OUTPUT DEVICE ”中的數(shù)碼快作為 輸出設(shè)備。(4) 停機指令格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0OP-

4、000CODE0這類指令只有一條，即停機指令 HALT(5) 模型機指令系統(tǒng)指令類操作名稱及功能指令格式型用法算術(shù)邏輯指 令MOV Rs,Rd 傳 送(Rs)->Rd1000R sRdADD Rs,Rd 加 法(Rs)+(Rd)->Rd1001R sR dSUB Rs,Rd 減 法(Rs)-(Rd)->Rd1010R sR dINC Rd 自增(Rd)1Rd101100R dAND Rs,Rd 與(Rs)&&(Rd)->Rd1100RsRdCOM Rs,Rd 比 較(Rd)-(Rs) 的 結(jié) 果 影響 狀 態(tài)位：若 N=1 ， 則 Rs>Rd110

5、1RsR dCLA Rd 清零0->Rd11100R dRRC Rd 帶 進 位右循環(huán)一位0->MSB->MSB-1-> ->LSB->C-1111100RdRLC Rd 帶進位 左循環(huán)一位C<-MSB<-MSB- 1<- <- LSB<-0011100Rd訪內(nèi)及轉(zhuǎn)移 指令STA X,D,Rd 存數(shù)(Rd)->E00X00RdDLDA X,D,Rd 取數(shù)E->Rd00X01RdDJMP X,D 無條 件跳轉(zhuǎn)E->PC00X100 0DBZC X,D 若條 件 位 Z=1 或 C=1，則跳轉(zhuǎn)E->PC00X

6、110 0DI/O 指 令I(lǐng)N addr,Rd 輸 入(addr)->Rd010001RdOUT addr,Rd 輸出Rd->(addr)010110Rd停機指令HALT停機0110000 02. 數(shù)據(jù)通路 簡單的模型計算機是由運算器、控制器、存儲器、總線、輸 入輸出和時序產(chǎn)生器組成。在模型機中，我們將要實現(xiàn) RAM 的讀寫指令，寄存器的讀 寫指令，跳轉(zhuǎn)指令， ALU 的加、減、與、或指令。把通用寄存器 作為累加器 A，進行左、右移等指令，整體構(gòu)成一個單累加器多 寄存器的系統(tǒng)。運算器模塊主要由四片 74LS181、暫存器兩片 74LS273 等構(gòu) 成。其中 74LS181可通過控制

7、器相應(yīng)的控制指令來進行某種運算， 具體由 S0、S1、S2、S3、 M、 CN 來決定。 T4 是它的工作脈沖， 正跳變有效。寄存器堆模塊為實驗計算機提供了 2個 8位通用寄 存器。 它們用來保存操作數(shù)及其中間運算結(jié)果， 它對運算器的運 算速度、指令系統(tǒng)的設(shè)計等都有密切關(guān)系。在該運算器中，有兩 片 74LS181 組成算術(shù)和邏輯運算。數(shù)據(jù)的來源由 74LS273寄存器 提供，74LS273產(chǎn)生 16 位數(shù)據(jù)分別送入到 74LS181運算器中進行 相應(yīng)的運算。主存儲器單元電路主要用于存放實驗機的機器指令， 它的數(shù) 據(jù)總線掛在外部 數(shù)據(jù)總線 EXD0 EXD7 上；它的地址總線由地址寄存器單元電

8、路中的地址寄存器 74LS273（ U37）給出，地址值由 8 個 LED 燈LAD0 LAD7 顯示，高電平亮， 低電平滅； 在手動方式下， 輸入 數(shù)據(jù)由鍵盤提供， 并經(jīng)一三態(tài)門 74LS245（U51）連至外部數(shù)據(jù)總 線 EXD0 EXD7 ，實驗時將外部數(shù)據(jù)總線 EXD0 EXD7 用 8芯 排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 BUSD0 BUSD7，分時給出地址和數(shù)據(jù)。 它的讀信號直接接地；它的寫信號和片選信號由寫入方式確定。 該存儲器中機器指令的讀寫分手動和自動兩種方式。手動方式 下 ，寫信號由 W/R 提供，片選信號由 CE 提供；自動方式下， 寫信號由控制 CPU的 P1.2提供，片選信號由控

9、制 CPU的 P1.1 提供。由于地址寄存器為 8 位，故接入 6264 的地址為 A0 A7， 而高 4位 A8 A12接地，所以其實際使用容量為 256字節(jié)。 6264 有四個控制線： CS1 第一片選線、 CS2 第二片選線、 OE 讀線、 WE 寫線。 CS1 片選線由 CE控制（對應(yīng)開關(guān) CE）、OE 讀線直接 接地、WE 寫線由 W/R 控制（對應(yīng)開關(guān) WE）、CS2直接接 +5V 。為了向主存儲器 RAM 中裝入程序或數(shù)據(jù)，并且檢查寫入是 否正確以及能運行主存儲器中的程序， 必須設(shè)計三個控制操作微 程序。·存儲器讀操作： 撥動總清開關(guān)后， 置控制開關(guān) SWB、SWA 為

10、 “0 0”時，按要求連線后，連續(xù)按“啟動運行”開關(guān)，可對主存 儲器 RAM 連續(xù)手動讀操作。·存儲器寫操作： 撥動總清開關(guān)后， 置控制開關(guān) SWB、SWA 為 “0 1”時，按要求連線后，再按“啟動運行”開關(guān)，可對主存儲 器 RAM 進行連續(xù)手動寫入。·運行程序：撥動總清開關(guān)后， 置控制開關(guān) SWB、SWA為“1 1” 時，按要求連線后， 再按“啟動運行” 開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第 01 號 “取址”微指令，啟動程序運行。IR 指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行 一條指令時， 先把指令從內(nèi)存去到 DR 中，然后再傳送至 IR。指 令由操作碼和地址碼字段組成， 為了

11、執(zhí)行任何給定的指令， 必須 對操作碼進行 P測試，通過節(jié)拍脈沖 T4 的控制以便識別所要求 的操作。指令譯碼器根據(jù)指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的 地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序的首址。本系統(tǒng)有兩種外部 IO 設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)， 它作 為輸入設(shè)備；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備。輸入時二進制 開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到外部數(shù)據(jù)總線上， 只要開關(guān)狀態(tài)不 變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線 上，當寫信號有效時將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。根據(jù)計算機的執(zhí)行原理對各個元部件進行狀態(tài)控制， 最終設(shè) 計出模型機的數(shù)據(jù)通路框圖見附件一的圖 1。計算機數(shù)據(jù)通路的

12、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)一個微程序。數(shù)據(jù)的通路從程序計數(shù)器 PC 的地址送到主存的地址寄存器， 根據(jù)地址寄存器的內(nèi)容找到相應(yīng)的存儲單元。 存儲器中的數(shù)據(jù)是 指令時，那么數(shù)據(jù)是從 RAM 送到總線，再從總線送到 IR 中。存 儲器中的數(shù)據(jù)是需要加工的數(shù)據(jù)時，那么數(shù)據(jù)是從 RAM 送到總 線，再從總線 送到通用寄存器中等待加工。數(shù)據(jù)加工過程中， 兩個數(shù)據(jù)是從總線上將數(shù)據(jù)分別分時壓入 兩個暫存器中，等待運算部件的加工，在數(shù)據(jù)加工完成以后。運 算結(jié)果是通過三太門送到總線上。 三態(tài)門的控

13、制時由微控制器 來控制。3. 時序系統(tǒng)本實驗裝置的主存模塊和操作控制器模塊都帶有時序電路， 在連續(xù)或單脈沖源的作用下時序電路能連續(xù)或單步地輸出T1、T2、T3、T4、信號，并有啟?？刂菩盘?。在微程序控制器中，機 器指令和微指令的時序關(guān)系比較簡單， 所以時序電路也比較簡單。 讀取一個控存單元的時間與機器指令的 CPU 周期的時間相同， 指令周期等于 CPU 周期與本質(zhì)了所含微指令條數(shù)的積。時序系統(tǒng)的設(shè)計見附件 2 的圖 2。 節(jié)拍電位與節(jié)拍脈沖時序關(guān)系圖見附件 3 的圖 3。4. 微指令格式微指令格式采用水平型微指令，微命令編碼采用直接表示法 和字段直接譯碼法相結(jié)合的混合表示法， 以縮短微指令長

14、度， 后 繼地址采用斷定方式，微指令格式如下：2309 86 5控制字段判別字段（3下址字段（ 6（15）位）位）操作控制字段 15 位，通過直接或字段譯碼方式對數(shù)據(jù)通路進行控制。下址字段 6 位，從而確定控制存儲器容量為 64個單元。判別測試字段 3位，通過字段譯碼可用于規(guī)定 7種 P測試方 式，以及一種不測試 P0。當 P0=000 的情況下，按下址字段的地 址直接取下一條微指令。具體微指令格式內(nèi)容見附件三的圖 4。S3，S2，S1，S0，M，Cn：為運算器 74LS181芯片的控制信號。WE：為 W/R 信號對 RAM 和 OUT 進行讀寫操作，高電平為 寫有效。A9，A8：為對外部設(shè)備

15、 （RAM,OUTPUT,INPUT ）地址進行譯 碼。A 字段 內(nèi)容具體見附件 3。LD299：寄存器選中， 具體選擇同 IR 的最低 2 位（I1，I0）配 合。當 I1I0=00 時為輸入到 R0 寄存器；當 I1I0=01 時為輸入到 R1 寄存器；當 I1I0=10 時為輸入到 R2 寄存器；LDDR1 ：暫存器 DR1 選中。LDDR2 ：暫存器 DR2 選中。LDIR ：指令寄存器 IR 選中。LOAD ：總線數(shù)據(jù)直接裝載在 PC 計數(shù)器中。LDAR ：地址寄存器 AR 選中。B 字段 內(nèi)容具體見附件 3。B- RS：為源寄存器輸出選中。 具體選擇同 IR 的 3，4 位（I3，

16、 I2）配合。當 I3I2=00 時為輸入到 R0 寄存器； 當 I3I2=01 時為輸入到 R1 寄存器； 當 I3I2=10 時為輸入到 R2 寄存器；RD-B：為目的寄存器輸出選中。 具體選擇同指令寄存器 （IR） 的最低 2 位（ I1，I0）配合。當 I1I0=00 時為 R0 寄存器輸出；當 I1I0=01 時為 R1 寄存器輸出；當 I1I0=10 時為 R2 寄存器輸出；RI-B：為變址寄存器選中。本機固定為 R2。 299-B：為移位寄存器輸出選中。ALU-B ：邏輯運算單元結(jié)果輸出。 PC-B：PC計數(shù)器輸出。P字段：P（1）：分支判斷 1，和指令寄存器 （IR）的高四位（

17、IR7-IR4） 作為測試條件?？煞?16 個分支。P（ 2）：分支判斷 2，和指令寄存器（ IR）的三四位（ IR3， IR2）作為測試條件，有 4 個分支。P（3）：分支判斷 3，和 CY 或 ZI 作為測試條件，有兩個分 支。P（4）：分支判斷 4，和開關(guān) SWB，SBA 作為測試條件，有4 個分支。 用于控制臺控制區(qū) （讀程序， 寫程序， 和運行程序）。AR ：進行算術(shù)運算時是否影響進位和判零標志的控制位。 選 中時進行帶進位運算。LDPC ：為 PC 計數(shù)信號選中。5. 微程序控制器微程序控制器的結(jié)構(gòu)與微指令的格式密切相關(guān)。 它由控制存 儲器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯

18、幾部分組成。 微地址寄存器和微命令寄存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寄存器。微控制器寄存器使用的是兩片 74LS273和一片 74LS175構(gòu)成 它們從微命令存儲器中讀出并保存， 為后續(xù)模塊提供信息。 它是 根據(jù)節(jié)拍信號進行讀的。 微程序控制器的工作過程：開始運行程序時a. CPU 自動將取指令的微程序入口地址送入uAR ，啟動控制存儲器進行讀操作 ,將微指令送入 uIR 。b. 指令的操作碼部分經(jīng)譯碼器產(chǎn)生一組微命令，送到有關(guān) 部件控制完成一組微操作。c. 由微地址產(chǎn)生邏輯或微指令的下字址給出下一條微指令 的地址。再按取微指令。執(zhí)行微指令的過程重復(fù)。微程序控制器

19、結(jié)構(gòu)見附件 3 圖五。6. 微程序流程圖 當擬定“取址”微指令時，該微指令的判別測試字段為 P（1） 測試。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令， 因此 P（ 1）的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支?？刂婆_操作為 P（4）測試，它以控制臺開關(guān) SWB、SWA 作為 測試條件，出現(xiàn)了 3路分支，占用 3 個固定微地址單元。當分支 微地址單元固定后， 剩下的其它地方就可以一條微指令占用一個 微地址單元隨意填寫。 注意：微程序流程圖上的地址為 16 進制。 指令中的 STA、LDA JMP BZC 是四條雙字長的指令。 他們有四 種尋址方式分別是直接、間接、變址、相對。指令在操作地址的 時候都是先得

20、到地址然才能操作。 在這里設(shè)計的過程使用的也是 同樣的思想。 在指令譯碼的過程中對這四條指令使用的方式不是 直接判斷應(yīng)該執(zhí)行什么指令， 而是先判斷應(yīng)該使用怎樣的尋址方 式先找到應(yīng)該操作的主存地址再進行操作。間接尋址的方式的 STA 指令如下：第一步： （01H） 從地址指針 （PC）中得到地址 ,送到地址寄存器 （AR）中， PC 自 動加一。第二步： （02H）主存（ RAM ）中讀出東西送到總線上，送到指 令寄存器（ IR ） 中。第三步： （10H）將（IR）中的內(nèi)容進行譯碼。 判斷下一條指令的 地址。第四步：（12H）由于是 STA 指令是一條雙子長指令。所以在 此再次執(zhí)行第一步即可。第五步：（ 06H）將主存中的數(shù)據(jù)寫到 DR1 中。第六步： （07H） 將 R2 中的