計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)-微程序設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)定成績表項(xiàng)目分值優(yōu)秀(100>x90)良好(90>x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)評(píng)分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)態(tài)度15學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間，按期完成各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn),不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度技術(shù)水平與實(shí)際能力25設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有很強(qiáng)的實(shí)

2、際動(dòng)手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較合理、可信設(shè)計(jì)合理，理論分析與計(jì)算基本正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有一定的實(shí)際動(dòng)手能力，主要文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較可信設(shè)計(jì)基本合理，理論分析與計(jì)算無大錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無大錯(cuò)設(shè)計(jì)不合理，理論分析與計(jì)算有原則錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠，實(shí)際動(dòng)手能力差，文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研有較大的問題創(chuàng)新10有重大改進(jìn)或獨(dú)特見解，有一定實(shí)用價(jià)值有較大改進(jìn)或新穎的見解，實(shí)用性尚可有一定改進(jìn)或新的見解有一定見解觀念陳舊論文(計(jì)

3、算書、圖紙)撰寫質(zhì)量50結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯(cuò)別字較多，達(dá)不到規(guī)范化要求；圖紙不工整或不清晰指導(dǎo)教師評(píng)定成績:指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日重慶大學(xué)本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)題目微程序設(shè)計(jì)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)

4、院專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)年級(jí)2006已知參數(shù)和設(shè)計(jì)要求:用微程序控制器實(shí)現(xiàn)以下指令功能調(diào)用:CALLaddr ;指令功能與80X86相同，addr是8位二進(jìn)制地址 返回:RET ；存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器傳送:MOV memi , memj; memi ß(memj), i<>j，memi內(nèi)存單元地址帶右移的加法運(yùn)算:ADD Ri , Rj , N; Ri ß(Ri)+(Rj)>>N ，Rj中內(nèi)容不變 N=0-7學(xué)生應(yīng)完成的工作:根據(jù)模型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)路徑以及微程序控制器的工作原理，設(shè)計(jì)各指令格式以及編碼，并實(shí)現(xiàn)各機(jī)器指令微代碼，根據(jù)定義的機(jī)器指令，自擬編寫包含以

5、下指令的應(yīng)用程序。參考實(shí)驗(yàn)5.3、6.1。上機(jī)調(diào)試并輸出正確結(jié)果，給出完整的設(shè)計(jì)報(bào)告。目前資料收集情況(含指定參考資料):計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書計(jì)算機(jī)組成和設(shè)計(jì),David A.Patterson編,清華大學(xué)出版社,2003年12月計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu),William Stallings編,高等教育出版社,2001年8月計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),李亞民編,清華大學(xué)出版社,2000年4月課程設(shè)計(jì)的工作計(jì)劃: 2008-2009第一學(xué)年第14周任務(wù)下達(dá)日期 2008 年 12 月 8 日完成日期 2008年 12 月 8 日指導(dǎo)教師 (簽名)學(xué) 生 (簽名)說明:1、學(xué)院、專業(yè)、年級(jí)均填全稱，如:光電工

6、程學(xué)院、測控技術(shù)、2003。2、本表除簽名外均可采用計(jì)算機(jī)打印。本表不夠，可另附頁，但應(yīng)在頁腳添加頁碼。計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書一、設(shè)計(jì)目的:綜合運(yùn)用所學(xué)過的計(jì)算機(jī)原理知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較為完整的計(jì)算機(jī)。掌握運(yùn)用計(jì)算機(jī)原理知識(shí)解決問題和設(shè)計(jì)指令程序的能力。通過課程設(shè)計(jì)的綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)實(shí)際分析問題，編寫程序指令和動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，幫助學(xué)生系統(tǒng)掌握計(jì)算機(jī)組成原理課程的主要內(nèi)容。二、設(shè)計(jì)要求:設(shè)計(jì)要求:用微程序控制器實(shí)現(xiàn)以下指令功能調(diào)用:CALLaddr ;指令功能與80X86相同，addr是8位二進(jìn)制地址返回:RET ；存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器傳送:MOV memi , memj; memi 

7、23;(memj), i<>j，memi內(nèi)存單元地址帶右移的加法運(yùn)算:ADD Ri , Rj , N; Ri ß(Ri)+(Rj)>>N ，Rj中內(nèi)容不變 N=0-7根據(jù)模型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)路徑以及微程序控制器的工作原理，設(shè)計(jì)各指令格式以及編碼，并實(shí)現(xiàn)各機(jī)器指令微代碼，根據(jù)定義的機(jī)器指令，自擬編寫包含以下指令的應(yīng)用程序。三、微程序控制器的原理:A. 微程序控制的基本思想:1. 若干微命令編制成一條微指令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作； 2. 若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令； 3. 微程序事先存放在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出。B. 基本組成:控制存儲(chǔ)器，

8、微指令寄存器，微地址寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯框圖:圖1 微程序控制器組成原理框圖控制存儲(chǔ)器(CM):用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，位于CPU中。它是一種只讀型存儲(chǔ)器，要求速度快，讀出周期短微指令寄存器:存放當(dāng)前由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息，分為微地址寄存器和微命令寄存器兩個(gè)部分。其中微地址寄存器決定將要訪問的下一條微指令的地址，微命令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段(P)的信息地址轉(zhuǎn)移邏輯:自動(dòng)完成修改微地址的任務(wù)。微程序控制器:微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它

9、的執(zhí)行方法就是將控制各部件動(dòng)作的微命令的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機(jī)器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個(gè)微指令序列表示一條機(jī)器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲(chǔ)在一種專用的存儲(chǔ)器中，稱為控制存儲(chǔ)器,微程序控制器原理框圖如圖2所示6MA5-MA02I7-I2P4-P1T4地址T16SE6SE0T2CLR6uA5ua0T2uIR微指令CM2816*324位S3A8ABCQQ D指令譯碼單元3-8譯碼器指令寄存器IR圖2 微程序控制器原理框圖C. 微程序控制計(jì)算機(jī)的工作過程:下面通過計(jì)算機(jī)啟動(dòng)、執(zhí)行程序直到停機(jī)的過程，來說明微程序是如何控制計(jì)算機(jī)工作

10、的:計(jì)算機(jī)加電以后，首先由復(fù)位信號(hào)(Reset)將開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址送入PC內(nèi)，同時(shí)將一條"取指"微指令送入微指令寄存器中，并將其他一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值后，自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生節(jié)拍電位和工作脈沖。為保證計(jì)算機(jī)正常工作，電路必須保證開機(jī)后第一個(gè)機(jī)器周期信號(hào)的完整性，在該CPU周期末，產(chǎn)生開機(jī)后第一個(gè)工作脈沖。然后計(jì)算機(jī)開始執(zhí)行程序，不斷地取出指令、執(zhí)行指令。程序可以存放在固定存儲(chǔ)器中，也可以利用固化在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的一小段引導(dǎo)程序，將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部設(shè)備調(diào)入主存。實(shí)現(xiàn)各條指令的微程序是存放在微程序控制器中的。當(dāng)前正在

11、執(zhí)行的微指令從微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)遇到停機(jī)指令或外來停機(jī)命令后，應(yīng)該待當(dāng)前這條指令執(zhí)行完畢后再停機(jī)或至少在本機(jī)器周期結(jié)束時(shí)停機(jī)。要保證停機(jī)后，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)能繼續(xù)工作而且不出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。四、總體設(shè)計(jì)(系統(tǒng)構(gòu)成):實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的 CPU，并且在此CPU 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)簡單的模型計(jì)算機(jī)。CPU 由運(yùn)算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序計(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖3所示。這個(gè)CPU 在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器

12、指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU 必須和主存掛接后，才有實(shí)際的意義，所以還需要在該CPU 的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡單的模型計(jì)算機(jī)。圖3基本CPU構(gòu)成原理圖程序計(jì)數(shù)器PC:程序計(jì)數(shù)器PC由兩片4位可預(yù)置二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成8位的計(jì)數(shù)器。使用“可預(yù)置”是因?yàn)檗D(zhuǎn)移指令需要直接修改PC的值。其電路原理如下圖。88LOADT4LDPCPC(74LS161)PC(74LS161)圖3 程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR:地址寄存器保存訪問存儲(chǔ)器時(shí)的地址信息，由74LS273實(shí)現(xiàn)。其電路原理如下圖。88AR(74LS273)T4LDAR圖4 地址寄存器AR指令寄存器IR:指令寄存器IR存放

13、的是正在執(zhí)行的機(jī)器指令，它作為指令譯碼器電路的輸入，實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)控制。其電路原理如下圖。88IR(74LS273)T4LDIR圖5 指令寄存器IR寄存器堆R0:寄存器R0使用的芯片是74LS374，該芯片是8個(gè)三態(tài)D-FF。其R0電路原理如下圖。R0-B88R0(74LS374)T4LDR0圖6 寄存器R0數(shù)據(jù)通路如圖:圖8數(shù)據(jù)通路圖五、詳細(xì)設(shè)計(jì)微程序功能設(shè)計(jì)： （1）指令設(shè)計(jì)助記符 機(jī)器指令碼 說明ADD 0000 0000 * * (data1+data2 )<<1 ->R0 OUT 0011 0000 R0->OUTMOV 0100 0000 (addr1)-&g

14、t;(addr2)LDI 0110 0000 * (data)->R0CALL 0111 0000 * 調(diào)用子程序RET: 1000 0000 子程序返回 ADD 是三字節(jié)指令，后面兩個(gè)* *是要進(jìn)行加法的數(shù)據(jù)，本指令的功能是數(shù)據(jù)一加上數(shù)據(jù)二之后左移一位，結(jié)果存在R0里；OUT是輸出；MOV指令實(shí)現(xiàn)的是將內(nèi)存地址一的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存地址二，因?yàn)樗鼏巫止?jié)指令，所以微指令執(zhí)行期間要靠IN單元輸入要操作的內(nèi)存地址；LDI是雙字節(jié)指令，把后面的*送到R0里；CALL是調(diào)用子程序，也還是雙字節(jié)指令，*是要調(diào)用子程序的入口地址；RET指令用在子程序的末尾，幫助子程序正確返回。 （2）微指令設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)

15、器指令所實(shí)現(xiàn)的功能，畫出微程序流程圖。 微程序流程圖:0001PC>ARPC+1M>AA左移1->R0PC>ARPC+1M>BA+B->A300A090D0C0BPC>ARPC+1M>ARP<1>NOP010330IN>ARR0>MM>R0IN>AR3408070601PC>ARPC+1M>R0360111A>PCPC>MPC>ARPC+1M>AR0>AR370113141516R0>ARM>PC380112R0> IO0133ADDOUTMOVLDI

16、CALLRET 當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，將每條微指令代碼化，下表即為將微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。 二進(jìn)制微代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA000000001000000000000000000000000101006D430000000001101101010000110310707000010000011100000111000030006D490000000001101101010010010910100A0001000000010000000010100A006D4B0000000001101101010010110B10200

17、C0001000000100000000011000C04920D0000010010010010000011010D0392010000001110010010000000013418600600011000011000000000011006103007000100000011000000000111071860080001100001100000000010000820040100100000000001000000000137006D53000000000110110101010011131010140001000000010000000101001400641500000000011

18、001000001010115200C160010000000001100000101101600534100000000010100110100000136006D5100000000011011010101000111103001000100000011000000000001380064120000000001100100000100101210514100010000010100010100000133280401001010000000010000000001 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備： 按下圖連接電路實(shí)驗(yàn)接線圖:將微程序和機(jī)器程序以指定的格式寫入到以TXT 為后綴的文件中聯(lián)機(jī)運(yùn)行。指令格式: 微指

19、令格式: 機(jī)器指令格式: $M XX XXXXXX $P XX XX 十六進(jìn)制微指令代碼 十六進(jìn)制機(jī)器指令代碼十六進(jìn)制地址十六進(jìn)制地址 標(biāo)志符 標(biāo)志符根據(jù)流程圖及指令格式，安排微指令地址的地址編碼及微指令編碼:; /* Start Of Main Memory Data * /$P 00 40 ;MOV$P 01 60 ;LDI$P O2 F1 ;DATA$P 03 70 ;CALL$P 04 06 ;ADDR$P 05 30 ;0UT$P 06 00 ;ADD$P 07 11 ;DATA$P 08 22 ;DATA$P 09 30 ;OUT$P 0A 60 ;LDI$P 0B F1 ;DAT

20、A$P 0C 80 ;RET; /* End Of Main Memory Data * /; /* Start Of MicroController Data * /$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC 加1$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>ADD程序段$M 30 006D49 ;PC->AR PC+1$M 09 10100A ;M->A$M 0A 006D4B ;PC->AR PC+1$M 0B 10200C ;M->B$M 0C 04920D ;A+B->A$M 0

21、D 039201 ;A<<1->R0;MOV程序段$M 34 186006 ;IN->AR$M 06 103007 ;MEM->R0$M 07 186008 ;IN->AR$M 08 200401 ;R0->MEM;CALL程序段$M 37 006D53 ;PC->AR PC+1$M 13 101014 ;MEM->A$M 14 006415 ;R0->AR$M 15 200C16 ;PC->MEM$M 16 005341 ;A->PC;LDI程序段$M 36 006D05 ;PC->AR,PC+1$M 11 103

22、001 ;MEM->R0;RET程序段$M 38 006412 ;R0->AR$M 12 105141 ;MEM->PC;OUT指令$M 33 280401 ;R0->IO; /* End Of MicroController Data */聯(lián)機(jī):選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】”功能，在打開文件對話框中選擇上面所保存的文件，軟件自動(dòng)將機(jī)器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?。選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示，對照文件檢查微程序和機(jī)器程序是否正確，如果不正確，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元

23、的指令，以修改微指令為例，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB 按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁颍斎?位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。六、測試:運(yùn)行:將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)KK1 和KK3 置為運(yùn)行檔，進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“【實(shí)驗(yàn)】【簡單模型機(jī)】”，打開簡單模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖。按動(dòng)CON 單元的總清按鈕CLR，然后通過軟件運(yùn)行程序，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。觀察微程序每一步的實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀測指令的執(zhí)行過程。對應(yīng)微指令：$M 34 186006 ;IN->AR（MOV中） 對應(yīng)微指令：$M 06 103

24、007 ;MEM->R0（MOV中） 對應(yīng)微指令：$M 11 103001 ;MEM->R0（LDI中） 對應(yīng)微指令：$M 13 101014 ;MEM->A（CALL中） 對應(yīng)微指令：$M 14 006415 ;R0->AR（CALL中） 對應(yīng)微指令：$M 16 005341 ;A->PC（CALL中） 對應(yīng)微指令：$M 0B 10200C ;M->B（ADD中） 對應(yīng)微指令：$M 0D 039201 ;A<<1->R0（ADD中） 對應(yīng)微指令：$M 33 280401 ;R0->IO（OUT中） 對應(yīng)微指令：$M 38 00641

25、2 ;R0->AR（RET中）實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合當(dāng)初的設(shè)計(jì)，各個(gè)微指令都實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)計(jì)的目標(biāo)，機(jī)器程序的測試也達(dá)到預(yù)期的效果。七、設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題和解決方法(一)出現(xiàn)問題: （a）在設(shè)計(jì)CALL指令時(shí)，需要把當(dāng)前指令的位置壓棧，等到子程序調(diào)用RET指令時(shí)再將之彈出棧，方可返回對應(yīng)的主程序。但設(shè)計(jì)指令時(shí)并未設(shè)計(jì)PUSH，POP指令，因此保存當(dāng)前指令成為一個(gè)難題。 （b）在設(shè)計(jì)MOV指令時(shí)，內(nèi)存之間是不可以直接傳送數(shù)據(jù)。(2) 對應(yīng)的解決方法: （a）為解決此問題，設(shè)計(jì)時(shí)就多加了一條LDI（立即數(shù)送寄存器）指令，目的是使得我們自己可以指定一個(gè)內(nèi)存地址，存放我們當(dāng)前的指令地址。這樣，在我們調(diào)用CALL指令前只需調(diào)用LDI即可