計算機組成原理課程設(shè)計設(shè)計一個微程序控制器

1、第一章 設(shè)計概述1.1課程設(shè)計的目的 本課程設(shè)計的教學(xué)目是在掌握計算機系統(tǒng)的組成及內(nèi)部工作機制,理解計算機各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上,深入掌握數(shù)據(jù)信息流和控制信息流的流動過程,進一步加深計算機系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認識和整機的概念,培養(yǎng)開發(fā)和調(diào)試計算機的技能,在設(shè)計實踐中提高應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。1.2設(shè)計任務(wù)和基本要求 本課程設(shè)計以TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)為平臺設(shè)計完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計一個微程序控制器。2. 設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖,按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。3. 連接邏輯電路完成啟動,測試,編程,測試,效驗和

2、運行,并觀測運行過程及結(jié)果。4. 將微程序控制器模塊與運算器模塊,存儲器模塊聯(lián)機,組成一臺模型計算機。5. 用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。6. 通過在模型機上運行由機器指令組成的簡單程序,掌握機器指令與微指令的關(guān)系,建立計算機整機的概念,掌握計算機的控制機制。7. 按指定的應(yīng)用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計,并設(shè)計相應(yīng)的機器指令代碼,按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機器指令功能的微程序.在PC機上編輯機器指令和微程序,裝載代碼到TDN-CM+實驗系統(tǒng)并運行,實現(xiàn)應(yīng)用要求。第二章 規(guī)定項目的驗證實現(xiàn)2.1規(guī)定項目任務(wù)和要求：任務(wù)：從輸入設(shè)備輸入一個數(shù)與內(nèi)存中地址為0AH存放的數(shù)字1相加結(jié)果送地址

3、為0BH單元中。并能從內(nèi)存中取出到外圍設(shè)備顯示之。 要求：通過此驗證實驗來學(xué)會數(shù)據(jù)通路電路圖的連接、機器指令的設(shè)計、微指令設(shè)計中相關(guān)字段的作用、微程序流程圖的設(shè)計以及能熟練掌握用微程序控制數(shù)據(jù)通路來實現(xiàn)機器指令的功能，為以后的實驗設(shè)計做好準備。 2.2規(guī)定項目實現(xiàn)原理：（1）在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成。計算機從內(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。（2）本設(shè)計采用五條機器指令：IN、ADD、STA、OUT、JMP；其相應(yīng)的機器指令和匯編程序如下： 地址(二進制) 內(nèi)容(二進制) 助記符 注釋 0000

4、 0000 0000 0000 IN R0； “input”> R00000 0001 0001 0000 ADD 0AH, R0 R0 +0AH> R00000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0 , 0BH R0>0BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH ； 0BH-àLED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H-àPC0000 1000 0000 00000000 100100

5、00 1010 0000 00010000 10112.3規(guī)定項目實現(xiàn)過程：（1）連接線路：按圖1鏈接實驗線路。最后保證實驗中的各個原件及數(shù)據(jù)線路如圖2所示。圖1 接 線 圖圖2 數(shù)據(jù)通路框圖 （2）讀懂項目給出的程序按照規(guī)定格式，機器指令及微指令二進制代碼表已編輯成十六進制文件。本項目的程序如下：程序 機器指令格式說明$P0000 $P060D $PXX XX$P0110 $P0740 機器指令代碼$P020A $P0800 $P0320 $P0A01 十六進制地址$P0530微程序 微指令格式說明：$M00018110 $M06959A01 $MXX XXX XXX$M0101ED82 $

6、M0700E00D 微指令代碼$M0200C048 $M08001001$M0300E004 $M0901ED83 十進制地址$M0400B005 $M0A01ED87$M0501A206 $M0B01ED8E$M0C01ED96 $M1200A017$M0D028201 $M13018001$M0E00E00F $M14002018$M0F00A015 $M15070A01$M1001ED92 $M1600D181$M1101ED94 $M17070A10$M18068A11（3） 聯(lián)機運行驗證： 三條控制臺指令用兩個開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如表1：表1 SWB SWA 控制臺

7、指令 0 0 讀內(nèi)存(KRD ) 0 1 寫內(nèi)存(KRD ) 0 1 啟動程序(RP)聯(lián)機運行程序時，進入軟件界面，裝載機器指令及微指令后，調(diào)整控制臺，使SWA=1，SWB=0，即啟動程序。接著選擇(運行)(通路圖)(復(fù)雜模型機)功能菜單打開相應(yīng)的動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序。在驗證過程中，首先采用但不運行，仔細看每一條機器指令的執(zhí)行過程，明白其每一步對應(yīng)的微指令，為下一步完成項目的設(shè)計實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。2.4驗證結(jié)果：從輸入設(shè)備輸入的數(shù)字4，聯(lián)機運行，得到的輸出結(jié)果是5，與理論計算結(jié)果一致。說明微程序控制實現(xiàn)了機器指令的功能。第三章：指定應(yīng)用項目的設(shè)計實現(xiàn)3.1 指定

8、項目任務(wù)和要求： 將以K為地址的內(nèi)存單元的內(nèi)容X與以N為間接地址的內(nèi)存單元的內(nèi)容Y，執(zhí)行（X+Y）減6的運算，結(jié)果送R03.2 項目任務(wù)分析及解決方案： 在機器指令中設(shè)置N=0AH在內(nèi)存地址0AH中存放0CH，而內(nèi)存0CH中存放Y的值即4，內(nèi)存地址0BH中存放X的值7. 運算時，通過微程序控制從內(nèi)存中通過間接尋址取出Y的值送往R0，從內(nèi)存中直接尋址取出X的值7，進行或地運算結(jié)果放R0。執(zhí)行減法運算時，把R0的值送往中3.3 實現(xiàn)原理：（1）機器匯編指令設(shè)計：本設(shè)計采用8條機器指令：IN、STA、MOV、NOT、EOR 、STO、OUT、HLT；其相應(yīng)的機器指令和匯編程序如下：（其中表示間接尋址

9、，表示直接尋址）地址(二進制) 內(nèi)容(二進制) 助記符 注釋 0000 0000 0000 0000 IN R0； “X=input”> R00000 0001 0001 0000 STA R0 , 11 ; X= R0> 110000 0010 0000 0001 0000 0011 0010 0000 MOV 10, R0 ; Y=10 >R0 0000 0100 0001 0000 0000 0101 0011 0000 NOT R0 ； Y> R00000 0110 0100 0000 EOR 11, R0 ； XY > R0 0000 0111 0001

10、 0001 0000 1000 0011 0000 NOT R0 ； XY > R0 0000 1001 0111 0000 STO R0 , 13; R0 >13 0000 1010 0001 0011 0000 1011 0101 0000 OUT 13 130000 1100 0001 0011Y=04X=05K=11N=1311=1717=X0000 1101 0110 0000 HLT0001 0000 0000 0100 0001 0001 0001 0111 0001 0010 0000 00000001 0011 0000 00000001 0111 0000 00

11、00（2）微程序設(shè)計：為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，設(shè)計如圖4的三個控制臺操作微程序。其功能說明見表1。按照數(shù)據(jù)通路可畫出機器指令的微程序流程圖如圖4所示。當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)測試。由于“取指”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。本機用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作為測試條件，出現(xiàn)8路分支，占用8個固定的微地址單元。 控制臺 00 20 P(4) KWE(01) KRD(00) RP(11) PCARPC + 1PCARPC + 1 21 20 23 24 22 01RAMBU

12、SBUS DR1SW>BUSBUS>DR1DR1>LED 30 27DR1>RAM圖4微程序控制臺（3）微指令代碼設(shè)計：微指令格式如表1所示。當微指令格式確定以后，下一步就是確定后續(xù)微指令地址。通常的方法是先確定微程序分支處的微地址，因為微程序分支處需要進行判斷測試。這些微地址確定以后，就可以在一個“微地址表”中將分支微指令填入相應(yīng)得分支地址單元，避免以后的設(shè)計中因重復(fù)使用而造成錯誤。對于其它位置就可以按一條微指令對應(yīng)一個微地址隨意填寫。表2 微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA

13、9A8ABCA5A4A3A2A1A0A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDRi001RSB001P(1)010LDDR1010RDB010P(2)011LDDR2011RIB011P(3)100LDIR100299B100P(4)101LOAD101ALUB101AR110LDAR110PCB110LDPC當全部微指令設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表3即為將圖3微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而得到的“二進制代碼表”。表3 二進制微代碼表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCA5A00 00000000110000001

14、000100000 10000000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001110 4000000101000 0010000000010 5000000001110 0000000001100 60000000010010000000000010 70000000011100000000001001 00000000000010000000000011 10000000111101101100001101 20000000111101101100001011 300000001101000100

15、00111111 40000000111101101100101011 50000000111101101100111001 6 0000000110000000000011101 70000000111101101101000002 000000001111011011001001021 0000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000001101000110000001

16、2700000111000010100001000030000001101000101000010001310000000010110000000110003200000001101000100001101133011010011001101000000001340000000011100000000110013500000000101000000001111036000001110000101000000001370000100110011010000000014000000000111000000010000141000000101000001000000001指令寄存器(IR)用來保存當

17、前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構(gòu)成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試P(1)，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作。“指令寄存器”(實驗板上標有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)得微程序首地址。本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUT DEVICE)。例如：輸入時，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀

18、態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當寫信號(W/R)有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼管顯示。3.4 指定項目的實現(xiàn)過程：（1）按圖1連接實驗電路（2）聯(lián)機寫程序：按照規(guī)定格式，將機器指令及微指令二進制代碼表(如表4)編輯成十六進制的.txt文件。機器代碼：程序$P0000$P0110$P0211$P0320$P0410$P0530$P0640$P0711$P0830$P0970$P0A13$P0B50$P0C13$P0D60$P1004$P1117$P1300$P1700微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E00

19、7$M04028201$M0500E006$M06009001$M0700E004$M08001001$M0901ED83$M0A01ED85$M0B01A21F$M0C01ED95$M0D01ED9C$M0E00000E$M0F01EDA0$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M1500E016$M1600E019$M17070A10$M18068A11$M1900B01A$M1A01A21B$M1B699A01$M1C00E01D$M1D00A01E$M1E070A01$M1F099A01$M2000E021$M21028201（3）聯(lián)機運行： 聯(lián)機運行程序時，進入軟件界面，裝載機器指令及微指令后，選擇(運行)(通路圖)(復(fù)雜模型機)功能菜單打開相應(yīng)的動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序。3.5 實現(xiàn)結(jié)果：理論計算：Y=04，取反之后其值為