第4講-設計的具體內容(簡單模型機設計)

第4講—課程設計的具體內容

簡單模型機的設計軟件學院張瑞華模型機設計步驟

擬定指令系統(tǒng)確定總體結構邏輯設計確定控制方式編制指令流程編制微程序調試5.2.1擬定指令系統(tǒng)擬定指令系統(tǒng)將涉及到基本字長、指令格式、指令種類、尋址方式等內容。這些內容的確定又和總體結構密切相關?；咀珠L存儲器容量為256×8，基本字長定為8位指令格式指令格式可有單字長指令和雙字長指令兩種在雙字長格式中，第二字節(jié)一般定義為操作數(shù)或操作數(shù)地址。

操作碼OP源操作數(shù)

目的操作數(shù)基本字長8位743210指令格式指令類型模型機有單操數(shù)指令、雙操作數(shù)指令和無操作數(shù)指令。操作碼OP共4位，最多可定義16條指令。尋址方式由于指令較短、操作數(shù)字段僅兩位舉一個簡單的例子：源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式

00R000R101（R0）01（R1）

10I10I11D11DABR0R1PCIRMAR7-0

#3RAMRDWRMDRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTREST5.2.2確定總體結構MARA18-11(I/O)33-26(I/O)10-3(I/O)寄存器組的設置R0、R1為通用寄存器，8位。IR為指令寄存器，8位。PC程序計數(shù)器，8位。MAR為地址寄存器，8位。加法器的設置為簡化設計，采用為8位帶串行進位并行加法器選擇器的設置連入A選擇器的數(shù)據(jù)來源是RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0寄存器的數(shù)據(jù)。連入B選擇器的數(shù)據(jù)來源是PC的數(shù)據(jù)和R1的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通路模型機的數(shù)據(jù)通路是以總線為基礎,以CPU為核心構成的。取指令:

MA

CPIR RAM→選擇器A→∑→Bus→IR送指令地址PBCPMAR PC→選擇器B→∑→Bus→MAR指令計數(shù)器＋1PBc0cppc PC→選擇器B→∑→Bus→PCR0→R1RACPR1 R0→選擇器A→∑→Bus→R1R1→RAMRBWR R1→選擇器B→∑→Bus→RAM5.2.3邏輯設計總體結構中，虛線框內的RAM是1032E之外預先配置好的。加法器的邏輯設計如附圖2所示，模型機中的加法器是由八個一位全加器構成，全加器之間采用簡單的串行進位。全加器邏輯原理如附圖3所示。ABR0R1PCIRMAR7-0

#3RAMRDWRMDRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTRESTMARA18-11(I/O)33-26(I/O)10-3(I/O)輸出為s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7附圖3一位加法器邏輯圖附圖38位串行進位并行加法器a7a6…a0接A選擇器的輸出，b7b6…b0接B選擇器的輸出選擇器的設計選擇器A和選擇器B的結構形式一樣，如附圖4所示.在控制電位EN0和EN1的控制下，分別選擇R0的或R1的數(shù)據(jù)通過選擇器，進入加法器。EN0和EN1是互斥的，高電平有效。A選擇器的EN0、EN1分別接MA、RA；B選擇器的EN0、EN1分別接PB、RB；附圖4選擇器設計3、寄存器的設計不帶復位的寄存器結構中R0、R1通用寄存器，可存放操作數(shù)或結果、中間結果，每個寄存器均由8個D觸發(fā)器構成。在CPRi的作用下接收總線的數(shù)據(jù)送入寄存器，輸出連入選擇器。結構如附圖5所示。指令寄存器IR其結構同通用寄存器。附圖5不帶復位的八位寄存器邏輯圖帶復位的寄存器結構中MAR地址寄存器是一個帶復位的寄存器，帶復位是指當有復位信號時，MAR清零。邏輯圖如附圖6所示。程序計數(shù)器的設計程序計數(shù)器結構如附圖6所示。PC加1是通過加法器實現(xiàn)的。復位信號RET的作用是有復位信號時，計數(shù)器PC清零。附圖6帶復位的八位寄存器邏輯圖部件之間的連接由系統(tǒng)結構圖5-10可看出，部件之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式。加法器的輸出通過總線BUS連接到所有寄存器和存儲器的輸入端，除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的輸出端外，其它部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器B。連線圖如附圖1所示。5.2.4確定控制方式控制命令是確定信息的流向，不同的數(shù)據(jù)通路需要不同的控制命令。圖5-10中，涉及到了許多控制命令例如CPR0、CPMAR、MA、RB、

等等，這些命令如何產(chǎn)生？通常有兩種方式，即組合邏輯方式和微程序方式，模型機采用微程序方式。微程序的執(zhí)行方式采用增量、垂直方式。ABR0R1PCIRMAR7-0

#3RAMRDWRMDRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTREST確定總體結構MARA18-11(I/O)33-26(I/O)10-3(I/O)微程序控制器的結構

如圖4-4所示，主要由控制存儲器ROM2#、ROM1#、微指令寄存器IR15-8、IR7-0構成。L15-8、L7-0用于顯示微指令寄存器IR的內容，便于觀察。

微程序控制器時序PPP脈沖的低電平用做控制存儲器讀命令μRDP脈沖的上升邊沿將讀出的微指令送

μIR脈沖的上升邊沿將形成的后繼地址送微程序計數(shù)器

μPC，同時將運算結果（總線的數(shù)據(jù)）送指定的寄存器。3、微指令格式微指令字長16位即

μIR15～

μIR0。（1）微指令字段定義A選擇器控制：

μIR15·μIR1400備用01RA10MA11備用2-4譯碼器，互斥B選擇器控制：

μIR13·

μIR1200備用01PB10RB11備用2-4譯碼器，互斥輸出分配：

μIR11·

μIR10·

μIR9000備用001CPR0010CPR1011CPPC100CPIR101CPMAR110備用111備用3-8譯碼器，互斥低位進位控制：

μIR80C0＝01C0＝1存儲器讀寫控制：

μIR5·

μIR410RD01WR后繼微地址形成方式：μIR2·

μIR1·

μIR0000備用001μPC＋1順序執(zhí)行010JP無條件轉移，地址由IR15-8提供。011QJP高四位按操碼轉移，低4位為0。100YJP給定高4位低4位按源尋址方式轉移。101MJP給定高4位低4位按目尋址方式轉移。110備用111備用3-8譯碼器，互斥（2）微命令形成邏輯微命令形成邏輯電路如圖5-12所示。圖中二—四譯碼器邏輯原理如附圖3所示。三—八譯碼器邏輯原理如附圖8所示。

μPC

微地址形成部件PLDJPQJP操作嗎IR8-5微指令μIR15-8后繼地址形成部件是多路選擇器（3）后繼微地址產(chǎn)生邏輯為簡單起見只選三種后繼微地址生成方式即增量方式、無條件轉移方式、按操作碼轉移方式。其結構框圖如圖5-13所示。當LD＝1時，微程序計數(shù)

μPC執(zhí)行加1操作。當LD＝0時且JP＝1時，無條件轉移。當LD＝0時且QJP＝1時，按操作碼轉移。附圖9，圖1中的COUNTERC附圖7后繼微地址形成邏輯附圖7后繼地址形成電路，圖1中CONTROL功能：多路選擇器當JP=1，QJP=0時Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=μIR15μIR14μIR13μIR12μIR11μIR10μIR9μIR8當JP=0，QJP=1時Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=IR7

IR6

IR5

IR4

00004、微程序編寫編寫程序

MOV105#，R0MOV201#，R1ADDR0，R1MOV3R1，（R0）（2）操作碼二進制代碼MOV1：0001MOV2：0010ADD：0011MOV3：0100

操作碼OP源操作數(shù)

目的操作數(shù)基本字長8位743210指令格式源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式

00R000R101（R0）01（R1）

10I10I11D11D程序代碼：地址代碼地址內容000011000100000101200101000300000001400110000501000001（3）微程序入口（十六進制代碼）取指令入口：00HMOV1入口：10HMOV2入口：20HADD入口：30HMOV3入口：40H（4）指令執(zhí)行流程00

↓

RAM→IR

↓PC+1→PC10↓20↓30↓40↓PC→MARPC→MARR0+R1

→R1R0→MAR

↓

↓

↓

↓PC+1→PCPC+1→PCPC→MARR1→RAM

↓

↓

↓

↓RAM→R0RAM→R1JPPC→MAR

↓

↓

↓PC→MARPC→MARJP

↓

↓JPJP（5）編制微程序根據(jù)指令流程和微指令格式就可以開始編制微程序。指令流程中每一個流程對應一條微指令，結合總體結構框圖5-10，寫出這個流程所對應的數(shù)據(jù)通路的控制命令。例RAM→IR所需的控制命令是MA，

，CPIR并在表3-1中的相應位置填寫上“1”，不需要的命令填寫“0”。另外每一條微指令都要確定下條微指令地址的生成方式。微代碼：5.2.5分調將模式開關置于分調1、1032E系統(tǒng)平臺上的所有開關和發(fā)光二極管（除L之外）均隨意編程用作數(shù)據(jù)輸入和狀態(tài)顯示。選擇系統(tǒng)結構中典型部件進行功能測試看是否滿足要求，若有錯改之。典型部件如下：選擇器A

帶復位的寄存器MAR

不帶復位的寄存器R0

程序計數(shù)器PC在部件設計無錯、連線無錯、1032E的管腳定義無錯時可生成下載文件下載到1032E中。（下載時開關置統(tǒng)調）2、單片機系統(tǒng)微程序經(jīng)過檢查無誤將模式開關置分調后通過鍵盤以十六進制寫入2#RAM和1#RAM