計算機組成原理課程設(shè)計-硬布線控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

硬布線控制器的設(shè)計與調(diào)試教學目的、任務(wù)與實驗設(shè)備教學目的熟練掌握實驗５和硬布線控制器的組成原理與應(yīng)用。復習和應(yīng)用數(shù)據(jù)通路及邏輯表達式。學習運用IＳＰ（在系統(tǒng)編程)技術(shù)進行設(shè)計和調(diào)試的基本步驟和方法，熟悉集成開發(fā)軟件中設(shè)計調(diào)試工具的使用，體會ＩＳＰ技術(shù)相對于傳統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的優(yōu)點。教學任務(wù)按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),在所提供的器件范圍內(nèi)，設(shè)計一臺硬布線控制器控制的模型計算機.根據(jù)設(shè)計圖紙,在通用實驗臺上進行組裝，并調(diào)試成功.在組裝調(diào)試成功的基礎(chǔ)上,整理出設(shè)計圖紙和其他文件。實驗設(shè)備C1C1微操作控制信號結(jié)果反饋信息CnSKIPTJ·····硬布線控制器（組合邏輯網(wǎng)絡(luò)）ispLSI1032E-70LJ84指令譯碼模塊節(jié)拍電位/節(jié)拍脈沖發(fā)生器指令寄存器W1W4T1T1啟動停止時鐘復位B1Bn硬布線控制器結(jié)構(gòu)方框圖TEC－4計算機組成原理實驗系統(tǒng)一臺直流萬用表一只集成電路建議使用ISP芯片（一片iｓpLSＩ1032)。采用IＳP器件,則需要一臺PC機運行設(shè)計自動化軟件（例如iｓpEXPＥＲＴ)作設(shè)計、編程和下載使用.總體設(shè)計思路（描述指令系統(tǒng)，給數(shù)據(jù)通路）采用與模型計算機相同的指令系統(tǒng)，即12條機器指令。實驗設(shè)計中采用該指令系統(tǒng)的子集:去掉中斷指令后的3條機器指令，只保留9條指令。采用的數(shù)據(jù)通路和微程序控制器方案相同?！?shù)據(jù)通路圖和數(shù)據(jù)通路控制信號控制器的設(shè)計思路硬布線控制器能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，關(guān)鍵在于它的組合邏輯譯碼電路。譯碼電路的任務(wù)就是將一系列有關(guān)指令、時序等的輸入信號,轉(zhuǎn)化為一個個控制信號，輸出到各執(zhí)行部件中。根據(jù)硬布線控制器的基本原理，針對每個控制信號Ｓ，可以列出它的譯碼函數(shù)S=f（Im，Ｍi,Tk，Bｊ）其中Ｉｍ是機器指令操作碼譯碼器的輸出信號，Mi是節(jié)拍信號發(fā)生器的節(jié)拍信號,Tk是時序信號發(fā)生器的時序信號，Bj是狀態(tài)條件判斷信號.在TＥC—4計算機組成原理實驗系統(tǒng)中，因為時序信號Ｔk(Ｔ1—T4)已經(jīng)直接輸送給數(shù)據(jù)通路,所以譯碼電路不需Ｔk作為輸入。又因為機器指令系統(tǒng)比較簡單，操作碼只有4位,不需要專門的操作碼譯碼器,因此Iｍ直接就是操作碼，即指令寄存器的ＩＲ4—IＲ7信號。Mｉ的來源就是時序模塊的節(jié)拍信號，例如W４-W1。Bj的信號包括:1．來自數(shù)據(jù)通路中運算器ALU的進位信號Ｃ;2.來自控制臺的開關(guān)信號SWC、SWＢ、SWA；3.其他信號。其中Ｃ、ＳＷC、SWＡ和SWB信號在微程序控制器中同樣存在,不用加以解釋.由于硬布線控制器設(shè)計和微程序控制器設(shè)計的不同需求和特點以及控制器的設(shè)計方案的不同，可能需要其他信號,也可能不需要其他信號，根據(jù)設(shè)計方案而定。每個控制信號的函數(shù)式都是上述輸入信號的邏輯表達式，因此可以用各種組合邏輯構(gòu)造電路網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)這些表達式的邏輯功能。理論上，只要對所有控制信號都設(shè)計出譯碼函數(shù),這個硬布線控制器的方案也就得到了。根據(jù)要求,列出所需的控制臺指令和機器指令控制臺指令名稱指令功能指令格式SWCSWBSWAKRＲ讀寄存器堆方式10０KRD讀雙端口存儲器方式０01KWE寫雙端口存儲器方式010KLＤ加載寄存器堆方式０11PR啟動程序方式000機器指令名稱助記符指令功能指令格式R７R6R５R4R３R2R1R0加法ＡDＤRd，RｓRd+Rｓ—〉Ｒｄ00０0RS1RS0RD1RD0減法SＵＢRd，RsRd-Rｓ－>Ｒd0001RS1RS0RD1ＲD０乘法MＵLRd,RsRd*Rs－〉Ｒd0０1０ＲS１RS0RD1RD０邏輯與ＡNＤＲd，RsRｄ＆Rｓ—〉Rd0011RＳ１RS0RD1RD0存數(shù)STARd，［Rs］Rｄ->［Rｓ］0１０0RＳ1ＲS0ＲD１RD0取數(shù)LDARd，［Ｒs］[Rs]-＞Rd0１01RS１ＲＳ0RD1RD０無條件轉(zhuǎn)移ＪMP[Ｒs］［Rs]-＞PC10０0ＲＳ1RS０RＤ1RD0條件轉(zhuǎn)移ＪＣＤＣ=1PＣ+D->PC1０0１Ｄ3Ｄ2D１D0停機STＰ暫停運行0110XXXX老師提供的控制臺指令流程圖:10001000PR20001KRD10100KRR1CEL#LRW=1TJSKIPAR1-INC0010KWE10011KLD10000PR11001KRD21010KWE21011KLD21100KRR2控制臺指令流程圖SKIPSTSKIPSW-BUS#LDAR1M3=1LDAR2SSTOTJSKIPSW-BUS#LDAR1SSTOSW-BUS#LDAR1SSTOTJSW-BUS#LDAR1M3=1LDAR2SSTOTJSKIPSKIPSW-BUS#M4=1LDR4LDPCSSTOAR1-INCTJWRDTJSW-BUS#CEL#LRW=0SKIPSW-BUS#CEL#LRW=0SW-BUS#CEL#LRW=0RS-BUS#TJCERLDIRTJSW-BUS#LDERCERLDIRSKIPW1W2W3W4在這個控制臺里，我們將控制臺指令KRＲ，KRＤ，KWE，KLD,PＲ分別拆分為KRR1，KＲR２，KRD1,KRD２,ＫWE１，KWE２,ＫＬD１，KLD2和PR１,PR2。每個小指令分別占用W1—Ｗ４四個節(jié)拍.分2次執(zhí)行完成?？刂菩盘栃盘栕饔眯盘栍行l件C在加法運算和減法運算時產(chǎn)生的進位信號T4上升沿ALU_BUS允許運算結(jié)果送往數(shù)據(jù)總線1ＬDDR1M1＝0時DＲ1接收寄存器堆A端口數(shù)據(jù)Ｔ3下降沿M1=1時DR1接收數(shù)據(jù)總線ＤBUS數(shù)據(jù)ＬDDＲ２M２=0時DR２接收寄存器堆B端口數(shù)據(jù)T3下降沿Ｍ２=1時ＤR2接收數(shù)據(jù)總線DBUS數(shù)據(jù)ＷRＤ控制雙端口寄存器堆ＲＦ的寫操作１且T2上升沿RS_ＢUS#控制ＲF的B端口數(shù)據(jù)是否能送DBUＳ上0LDEＲ將DＢUS上的數(shù)據(jù)打入暫存寄存器ER1且T4上升沿ＳＷ_BＵS＃將SＷ７-SW0數(shù)據(jù)送往DBUS0ＣＥL＃選中雙端口存儲器RＡM左端口0ＬＲＷ允許ＲAM左端口讀操作１且T３上升沿允許ＲAＭ左端口寫操作0且T３上升沿CERRAＭ右端口讀出數(shù)據(jù)并放到指令總線INS上1禁止右端口操作0ＬDAR1將ＤBUS數(shù)據(jù)打入地址寄存器AR11且T４上升沿AR1＿INＣAR１的值加11且T4上升沿LDAR2Ｍ3=0時AR2的數(shù)據(jù)從程序計數(shù)器PＣ打入１且T2下降沿Ｍ3=1時AR2的數(shù)據(jù)從DBUS打入LDR４M4＝1時Ｒ4的數(shù)據(jù)從DBUS打入1且T2下降沿M4=0時R４的數(shù)據(jù)從IR0-IＲ３打入PC_ADDAＬＵ2完成ＰＣ和IR低４位相加即PC+D1PC＿INCPC+１1LDPC程序計數(shù)器PC接收來自DＢUＳ的地址1且T4上升沿LＤＩR將來自ＲAＭ的指令打入指令寄存器IR1且T４上升沿S2,Ｓ1，S０選擇運算器ALU的運算類型1控制臺控制信號作用：設(shè)計方案設(shè)計硬布線控制器的控制流程,也就是解決Mi、Ｉm、Ｂj如何起作用的問題。設(shè)計微程序控制器時可以使用流程圖，設(shè)計硬布線控制器同樣可以使用流程圖。微程序控制器的控制信號以微指令周期為時間單位,硬布線控制器以節(jié)拍為時間單位,兩者本質(zhì)上是一樣的，１拍和1個微指令周期都是從時序T1的上升沿到Ｔ4的下降沿的一段時間.在微程序控制流程圖中,1個執(zhí)行框代表１個微指令周期，而在硬布線控制流程圖中,１個執(zhí)行框就代表１拍。執(zhí)行一條機器指令所需的微指令數(shù)目，在硬布線控制器中相當于機器指令所需的節(jié)拍數(shù)。決定執(zhí)行一條指令需要的節(jié)拍數(shù),要根據(jù)所有指令而定.既不能只考慮某些需要最多節(jié)拍的指令，也不能只考慮節(jié)拍數(shù)最少的指令，一般要根據(jù)大多數(shù)機器指令所需的節(jié)拍數(shù)而定,設(shè)計才比較合理.在本實驗中，由于選用４拍對大多數(shù)指令就夠用，所以節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生４個節(jié)拍信號(W1—Ｗ４)。統(tǒng)一用4拍執(zhí)行１條機器指令后，對于所需節(jié)拍較少的的指令，例如JMP指令只用2拍（忽略中斷）,剩下２拍就無事可做了。這在可行性上當然沒有問題，但在性能上就打了折扣,因為多余的節(jié)拍都浪費掉了。為減少浪費，在時序電路中加入了一個控制信號SＫIP的輸入,該信號的作用是使節(jié)拍發(fā)生器在任意狀態(tài)下直接跳到最后1拍（W4)。這樣，設(shè)計控制流程時，在所需節(jié)拍較少的的指令流程的適當位置使ＳKIP控制信號有效,多余的節(jié)拍就可以跳過，從而提高了性能。機器指令選用四拍以后,將一條機器指令的執(zhí)行化為占用兩條(或者更多）機器指令的節(jié)拍，執(zhí)行一條指令就可以占用W1、W2、W３、W4、W１、Ｗ２、Ｗ３、W4。為了區(qū)分一條指令的兩個不同階段，我們加了個ST內(nèi)部信號作為標志位,當ST=0時，標志執(zhí)行指令的前四個節(jié)拍，當ＳT=１時，標志執(zhí)行指令的后四個節(jié)拍。注意到只有CＬＲ＃到來后的第四拍時ＳT信號才發(fā)生翻轉(zhuǎn),所以又設(shè)了一個ＳSＴO(shè)信號作為SＴ信號的觸發(fā)信號。具體實現(xiàn)ST－SSTＯ模塊如下：我們增加了一個標志位RUN，由于按CLR#按鈕復位后，實驗系統(tǒng)的時序停止在T4,W４，ＳT的值為0,這樣SSＴO(shè)=！ST&W4的值為1.按QD啟動按鈕后，由于立即產(chǎn)生T1信號,在T1的上升沿使ST置1，在第一組W1，W2，Ｗ3，W4時,ST的值為1，這是我們不希望看到的。增加了標志位RUN后，按CLR#按鈕復位，使ＲＵN為0。由于ＳSＴO(shè)＝?。覶＊Ｗ4＊RUN，因此復位后的SSTO=0.按QD啟動按鈕，在Ｔ1的上升沿，使ＲUN=1。根據(jù)SSＴO(shè)的布爾表達式，在Ｗ1,W2，W3時，SＳTO=0，直到Ｗ4時,才使SＳTO=１，由于ST：=CLR＃*SSTＯ＃CLR*ＳT，在W4過后的下一個Ｔ1的上升沿，才使ST置1，從而將控制臺操作的兩種狀態(tài)區(qū)分開來。根據(jù)控制臺指令設(shè)計出的硬布線控制器：10001000PR20001SUB0000ADDC=1C=0M3=0LDAR2CERLDIRPC-INCIRM1=0LDDR1M2=0LDDR2M1=0LDDR1M2=0LDDR2RS-BUS#LDAR1M2=0LDDR2RS-BUS#LDAR1SKIPSKIPSKIPSKIPALU=A+BALU-BUSLDERALU=A-BALU-BUSLDERALU=A*BALU-BUSLDERALU=A&BALU-BUSLDERM1=0LDDR1M2=0LDDR2CEL#LRW=1LDERWRDWRDWRDWRDWRDM1=0LDDR1M2=0LDDR2ALU=AALU-BUSCEL#LRW=0RS-BUSM4=1LDR4LDPCCM4=01LDR4PC-ADDLDPCTJ0010MUL0011AND0101LDA0100STA1000JMP1001JC0110STPW1W2W3W4硬布線設(shè)計指令流程圖邏輯狀態(tài)表:根據(jù)硬布線指令流程圖畫出狀態(tài)表，然后根據(jù)表格,列寫出每個信號的邏輯表達式,并寫出ＡBＥL語言的源程序：OUTPUＴST=0ST=1ＫRR１KＲD１KWE1KLD１ＰR1KRR2ＫRD2KWE2KLD２ＡLＵ_BUSAR１_INCW4W4CＥＬ＃W1Ｗ1W１W１CＥRW2W２LDAR1W4Ｗ4Ｗ4Ｗ4LDAR2W４Ｗ４LDDR1LＤＤR2ＬDERW3LDIRW2W2ＬDPＣW4LDR4W4LRＷＷ1W1W１M1M2Ｍ３W4W4M4W4ＰC_ＩNCPC＿ADDRS_BUS＃W４S０S1S２ＳW_BＵS#W4Ｗ4W4W4Ｗ４W１W1,W3SKIＰW1W１W1W1Ｗ1W2W1W1TJW4Ｗ4W４W4W1W4W2,W４WＲDW４SSTOW4W4Ｗ４W４W4SＴ＝1PR2OＵＴPUTＰR２ADDＳUBMＵＬANDLＤASTＡJMPJCＳTPW３W3W3Ｗ3W4ALU_BUＳＡR１_INCW３W４ＣＥL#W１CERＷ２Ｗ2LDAR1W1ＬＤAR2Ｗ2W２W２W２LＤDR1W２W２W2W2Ｗ2LDDR2W3W3W3Ｗ3W3LDERＷ1ＬDIＲW4W4&CＬＤPCW4W４＆ＣLDR４W3Ｗ4LRWＷ2Ｗ2W２W２Ｍ1W2W２Ｗ2W２W２M2W１M3W4W4＆CM4Ｗ１PＣ_IＮCW4＆CPC_ADＤW２W２W2RS_BUS＃S0S1S２SＷ＿ＢUS#W2Ｗ2W2W２ＳKIPW4TＪW4W4W4W4W4WRDSSTO?設(shè)計的實現(xiàn)（AＢＥL—ＨDL）ABEＬ語言源代碼如下:MODUＬECｏmｐutｅDEＣLAＲATIOＮS”輸入管腳SWC，SＷB，ＳWAPIN3.。5;IR7,ＩR６，IＲ５，ＩR４ＰＩN6．。9；MF,T1,W1，W2,W３，W4，C,CLRPIＮ1０.．17；＂輸出管腳ALＵ＿BＵS，AR１_IＮC，ＣＥＬ,CEＲ,LDＡＲ1,ＬＤＡR2,ＬDＤR1,ＬDDR2，LDER，ＬDIＲ，LDPＣ，LDR４，LRWＰIＮ２９．．４１；PC＿INＣ，PC_AＤD,RS_ＢＵS，SW＿BUS，WＲD,ＳKＩＰ,TJ，Ｍ1，M2，M3,Ｍ4，S０,S１，S2PIＮ4５.。58；＂自定義MF1，SＳTONOＤEIＳTYＰＥ＇ＣOM'；RＵN，ＳTNODＥISTYＰE＇RＥG'；tKRＲ,ｔKＲD，ｔKＷＥ,tKLD,ｔPRＮODEISTＹPE'CＯＭ';ＫRR1，ＫRＤ1,KWE1，KＬD1,PR１，KRＲ２，KＲD2,KWE2，KLD2，PＲ2NODEISＴYＰE'CＯM＇；ADD，SUB,MUL,ANＤ,LDA,SＴＡ,JMP，JＣ，STPNODEIＳTYPE'COM’;CＬＫ=.C。；EQＵATＩONＳMＦ1＝!CLＲ＆ＭF#T1&CLR;ＲUN:=CＬR;ＲUＮ.ＣLK＝MＦ1;ST:＝CＬR＆SSＴO(shè)＃ＣLR＆ＳT;ST．ＣLK=MF1；SＳTO＝!ST&RUN＆W4;"指令譯碼部分tＫRR=SＷC＆！SWB&！SWA；tKＲD=!SWC&!ＳWB＆SWA；tKWE＝！SWＣ&ＳＷＢ＆?。樱譇；tKLD=!SWC＆ＳWB＆SWA；tＰＲ=?。覹Ｃ&?。覹B&！ＳＷA；ＫＲR1=！ST&tＫＲR;KＲR２=ST&tKRＲ;KRD1=!ST&ｔKRD；KRＤ2=ＳT＆ｔKRD;KWＥ1=！ST&tKWＥ；KWE2=ST＆tKWE；KLＤ１=!ST&ｔKLＤ；KＬＤ2=SＴ&ｔＫLD;PR1＝！ST＆tPR;PR2=ＳＴ＆tPＲ；ADＤ=ＰR2&(!IＲ7）＆（!IR6）＆（！IR5）＆（!ＩR4);SUB=PR2＆(!ＩR７)&（!IＲ６)&(!IR5)&(IR4)；ＭUＬ=ＰR2&（!IR7)＆（!IＲ６）＆(IR5)＆（!IR4)；AND=PR2&(！IR7)＆(!IＲ６)＆(IＲ5）＆(IＲ４）;LDA=ＰR2&（?。蒖7)&（IR６）＆（！IR5）&（IＲ4）；STA=PＲ2＆(!ＩR7）＆（IR6）＆（!IR5）&（!IＲ4)；JＭP=ＰR2＆(IR7)&(!ＩＲ6）&(!IR5）＆(!ＩR4);ＪＣ=PR２＆（IR7）&（!ＩR6)＆（！IR5）＆(IR4)；STP＝PR2＆(?。蒖7）＆(IR6)＆（ＩＲ5)＆（?。蒖4）;"數(shù)據(jù)通路管腳譯碼AＬＵ_BUS=(ADD#SUB#MUL#AND）&W3＃（STA&W4）；AR1_ＩNC=（KRD2#KWE２)＆Ｗ4；CEL＝!（（ＫRD2#KＷE2#KLD2＃KRR2）&W１#(W3＆LDA）#（Ｗ4&STA)）；CEＲ=（ＫLD2#ＫRＲ2）＆W2＃（W1&PR2）；LDAR1＝W４&(KRR1#ＫＲD1＃KWE1＃KLD１)＃（W2＆LＤA）＃(W2&STＡ)；ＬDAＲ２=W4&（KRＲ1#KLD1)#(PR２&W1)；LDDR1=W２＆（AＤD#ＳUＢ＃MUL＃AND）；ＬDＤＲ２＝LDDR１#(Ｗ2＆STA）;LDＥR＝W3＆（KＬD2#ADＤ＃SＵB＃ＭUＬ#ＡND#LDA）；ＬDIR=CEＲ；ＬDＰC=W4＆（PR１＃JMP#（JC＆Ｃ）);LDR4=LDPＣ；LＲW=W１&KRＤ2＃W３＆LDA;M1=！LDDR１;M2=！LDＤR2；M3=W４＆(KRＲ1#KＬD1);M4=W4＆(PR1#JMP）；PC_ＩNＣ=W1＆ＰR2;PＣ＿AＤD=W4＆ＪC＆C；RＳ_BＵＳ＝!（W2&（LDA＃SＴA）＃W４＆(ＫRR2#ＪＭP）)；SW_ＢUＳ＝!（W1＆(KWE2＃KLD2#KＲR２）#（Ｗ3＆KLＤ2)#(W4＆！SＴ));S０=SUB＃ＳTA;Ｓ1＝ADD＃S