組成原理課程設(shè)計-設(shè)計一臺模型計算機

計算機組成原理課程設(shè)計數(shù)據(jù)通路微指令格式微程序流程圖一、基本要求：設(shè)計一臺模型計算機數(shù)據(jù)通路微指令格式微程序流程圖具體內(nèi)容：1.數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)時3序.系統(tǒng)微5程.序控制器微7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)，且字長為位，其格式如下：符號數(shù) 據(jù)其中第位為符號位，數(shù)值表示范圍是：1V。指令系統(tǒng)模型機設(shè)計四大類指令共條，其中包括算術(shù)邏輯指令（條）/指令（條）訪內(nèi)及轉(zhuǎn)移指令（2條）和停機指令（1條）。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：其中， 為操作碼，為源寄存器，為目的寄存器，并規(guī)定：條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式。訪內(nèi)指令及轉(zhuǎn)移指令模型機設(shè)計條訪問指令，即存數(shù)、取數(shù)，條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令 ，指令格式為：其中， 為操作碼， 為目的寄存器，為位移量正負均可）為尋址方式，其定義如下：尋址方式有效地址說明直接尋址間接尋址變址尋址相對尋址（3）輸入輸出指令格式如下：

其中， 時，選中“ ”中的開關(guān)組作為入設(shè)備， 時，選中“”中的數(shù)碼快作為輸出設(shè)備。停機指令格式如下：這類指令只有一條，即停機指令(5停模型機指令系統(tǒng)指令類型操作名稱及用法功能指令格式算術(shù)邏輯指令傳送加法減法自增+T與比較的結(jié)果影響狀態(tài)位：若,則清零帶進位右循環(huán)一位■■■帶進位左循環(huán)一位???訪內(nèi)及轉(zhuǎn)移指令存數(shù)取數(shù)無條件跳轉(zhuǎn)若條件位或，！則跳轉(zhuǎn)指令輸入輸出停機指令停機數(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)的讀寫指令，寄存器的讀寫指令，跳轉(zhuǎn)指令，的加、減、與、或指令。把通用寄存器作為累加器，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 、暫存器兩片 等構(gòu)成。其中 可通過控制器相應(yīng)的控制指令來進行某種運算，具體由、1、、、來決定。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 組成算術(shù)和邏輯運算。數(shù)據(jù)的來源由 寄存器提供，產(chǎn)生位數(shù)據(jù)分別送入到 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 ? 上;它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器 （7給出，地址值由個燈? 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 （5連至外部數(shù)據(jù)總線 ? ，實驗時將外部數(shù)據(jù)總線?用芯排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 ? ，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 提供，片選信號由提供；自動方式下，寫信號由控制 的 提供，片選信號由控制 的提供。由于地址寄存器為位，故接入 的地址為?，而高位?接地，所以其實際使用容量為 字節(jié)。 有四個控制線： 第一片選線、 第二片選線、讀線、寫線。片選線由控制（對應(yīng)開關(guān)）、讀線直接接地、寫線由控制（對應(yīng)開關(guān)）、直接接。為了向主存儲器 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) 、 為“ ”時，按要求連線后，連續(xù)按“啟動運行”開關(guān)，可對主存儲器 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) 、 為“ ”時，按要求連線后，再按“啟動運行”開關(guān)，可對主存儲器 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) 、為“”時，按要求連線后，再按“啟動運行”開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第?1號“取址”微指令，啟動程序運行。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)存去到中，然后再傳送至。指令由操作碼和地址碼字段組成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試，通過節(jié)拍脈沖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。計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，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 送到總線，再從總線送到中。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 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)門的控制時由微控制器來控制。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1、、4信號，并有啟停控制信號。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周期的時間相同,指令周期等于周期與本質(zhì)了所含微指令條數(shù)的積。時序系統(tǒng)的設(shè)計見附件的圖。節(jié)拍電位與節(jié)拍脈沖時序關(guān)系圖見附件3的圖3。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，以縮短微指令長度，后繼地址采用斷定方式，微指令格式如下：控制字段（）判別字段（位）下址字段（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。判別測試字段位，通過字段譯碼可用于規(guī)定種測試方式，以及一種不測試。當?shù)那闆r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4，3，，M:為運算器 芯片的控制信號。:為信號對和 進行讀寫操作，高電平為寫有效。,9為對外部設(shè)備（ ）地址進行譯碼。字段內(nèi)容具體見附件。:寄存器選中，具體選擇同的最低位（，）配合。當I1I0時=為0輸0入到R0寄存器；當I1I時=為0輸1入到1寄存器當I1I時=為1輸0入到2寄存器:暫存器選中。:暫存器選中。指令寄存器選中。A總線數(shù)據(jù)直接裝載在計數(shù)器中。A地址寄存器選中。字段內(nèi)容具體見附件3。:為源寄存器輸出選中。具體選擇同的，位（，2配合。當 時為輸入到寄存器；當 時為輸入到寄存器；當 時為輸入到寄存器；-為目的寄存器輸出選中。具體選擇同指令寄存器（）的最低位（，）配當I1時為0寄存器輸出；當I1時為1寄存器輸出當I1時為2寄存器輸出；:為變址寄存器選中。本機固定為。:為移位寄存器輸出選中。:邏輯運算單元結(jié)果輸出。: 計數(shù)器輸出。字段：C）：分支判斷，和指令寄存器（）的高四位（ ）作為測試條件。可分個分支。（）：分支判斷，和指令寄存器（）的三四位（， ）作為測試條件，有個分支。（）：分支判斷，和或作為測試條件，有兩個分支。（）：分支判斷，和開關(guān)， 作為測試條件，有個分支。用于控制臺控制區(qū)（讀程序，寫程序，和運行程序）。: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。L為計數(shù)信號選中。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 和一片 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：開始運行程序時自動將取指令的微程序入口地址送入 ，啟動控制存儲器進行讀操作將微指令送入 。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)。微程序控制器結(jié)構(gòu)見附件3圖五。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）（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）（1）的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支?？刂婆_操作為（）測試，它以控制臺開關(guān)、 作為測試條件，出現(xiàn)了路分支，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進制。指令中的、 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 指令如下：第一步： 從地址指針 中得到地址送到地址寄存器（）中，自動加一。第二步： 主存（）中讀出東西送到總線上，送到指令寄存器（）中。第三步：將（）中的內(nèi)容進行譯碼。判斷下一條指令的地址。第四步：（）由于是 指令是一條雙子長指令。所以在此再次執(zhí)行第一步即可。TOC\o"1-5"\h\z第五步：（）將主存中的數(shù)據(jù)寫到 中。第六步： 將中的內(nèi)容送到 中。第七步：（）將與 中的數(shù)據(jù)相加后送到中，是 指令操作地址。并進行判斷執(zhí)行的是哪種地址。第八步：（）將相應(yīng)的寄存器中的內(nèi)容送到 中。第九步：回到原操作。微程序流程圖、控制臺流程圖見附件4圖6。微程序代碼表微程序代碼表見附件5圖7。三、總結(jié)本次課程設(shè)計我們要設(shè)計一臺微程序控制的模型機，使我們對計算機能有一個整機的概念,以完成對計算機組成原理這門課程的綜合應(yīng)用，達到學(xué)習(xí)本書的作用。通過本次的課程設(shè)計使我進一步熟悉了計算機組成原理的基本知識，同時也了解了模型機設(shè)計的基本過程，掌握了一些基本的軟硬件設(shè)計知識并對其進行了基本的運用。在模型機的設(shè)計中運用了很多知識，也學(xué)習(xí)了許多設(shè)計技巧。在本次課程設(shè)計過程中，我主要是通過查閱書本及其他資料及瀏覽網(wǎng)頁完成對基本功能部件的功能的了解。在課程設(shè)計中，微控制器的設(shè)計是最為復(fù)雜的一項，在微控