基本模型机的设计-加减法指令的实现

1、基本模型机的设计加减法指令的实现1 设计目的本次课程设计主要是完成简单的加减法指令的实现，通过使用软件HKCPT，了解程序编译、加载的过程。通过微单步、单拍调试，理解模型机中的数据流向。在分析阶段主要完成模型机的整体逻辑框图，并在实验平台上连好线将各个逻辑部件组装成一个完整的模型机；在设计阶段主要是设计出该机的指令系统，并设计出相应的编码方式及时序逻辑；在实验验证阶段，自己按照设计阶段编制的指令系统编写一个程序，在实验平台上观看程序每一步运行的过程。2 设计原理模型机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能，并且编写相应的微程序，简单的模型机都是由算术逻辑单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、

2、累加器、启停、时序单元、总线和存储器单元组成。我们可以先设计模型机的逻辑框图，然后编制相应的指令系统，模型机组装好后就可以输入事先编好的程序检验模型机是否成功。3 设计内容31 逻辑框图设计根据设计的要求，对实验硬件资源进行逻辑组合，便可设计出该模型机整体逻辑框图。简单的模型机都是由算术逻辑单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、累加器、启停、时序单元、总线和存储器单元组成。在模型机中，我们将要实现RAM的读写指令，寄存器的读写指令，跳转指令，ALU的加、减、与、或指令。把通用寄存器作为累加器A，进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。下图给出了本次实验的模型机整机逻辑框图：DR11

3、61*2 PCMDR1CK EDR2PC-OPCCKELPCN S3 S2 S1S0 244244ALU-ODR2 244 244 374 IR2ALU 累加器ACYEDR2 DR2CK RAM 程序ZDRA-O RACK ERA X1 X0ADDRESS BUSWMRM EMCKDATA BUSSBSAWRRR 374 163*2微地址寄存器指令译码 374指令寄存器IR1CK EIR1 374微地址寄存器组 374 374 6264*3微程序寄存器MCK MLD32 系统连线1总线和内存单元BUS RMWMEMCKDJ1DJ2DJ3DJ4DJ5DJ6DJ7AJ1M21M21M22PLS4A

4、LU-INALU-OUTR-INRA-INR-OUTRA-OUTPC-INPC-OUT2微程序控制单元MLDMCKMOCKMD0MD1MD2MD3MD4MD5MD6MD7M23PLS1PLS3VCCVCCI4I5I6I7GNDGND3寄存器单元SASBRRWRRCKX0X1ERARA-ORACKI0I1M15M14PLS4M12M11M10M9PLS44算术逻辑单元EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S0D2CKD1CKCCKZDCYM8M7M6M5M4M3M2M1M0PLS4PLS4PLS4JZJC5指令寄存器EIR1EIR2IR1CKIR2CKIR2-OPC-OELPPCCKJZJ

5、CJS0JS1M20M19PLS4PLS4M18M17M16PLS2ZDCYI2I36启停单元HCKHALTPLS2M1333 指令系统设计本次实验的平台HKZK-CPT内采用的是8位数据总线和8位地址总线方式，在设计指令系统时，应考虑有哪几种类型的指令，那几种寻址方式和编码方式。331 指令类型算术/逻辑运算指令如：加法、减法、取反、逻辑运算等ADD A，Ri，SUB A，Ri 移位操作类指令带进位或不带进位的移位指令RRC A，RR A 数据传送指令CPU内部寄存器之间的数据传送MOV A，Ri，MOV Ri，A 程序跳转指令跳转指令分为无条件跳转指令和有条件跳转指令。可根据寄存器内容为零

6、来标志（ZD）、有无进位来标志（CY）。JMPaddr无条件跳转JZ addrZD=0时跳转JC addrCY=0 时跳转寄存器操作类指令存储器读/写指令。把内存某单元内容写入寄存器中或把寄存器中的内容写入存储器。如：LDA addr（addr）->ASTA addr(A)->addr332 操作数寻址方式及编码1直接地址寻址如：LDAaddr（addr）->ASTAaddr(A)->addr2寄存器直接寻址指令字中含有寄存器选择码，决定选择哪个寄存器进行操作。如：MOVA，Ri（Ri）->A3寄存器间接寻址如：MOVA, Ri4立即数寻址如：MOVA, #dat

7、a MOVRi, #data333 指令系统指令助记符指令功能指令编码微周期微操作取指微指令T0：PC->地址总线->RAMRAM->数据总线->IR1ADD A，R0ADD A，R1ADD A，R2ADD A，R3（A）+（Ri）->A0C0D0E0FT0:T1:T2:T3:A->数据总线->DR1Ri->数据总线->DR2ALU->数据总线->A、置CY取指微指令SUB A,R0SUB A,R1SUB A,R2SUB A,R3(A)-(Ri)->A1C1D1E1FT0:T1:T2:T3:A->数据总线->D

8、R1Ri->数据总线->DR2ALU->数据总线->A、置CY取指微指令MOV A,R0MOV A,R1MOV A,R2MOV A,R3(Ri)->A2C2D2E2FT0:T1:T2:Ri->数据总线->DR2IR2->地址总线->RAM->A取指微指令MOV A,R0MOV A,R1MOV A,R2MOV A,R3(Ri)->A3C3D3E3FT0:T1:Ri->数据总线->A取指微指令MOV R0,AMOV R1,AMOV R2,AMOV R3,A(A)->Ri4C4D4E4FT0:T1A->数据总线

9、->Ri取指微指令MOV A,#dataData->A5FT0:T1RAM->数据总线->A取指微指令MOV R0,#dataMOV R1,#dataMOV R2,#dataMOV R3,#dataData->A6C6D6E6FT0:T1RAM->数据总线->A取指微指令LDA addr(addr)->A7FT0:T1:T2:RAM->数据总线->IR2IR2->地址总线,RAM->A取指微指令STA addr(A)->addr8FT0:T1:T2:RAM->数据总线->IR2IR2->地址总线,A

10、->RAM取指微指令RLC AC、A左移一位9FT0:T1A<<1、置CY取指微指令RRC AC、A右移一位AFT0:T1A>>1、置CY取指微指令JZ addrA=0Addr->PCB3T0:T1条件成立：RAM->PC取指微指令JC addrCy=0Addr->PCB7T0:T1条件成立：RAM->PC取指微指令JMP addrAddr->PCBFT0:T1RAM->PC取指微指令ORL A,#data(A)或data->ACFT0:T1:T2:T3:A->数据总线->DR1RAM->数据总线->

11、;DR2ALU->数据总线->A取指微指令ANL A,#data(A)或data->ADFT0:T1:T2:T3:A->数据总线->DR1RAM->数据总线->DR2ALU->数据总线->A取指微指令HALT停机FFT0:停机34 微程序设计及其实现方法在本次实验平台的硬件设计中，采用24位微指令，若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，那么至多可有24个微操作控制信号，可以由微代码直接实现。如果采用多组编码译码、那么24位微代码可实现2n个互斥的微操作控制信号。由于模型机指令系统规模叫小，功能也不太复杂，所以采用全水平不编码纯控制场的格式

12、。在模型机中，用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地址MD0-MD7，这种方法称为“按操作码散转”（如下表所示）。 微程序首地址形成MD7MD6MD5MD4MD3MD2MD1MD0001716151411 按操作码散转 指令操作码微程序首地址MD7、MD617161514MD1、MD0MD7MD6000001003H000011007H00010100BH00011100FH001001013H001011017H00110101BH00111101FH010001023H010011027H01010102BH01011102FH011001033H011011O37H0111

13、0103BH01111103FH每条指令由不超过4条的微指令组成，那么可根据下表组成每条微程序的首地址。微指令的运行顺序为下地址确定法，即采用计数增量方法，每条微指令执行过后微地址自动加1，指向下一条微指令地址。例如：确定了一条程序的微程序入口地址为07H，那么当执行完07H这条微指令后微地址加1，指向08H微地址。微地址寄存器由2片74LS161组成，当模型机在停止状态下，微地址被清零。当实验平台开始运行时，微地址从00H开始运行。且00H放置一条取值指令，根据程序开始地址从内存中读出第一条指令。00取指微指令010203减法指令微程序（1）04减法指令微程序（2）050607MOV指令微程

14、序（1）08MOV指令微程序（2）09MOV指令微程序（3）0A0B0C0D。35 模型机中的时序安排设计由于模型机已经确定了指令系统，微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，微程序的入口地址采用操作码散转方式，微地址采用计数增量方式，所以可确定模型机中时序单元中所产生的每一拍的作用。在本实验中为了让实验者更好的观察实验的各个中间过程中个寄存器的值，由监控单元产生一个PLS-O的信号来控制时序产生（如图2-9-2）。PLS-O信号经过时序单元的处理产生了4个脉冲信号。4个脉冲信号组成一个微周期，为不同的寄存器提供工作脉冲。这4个脉冲信号分别是：PLS1：微地址寄存器的工作脉冲，用来设置微程序的首

15、地址及微地址加1。PLS2：PC计数器的工作脉冲，根据微指令的控制实现PC计数器加1和重置PC计数器（跳转指令）等功能。PLS3：把24位微指令打入3片微指令锁存器。PLS4：把当前总线上的数据打入微指令选通的寄存器中。36 指令执行流程设计根据模型机整机逻辑框图和目前硬件条件来设计指令系统中每条指令的执行流程。在每个系统中，一条指令从内存取出到执行完毕，需要若干个机器周期，任何指令中都必须有一个机器周期作为“取指令周期”，称为公操作周期。而一条指令共需要几个机器周期取决于指令在机器内实现的复杂程度。对于微程序控制的计算机，在设计指令执行流程时，要保证每条微指令所包含的微操作的必要性和合理性，

16、还应知道总线IAO、IDB、OAB、ODB仅是传输信息的通路，没有寄存信息的功能，而且必须保证总线传输信息时信息的唯一性。以下描述取指微指令执行过程：在模型机处于停机状态时，模型机的微地址寄存器被清零，微指令琐存器输出无效（为高）。在处于停机状态时，脉冲PLS1对微地址寄存器（74LS161）无效，微地址寄存器保持为零。脉冲PLS2对PC计数器无效，同时PLS2把HALT=1打入启停单元中的运行状态寄存器（74LS74）中，把模型机置为运行状态，使微程序锁存器输出有效。PLS3把微程序存储器00H单元（00H单元存放着取指微指令）中的内容打入微指令锁存器中并且输出取指微指令。PLS4把从程序存

17、储器中读出的数据打入指令寄存器中。当模型机处于运行状态时，脉冲PLS1微地址寄存器（74LS161）加1，脉冲PLS2对PC计数器加1，PLS3把微程序存储器中的微指令打入微指令锁存器并且输出。PLS4把当前总线上的数据打入当前微指令所选通的寄存器。4 程序调试源程序、程序的指令代码及相应的微程序如下表：内存地址源程序指令代码微程序00HMOV A，#55H5FH位： 23 22 21 20 19 18 0微指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：1 1 1 1 0 1 101H55H02HMOV R0,#22H6CH位： 23 22 21 20 19 18 0微

18、指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：1 1 0 1 1 1 103H22H04HSUB A,R007H位： 23 22 21 20 19 18 0微指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：1 1 1 1 1 1 105HMOV R1,#11H1CH位： 23 22 21 20 19 18 0微指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：0 1 0 0 1 1 106H11H07HADD A,R104H位： 23 22 21 20 19 18 0微指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：1 1 1 1 1 1 108HMOV R2,#10H1DH位： 23 22 21 20 19 18 0微指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：0 1 0 0 1 1 109H0AHADD A,R205H位： 23 22 21 20 19 18 0微指令：MLD WM RM EIR1 EIR2 IR2-O S0有效值：1 1 1 1 1 1