计算机组成原理课程设计——微程序设计报告书

1、(微程序设计)课程设计指导教师评定成绩表项目分 值优秀(100>x>9 0)良好(90>x>80)中等(80>x>7 0 )及格(70>x>6 0)不及格（x<60）评 分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度认学习态度比较学习态度学习态度尚学习马虎，真，科学作风认真，科学作尚好，遵可，能遵守纪律涣散，严谨，风良好，能按守组织纪组织纪律，工作作风学习严格保证设计期圆满完成任律，基本能按期完成不严谨，不态度15时间并按任务务书规定的任保证设计任务能保证设书中规定的进务时间，按计时间和度开展各项工期完成各进度作项工作设计合理、理设计合

2、理、理设计合理，设计基本合设计不合论分析与计算论分析与计算理论分析理，理论分理，理论正确，实验数正确，实验数与计算基析与计算无分析与计据准确，有很据比较准确，本正确，大错，实验算有原则强的实际动手有较强的实际实验数据数据无大错错误，实水平能力、经济分动手能力、经比较准确，验数据不与实25析能力和计算济分析能力和有T的可靠，实际能机应用能力，计算机应用能实际动手际动手能力文献查阅能力力，文献引用能力，主力差，文强、引用合、调查调研比较要文献引献引用、理、合理、可信用、调查调查调研倜查调研非常调研比较后较大的合理、可信可信问题后重大改进或后较大改进或有T改有f见解观念陈旧创新10独特见解，有新颖的

3、见解，进或新的一定实用价值实用性尚可见解结构严谨，逻结构合理，符结构合理，结构基本合内容空泛，辑性强，层次合逻辑，文章层次较为理，逻辑基结构混乱，清晰，语言准层次分明，语分明，文本清楚，文论文文字表达确，文字流言准确，文字理通顺,字尚通顺，不清，错（计畅，完全符合流畅，符合规基本达到勉强达到规别字较多，算书、50规范化要求，范化要求，书规范化要范化要求；达不到规图纸）书写工整或用写工整或用计求，书写图纸比较上范化要求；撰写计算机打印成算机打印成文比较工整；整图纸/、,质量文；图纸工整、清图纸比较整或小清图纸非常工晰工整、清晰整、晰清晰指导教师评定成绩:指导教师签名:重庆大学本科学生课程设计任务

4、书课程设计题目微程序设计学院计算机学院专业计算机科学与技术年级2006已知参数和设计要求用微程序控制器实现以下指令功能调用:CALL addr;指令功能与80X86相同，addr是8位二进制地址返回:RET;存储器到存储器传送：MOV i , memj; mem(me j), i<>j , i 内存单元地址memm mem带右移的加法运算：学生应襟植早作Rj , NrR-(Ri) + (Rj)>>N , R中内容不变N=0-7根据模型计算机的数据路径以及微程序控制器的工作原理，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，自拟编写包含 以下指令的应

5、用程序。参考实验5.3、6.1 o上机调试并输出正确结果，给出完整的设计报告。目前资料收集情况(含指定参考资料):计算机组成原理实验指导书计算机组成和设计，David A.Patterson编，清华大学出版社，2003年12月计算机组织与结构，William Stallings 编，高等教育出版社，2001年8月计算机组成与系统结构，李亚民编，清华大学出版社，2000年4月课程设计的工作计划：2008-2009第一学年第14周任务下达日期2008年12月8日完成日期 2008年12月8日3（微程序设计）指导教师 (签名)学 生(签名)说明：1、学院、专业、年级均填全称，如:光电工程学院、测控技

6、术、2003。2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。计算机组成原理课程设计报告书一、设计目的:算机。掌握运用计算机原理知识培养实际分析问题，编写程序指原理课程的主要内容。综合运用所学过的计算机原理知识，设计并实现较为完整的计 解决问题和设计指令程序的能力。通过课程设计的综合训练，令和动手能力、团队 协作精神，帮助学生系统掌握计算机组成、设计要求：设计要求：用微程序控制器实现以下指令功能调用：CALL addr ;指令功能与80X86相同，addr是8位二进制地址返回：RET;存储器到存储器传送：MOV memi , memj ; memi (memj),

7、i<>j , memi 内存单元地址带右移的加法运算：ADD Ri,Rj,N; Ri (Ri)+(Rj)>>N, Rj 中内容不变 N=0-7根据模型计算机的数 据路径以及微程序控制器的工作原理，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，自拟编写包含以下指令的应用程序。三、微程序控制器的原理：A.微程序控制的基本思想：1 .若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2 .若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；3 .微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出。B.基本组成：控制存储器，微指令寄存器，微地址寄存器，地址转移逻

8、辑 框图：图1微程序控制器组成原理框图控制存储器（CM）：用来存放实现全部指令系统的微程序，位于CPlo它是一种只 读型存储器，要求速度快，读出周期短微指令寄存器：存放当前由控制存储器 读出的一条微指令信息，分为微地址寄存器 和微命令寄存器两个部分。其中微地址寄存器决定将要访问的下一 条微指令的地址，微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段 和判别测试字段（P）的信息地址转移逻辑：自动完成修改微地址的 任务。微程序控制器：微程序控制器的基本任 务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前 指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完 成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将控制各

9、部件动作 的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样， 用数字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个 微指令序列表示一条机器指令，这种微指令序列称为微程序。微程 序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器，微程序控制器原理 框图如图2所示SE6. . . SE0uIR图2微程序控制器原理框图C.微程序控制计算机的工作过程：下面通过计算机启动、执行程序直到停机的过程，来说明微程序是如何控制计算机工作的：计算机加电以后，首先由复位信号（Reset）将开机后执行的第一条指令的地址送 入PC内，同时将一条“取指"微指令送入微指令寄存器中，并将其他一些有关的 状态位

10、或寄存器置于初始状态。当电压达到稳定值后，自动启动计算机，产 生 节拍电位和工作脉冲。为保证计算机正常工作，电路必须保证开机后第一个机器周期信号的完整性，在该 CPl«期末，产生开机后第一个工作脉冲。然后 计 算机开始执行程序，不断地取出指令、执行指令。程序可以存放在固定存储器中，也可以利用固化在只读存储器 （ROM汨的一小段 引导程序，将要执行的程序和数据从外部设备调入主存。实现各条指令的微程序是存放在微程序控制器中的。当前正在执行的微指令从微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和数据的传送，并进行相应的处理。当遇到停机指令或外来停机命令后，

11、应该待当前这条指令执行完毕后再停机或至少在本机器周期结束时停机。要保证停机后，重新启动计算机能继续工作而且不出现任何错误。四、总体设计（系统构成）：实现一个简单的CPU并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器（ALU、微程序控制器（MC、通用寄存器（R。，指令寄存器（IR）、程序计数器（P。和地址寄存器（AR）组成，如图3所示。这个CPU在写入 相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在 主存当 中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该 CPU的基础上增加 一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图3基本C

12、PU勾成原理图程序计数器PC：程序计数器PC由两片4位可预置二进 制计数器构成8位的计数器。使用“可预置”是因为转移指令需要直接修改PC的值。其电路原理如下图。图3程序计数器PC地址寄存器AR:地址寄存器保存访问存储器时的地址信息，由74LS273实现。其电路原理如下图图4地址寄存器AR指令寄存器IR：指令寄存器IR存放的是正在执行的机器指令，它作为指令译码器电 路的输入，实现程序跳转控制。其电路原理如下图。L8IR(74LS273)ALDIRT48图5指令寄存器IR寄存器堆R0:寄存器R0使用的芯片是74LS374,该芯片是8个三态D-FF。其R0电路原理如下图。R0-BC R0(74LS3

13、74)LDR0T4图6 寄存器R0数据通路如图：(微程序设计)图8数据通路图五、详细设计微程序功能设计：(1)指令设计助记符机器指令码说明ADD0000 0000 * *(data1+data2 )<<1OUT0011 0000R0->OUTMOV0100 0000(addr1)->(addr2)LDI0110 0000 *(data)->R0CALL0111 0000 *调用子程序RET:1000 0000子程序返回ADD是二字小指令，后面两个* *是要进行加法的数据，本指令的功能是数据一加上数据二之后左移一位，结果存在 R0里；OUT1输出；MOV旨令实 现-

14、>R0的是将内存地址一的数据传输到内存地址二，因为它单字节指令，所以微 指令执行 期间 要靠IN单元输入要操作的内存地 址；LDI是双字节指令，把后面的*送到R0里; CALL是调用子程序，也还是双 字节指令，*是要调用子程序的入口地址； RET指 令用在子程序的末尾，帮助子程序正确返回。(2)微指令设计根据机器指令所实现的功能，画出微程序流程图微程序流程图：10（微程序设计）1200ADDOUT3033NOP01PC >ARPC+103M >AR30P<1>MOVLDI3436CALL37RET38PC >ARR0 > IOIN >ARPC &

15、gt;ARPC >ARR0 >ARPC+1PC+1PC+10906111312M >AM >RoM >RoM >AM >PC0A070114PC >ARIN >ARRo >ARPC+10B15.08PC >MM >BRo >M160CA >PCA+B ->AR> o01（微程序设计）2223二二二 1201918-15141211-98-65-0M23M22WRRDI0MS3-S0A字段B字段C字段KA5-MA0a字段b字段c字段111312选和000N0P0C1LDA010LDB011LDR010

16、0保留101保留110保留111LDIR11109选样000N0P001010R0_B01 1保留100保留101保留1I0保留111保留876选择000N0F001P 1>010保留011保密100保留101保留L10保留111保留当全部微程序设计完毕后，将每条微指令代码化，下表即为将微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。二进制微代码表地址十六进制局五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA000000001000000000000000000000000101006D43000000000110110101000011031070700001000001110000

17、0111000030006D490000000001101101010010010910100A0001000000010000000010100A006D4B0000000001101101010010110B10200C0001000000100000000011000C04920D0000010010010010000011010D0392010000001110010010000000013418600600011000011000000000011006103007000100000011000000000111071860080001100001100000000010000820

18、040100100000000001000000000137006D53000000000110110101010011131010140001000000010000000101001400641500000000011001000001010115200C160010000000001100000101101600534100000000010100110100000136006D511000000000M101101101010001111030010001000000110000000000013800641200000000011001000001001012105141000100

19、00010100010100000133280401001010000000010000000001实验准备：按下图连接电路 实验接线图：一 1DB-iL-nQnuDTXT为后缀的文件中联机运行0 口 口 - 一 IRiEZ卬 工 s 11 i 5 JPj七厂:球将微程序和机器程序以指定的格式写入到以 指令格式：微指令格式：$M XX XXXXXXU十六进制微指令代码十六进制地址机器指令格式：一 一-J- 心码根据流程图及指令格式，安排微指令地址的地址编码及微指令编码：；* start of Main Memory Data * /$P 00 40 ;MOV$P 01 60 ;LDI$P O2

20、 F1 ;DATA$P 03 70 ;CALL$P 04 06 ;ADDR$P 05 30 ;0UT$P 06 00 ;ADD$P 07 11 ;DATA$P 0822 ;DATA$P 09 30 ;OUT$P 0A 60 ;LDI$P 0B F1 ;DATA$P 0C 80 ;RET;/* End Of Main Memory Data */;/* Start Of MicroController Data * /$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC 力口 1$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>ADD

21、程序段$M 30 006D49 ;PC->AR PC+1$M 09 10100A ;M->A$M 0A 006D4B ;PC->AR PC+1$M 0B 10200C ;M->B$M 0C 04920D ;A+B->A$M 0D 039201 ;A<<1->R0;MOV程序段$M 34 186006 ;IN->AR$M 06 103007 ;MEM->R0$M 07 186008 ;IN->AR$M 08 200401 ;R0->MEM;CALL程序段$M 37 006D53 ;PC->AR PC+1$M 13 10

22、1014 ;MEM->A$M 14 006415 ;R0->AR$M 15 200C16 ;PC->MEM$M 16 005341 ;A->PC;LDI程序段$M 36 006D05 ;PC->AR,PC+1$M 11 103001 ;MEM->R0;RET程序段$M 38 006412 ;R0->AR$M 12 105141 ;MEM->PC；OUT指令$M 33 280401 ;R0->IO;/* End Of Microcontroller Data *联机：选择联机软件的“【转储】一【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的

23、文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。选择联机软件的“【转储】一【刷新指令区】"可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的微存'TAB按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入 6位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示 写入的数据。六、测试:运行：将时序与操作台单元的开关KK1和KK3置为运行档，进入软件界面，选择菜单命“【实验】一【简单模型机】"，打开简单模型机数据

24、通路图。按动CON单元的总消按钮CLR然后通过软件运行程序，选 择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序。观察微程序每一步的实现，在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程对应微指令：$M 34 186006 ;IN->AR （ MOV 中）对应微指令：$M 06103007 ;MEM->R0 （MOV 中）对应微指令：$M 11 103001 ;MEM->R0 （LDI 中）对应微指令：$M 13 101014 ;MEM->A （CALL 中）对应微指令：$M 14 006415 ;R0->AR （CALL 中）对应微指令：$M 16 005341 ;A-

25、>PC （CALL 中）对应微指令：$M 0B 10200c ;M->B （ADD 中）对应微指令：$M 0D 039201 ;A<<1->R0 （ADD 中）地址总线.被但总蛆的贮上r对应微指令：$M 33 280401 ;R0->IO （OUT 中）对应微指令：$M 38 006412 ;R0->AR ( RET 中)实验结果：实验结果完全符合当初的设计，各个微指令都实现了预先设计的目标，机器 程序 的测试也达到预期的效果。七、设计中出现 的问题和解决方法(一)出现问题：(a)在设计CALL指令时，需要把当前指令 的位置压栈，等到子程序调用 RET 指令时再将之弹出栈，方可返回对应的主程序。但设计指令时并未设计PUSH POP旨令，因此保存当前指令成为一个难题。(b)在设计MOV旨令时，内存之间是不可以直接传送数据。(2)对应的解决方法：(a)为解决此问题，设计时就多加了 一条LDI (立即数送寄存器)指令，目的 是使得我们自己可以指定一个内存地址，存放我们当前的指令地址。这样