计算机组成原理课程设计设计一个微程序控制器

1、第一章 设计概述1.1课程设计的目的 本课程设计的教学目是在掌握计算机系统的组成及内部工作机制,理解计算机各功能部件工作原理的基础上,深入掌握数据信息流和控制信息流的流动过程,进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念,培养开发和调试计算机的技能,在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。1.2设计任务和基本要求 本课程设计以TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。1. 按给定的数据格式和指令系统,设计一个微程序控制器。2. 设计给定机器指令系统以及微程序流程图,按微指令格式写出微程序的为指令代码。3. 连接逻辑电路完成启动,测试,编程,测试,效验和

2、运行,并观测运行过程及结果。4. 将微程序控制器模块与运算器模块,存储器模块联机,组成一台模型计算机。5. 用微程序控制器控制模型机的数据通路。6. 通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序,掌握机器指令与微指令的关系,建立计算机整机的概念,掌握计算机的控制机制。7. 按指定的应用项目进行汇编指令格式及功能设计,并设计相应的机器指令代码,按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序.在PC机上编辑机器指令和微程序,装载代码到TDN-CM+实验系统并运行,实现应用要求。第二章 规定项目的验证实现2.1规定项目任务和要求：任务：从输入设备输入一个数与内存中地址为0AH存放的数字1相加结果送地址

3、为0BH单元中。并能从内存中取出到外围设备显示之。 要求：通过此验证实验来学会数据通路电路图的连接、机器指令的设计、微指令设计中相关字段的作用、微程序流程图的设计以及能熟练掌握用微程序控制数据通路来实现机器指令的功能，为以后的实验设计做好准备。 2.2规定项目实现原理：（1）在本设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。计算机从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。（2）本设计采用五条机器指令：IN、ADD、STA、OUT、JMP；其相应的机器指令和汇编程序如下： 地址(二进制) 内容(二进制) 助记符 注释 0000

4、 0000 0000 0000 IN R0； “input”> R00000 0001 0001 0000 ADD 0AH, R0 R0 +0AH> R00000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0 , 0BH R0>0BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH ； 0BH-àLED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H-àPC0000 1000 0000 00000000 100100

5、00 1010 0000 00010000 10112.3规定项目实现过程：（1）连接线路：按图1链接实验线路。最后保证实验中的各个原件及数据线路如图2所示。图1 接 线 图图2 数据通路框图 （2）读懂项目给出的程序按照规定格式，机器指令及微指令二进制代码表已编辑成十六进制文件。本项目的程序如下：程序 机器指令格式说明$P0000 $P060D $PXX XX$P0110 $P0740 机器指令代码$P020A $P0800 $P0320 $P0A01 十六进制地址$P0530微程序 微指令格式说明：$M00018110 $M06959A01 $MXX XXX XXX$M0101ED82 $

6、M0700E00D 微指令代码$M0200C048 $M08001001$M0300E004 $M0901ED83 十进制地址$M0400B005 $M0A01ED87$M0501A206 $M0B01ED8E$M0C01ED96 $M1200A017$M0D028201 $M13018001$M0E00E00F $M14002018$M0F00A015 $M15070A01$M1001ED92 $M1600D181$M1101ED94 $M17070A10$M18068A11（3） 联机运行验证： 三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如表1：表1 SWB SWA 控制台

7、指令 0 0 读内存(KRD ) 0 1 写内存(KRD ) 0 1 启动程序(RP)联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，调整控制台，使SWA=1，SWB=0，即启动程序。接着选择(运行)(通路图)(复杂模型机)功能菜单打开相应的动态数据通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。在验证过程中，首先采用但不运行，仔细看每一条机器指令的执行过程，明白其每一步对应的微指令，为下一步完成项目的设计实现打下基础。2.4验证结果：从输入设备输入的数字4，联机运行，得到的输出结果是5，与理论计算结果一致。说明微程序控制实现了机器指令的功能。第三章：指定应用项目的设计实现3.1 指定

8、项目任务和要求： 将以K为地址的内存单元的内容X与以N为间接地址的内存单元的内容Y，执行（X+Y）减6的运算，结果送R03.2 项目任务分析及解决方案： 在机器指令中设置N=0AH在内存地址0AH中存放0CH，而内存0CH中存放Y的值即4，内存地址0BH中存放X的值7. 运算时，通过微程序控制从内存中通过间接寻址取出Y的值送往R0，从内存中直接寻址取出X的值7，进行或地运算结果放R0。执行减法运算时，把R0的值送往中3.3 实现原理：（1）机器汇编指令设计：本设计采用8条机器指令：IN、STA、MOV、NOT、EOR 、STO、OUT、HLT；其相应的机器指令和汇编程序如下：（其中表示间接寻址

9、，表示直接寻址）地址(二进制) 内容(二进制) 助记符 注释 0000 0000 0000 0000 IN R0； “X=input”> R00000 0001 0001 0000 STA R0 , 11 ; X= R0> 110000 0010 0000 0001 0000 0011 0010 0000 MOV 10, R0 ; Y=10 >R0 0000 0100 0001 0000 0000 0101 0011 0000 NOT R0 ； Y> R00000 0110 0100 0000 EOR 11, R0 ； XY > R0 0000 0111 0001

10、 0001 0000 1000 0011 0000 NOT R0 ； XY > R0 0000 1001 0111 0000 STO R0 , 13; R0 >13 0000 1010 0001 0011 0000 1011 0101 0000 OUT 13 130000 1100 0001 0011Y=04X=05K=11N=1311=1717=X0000 1101 0110 0000 HLT0001 0000 0000 0100 0001 0001 0001 0111 0001 0010 0000 00000001 0011 0000 00000001 0111 0000 00

11、00（2）微程序设计：为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，设计如图4的三个控制台操作微程序。其功能说明见表1。按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如图4所示。当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作为测试条件，出现8路分支，占用8个固定的微地址单元。 控制台 00 20 P(4) KWE(01) KRD(00) RP(11) PCARPC + 1PCARPC + 1 21 20 23 24 22 01RAMBU

12、SBUS DR1SW>BUSBUS>DR1DR1>LED 30 27DR1>RAM图4微程序控制台（3）微指令代码设计：微指令格式如表1所示。当微指令格式确定以后，下一步就是确定后续微指令地址。通常的方法是先确定微程序分支处的微地址，因为微程序分支处需要进行判断测试。这些微地址确定以后，就可以在一个“微地址表”中将分支微指令填入相应得分支地址单元，避免以后的设计中因重复使用而造成错误。对于其它位置就可以按一条微指令对应一个微地址随意填写。表2 微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA

13、9A8ABCA5A4A3A2A1A0A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RSB001P(1)010LDDR1010RDB010P(2)011LDDR2011RIB011P(3)100LDIR100299B100P(4)101LOAD101ALUB101AR110LDAR110PCB110LDPC当全部微指令设计完毕后，应将每条微指令代码化，表3即为将图3微程序流程图按微指令格式转化而得到的“二进制代码表”。表3 二进制微代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCA5A00 00000000110000001

14、000100000 10000000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001110 4000000101000 0010000000010 5000000001110 0000000001100 60000000010010000000000010 70000000011100000000001001 00000000000010000000000011 10000000111101101100001101 20000000111101101100001011 300000001101000100

15、00111111 40000000111101101100101011 50000000111101101100111001 6 0000000110000000000011101 70000000111101101101000002 000000001111011011001001021 0000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000001101000110000001

16、2700000111000010100001000030000001101000101000010001310000000010110000000110003200000001101000100001101133011010011001101000000001340000000011100000000110013500000000101000000001111036000001110000101000000001370000100110011010000000014000000000111000000010000141000000101000001000000001指令寄存器(IR)用来保存当

17、前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令寄存器”(实验板上标有“INS DECODE”的芯片)根据指令中的操作码译码结果强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应得微程序首地址。本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE);另一种是数码管，它作为输出设备(OUPUT DEVICE)。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状

18、态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出的数据送到数据总线BUS上，当写信号(W/R)有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码管显示。3.4 指定项目的实现过程：（1）按图1连接实验电路（2）联机写程序：按照规定格式，将机器指令及微指令二进制代码表(如表4)编辑成十六进制的.txt文件。机器代码：程序$P0000$P0110$P0211$P0320$P0410$P0530$P0640$P0711$P0830$P0970$P0A13$P0B50$P0C13$P0D60$P1004$P1117$P1300$P1700微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E00

19、7$M04028201$M0500E006$M06009001$M0700E004$M08001001$M0901ED83$M0A01ED85$M0B01A21F$M0C01ED95$M0D01ED9C$M0E00000E$M0F01EDA0$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M1500E016$M1600E019$M17070A10$M18068A11$M1900B01A$M1A01A21B$M1B699A01$M1C00E01D$M1D00A01E$M1E070A01$M1F099A01$M2000E021$M21028201（3）联机运行： 联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，选择(运行)(通路图)(复杂模型机)功能菜单打开相应的动态数据通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。3.5 实现结果：理论计算：Y=04，取反之后其值为