组成原理：采用微程序控制器的模型机CPU设计

.z.-----总结资料课程设计报告课程名称：计算机组成原理设计题目：采用微程序控制器的模型机CPU设计院系：班级：设计者：学号：指导教师：目录课程设计〔大作业〕报告1**学院课程设计〔大作业〕任务书2一、课题分析5二、总体设计5〔1〕实验模型机构造5实验模型机构造6[1]运算器单元〔ALUUINT〕6[2]存放器堆单元〔REGUNIT〕6[3]指令存放器单元〔INSUNIT〕6[4]时序电路单元〔STATEUNIT〕6[5]微控器电路单元〔MICRO－CONTROLLERUNIT〕6[6]逻辑译码单元〔LOGUNIT〕6[7]主存储器单元〔MAINMEM〕6[8]输入输出单元〔INPUT/OUTPUTDEVICE〕6〔2〕机器指令的构造和功能7[1]算术逻辑指令7[2]访存指令及转移指令8[3]I/O指令8[4]停机指令8(3)指令系统8[1]本模型机共有16条根本指令。8[2]微指令格式9三、分步设计11我们小组共有三位成员，分工分别为：按图连接实验线路，写程序，运行程序。下面为运行程序的具体步骤。11运行程序11四、设计成果〔重点〕11五、存在问题及改良建议12六、实验器材12七、参考文献及相关网址12课程设计〔大作业〕报告〔注：针对设计题目1〕课题分析微程序控制器由控制存储器、微地址存放器、微命令存放器和地址转移逻辑几局部组成。微地址存放器和微命令存放器两者的总长度即为一条微指令的长度，二者合在一起称为微指令存放器。经过我们小组成员讨论，设计顺序大致如下：首先画出了程序的流程，然后写出了汇编程序，并且写出了机器指令，其次我们完成了总体的流程图，然后根据流程图写出了微指令以及微指令代码，将机器指令代码与微指令代码写成了一个t*t文档用机器录入，运行程序，对照程序上面显示的图与我们画的流程图进展对照，检查来判断这次试验的成功与否。总体设计〔1〕实验模型机构造[1]运算器单元〔ALUUINT〕运算器单元由以下局部构成：两片74LS181构成了并－串型8位ALU；两个8位存放器DR1和DR2为暂存工作存放器，保存参数或中间运算结果。ALU的S0～S3为运算控制端，为最低进位输入，M为状态控制端。ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由ALU-B控制该三态门。[2]存放器堆单元〔REGUNIT〕该局部由3片8位存放器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算构造等。三个存放器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和RS-B根据机器指令进展选通。[3]指令存放器单元〔INSUNIT〕指令存放器单元中指令存放器〔IR〕构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。[4]时序电路单元〔STATEUNIT〕用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。[5]微控器电路单元〔MICRO－CONTROLLERUNIT〕微控器主要用来完成承受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进展解释或执行的工作。由输入的W/R信号控制微代码的输出锁存。由程序计数器〔PC〕和地址存放器〔AR〕实现程序的取指功能。[6]逻辑译码单元〔LOGUNIT〕用来根据机器指令及相应微代码进展译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，及工作存放器R0、R1、R2的选通译码。[7]主存储器单元〔MAINMEM〕用于存储实验中的机器指令。[8]输入输出单元〔INPUT/OUTPUTDEVICE〕输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。*该CPU数据构造通路框图如下：〔2〕机器指令的构造和功能部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次课设是在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通 路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行完毕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。模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I／O指令、存储器及转移指令和停机指令。[1]算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用存放器直接寻址，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODERsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源存放器，Rd为目的存放器，并规定：选中的存放器〔Rs或Rd〕R0R1R2存放器的编码000110[2]访存指令及转移指令模型机设计2条指令，即存数(STA)、取数(LDA)、2条转移指令，即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)。其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0D7····D0OP-CODEMOP-CODERdD其中，OP-CODE为操作码，Rd为目的存放器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：寻址方式有效地址说明00E=D直接寻址01E=〔D〕间接寻址10E=〔RI〕+DRI变址寻址11E=〔PC〕+D相对寻址本模型机规定变址存放器RI指定为存放器R2。[3]I/O指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP-CODEaddrRd其中，addr=01时，表示选中"输入单元〞中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中"输出单元〞中的数码管作为输出设备。[4]停机指令这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D001100000(3)指令系统[1]本模型机共有16条根本指令。其中，算术逻辑指令9条，内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1复杂模型机指令系统序号汇编符号指令格式功能说明1CLRRd011100Rd0→Rd2MOVRS,Rd1000RSRdRS→Rd3ADCRS,Rd1001RSRdRS＋Rd＋Cy→Rd4SBCRS,Rd1010RSRdRS－Rd－Cy→Rd5INCRd1011--RdRd＋1→Rd6ANDRS,Rd1100RSRdRS∧Rd→Rd7Rd110100RdRd→Rd8RRCRS,Rd1110RSRdRS带进位右循环一位，RS→Rd9RLCRS,Rd1111RSRdRS带进位左循环一位，RS→Rd10LDAM,D,Rd00M00Rd，DE→Rd11STAM,D,Rd00M01Rd，DRd→E12JMPM,D00M1000，DE→PC13BZCM,D00M1100，D当CY=1或ZI=1时，E→PC14INaddr,Rd010001Rdaddr→Rd15OUTaddr,Rd010110RdRd→addr16HALT01100000停机[2]微指令格式表2复杂模型机微指令构造图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5~uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的P1~P4是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进展译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。具体来说，P1测试用于"取指令〞微指令，它用下址低四位〔uA3~uA0〕与指令存放器高四位〔IR7~IR4〕相或得到各路分支；P2测试用下址低2位〔uA1~uA0〕与指令存放器的IR3IR2相或得到各路分支；P3测试用于条件转移，它用下址的uA4与(ZI+CY)相或得到各路分支；P4测试用于控制台操作，它用下址低2位〔uA1~uA0〕与SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到的位均直接保存。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源存放器选通信号，目的存放器选通信号及变址存放器选通信号，其功能是根据机器指令来进展三个工作存放器R0、R1及R2的选通译码。三字段中的其他位类似与此，均是*芯片的选通信号，它们的功能都是根据机器指令来进展相应芯片的选通译码。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，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作〔READ〕：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为"00〞时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作〔WRITE〕：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为"01〞时，按START微动开关，可对RAM进展连续手动写入。启动程序：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为"11〞时，按START微动开关，即可转入到第01号"取址〞微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台指令001011读内存写内存启动程序分步设计我们小组共有三位成员，分工分别为：按图连接实验线路，写程序，运行程序。下面为运行程序的具体步骤。运行程序①.单步运行程序A使编程开关处于〞RUN’的状态,STEP为〞STEP〞状态,STOP为〞RUN〞状态’B拨动总清处于CLR(0_1),微地址清零,程序计数器清零,程序首址为00H..C单步运行一条微指令,每按动一次START键,即单步运行一条指令,对照微程序流程图,观察微地址显示是否和流程一致.D当运行完毕后.可检查存数单元中的结果是否和理论植一致.②.连续运行程序A使〞STARTUNIT〞中的STEP开关置为〞ECE*〞状态.STOP开关置为〞RUN〞状态.B拨动CLR开关,清微地址及程序计数器,然后按动START,系统连续运行程序,稍后将〞STOP〞拨至〞STOP〞时,系统停机.C停机后,可检查存数单元结果是否正确.③.假设联机运行程序时,进入DE