微程序控制器实验报告

1、 一、实验目的1、通过实验,进一步理解微程序控制器的组成结构。理解微程序控制器的控制原理2、加深理解微程序控制器的工作原理。掌握指令流程与功能3、理解掌握微程序控制器的设计思路与方法二、实验内容与步骤 1、微程序控制器的组成原理 控制存储器：实现整个指令系统的所有微程序，一般指令系统是规定的由高速半导体存储器构成，容量视机器指令系统而定，取决于微程序的个数，其长度就是微指令字的长度。 微指令寄存器：存放从控存读出的当前微指令。微操作控制字段将操作控制信号送到控制信号线上，微地址字段指出下一条微地址的形成。 微地址寄存器：存放将要访问的下一条微指令地址 地址转移逻辑：形成将要执行的微指令地址，形

2、成方式：取指令公操作所对应的微程序一般从控存的0地址开始，所以微程序的人口地址0是由硬件控制的。当出现分支时，通过判别测试字段、微地址字段、和执行部件的反馈信息形成后即微地址。Cpu设计步骤：1. 拟定指令系统2. 确定总体结构（数据通路）3. 安排时序4. 拟定指令流程。根据指令系统，写出对应所有机器指令的全部微操作机器节拍安排，然后列出操作时间表5. 确定微指令的控制方式、下地址形成方式、微指令格式及微指令字长，编写全部的微指令的代码，最后将编写的微指令放入控制存储器中。微程序控制器的设计步骤（1）设计微程序 确定微程序流程图，也就是控制算法流程图。（2）确定微指令格式微指令格式中的操作控

3、制字段取决于执行部件的子系统需要多少微指令。假定采用直接控制方式，执行部件需要10个微命令，则操作控制字段需要10位。 测试判别字段取决于微程序流程图中有多少处分支转移。假定有3处分支，则测试判别字段需要3位。下址字段取决于微程序流程图的规模。假定微程序共用50条微指令，则下址字段至少需要6位。这是因为ROM地址译码时，26=64，6位地址可容纳64条微指令。（3）将微程序编译成二进制代码（4）微程序写入控制存储器（5）设计硬件电路 三、实验现象-CPU 头文件 cpu_defs LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;PACKAGE cpu_defs

4、 IS -定义程序包，包头，包体TYPE opcode IS (load, store, add, sub, bne);-这个语句适合于定义一些用std_logic 等不方便定义的类型，综合器自动实现枚举类型元素的编码，一般将第一个枚举量（最左边）编码为0CONSTANT word_w: NATURAL :=8;CONSTANT op_w: NATURAL :=3;CONSTANT rfill: STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1 downto 0):=(others =0);-FUNCTIOn slv2op(slv:IN STD_LOGIC_VECTOR) RETURN opco

5、de;FUNCTION op2slv(op:in opcode) RETURN STD_LOGIC_VECTOR;END PACKAGE cpu_defs;PACKAGE BODY cpu_defs ISTYPE optable IS ARRAY(opcode) OF STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1 DOWNTO 0);-数组有5个元素，其他均0CONSTANT trans_table:optable :=(000, 001, 010, 011, 100);FUNCTION op2slv(op:IN opcode) RETURN STD_LOGIC_VECTOR ISBEGIN

6、RETURN trans_table(op);END FUNCTION op2slv;END PACKAGE BODY cpu_defs;-实验 7-8 微程序控制器实验 LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL,IEEE.NUMERIC_STD.ALL;USE WORK.CPU_DEFS.ALL;-使用自己定义的程序包ENTITY CPU ISPORT( clock : IN STD_LOGIC;-时钟 reset : IN STD_LOGIC;-复位 mode : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -查看用 mem_a

7、ddr : INUNSIGNED(word_w-op_w-1 DOWNTO 0);-地址 output : OUT STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0); data_r_out : OUT STD_LOGIC_VECTOR(19 DOWNTO 0);-微指令Rop_out : OUT STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1 DOWNTO 0);-操作码add_r_out : OUT UNSIGNED(4 DOWNTO 0) -微地址R ); END ENTITY;ARCHITECTURE rtl OF CPU ISTYPE mem_array IS A

8、RRAY (0 TO 2*(word_w-op_w)-1) OF STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0);-定义RAMSIGNAL mem : mem_array;CONSTANT prog : mem_array:=(0= op2slv(load) & STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(4,word_w-op_w),1= op2slv(add) & STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(5,word_w-op_w),2= op2slv(store) & STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(6,w

9、ord_w-op_w),3= op2slv(bne) & STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(7,word_w-op_w),-TO_UNSIGNED转换函数将4转换为5位“00100”4= STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(2,word_w),5= STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(3,word_w),OTHERS = (OTHERS =0);TYPE microcode_array IS ARRAY (0 TO 14) OF STD_LOGIC_VECTOR(19 DOWNTO 0);CONSTANT code : mic

10、rocode_array:=(-控制存储器0= ,1= ,2= ,3= ,4= ,5= ,6= ,7= ,8= ,9= ,10= ,11= ,12= , 13= , 14= );SIGNAL count : UNSIGNED(word_w-op_w-1 DOWNTO 0);SIGNAL op : STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1 DOWNTO 0);SIGNAL z_flag : STD_LOGIC; SIGNAL mdr_out : STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0); SIGNAL mar_out : UNSIGNED(word_w-op_

11、w-1 DOWNTO 0); SIGNAL IR_out : STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0); SIGNAL acc_out : UNSIGNED(word_w-1 DOWNTO 0); SIGNAL sysbus_out : STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0); EGINPROCESS(reset,clock)VARIABLE instr_reg : STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0);VARIABLE acc : UNSIGNED(word_w-1 DOWNTO 0);CONST

12、ANT zero : UNSIGNED(word_w-1 DOWNTO 0):=(OTHERS =0)VARIABLE mdr : STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0);VARIABLE mar : UNSIGNED(word_w-op_w-1 DOWNTO 0);VARIABLE sysbus : STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1 DOWNTO 0);VARIABLE microcode : microcode_array;VARIABLE add_r : UNSIGNED(4 DOWNTO 0); VARIABLE data_r : ST

13、D_LOGIC_VECTOR(19 DOWNTO 0);VARIABLE temp : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGINIF reset=0 THENadd_r:=(OTHERS =0); count 0);instr_reg := (OTHERS =0);acc := (OTHERS =0);mdr := (OTHERS =0);mar := (OTHERS =0);z_flag =0;mem 0);ELSIF RISING_EDGE(clock) THEN-microprogram controllerdata_r := code(TO_INTEGER(

14、add_r);IF data_r(4 DOWNTO 0)=01111 THEN -判断下地址 temp:=01 & op(2 DOWNTO 0);add_r := UNSIGNED(temp);ELSIF data_r(4 DOWNTO 0)=10000 THENIF z_flag=1 THENadd_r:=01110;ELSEadd_r :=01101;END IF;ELSEadd_r := UNSIGNED(data_r(4 DOWNTO 0);END IF;data_r_out =data_r;add_r_out = add_r;-PCIF data_r(16)=1 THEN -PC_b

15、us=1sysbus := rfill & STD_LOGIC_VECTOR(count);END IF;IF data_r(19)=1 THEN -load_PC=1count = UNSIGNED(mdr(word_w-op_w-1 DOWNTO 0);ELSIF data_r(10)=1 THEN -INC_PC=1count = count+1;ELSE count = count;END IF;-IRIF data_r(15)=1 THEN -load_IRinstr_reg := mdr;END IF;IF data_r(9)=1 THEN -Addr_bus=1sysbus :=

16、 rfill & instr_reg(word_w-op_w-1 DOWNTO 0);END IF;op = instr_reg(word_w-1 DOWNTO word_w-op_w);IR_out = instr_reg;op_out =op;-ALUIF data_r(17)=1 THEN -load_ACC=1acc:=UNSIGNED(mdr);END IF;IF data_r(11)=1 THEN -ALU_ACC=1IF data_r(6)=1 THEN -ALU_add=1acc := acc + UNSIGNED(mdr);ELSIF data_r(5)=1 THEN -AL

17、U_sub=1 acc := acc - UNSIGNED(mdr);END IF;END IF;IF data_r(18)=1 THEN -ACC_bus=1sysbus := STD_LOGIC_VECTOR(acc);END IF;IF acc=zero THENz_flag =1;ELSEz_flag =0;END IF;acc_out= acc;-RAMIF data_r(14)=1 THEN -load_MAR=1mar := UNSIGNED(sysbus(word_w-op_w-1 DOWNTO 0);ELSIF data_r(12)=1 THEN -load_MDR=1mdr

18、 := sysbus;ELSIF data_r(8)=1 THEN -CS=1IF data_r(7)=1 THEN -R_NW=1mdr := mem(TO_INTEGER(mar);ELSEmem(TO_INTEGER(mar)=mdr;END IF;END IF;IF data_r(13)=1 THEN -MDR_bus=1sysbus:=mdr;END IF;mdr_out = mdr;mar_out = mar;END IF;sysbus_out sysbus -mode=1 - PC-mode=2 - result of ALU-mode=3 - IR-mode=4 - MAR-m