微程序设计 组成原理课程设计报告.doc

目录错误!未找到引用源。成绩评定表1.2错误!未找到引用源。成绩评定表2.3错误!未找到引用源。课程设计任务书.4一、摘要.5二、微程序控制器原理.5三、总体设计（系统构成）.6四、详细设计.7五、测试.13六、设计中出现的问题和解决方法.17七、结论.18八、参考文献.18九、个人总结.18本科学生课程设计任务书课程设计题目微程序设计学院计算机学院专业网络工程年级2008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:CALLaddr；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:MOVmemi,memj；memi(memj),i<>j，memi内存单元地址带右移的加法运算:ADDRi,Rj,N；Ri(Ri)+(Rj)>>N，Rj中内容不变N=0-7学生应完成的工作: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。参考实验5.3、6.1。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,DavidA.Patterson编,清华大学出版社,2003年12月计算机组织与结构,WilliamStallings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:序号课程设计工作进度起止日期1课程设计任务书下发2010.12.62文献查阅和资料准备2010.12.6-2010.12.203课程设计编码的设计与测试2011.1.4-2011.1.54撰写设计报告和设计验收2011.1.6-2011.1.9任务下达日期2010年12月6日完成日期2011年1月9日指导教师(签名)学生(签名)一.摘要利用CPU与简单模型机设计实验中所学到的实验原理以及编程思想，硬件设备，自拟编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能。分析了本次课程设计需要实现得指令，并结合前几次实验所学知识，我们选择了简单模型机来完成此次设计。本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能。在本设计中完成了基本的数据输入输出（IN,OUT），带左移的加法运算(ADDRi,Rj,N；Ri（Ri）+（Rj）<<N，Rj中内容不变)，存储器到存储器的传送(MOVmemi,memj)以及CALL与RET指令的实现。整个过程可分为分析功能，设计程序流程图，编写微指令，编写微程序，联机输入调试几部分。关键词：微程序控制器原理设计流程图微指令编码编写微程序二、微程序控制器原理2.1设计要求用微程序控制器实现以下指令功能，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。参考实验5.3、6.1，在此基础上增加如下指令调用：CALLaddr；指令功能与80X86相同，addr是8位二进制地址返回：RET；返回存储器到存储器传送：MOVmemi,memj；memi(memj),i<>j，memi内存单元地址带左移的加法运算：ADDRi,Rj,N；Ri（Ri）+（Rj）<<N，Rj中内容不变2.2微程序设计的基本思想将微操作用微指令表示，固化在存储单元，编制对机器指令进行取指、译码和执行的微指令序列（微程序），执行该微程序，完成该机器指令的执行。其基本结构如下：图12.3设计原理及设计思想要实现以上指令功能，结合所学知识，我们选择简单模型机来实现。本设计的核心是一个简单的cpu,cpu由运算器（ALU），微程序控制器（MC），通用寄存器（R0）,指令寄存器（IR）,程序计数器(PC)和地址寄存器(AR)组成。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。其基本组成如下图所示：图2系统的程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD芯片中。CLR连接至CON单元的总清端CLR，按下CLR按钮，将使PC清零，LDPC和T3相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD为低时，计数时钟到来后将CPU内总线上的数据打入PC。此次设计，本机模型共实现七条指令：IN(输入)，OUT(输出)，ADDR(带左移的加法)，CALL(调用)，RET(返回)，MOVmem1,mem2(移动)，HLT(停机)。三、总体设计（系统构成）分析理解完设计要求过后，利用cpu的运算器（ALU），微程序控制器（MC），通用寄存器（R0）,指令寄存器（IR）,程序计数器(PC)和地址寄存器(AR)等各个功能部件，完成以下步骤，实现微程序设计。错误!未找到引用源。.通过分析cpu各个功能部件之间的关系，根据所选模型机，连接电路。错误!未找到引用源。.根据数据通路，写出每条指令的执行过程，画出微程序流程图。错误!未找到引用源。.根据微程序流程图，参照A,B,C字段的含义，设计微指令。错误!未找到引用源。.编写机器指令微代码和微指令程序。错误!未找到引用源。.通过联机操作方式，输入程序并测试。四、详细设计4.1步骤一:选择并连接电路因为选择的是简单模型机，则参照以下简单模型机电路图连接电路：连线完成后，仔细检查是否有错连，漏连以及反连的情况，确认无误后，打开电源，听是否有“滴滴”的报警声，若没有，则连线完成。4.2步骤二:根据需要设计的指令，画出微程序流程图分析指令，根据计算机的工作过程，结合取址阶段，执行阶段cpu的各个工作，设计出以下微程序流程图：图34.3步骤三：根据微程序流程图，参照A,B,C字段的含义，设计微指令利用程序计数器作为每一个小节程序段的开始，当拟定“取指”指令后，利用P<1>字段进行判别测试各个指令的程序入口。微指令格式及A,B,C字段含义如下：0B30A<<1R0A+BR0R0RR0BR0ANOPPCARPC+1PCR0OUTBPCINARINARPCB#MEMR0MEMPCR0MEMINR0NOPPCARPC+1PCMEMIRP<1>01010101010101ADDINOUTHLTMOVCALLRET0001033030040506073233353A08090A3E3C图4其中MA5MA0为6位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。C字段中的P<1>为测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现完成对指令的识别，并实现微程序的分支，S3-S0的具体功能如下图：根据以上指令格式以及程序流程图的设计，将每条指令微代码化，结果如下：地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D430000000001101011010000110310707000010000011100000111000030001404000000000001010000000100040024050000000000100100000001010504B206000000001010001000000110060014070000010000010100000001110703B2010000000010100010000000013218300100011011001100000000000133280401001010000000010000000001350000350000000000000000001101013A186008000110000110000000001000081030190001000000110000000010010918600A0001100001100000000010100A2004010010000000000100000000013E006D4B0000000001101101010010110B002C0C0000000000101100000011000C1051410000000001010001010000013C00D341001100001101001101000001将其化为十六进制微程序如下：$M00000001；NOP$M01006D43；PC->AR,PC+1$M03107070；MEM->IR,P<1>；/带左移的加法/$M30001404；R0->A$M04002405；R0->B$M0504B206；A+B->R0$M06001407；R0->A$M0703B201；A<<1->R0；/IN/$M32183001；IN->R0；/OUT/$M33280401；R0->OUT；/HLT停机/$M35000035；NOP；/MOV/$M3A186008；IN->AR$M08103009；MEM->R0$M0918600A；IN->AR$M0A200401；R0->MEM；/CALL/$M3E006D4B；PC->AR,PC+1$M0B002C0C；PC->B$M0C105141；MEN->PC；/RET/$M3C00D341；B->PC4.4步骤四：编写机器指令微代码和微指令程序机器指令和微指令格式说明如下：IN:完成需要相加的两个数据i,j的输入，并分别存入A,B中。OUT：完成程序运行结果的输出，显示在相应的OUT单元ADDR：完成带左移的加法MOV：完成存储器到存储器的传送，先送出MEM中的地址到R0，继而改变MEM地址，再将R0的地址送回MEM，以达到存储器到存储器的传送要求。CALL：实现程序的调用，完成指令间的跳转。