计算机组成原理实验 2.9 硬布线控制器.ppt

计算机组成原理实验系列 一 总线与寄存器二 进位加法器三 比较器 仲裁器 四 计数器五 运算器六 存储器七 时序发生器八 微程序控制器九 硬布线控制器 赖晓铮博士华南理工大学laixz QQ 68046508 九 硬布线控制器实验 实验内容 分别设计单周期和多周期硬布线版本的CPU 并比较两者 状态机 的差异 两个版本的CPU在功能上完全兼容微程序版本CPU 数据通路相同 指令集相同 仅用硬布线逻辑取代微程序控制器 产生时序各阶段所需的微操作信号 实验目的 掌握硬布线控制器的组成原理及设计方法 理解单周期和多周期硬布线控制器的 状态机 模型 了解两者间的差异 单周期硬布线控制器版本的CPU 多周期硬布线控制器版本的CPU CPU的指令格式 NOP 空指令 不执行任何操作 HLT 断点 硬件停机 JMP1 间接寻址 addr1 addr2 addr2 PC JMP2 直接寻址 addr1 PC 二次间址 addr1 addr2 addr2 addr3 addr3 PC JMP3 单周期硬布线控制器状态机 多周期硬布线控制器状态机 Mealy状态机 单周期硬布线控制器状态机流程图 指令译码电路微操作信号硬布线逻辑 单周期 时序发生器 多周期硬布线控制器状态机流程图 M1 M 时序 M NOP M1 JMP1 M2 JMP2 M3 JMP3 M4 LDIR LDPC M1LDAR PC INC 1 OE 0 多周期 时序发生器 指令译码电路M硬布线逻辑微操作信号硬布线逻辑 初始化过程 时钟CLK接在MANUAL CLK端 令RESET 1 则 CLR 0 清零微地址寄存器MAx和指令寄存器IR 此时 HLT 1 且74LS194状态 S0 S1 1 1 工作模式是送数 手动按钮MANUAL CLK一次 令CLK端上升沿跳变 节拍 T1 T2 T3 T4 1 0 0 0 令RESET 0 74LS194恢复循环右移模式 进入第一条指令的取指周期节拍时序 重启过程 跳出HLT 断点 时钟CLK接在MANUAL CLK端 令RESET 1 则 CLR 0 清零微地址寄存器MA4 MA0和指令寄存器IR 此时 HLT 1 且74LS194状态 S0 S1 1 1 工作模式是送数 令RESET 0 74LS194恢复循环右移模式 进入第一条指令的取指周期节拍时序 注 跳出 断点 后 CPU进入HLT指令的后续下一条指令的取指周期 实验步骤 1 编译如下页所示的机器语言源程序 生成HEX文件分别烧写到单周期和多周期硬布线控制器版本的程序存储器PROGRAM中 编译和烧写asm文件的方法参见 2 6存储器实验 ROM批量导入数据 2 分别在单周期硬布线控制器版本的CPU和多周期硬布线控制器版本的CPU中 手动单步执行或自动执行上述机器语言程序 观察每次单步执行或自动运行到 断点 处的寄存器AR IR PC及总线BUS上的数据 对比单周期和多周期硬布线控制器的程序运行效率差异 JMP1 2 3 思考题 请问多周期硬布线控制器可否取消TCLOCK 简化为只有一级状态机MCLOCK 如果可以 硬布线控制器电路怎么修改 在本实验的CPU模型机上增加两个74LS173寄存器R1和R2 以及一个连接总线BUS的8位拨码开关 扩展CPU指令集 增加下述MOV SET指令及相应的微指令 注 IMM是由拨码开关输入的8位立即数 RA和RB是在指令 功能 描述中的逻辑寄存器 可以对应R0或R1寄存器 九 硬布线控制器实验 思考题 在上述思考题的电路基础上 参考上述 2 5运算