基于微程序控制器的模型计算机设计

基于微程序控制器的模型计算机设计 目录目录 1 课程设计的目的课程设计的目的 1 2 课程设计要求课程设计要求 1 3 课程设计报告内容课程设计报告内容 1 1 系统主要功能 1 2 总体设计 2 3 微程序控制器 3 4 汇编语言测试程序汇编语言测试程序 7 5 机器语言测试程序机器语言测试程序 7 6 详细设计原理图 详细设计原理图 8 7 机器指令运行波形 机器指令运行波形 8 9 设计总结及体会设计总结及体会 9 参参 考考 文文 献献 9 1 1 课程设计的目的课程设计的目的 1 融会贯通教材各章的内容 通过知识的综合运用 加深对计算机系统 各模块的工作原理及相互联系的认识 从而清晰地建立计算机的整机概念 2 学习设计和调试计算机的基本步骤和方法 培养科学研究的独立工作 能力 取得工程设计的实践和经验 2 课程设计要求课程设计要求 根据给定的数据格式和指令系统 一台微程序控制的8 位模型计算机 并 运 行能完成一定功能的机器语言程序进行验证 课程设计完成的内容 1 系统的总体设计 画出模型机数据通路框图 2 微程序控制器的设计 包括设计所有机器指令的微程序流程图 设计微 指令格式 建议采用全水平型微指令 设计微程序代码表 根据微程序流程 图和微指令格式来设计 3 根据设计的指令格式 将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序 4 画出模型机的原理图 5 画出模型计算机指令执行波形图 3 课程设计报告内容课程设计报告内容 1 系统主要功能 系统主要功能 A 数据格式 数据字规定采用定点整数补码表示法 字长8 位 其中最高位为符号位 其格式如下 76 5 4 3 2 1 0 符号位尾 数 B 指令格式 本设计 CPU 指令系统中使用 5 条机器指令 其格式与功能说明如下 表 1 模型机指令系统及指令编码形式 助记符助记符机器指令码机器指令码Addr 地址码地址码功能说明功能说明 IN20H INPUT 中的数据 R0 ADD addr40HXXH R0 addr R0 STA addr60HXXH R0 addr OUT addr80HXXH addr BUS JMP addrA0HXXH addr PC 2 IN 指令为单字长 字长为8bits 指令 其功能是将数据开关的8 位数据 输 入到R0 寄存器 ADD 指令为双字长指令 第一个字为操作码 第二个字为操作数地址 其 功能是将R0 寄存器的内容与内存中地址为A 的数相加 结果存放在R0 寄存器 中 STA 指令为双字长指令 第一个字为操作码 第二个字为操作数地址 其 功 能是将R0 寄存器中的内容存储到以第二个字为地址的内存单元中 OUT 指令为双字长指令 第一个字为操作码 第二个字为操作数地址 其功能 是将内存中以第二个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线 显示之 JMP 指令为双字长指令 第一个字为操作码 第二个字为操作数地址 其 功 能是程序无条件转移到第二个字指定的内存单元地址 2 总体设计 总体设计 总体设计的主要任务是根据指令系统的要求 选定所用器件 设计总框图 数据通路 总体设计的主要步骤如下 A 对指令系统中的各条指令进行分析 得出所需要的占领周期与操作序 列 以便确定各器件的类型和数量 B 构成一个总框图草图 进行各逻辑部件之间的互相连接 即初步确定 数据通路 使得由指令系统所要求的数据通路都能实现 并满足技术指标的要 求 C 检查全部指令周期的操作序列 确定所需要的控制点和控制信号 D 检查所设计的数据通路 尽可能降低成本 简化线路 优化性能 以上过程可以反复进行 以便得到一个较好的方案 方案确定后 检查所 选用的各个器件是否满足数据通路的要求 数据通路的设计和器件的选择应同 时进行 接入总线的器件都要有三态输出 以便与总线连接 本课题采用下图中所示的设计方案 本方案没有考虑乘法和除法指令操作 采用单总线结构 使用的许多器件都是三态输出 这种方案便于总线的连接和 扩 展 但缺点是指令和数据的传送都要经过总线 因此对总线的使用权就要分配 得 当 3 图 1 系统总体框图 数据通路图 3 微程序控制器 微程序控制器 数据通路图一旦确定 数据流的通路 运算器和控制器的结构也就确定了 图1中各功能器件上标注的控制信号 就是微程序控制器设计的依据 A 微指令格式 微指令格式采用水平型微指令格式 微指令格式如下 31302928272625242322212019181716 S3 S2 S1 S0 M Cn LOAD WE LDR0 LDDR1 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 4 5 3 2 1 0 LDDR2 LDIR LDAR ALU B R0 B SW B PC B RAM B LDPC P1 UA4 UA3 UA2 UA1 UA0 各字段说明如下 uA4 uA0 微程序控制器的微地址输出信号 是下一条要执行的微指令的地 址 S3 S2 S1 S0 由微程序控制器输出的ALU 操作选择信号 以控制执行16 种算术操作或16 中逻辑操作中的某一种操作 M 微程序控制输出的ALU 操作方式选择信号 M 0 执行算术操作 M 1执行 逻辑操作 Cn 微程序控制器输出的进位标志信号 Cn 1 表示ALU 运算时最低位有进 4 位 Cn 0 则表示无进位 LOAD PC 程序计数器初始值装载信号 WE WE 0 存储器读 WE 1 存储器写 LDR0 R0 通用寄存器装载信号 LDDR1 DR1 暂存器装载信号 LDDR2 DR2 暂存器装载信号 LDIR IR 寄存器装载信号 LDPC PC 程序计数器自动加一信号 LDAR AR 寄存器装载信号 ALU B ALU 运算结果输出三态门控信号 R0 B R0 输出三态门控信号 SW B SW 输出三态门控信号 PC B PC 输出三态门控信号 RAM B RAM 输出三态门控信号 P1 微程序分支处的判别测试 P1 1 控制器对当前的机器指令进行翻译 无定义 备用 B 微程序控制器 微指令长度为31 位 据此可以确定控制存储器的字长也应为31 位 微指 令格式确定后 微程序的横向设计在于正确选择数据通路 纵向设计在于确定 后继微指令地址 纵向设计的通常做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别测试 这些微地址确定后 就可以在 微地址表 中把相应的微地址单元填进去 以免后面的设计中重复使用 以致造成设计错 误 当拟定 取指 微指令时 该微指令的判别测试字段应指明P1 测试 取 指 微指令是所有微程序都使用的公用微指令 P1 测试的结果导致微程序出现 多路分支 在本模型机中 只拟设计5 条机器指令 故用指令寄存器的前3 位 IR7 IR5 作为测试条件 微程序可以实现8 路转移 但我们只用到前5 路分 支后的微地址分别定为00100B 10100B 即04H 14H C 微程序流程图 5 01 00 00 00 00 00 00 15 12 11 1E 0D 0F 0B 0A 09 14100C08 04 JMPOUTSTAADDIN 运行微程序 PC BUS BUS AR PC 1 RAM BUS BUS IR P 1 PC AR PC 1 RAM BUS BUS AR RO BUS BUS RAM PC AR PC 1 RAM BUS BUS AR RAM BUS PC AR PC 1 RAM BUS BUS PC PC AR PC 1 RAM BUS BUS AR RAM BUS BUS DR2 R0 DR1 DR0 DR1 R0 SW R0 图 2 微程序流程图 E 微代码表设计如下 地 址 S 3 S 2 S 1 S 0 C n L O A D W E L D R 0 L D D R 1 L D D R 2 L D I R L D A R A L U B R 0 B S W B P C B R A M B L D P C P 1 U A 4 U A 3 U A 2 U A 1 U A 0 000022810 01111 000041400 1111 000020400 6 411 000022890 811111 0000210A0 91111 0000810B0 A1111 1 0001080F0 B111 1 1 1 038190000 F1 111 11 0000228D0 C1111 11 0000210E0 D211 1 1 000408000 E11 000022911 011111 0000210E1 1111 1 1 000001001 21 0000810F1 4 111 1 1 1 000801001 511 F 微程序控制器的逻辑结构框图 7 4 汇编语言测试程序汇编语言测试程序 根据指令系统编写汇编语言测试程序 IN ADD 10H STA 11H OUT 11H JMP 00H 5 机器语言测试程序机器语言测试程序 根据设计的指令格式 将汇编语言测试程序手工转换成机器语言源程序 并将其写入到模型机中的RAM 中去 与上述汇编语言源程序对应的机器语言源 程序如下 助记符助记符RAM 地址地址机器代码机器代码功能说明功能说明 IN0020 SW R0 0140 ADD 10H 0210 R0 10H R0 0360 STA 11H 0411 R0 11 H 0580 OUT 11H 0611 11 H BUS 07A0 JMP 00H 0800 Addr PC 8 1065H 数据段 11 6 详细设计原理图 详细设计原理图 各元件如下图所示 根据数据通路 画出模型计算机整体原理图 7 机器指令运行波形 机器指令运行波形 9 9 设计总结及体会设计总结及体会 虽然这只是一次的简单的课程设计 可是平心而论 也耗费了不少的心血 这就让我 不得不佩服专门从事这方面的技术前辈 才意识到要想在此方面有所成就需要克服的困难 太多了 要有足够的耐心和毅力 不怕失败 一次次的调试直到成功为止 遇到不懂得及 时查资料 并记录 没有不能弄懂的事情 只有不想去弄懂的人 只要努力了就有收获 我们每一个人