简单模型机的微程序设计

1、课程设计报告课程设计名称简单模型机的微程序设计系学班学成拒口，号绩师间软件2012学年2 学期一、设计题目计算机组成原理课程设计一一简单模型机的微程序设计二、主要内容1 通过使用作者开发的微程序分析和设计仿真软件， 熟悉本文介绍的为基本模 型机而设计的微程序的执行过程。必须充分理解并正确解释下列问题：微程序中的微指令的各个字段的作用。 哪些字段是不译码的, 哪些字段是 直接译码的，哪些字段又可以看成是字段间接编码的。微程序中的微指令是否是顺序执行的, 如果不是, 那么次地址是如何产生 的。什么情况下，次地址字段才是将要执行的微指令的地址。在微程序中如何根据机器指令中的相关位实现分支, 据此,在

2、设计机器指 令时应如何避免和解释其它指令的微指令的微地址冲突。哪些微指令是执行所有指令都要用到的。解释一条机器指令的微程序的各条微指令的微地址是否连续这些微指令 的微地址的安排的严重原则是什么为什么 读写一次内存总要用两条微指令完成机器程序中的用到的寄存器是 R0,是由机器指令中哪些位决定的如果要用R1或R2,是否要改写微程序或改写机器指令如果要，应如何改写2. 在原有 5 条机器指令的基础上增加实现下述各功能的机器指令，试设计相应 的机器指令的格式并改写原来的微程序使其可以运行所有的机器指令。 新增加的 机器指令的功能是： 或指令 OR RD RS (RS)或(RD)(RD) 减法指令 SU

3、B RD (addr) : (RD)减(addr) (RD) 异或指令 XOR (addri) , (addr2) : (addri)异或(add(RD) 与指令 AND RD RS (RS)与(RD)(RD) 求反指令 NOT RD: /(RD) (RD)其中的RS RD可以是R0 R1、R2中的任何一个。三、具体要求写出课程设计报告，解释你的设计思想，比如，如何实现各指令的分支， 如何重新安排各指令对应的微程序中的微指令的微地址， 如何设计各微指令的编 码。要求画出用微命令表示的微流程图并适当加以解释。四、进度安排共周 11 天的时间，具体安排如下：12天：对整个课程设计的内容做详细的讲解

4、，并辅导学生完成课程设计指导书的学习，使其掌握和理解课程设计的核心内容；35天：学生在机房学习熟悉课程设计所使用的仿真软件，并深入了解该仿真软件所实现的模型机的指令系统（原有的 5 条指令）和微程序设计方法；69天：在原有 5 条机器指令的基础上增加实现下述各功能的机器指令，试 设计相应的机器指令的格式并改写原来的微程序使其可以运行所有的机器指令。1011天：根据自己设计的微程序系统写出相应的课程设计实验报告五、成绩评定六、正文(1) 模型机的CPU及系统硬件基本模型机的CPU及系统硬件组成如图1所示:图1模型机的CPIM系统硬件组成各部件的功能及控制信号如下:ALU运算器由算逻部件ALU(8

5、位)、暂存器DR1 DR2及通用寄存器等组成。的功能控制信号为S3 S2、S1、S0 M CN可以实现48种算术和逻辑运算功能，如图2所示。74LS181四位算数逻辑单元/函数发生器5-国扈ESS X证耳EChF这择有效高数SS3 S2 S1 SOI=H 遗辑功能L算載运算（无进位）Cn=L （有进隹）L L L L L L L HL L H L L L H Hr-AF=A+B f-XbF=0P-AF=A+BF-A+B 陆减Id的补码）F=AiniF-F-（应）加1F=0L H L L L H L H L H H L L H H HF二耳 r=A®B F=ABF 二（f+b）JSia

6、B F二A减B减 片应减1FMln血加1F二（&4）加磁办1 F二 A 减BF=ABH L L L H L L H H L H L H L H HF-A+B F=A®B F=B F=ABF/JVABF=Aj5nB 加 ABF=ABSSiF-AjtaABjni waJbb 加 1DMBjlAB 加 1F=ABHULL H H L H H H H L H U ti HF=1F士 A+H F=A+BK=AF 二 e+B）力lA F=CA+B）illAF=（X+R）JllAjniF 二（&+T）力lAiUlr=A图2 74LS181功能表运算器为单总线结构，其输入端分别连接到

7、暂存器DR1和DR2其装入数据的微命令分别为LDDR和LDDR2当它们为1电平时由节拍脉冲T4将数据总线 上的数据装入相应的暂存器。R0 R1、R2为通用寄存器。R0的装入数据的微命令为LDR0 R1的装入数据的微命令为LDR1 R2的装入数据的微命令为LDR2 299为实现移位运算的装置，当299B微命令有效时，其数据端和数据总线连接。控制器由程序计数器PC指令寄存器IR、地址寄存器AR时序电路、控制 存储器及相应的译码电路组成。程序计数器PC的功能是存放下一条指令的地址，其输出是向地址寄存器提供要将执行的指令在存储器中的地址。在提供地址后立即加1,指向指令的下一个字节或下一条指令的地址。其

8、控制微命令有三个。当LOAD=Q而LDPC=1时，由T4的正跳变将数据总线上的数据装入 PC当当LOAD=1而 LDPC=1寸PC的内容加 1;当PCB=1时，PC中的地址信息送到数据总线上。指令寄存器IR用于存放当前执行的指令。当微命令LDIR=1时，由节拍脉冲T3将数据总线上的数据装入。地址寄存器AR存放要从存储器中读出的数据或指令的地址或要向存储器写 入数据或指令的地址。当微命令LDAR=1寸，由节拍脉冲T3将数据总线上的数据 装入。存储器RAM用于存放程序和数据。当片选信号 CE=O时，如果W/R为0,则根据AR中的地址，从存储器中读出数据并送到数据总线上；如果W/R为1，则根据AR中

9、的地址，向存储器中写入数据总线上的数据。 片选信号CE是由微指令 中的有关字段(B1B0译码产生的。模型机有两个外部设备：输入设备是置数开关 svy用于设置数据或地址,当微命令SWB=0寸，设置的数据送到数据总线上；SWE也是由微指令中的有关字 段(B1B0译码产生的。输出设备是两位 LED数码管，当微命令LEDB=1时，数据总线上的数据送到数码管显示。(2) 基本模型机的指令设计根据基本模型机的硬件设计五条机器指令：外设输入指令IN、二进制加法指令ADD存数指令STA输出到外设指令OUT无条件转移指令JMP指令格式如下:助记符机器指令码INADDaddrSTAaddrOUTaddrJMPad

10、drORSUBXOR0101 0000110 00000111 0000000 0000001 00001010 0100addr 1011 11001100 1100xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx;置数开关 SW( KDZ KD7的状态7 R0;(R0)+(addr) 7( R0);(R0) 7( addr);(addr) 7输出设备"LED"addr 7 pc;(RS or (RD) 7( RD);(RD) - (addr) 7( rd;(addr1 ) xor (add(RD)AND1101 0100;(RS and

11、(RD)RDNOT1110 1100;/(RD) T( RD(3) 指令微流程分析原有的五条指令的微流程如下图所示:O1IN总微流程如图所示:ADDSTAPO AR01RAM> BUSBUS* IR02OUTJMP f ORSUBXORANDNOT10Vi11121314151611718FiF1rF1F1FpPS ARPO ARPS ARPS ARPS ARPS AR(R1 U R0)t(R1 n RO)/(D1)19SW»ROO3O7O9OCOD1AO1RAM*BUSRAM*BUSRAM*BUSRAM*BUSV5 fRAMKBUSRAM*BUS1O4r1O8F1oaFoe-

12、O11BRAM*BUSRAM*BUSR(* BUSRAM*BUSRAM* BUSO105OBof1CRC* DR1O1DR* LED(RO-R1) * RORAM* BUSO6j 1D(D1+DR2* ROO101O1RAM* BUS11Er(R1 ® RO)* RO该图是运行微程序的数据流图，实际上并没有分解到微命令一级。为了设计 微程序，还应该根据此图进一步细化到微命令（微操作）一级。例如 实际上应该同时发出PCB LDAF两个微命令；PC+1应该发出LDPC微命令；SWR0应该发出SWB LDRi （与指令码中的相应位共同译码产生 LDR0微命令）两个微命令；RAMkBUS应该

13、发出CE有效和读存储器两个微命令；BUS>RAME该发出CE有效和写存储器两个微命令；ROXX是指ROB微命令有效等等。据此可将该图改画成下图:01（4）基本模型机的微指令格式本模型机的微指令长共24位，基本采用水平型微指令字段直接编码方式, 其控制位顺序如下:uA18uA17uA16=001从贮存读数据uA18uA17uA16=101向主存写数据15L413选挣10000GIWRi010LDDRJ011LDDK2100LOIR101LOAD11nI BAR2心12221曲191716J5 14 BL2 J t JOy B 7右5431 211S1S2S1SOCnWESIABCu

14、9;uA4uA2liAlA 了段12tJ10选择00000JRS-B010R0B01IRIB100290I(J1ALC-BJ1tJPT.BB7段9S70Q00Qipfl)0J0Pf2l 1Cl11P06rV)Q1ARJ10LDK' jC手卡览其中，S3 S2、S1、S0 M CN（卩A24卩A19位）为ALU运算类型的控制字段，其输出不需译码直接连接到 ALU的对应控制信号即可。需要指出的是，该字段无论如何编码，ALU都要进行某种运算，但是只要不发出 ALUB微命令，ALU的运算结果都不会送到数据总线上，也就是不会对其它部件的操作产生任何影 响。在设计微程序时，只要不发 ALUB微命令

15、，该字段的编码可以任意设置。卩A18位为输出设备（LED和主存（RAM的读写控制字段，该位为0,表 示读；该位为1，表示写。卩A17卩A16位（B1B0字段用于选择外设和主存。B1B0=01选择主存（CE 有效），B1B0=00选择输入数据开关（SWBt效），B1B0=10选择输出LED （LEDB有效）。B1B0=11对本模型机无效，即没有选中任何外设或主存。对本模型机而言，上述三位可以看成一个字段，其编码的含义如下:uA18uA17uA16=00或 100从输入开关SW卖数据uA18uA17uA16=110向 LED 写数据其他组合无意义。编写次微程序时采用 011 表示无效。卩A6卩A1

16、位为6位的预置后续微地址，“预置”的含义是该字段与微地址 控制字段以及指令寄存器等部件的内容共同产生下一条微指令在控存中的微地 址。A、B、C 三个译码字段，分别由三组译码控制电路译码产生各种微命令。A字段用于产生各寄存器的数据装入微命令，各种编码的含义如上表所示。由于模型机有三个通用寄存器（R0 R1、R2）,它们都有相应的数据装入微命令,为了不增加微指令的宽度，该字段只设计了一个 LDRi 命令。为了区分究竟是哪 个寄存器装入数据， 要根据指令寄存器的最低两位 （l 1l 0）的状态而定：当 l 1l 0=00时，发LDR0微命令；1ll 0=01时，发LDR1微命令；lilo=1O时，发

17、LDR2微命令;I 1I 0=11 时，对本模型机无效；B字段中的RSB RDB RIB分别为源寄存器的内容送数据总线、目的寄存器送数据总线及变址寄存器送数据总线的微命令， 其功能是根据机器指令来选通三个工作寄存器R0 R1及R2之一，将其内容送数据总线。具体规则如下:如果RDBt效，根据指令寄存器的最低两位（l1l 0）的状态决定哪个寄存器的内容送数据总线：当Ill 0=00时，发ROB微命令；Ill 0=01时，发R1B微命令;Ill 0=10时，发R2B微命令；1ll 0=11时，对本模型机无效;如果RSB有效，根据指令寄存器（l3l2）两位的状态决定哪个寄存器的内容发R1B微命令；l3

18、l2=10送数据总线：当I3l2=00时，发R0B微命令；I3l2=01时,时，发R2B微命令；I 312=11时，对本模型机无效;本模型机的变址寄存器固定为R2,故RIB有效就是R2B有效。基于上述字段的设计规则， 在设计机器指令格式时，必须将目的寄存器的编R1， 10代表寄存器 R2。码放在指令的第一个字节的 l 1l 0位置，将源寄存器的编码放在指令的第一个字节的 l 3l 2位置，且编码必须符合上述规则，即 00 代表寄存器 R0， 01 代表寄存器B字段中的299B是移位运算装置的数据端与数据总线相连的微命令。该装置在图中没有画出。C字段中的P( 1)P(4)是四个测试字段。其功能是

19、根据机器指令、卩A5AR卩A0字段及其它有关部件的内容，产生下一条微指令在控存中的微地址，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、循环运行等。为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，低电平有效。LDPC为使PC+1的微命令。P ( 1 ) P( 4)的意义如下：P (1)测试的作用是次地址字段NA( 41位)或指令寄存器IR (85位)产生下一条微指令在控存中的微地址的41位，下一条微指令在控存中的微地址的65位仍为NA字段的65位。P (2)测试的作用是次地址字段 NA(21 位)或指令寄存器 IR(43位)产生下一条微指令在控存中的微地址的 21 位，下一条微指令在控存

20、中的 微地址的63位仍为NA字段的63位。P (3)测试的作用是次地址字段NA( 4位)或进位或零标志产生下一条微指令在控存中的微地址的 4位，下一条微指令在控存中的微地址的其它位仍为 NA字段的相应位。P (4)测试的作用是次地址字段 NA(21位)或(SWC SWA产生下一条微指令在控存中的微地址的 21 位，下一条微指令在控存中的微地址的 63位仍为NA字段的63位。5）微程序设计01:00000000010 02:00000010000 03:00000000100 04:00000000101 05:00000000110 06:001 07:00000001000 08:00000

21、000001 09:00000001010 0A:00000001011 0B:00000000001 0C:00000000001 0D:00000001110 0E:00000001111 0F:00000000001 10:00000000001 11:00000000011 12:00000000111 13:00000001001 14:00000001100 15:00000000001 16:00119:00000000001 1A:00000011011 1B:00000011111 1C:00000011101 1D:00000011110 1E:00000000001 1F

22、:000000111006）机器指令测试程序的编写00H:00000000；IN01H:00010000；ADD(R0)+(addr)02H:0001001103H:00100000;STA(ROk( addr)04H:00010100O5H:OO11OOOO;OUT(addr)输出设备"LED"O6H:OOO1O1OOO7H:O1O1O1OO;OR (RS)or (RD) (RD)O8H:O11O11OO;SUB (RD) - (addr) (RD)O9H:OOO1OO11OAH:O11111OO； XOR( addr1) xor (addr2) (RD)OBH:OOO1

23、OO1OOCH:OOO1OO11ODH:； AND( RS) and (RD) ( RD)OEH:； NOT /(RD)( RD)1OH:OOOOOOOOOFH:O1OOOOOO； JMP (addr) PC11H:00000001 12H:00001110 13H:01110000(7) 运行测试程序对编写的机器指令格式以及微程序进行检验微指令 00000000010执行的操作是：P3B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转微地址：02 微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：2

24、99保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 0000001000

25、0执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDRO，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，

26、PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开

27、关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P（1

28、）测试:NA（30）或（IR7IR4）,转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDRO，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1（LDPC=1）,转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P（1）测试:NA（30）或（IR7IR4）,转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存

29、储器读，PC-B,LDAR允许PC加1（LDPC=1）,转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P（1）测试:NA（30）或（IR7IR4）,转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1（LDPC=1）,转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P（1）测试:NA（30）或（IR7IR4）,转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据

30、,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 执行的操作是：存储器CE有效,存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)

31、或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效，存储器读，PC-B,L

32、DAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效,存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,

33、299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA

34、(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CE有效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02 执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDRO，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效,存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或

35、(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LD

36、AR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10 微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,299 -B,LDR0，转微地址：01 微指令 00000000010执行的操作是：存储器CEW效，存储器读，PC-B,LDAR允许PC加1(LDPC=1),转 微地址： 02微指令 00000010000执行的操作是：P(1)测试:NA(30)或(IR7IR4),转微地址：10微指令 00000000001执行的操作是：299保持数据,输入开关SWBt效,2

37、99 -B,LDRO，转微地址：01(8) 问题解答通过使用作者开发的微程序分析和设计仿真软件， 熟悉本文介绍的为基本模型机而设计的微程序的执行过程。必须充分理解并正确解释下列问题：1 微程序中的微指令的各个字段的作用。哪些字段是不译码的，哪些字段是直接译码的，哪些字段又可以看成是字段间接编码的。答：直接译码的是 A B、C字段；不译码的是S3B0字段；而间接编码的是uA6uA1。2 微程序中的微指令是否是顺序执行的，如果不是，那么次地址是如何产生的。什么情况下，次地址字段才是将要执行的微指令的地址。答：微程序中的微指令不是顺序执行的，如果遇到 P( 1)P(4)测试时,则根据机械指令，uA5uA其他有关部件的内容，产生下一条微指令在空存中的 微地址，是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 运行等。例如遇到P (1)测试，则下一条微指令在空存中的微地址的 41位是用次地址字段 NA(4 1 位)或指令寄存器 IR(8 5 位)所产生，下一条微指令 的微地址仍为NA字段的65位。如果没有遇到P( 1)P (4)测试的话，那 么次地址即为该微指令地址字段所指向的微地址。3 在微程序