8位CISC计算机设计

1、精选文档8位CISC计算机设计班级：09电子信息工程C班学号：091524*姓名：*日期：2012年4月26日一实验目的1深入理解基本模型计算机的功能、组成知识；2深入学习计算机各类典型指令的执行流程；3学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法。4在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。5定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。6通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。二实验原理1在部件实验过程中，各部件单元的控制

2、信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。2指令格式本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（最高4位二进制数为操作码）：（1）指令格式采用寄存器直接寻址方式，其格式如下：位 7654 3210功能OP-CODErsrd其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定

3、：Rs或rd选定的寄存器000110R0R1R2助记符机器指令码Addr地址码功能说明INADD addrSTA addrOUT addrJMP addr0 0H1 0H XX H2 0H XX H3 0H XX H4 0H XX H“INPUT”中的数据R0R0+addr ->R0R0 -> addraddr -> BUSaddr PC其中IN为单字长（8位二进制），其余为双字长指令，XX H 为addr对应的十六进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。图6-1 数据通路框图1,存储器读操作（KRD）：下

4、载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“0 0”时，可对RAM连续手动读入操作。2,存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“0 1”时，可对RAM连续手动写操作。3、启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“1 1”时，即可转入到微地址“01”号“取指令”微指令，启动程序运行。SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）根据以上要求设计数据通路框图，如图5-1所示。表6-1 24位微代码定义：24232221201918171615 14 1312

5、 11 10987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0 表6-2 A、B、C各字段功能说明：A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P（1）010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B101LDAR110LDAR110PC-B110LDPC24位微代码中各信号的功能(1) uA5uA0：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微地址。(2) S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器输出

6、的ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或16种逻辑操作中的某一种操作。(3) M：微程序控制输出的ALU操作方式选择信号端。M0执行算术操作；Ml执行逻辑操作。(4) Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn0表示ALU运算时最低位有进位，Cn1则表示无进位。 (5)WE：微程序控制器输出的RAM控制信号。当/CE0时，如WE0为存储器读；如WE1为存储器写。 (6) A9、A8译码后产生CS0、CS1、CS2信号，分别作为SW_B、RAM、LED的选通控制信号。 (7) A字段（15、14、13）译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号（见表6-1）。(8) B字段（12、11

7、、10）译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。(9) C字段（9、8、7） 译码后产生分支判断测试信号P(1)P(4)和LDPC信号。系统涉及到的微程序流程见图6-2。当执行“取指令”微指令时，该微指令的判断测试字段为P(1)测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支（见图6-2左图）。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定地址单元。控制台操作为P(4)测试（见图6-2右图），它以控制台信号SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就

8、可以一条微指令占用控制存储器的一个微地址单元，随意填写。注意：微程序流程图上的微地址为8进制！当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表6-2即为图6-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。表6-2 二进制微代码表微地址微指令S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0000181100000000110000001000100000100ED820000000011101101100000100200C0480000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000

9、000010110000000001010501A20600000001101000100000011006919A011001000110011010000000010700E00D000000001110000000001101100010010000000000010000000000011100ED830000000011101101100000111200ED870000000011101101100001111300ED8E0000000011101101100011101400ED96000000011110110110010110150382010000001100000100

10、00000011600E00F0000000011100000000011111700A0150000000010100000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002200A010000000001010000000010000230080010000000010000000000000012406201100000110001000000001000125070A010000011100001010000000012600D181000000001101000110000001指令寄存器

11、（IR）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试“P(1)”，通过节拍脉冲T4的控制，以便识别所要求的操作。 指令译码器: 根据指令中的操作码强置微控制器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。 图6-3 模型计算机电路原理图说明：1、指令IN为单字节指令，指令码：00，其功能是将输入口IN的数据送到寄存器R0；2、指令ADD 0AH为双字节指令，指令码：100A，其功能是将R0中的数据加上RAM地址0AH中的数据（34

12、H）；3、指令STA 0BH为双字节指令，指令码：200B，其功能是将R0中的数据送到RAM的0BH地址单元中；4、指令OUT0BH为双字节指令，指令码：300B，其功能是将RAM的0BH地址单元中的数据送到OUT输出口上；5、指令JMP 12H 为双字节指令，指令码：4012，其功能是将其操作码下一地址单元（08H）的数据作为转跳地址。三CPU顶层文件CPU组成部件：时钟发生器 ；指令寄存器 IR；算术逻辑运算单元ALU；数据寄存器；状态控制器 ；程序计数器PC；地址寄存器AR；微控制器；微指令译码器；微地址寄存器；微程序存储器ROM；地址寄存器RAM；三态门四测试波形CPU部分波形仿真程序

13、执行过程如下：STEP(1)：M输入微指令018110，控制台执行P（4），进行“读/写/运行”功能判断STEP(2)：检测到SWA、SWB=11后，进入程序运行RP（11）方式。STEP(3)：进入程序运行的流程，执行微地址为23的微指令018001（十六进制），选通LDAR,PC_B,LDPC，后续微地址uA 为01（八进制）。STEP(4)：执行微地址为01的M微指令01ED82，执行的操作为PCAR=00H，PC+1=01HPC，AR指向RAM存储器地址00H，后续微地址uA为02。STEP(5)：执行微地址为02的M微指令00C048，选通RAM,LDIR,P(1)，执行取指令操作，

14、将RAM中的指令00通过内部总线Bus，送指令寄存器IR：RAM（00H）=00BUSIR=00H。执行IN指令，目的寄存器为R0。STEP(6)：执行微地址为10的M微指令001001，执行的操作SW_B打开，允许输入装置键盘SW的数据送往数据总线BUS；LDRi打开，允许向寄存器写数据，而指令编码为00，其中目标寄存器rd=00指向R0，因此输入数据56H送入寄存器R0，执行结果R0=56H。后续微地址uA为01。STEP(7)：同（4），执行01ED82，取指令操作：PCAR=01H,PC+1=02H,AR指向RAM存储器地址01H，后续微地址02。STEP(8)：执行微地址02的微指令

15、00C048，选通RAM,LDIR,P(1)，取指令，经分支判断P（1），读出地址为01H单元的内容10H，经BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H）=10HBUSIR=10H。STEP(9)：执行微地址为11的微指令01ED83，进入加法运算微程序。选通LDAR,PC_B,LDPC，通过间接寻址获得加法运算的另一个操作数，地址寄存器AR指向取数的间接地址：PCAR=02H,PC+1=03H，AR指向RAM的02单元。STEP(10)：执行微地址为03的微指令00E004，选通LDAR,RAM，RAM_B为高电平，Ram的（02）单元的内容通过BUS送AR，取数地址（AR）=0AH，即要从R

16、AM的（0AH）单元取操作数：RAM(02)=0AHBUSAR=0AH。STEP(11)：执行微地址为04的微指令00B005，选通LDDR2,RAM，RAM_B仍然为高电平，Ram的（0AH）单元的内容34H送到BUS，此时LDDR2为高电平，BUS上的数据就送给了DR2，执行结果：RAM(0AH)=34HBUSDR2=34H。STEP(12)：执行微地址为05的微指令01A206，选通LDDR1,RS_B，将R0的数据送DR1。R0_B=1，允许R0的内容56H送往BUS，此时LDDR1为高电平，BUS上的数据56H写入ALU的数据缓冲器DR1，执行结果：(R0)=56HBUSDR1=56

17、H。STEP(13)：执行微地址为06的微指令919A01，选择ALU的加法功能，选通LDRi,AR，完成加法运算：(DR1)+(DR2) R0,56H+34H=8AHR0=8AH。STEP(14)：同（7），执行01ED82，取指令操作：PCAR=03H,PC+1=04H,AR指向RAM存储器地址03H，后续微地址02。STEP(15)：执行微地址02的微指令00C048，选通RAM,LDIR,P(1)，取指令，经分支判断P（1），读出地址为03H单元的内容20H，经BUS送到指令寄存器IR：RAM（03H）=20HBUSIR=20H。STEP(16)：执行微地址为12的微指令01ED87，

18、选通LDAR,PC_B,LDPC，进入程序存储微程序。地址寄存器AR指向存数的间接地址：PCAR=04H,PC+1=05H，AR指向RAM的04单元。STEP(17)：执行微地址为07的微指令00E00D，选通RAM,LDAR，存数地址送AR：RAM(04)=0BHBUSAR=0BH。STEP(18)：执行微地址为15的微指令038201，选通WE,RS_B，R0的内容存入RAM(0BH)单元：(R0)=8AHBUSRAM(0BH)=8AH。STEP(19)：同（14），执行01ED82，取指令操作：PCAR=05H,PC+1=06H,AR指向RAM存储器地址05H，后续微地址02。STEP(

19、20)：执行微地址02的微指令00C048，选通RAM,LDIR,P(1)，取指令，经分支判断P（1），读出地址为05H单元的内容30H，经BUS送到指令寄存器IR：RAM（05H）=30HBUSIR=30H。STEP(21)：执行微地址为13的微指令01ED8E，选通LDAR,PC_B,LDPC，地址寄存器AR指向间接寻址取数地址：PCAR=06H,PC+1=07H。STEP(22)：执行微地址为16的微指令00E00F，选通RAM,LDAR，取数地址送AR：RAM(06)=0BHBUSAR=0BH。STEP(23)：执行微地址为17的微指令00A015，选通RAM,LDDR1，从RAM中取数送DR1：RAM(0BH)=8AHBUSDR1=8AH。STEP(24)：执行微地址为25的微指令010A01，选通LED,ALU_B，DR1的内容送输出单元OUT：DR1=8AHBUSOUT=8AH。STEP(25)：同（19），执行01ED82，取指令操作：PCAR=07H,PC+1=08H,AR指向RAM存储器地址07H，后续微地址02。STEP(26)：执行微地址为02的微指令00C048，选通RAM,LDIR,