实验七、八微程序控制器设计-简单CPU

实验七、八微程序控制器设计简单CPU一、实验目的：1、通过实验,进一步理解微程序控制器的组成结构。理解微程序控制器的控制原理2、加深理解微程序控制器的工作原理。掌握指令流程与功能3、理解掌握微程序控制器的设计思路与方法二、实验原理

1、微程序控制器的组成原理控制存储器：实现整个指令系统的所有微程序，一般指令系统是规定的由高速半导体存储器构成，容量视机器指令系统而定，取决于微程序的个数，其长度就是微指令字的长度。

微指令寄存器：存放从控存读出的当前微指令。微操作控制字段将操作控制信号送到控制信号线上，微地址字段指出下一条微地址的形成。微地址寄存器：存放将要访问的下一条微指令地址

地址转移逻辑：形成将要执行的微指令地址，形成方式：取指令公操作所对应的微程序一般从控存的0地址开始，所以微程序的人口地址0是由硬件控制的。当出现分支时，通过判别测试字段、微地址字段、和执行部件的反馈信息形成后即微地址。Cpu设计步骤：拟定指令系统确定总体结构（数据通路）安排时序拟定指令流程。根据指令系统，写出对应所有机器指令的全部微操作机器节拍安排，然后列出操作时间表确定微指令的控制方式、下地址形成方式、微指令格式及微指令字长，编写全部的微指令的代码，最后将编写的微指令放入控制存储器中。指令系统是设计计算机的依据，拟定指令系统将涉及基本字长、指令格式、指令类型、寻址方式等内容根据内存的字长，可定基本字长8位，指令格式：单字长，双字长指令，在双字长指令格式中，第二个字节一般定义为操作数或操作数地址。总体结构：根据要求设计数据通路拟定指令系统。3位5位操作码地址码指令格式寻址方式直接寻址指令中给出操作数的地址指令系统load,store,add,sub,bne格式、寻址方式、指令类型设置微指令的编码操作控制字段下地址字段采用直接控制方法15个控制信号，5位下地址可根据需要扩展操作码3位，最多定义8条机器指令数据传输范围R→R,R→SS→R寻址方式

确定总体结构。寄存器、ALU、数据通路设置寄存器ACC,MDR,MAR,IR,PCALU数据通路19181716151413121110987654～0Load-PCACC-busLoad-ACCPC-busLoad-IRLoad-MARMDR-busLoad-MDRALU-ACCINC-PCAddr-busCSR-NWALU-sub下址ALU-add（1）设计微程序确定微程序流程图，也就是控制算法流程图。（2）确定微指令格式

微指令格式中的操作控制字段取决于执行部件的子系统需要多少微指令。假定采用直接控制方式，执行部件需要10个微命令，则操作控制字段需要10位。

测试判别字段取决于微程序流程图中有多少处分支转移。假定有3处分支，则测试判别字段需要3位。下址字段取决于微程序流程图的规模。假定微程序共用50条微指令，则下址字段至少需要6位。这是因为ROM地址译码时，26=64，6位地址可容纳64条微指令。（3）将微程序编译成二进制代码（4）微程序写入控制存储器（5）设计硬件电路微程序控制器的设计步骤在系统的一个基本周期(又称机器周期，一般由几个时钟周期组成)中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。强调两点：第一，一条微指令的有效持续时间为一个系统基本周期，它表示从CM中读出微指令与执行这条微指令的时间总和。当从ROM中读出下一条微指令后，当前的这条微指令即失效。第二，一条微指令中包含若干个微命令，它们分头并行地控制执行部件进行相应的微操作。微指令除给出微命令信息外，还应给出测试判别信息。一旦出现此信息，执行这条微指令时要对系统的有关“状态标志”进行测试，从而实现控制算法流程图的条件分支。微指令中还包含一个下址字段，该字段将指明ROM中下一条微指令的地址。微程序控制器的结构与微指令的格式密切相关。上图是微程序控制器的结构框图。它由控制存储器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几部分组成。微地址寄存器和微命令寄存器两者的总长度即为一条微指令的长度，二者合在一起称为微指令寄存器。取指令PC→MAR，PC＋1→PCM→MDR→IR执行addr→MAR寻址方式直接寻址指令中给出操作数的地址M→MDR→ACCLoad地址码主存中的数据读入ACC拟定指令流程和微命令序列。拟定指令流程拟定指令流程和微命令序列。微命令序列。取指令PC→MAR，PC＋1→PCM→MDR→IR执行addr→MARM→MDR→ACC取指取操作数拟定指令流程和微命令序列。Load:把主存内容读入ACCStore:把ACC内容存入主存Add:主存内容与ACC相加Sub:主存内容与ACC相减Bne:转移形成控制逻辑。0001010001000000000119181716151413121110987654～0Load-PCACC-busLoad-ACCPC-busLoad-IRLoad-MARMDR-busLoad-MDRALU-ACCINC-PCAddr-busCSR-NWALU-sub下址ALU-add00000000000110000010操作码对应的编码LOAD→000，STORE→001，ADD→010，SUB→011，BNE→100内存中储存的机器指令地址指令描述0Load4从mem(4)取数到ACC1Add5从mem(5)取数到总线，与ACC中的数加2Store6结果存储在MEM（6）3Bne7结果不为0，跳到742数据253数据3其它0全为0参考设计指令编码Load400000100Add501000101Store600100110Bne701100111

机器指令的编码指令执行的基本过程取指令执行指令取操作数操作数在内存无操作数或操作数在CPU2、微程序控制器执行过程

A)从控存中逐条读出“取机器指令”用的微指令，并执行取指令公操作，执行完后，从主存读出的机器指令放入IR.B)根据IR中的操作码，经过地址形成部件得到该机器指令对应的微程序入口地址，并送入微地址寄存器。

C)从控存中逐条取出对应的微指令并执行。

D）执行完对应的的一条机器指令的一段微程序后又回到取指微程序的入口微。地址。继续A)3微指令编码法

直接控制法：就是在微指令的操作控制字段中，每一个微命令都用一位信息表示，只要将控制字段中表示该命令的相应位置1或置0就可以打开或关闭某个控制门。微命令的产生不必经过译码，【控制简单，直观、操作并行性好，缺点：微指令太长】······························上图中标明了一个基本机器周期中的控制时序信号。例如用上一周期的T4时间按微地址寄存器内容从ROM中读一条微指令，经过一段时间后被读出，用当前周期的T1时间打入到微指令寄存器。T2、T3时间用来控制执行部件进行操作。T4时间修改微地址寄存器内容并读出下一条微指令。操作码地址码地址转移逻辑IR微地址寄存器地址译码控制存储器操作控制字段顺序控制字段微命令操作信号逻辑程序入口微指令时公共操作LOADaddstoresubbneandT0PC_BLDAR,LDPCT1CE,OET2MDR_B,LDIRT3Addr_B,LDART4CE,OECE,OEACC_BLDDRCE,OECE,OECE,OET5MDR_B,LDACMDR_B,ALU_ACC,ALU_ADDCEMDR_B,ALU_ACC,ALU_SUBMDR_BLDPCDR_BALU_ACCALU_AND1安排指令时间表微程序编码00000101000100000000010100000000000110000010020000101000000000001103000001000010000011110400100010000000000000050000000000010000000006000000101000010000000700000010100000100000080000000000011000010009010000010000000001011000000000000110000110110000000000011000011112000000000001100100001310000010000000000000

19181716151413121110987654～0Load-PCACC-busLoad-ACCPC-busLoad-IRLoad-MARMDR-busLoad-MDRALU-ACCINC-PCAddr-busCSR-NWALU-sub下址ALU-add微地微地址03的下地址位01111，说明应该是根据指令操作码来形成。即下地址的低3位是指令操作码。高2位为01因此LOAD指令的开始地址是01000（也可以用其他形成方式）Load01000store01001Add01010Sub01011Bne

01100地址12的下地址，也要根据运算器的结果是否位“0”来判断，所以其下地址设为10000，以决定下地址是13还是14至于控制信号何时为“1”--CPU头文件cpu_defs

LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;PACKAGEcpu_defsIS--定义程序包，包头，包体

TYPEopcodeIS(load,store,add,sub,bne); --这个语句适合于定义一些用std_logic

等不方便定义的类型，综合器自动实现枚举类型元素的编码，一般将第一个枚举量（最左边）编码为0 CONSTANTword_w:NATURAL:=8; CONSTANTop_w:NATURAL:=3; CONSTANTrfill:STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1downto0):=(others=>'0'); --FUNCTIOnslv2op(slv:INSTD_LOGIC_VECTOR)RETURNopcode; FUNCTIONop2slv(op:inopcode)RETURNSTD_LOGIC_VECTOR;ENDPACKAGEcpu_defs;PACKAGEBODYcpu_defsIS TYPEoptableISARRAY(opcode)OFSTD_LOGIC_VECTOR(op_w-1DOWNTO0);--数组有5个元素，其他均0 CONSTANTtrans_table:optable:=("000","001","010","011","100"); FUNCTIONop2slv(op:INopcode)RETURNSTD_LOGIC_VECTORIS BEGIN RETURNtrans_table(op); ENDFUNCTIONop2slv;ENDPACKAGEBODYcpu_defs;--实验

7-8微程序控制器实验LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL,IEEE.NUMERIC_STD.ALL;USEWORK.CPU_DEFS.ALL;--使用自己定义的程序包ENTITYCPUISPORT(clock:INSTD_LOGIC;--时钟reset:INSTD_LOGIC;--复位mode:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);--查看用

mem_addr:INUNSIGNED(word_w-op_w-1DOWNTO0);--地址 output:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);

data_r_out:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(19DOWNTO0);--微指令R

op_out:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(op_w-1DOWNTO0);--操作码

add_r_out:OUTUNSIGNED(4DOWNTO0) --微地址R); ENDENTITY;ARCHITECTURErtlOFCPUIS TYPEmem_arrayISARRAY(0TO2**(word_w-op_w)-1)OFSTD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);--定义RAM SIGNALmem:mem_array; CONSTANTprog:mem_array:=( 0=>op2slv(load)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(4,word_w-op_w)), 1=>op2slv(add)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(5,word_w-op_w)), 2=>op2slv(store)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(6,word_w-op_w)), 3=>op2slv(bne)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(7,word_w-op_w)), --TO_UNSIGNED转换函数将4转换为5位“00100” 4=>STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(2,word_w)), 5=>STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(3,word_w)), OTHERS=>(OTHERS=>'0')); TYPEmicrocode_arrayISARRAY(0TO14)OFSTD_LOGIC_VECTOR(19DOWNTO0);CONSTANTcode:microcode_array:=(--控制存储器 0=>"00010100010000000001", 1=>"00000000000110000010", 2=>"00001010000000000011", 3=>"00000100001000001111", 4=>"00100010000000000000", 5=>"00000000000100000000", 6=>"00000010100001000000", 7=>"00000010100000100000", 8=>"00000000000110000100", 9=>"01000001000000000101", 10=>"00000000000110000110", 11=>"00000000000110000111", 12=>"00000000000110010000", 13=>"10000010000000000000", 14=>"00000000000000000000");

SIGNALcount:UNSIGNED(word_w-op_w-1DOWNTO0); SIGNALop:STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1DOWNTO0); SIGNALz_flag:STD_LOGIC; SIGNALmdr_out:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0); SIGNALmar_out:UNSIGNED(word_w-op_w-1DOWNTO0); SIGNALIR_out:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0); SIGNALacc_out:UNSIGNED(word_w-1DOWNTO0); SIGNALsysbus_out:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);EGIN

PROCESS(reset,clock) VARIABLEinstr_reg:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0); VARIABLEacc:UNSIGNED(word_w-1DOWNTO0); CONSTANTzero:UNSIGNED(word_w-1DOWNTO0):=(OTHERS=>'0') VARIABLEmdr:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0); VARIABLEmar:UNSIGNED(word_w-op_w-1DOWNTO0); VARIABLEsysbus:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0); VARIABLEmicrocode:microcode_array; VARIABLEadd_r:UNSIGNED(4DOWNTO0); VARIABLEdata_r:STD_LOGIC_VECTOR(19DOWNTO0); VARIABLEtemp:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0); BEGIN --内部信号传递IFreset='0'THEN

add_r:=(OTHERS=>'0'); count<=(OTHERS=>'0');

instr_reg:=(OTHERS=>'0'); acc:=(OTHERS=>'0');

mdr:=(OTHERS=>'0'); mar:=(OTHERS=>'0');

z_flag<='0';

mem<=prog;

sysbus:=(OTHERS=>'0'); ELSIFRISING_EDGE(clock)THEN --microprogramcontroller

data_r:=code(TO_INTEGER(add_r)); IFdata_r(4DOWNTO0)="01111"THEN--判断下地址

temp:="01"&op(2DOWNTO0);

add_r:=UNSIGNED(temp); ELSIFdata_r(4DOWNTO0)="10000"THEN IFz_flag='1'THEN

add_r:="01110"; ELSE

add_r:="01101"; ENDIF; ELSE

add_r:=UNSIGNED(data_r(4DOWNTO0)); ENDIF;

data_r_out<=data_r;

add_r_out<=add_r;

--PC IFdata_r(16)='1'THEN--PC_bus='1'

sysbus:=rfill&STD_LOGIC_VECTOR(count); ENDIF; IFdata_r(19)='1'THEN--load_PC='1' count<=UNSIGNED(mdr(word_w-op_w-1DOWNTO0)); ELSIFdata_r(10)='1'THEN--INC_PC='1' count<=count+1; ELSE count<=count; ENDIF; --IR IFdata_r(15)='1'THEN--load_IR

instr_reg:=mdr; ENDIF; IFdata_r(9)='1'THEN--Addr_bus='1'

sysbus:=rfill&instr_reg(word_w-op_w-1DOWNTO0); ENDIF; op<=instr_reg(word_w-1DOWNTOword_w-op_w);

IR_out<=instr_reg;

op_out<=op;--ALU IFdata_r(17)='1'THEN--load_ACC='1' acc:=UNSIGNED(mdr); ENDIF; IFdata_r(11)='1'THEN--ALU_ACC='1' IFdata_r(6)='1'THEN--ALU_add='1' acc:=acc+UNSIGNED(mdr); ELSIFdata_r(5)='1'THEN--ALU_sub='1' acc:=acc-UNSIGNED(mdr); ENDIF; ENDIF; IFdata_r(18)='1'THEN--ACC_bus='1'

sysbus:=STD_LOGIC_VECTOR(acc); ENDIF; IFacc=zeroTHEN

z_flag<='1'; ELSE

z_flag<='0'; ENDIF;

acc_out<=acc;--RAM IFdata_r(14)='1'THEN--load_MAR='1' mar:=UNSIGNED(sysbus(word_w-op_w-1DOWNTO0)); ELSIFdata_r(12)='1'THEN--load_MDR='1'

mdr:=sysbus; ELSIFdata_r(8