基于微程序控制器的模型计算机设计

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1、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

2、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

3、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+addrR0 STA addr60HXXH R0addr

4、 OUT addr80HXXH addrBUS JMP addrA0HXXH addrPC 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

5、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；

6、 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

7、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： uA4uA0：微程序控制器的微地址输出

8、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

9、 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

10、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

11、0B 0A 09 14100C08 04 JMPOUTSTAADDIN 运行微程序 PCBUS BUS AR PC+1 RAMBUS BUSIR P(1) PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR ROBUS BUSRAM PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR RAMBUS PCAR PC+1 RAMBUS BUSPC PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR RAMBUS BUSDR2 R0DR1 (DR0)+(DR1 )R0 SWR0 图 2.微程序流程图 E、 微代码表设计如下： 地 址 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

12、* * * * * * * * * 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

13、 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

14、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 SWR0 0140 ADD 10H 0210 R0+10HR0 0360 STA 11H 0411 R011 H 0580 OUT 11H 0611 11 HBUS 07A0 JMP 00H 0800 AddrPC 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

15、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。 我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的 山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上 一个非常美好的回忆！ 参参 考考 文文 献献 1 罗克露，单立平，刘辉，俸志刚计算机组成原理北京：电子工业出版社，2004。 2 张兴忠，阎宏印，武淑红数字逻辑与数字系统北京：科学出版社，2004。 3 杨春武，于艳丽，刘敬晗tec-ca 学生实验指导书北京：清华大学科教仪器厂， 2005。