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1、课程设计说明书1. 题目基本模型机的设计不带进位与或运算指令的实现2. 设计的目的及设计原理2.1设计的目的运用所学的知识，通过使用软件HKCPT掌握各个单元模块的工作原理将其组成完整的系统，并了解程 序编译、加载的过程，以及通过微单步、单拍调试理解模型机中的数据流向。本实验主要是设计不带进 位与或运算指令的实现，将汇编语言程序设计，数字逻辑与或运算原理以及计算机组成原理3方面的知 识结合到一起利用此软件平台实现连续几个数的不带进位的与或运算，从而了解逻辑运算运算单元的运 行过程。2.2设计的原理2.2.1计算机中cpu是核心，它是通过指令和微指令的执行来工作的。指令是计算机要完成的某一项功能
2、。它对应到执行的过程中是一段微程序。一段微程序含多条为指令，而一条微指令又含多个微命令。一个微命令驱动某个硬件部件执行某种操作。通过这样一个关系，从而达到由计算机指令来驱动计算机各个硬部件的协调工作以实现一条指令的执行。2.2.2在各个模块中，各模块的控制的控制信号都是手动模拟产生的。而在真正的实验系统中，模型机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能。在本实验平台中，模型 机从内存中取出、解释、执行机器指令都将由微指令和之相配合的时序来完成，即一条机器指令对应 一个微程序。3. 模型机的逻辑框图其中运算器由2片74L181构成8位字长的ALU单元。2片74LS374作为2个数据锁存器（D
3、R1、DR2）, 8芯插座ALU-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平，并且D1CK有上升沿时，那来自数据总线的数据打入锁存器DR1。同样使EDR2为低电平、D2CK有上升沿4.1指令系统此次实验涉及的指令有以下几种:MOVA, #data将立即数传递到累加器A中MOVRI,#data将立即数传递到寄存器RI中ADDA,RI加法运算指令SUBA,RI减法运算指令ORLA,#data逻辑或指令ANLA,#data逻辑与指令STAaddr将寄存器中内容写入存储器中HALT停机指令指令系统如下表:指令助记符指令功能指令编码微周
4、期微操作取指微指令T0PC-地址总线-RAMRAM-数据 总线-IR1ADD A.R0(A) + (RIA0CT0A数据总线fDR1ADD A.R10DT1RIf数据总线fDR2ADD A R20ET2ALU数据总线f A、置CYADD A,R30FT3取指微指令SUB A.R0(A)-(RI)fA1CT0A数据总线fDR1SUB A,R11DT1RIf数据总线fDR2SUB A.R21ET2ALU数据总线f A、置CYSUB A.R31FT3取指微指令MOV A,#dataDataf A5FT0RAM数据总线一AT1取指微指令MOV R0,#dataData(RI)6CT0RAM数据总线fR
5、IMOV R1,#data6DT1取指微指令MOV R2,#data6EMOV R3,#data6FSTA addr(A)faddr8FT0RAM数据总线f IR2T1IR2f地址总线，T2ARAM取指微指令ORL A,#data)A)或 dataACFT0A数据总线DR1T1RAM数据总线DR2T2ALU数据总线一AT3取指微指令ANL A,#data(A)或 dataADFT0A数据总线DR1T1RAM数据总线DR2T2ALU数据总线一AT3取指微指令HALT停机FFT0停机4.2指令格式一般指令由操作码和操作码组成，如下所示:操作码地址码此实验所涉及指令的格式如下：MOV指令采用双字节指
6、令，其格式如下76543210操作码X XRiDataMOV指令采用单字节指令，其格式如下76543210操作码ARiADD指令采用单字节指令，其格式如下76543210操作码RiASUB指令采用单字节指令，其格式如下76543210操作码RiAORL逻辑或指令采用单字节指令，其格式如下76543210操作码AdataANL逻辑与指令采用单字节指令，其格式如下:76543210操作码AdataSTA取数据指令，其格式如下76543210操作码XX XXdataaddr停机指令（HALT），其格式如下:76543210操作码X XX X5. 微程序的设计及其实现的方法5.1微程序入口地址的形成在
7、本实验平台的硬件设计是采用的24位微指令，若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，那么至多可 有24个微操作控制信号，可由微代码直接实现。若采用多组编码译码，那么24位的微代码通过二进制译 码可实现2n个互斥的微操作控制信号。由于模型机指令系统规模较小，功能也不太复杂，所以采用全水平 不编码纯控制场的微指令格式。在模型机中，用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地 址MD0-MD7。这种方法称为“按操作码散转”（如下表所示）。微程序首地址形成MD7MD6MD5MD4MD3MD2MD1MD0001716151411按操作码散转指令操作码微程序首地址MD7、MD6I7I6I5I4MD1
8、、MD0MD7-MD0000001003H000011007H00010100BH00011100FH001001013H001011017H00110101BH00111101FH010001023H010011027H01010102BH01011102FH011001033H011011037H01110103BH01111103FH此次实验程序中的微程序指令如下表:指令助记符微地址有效值微指令十六进制编码ADD A,RI03HFFFCF904HFF7F7905HFFFBA906H4DFFFFSUB A,RI07HFFFCD608HFE7F5609HFFFB860AH4DFFFFMOV
9、A,#data17HDDFBFF18H4DFFFF19H1AHMOV RI,#ADD1BHDDBFFF1CH4DFFFF1DH1EHSTA addr23HD5FFFF24HBBFDFF25H4DFFFF26HORL A,#data33HFFFCFE34HDDFF7E35HFFFBBE36H4DFFFFANL A,#data37HFFFCFB38HDDFF7B39HFFFBBB3AH4DFFFFHALT3FHFFDFFF5.2微指令格式的设计一条微指令的一般格式是如下图：判别测试下地址操作控制顺序控制5.3后续微地址的产生方法由于本系统中指令系统规模不大，功能较简单，微指令采用全水平、不编码的方
10、式，每一个微操作控制信 号由一位微代码来表示，24位微代码至少可表示24个不同的微操作控制信号。用增量方式来控制微代码的 运行顺序，每一条指令的微程序连续存放在微指令存储器连续的单元中。在本系统内，MLD为置微地址的 控制信号，MCK为工作脉冲。当MLD=0、MCK有上沿时，把MD0MD7的值作为微程序的地址，打入微地 址寄存器。当MLD=1、MCK有上升沿时，微地址计数器自动加1。6. 时序安排由于模型机已经确定了指令系统，微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，微程序的入口地址采用操 作码散转方式，微地址采用计数增量方式，所以可确定模型机中时序单元中所产生的每一拍的作用。为了 更好地观察实验
11、的各个中间过程中各寄存器的值，由监控单元产生一个PLS-O的信号来控制时序产生PLS-O 信号经过时序单元的处理产生了4个脉冲信号。4个脉冲信号组成一个微周期，为不同的寄存器提供工作脉 冲。PLS1：微地址寄存器的工作脉冲，用来设置微程序的首地址及微地址加1。PLS2： PC计数器的工作脉冲，根据微指令的控制实现PC计数器加1和重置PC计数器（如跳转指令） 等功能。PLS3：把24位微指令打入3片微指令锁存器PLS4：把当前总线上的数据打入微指令选通的寄存器7. 指令执行流程在每个系统中，一条指令从内存取出到执行完毕，需要若干个机器周期，任何指令中都必须有一个机器 周期作为“取指令周期”，称为
12、公操作周期。而一条指令共需几个机器周期取决于指令在机器内实现的复杂 程度。对于微程序控制的计算机，在设计指令执行流程时，要保证每条微指令所含的微操作的必要性和合理性， 还应知道总线的IAB，IDB，OAB，ODB仅是传输信息的通路，没有寄存信息的功能，而且必须保证总线传输 信息时信息的唯一性。以下描述取微指令执行周期：在模型机处于停机状态时，模型机的微地址寄存器被清零，微指令锁存器输出无效。在处于停机状态时， 脉冲PLS1对微地址寄存器（74LS161）无效，微地址寄存器保持为零。脉冲PLS2对PC计数器无效，同时 PLS2把HALT= 1打入启停单元中的运行状态寄存器（74LS74）中，把模型机置为运行状态，使微程序锁存器 输出有效。PLS3把微程序储存器00H单元中的内容打入指令寄存器中。在模型机处于运行状态时，脉冲PLS1将微地址寄存器（74LS161）加一，脉冲PLS2将PC计数器加1， PLS3把微程序存储器中的微指令打入微指令锁存器并且输出。PLS4把当前总线上的数据打入当前微指令所 选通的寄存器。对于此次实验每条指令的执行流程如下:微周操期指令助T0T1T2T3取指微指令PC-地址总线-
