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1、 沈阳理工大学课程设计专用纸 No23目录一、实验计算机的设计11整机逻辑框图设计12指令系统的设计23微操作控制部件的设计33.1微指令编码的格式设计33.2微操作控制信号设计43.3微程序顺序控制方式设计53.4微程序设计104设计组装实验计算机接线表185编写调试程序19二、实验计算机的组装19三、实验计算机的调试231调试前准备232程序调试过程253调试结果25参考资料26一、实验计算机的设计1整机逻辑框图设计 图1-1 模型机结构框图2指令系统的设计指令格式：1） 算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：7 6 5 43 21 0OP
2、-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：rs或rd选定寄存器00R001R110R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2-12） 访问及转移指令设定有2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式如下7 65 43 21 000MOP-CODErdD其中OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=(D)E=(R1)+DE=(PC)
3、+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。3） I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中addr=01时，选中“数据输入电路”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选择“输出显示电路”中的数码管作为输出设备。4） 停机指令指令格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODE0000HALT指令，用于实现停机操作。指令系统：本机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条。输入输出指令2条，其他指令1条。表2-1列出了各条指令的格式、汇编符号和
4、指令功能。汇编符号指令格式功能CLR rdMOV rs，rdADC rs，rdSBC rs，rdINC rdAND rs，rdCOM rdRRC rs，rdRLC rs，rd0111 00 rd1000 rs rd1001 rs rd1010 rs rd1011 rs rd1100 rs rd1101 rs rd1110 rs rd1111 rs rd0-rdrs-rdrs+rd+cy-rdrs-rd-cy-rdrd+1-rdrsrd-rdrd-rdrd逻辑右移rd逻辑左移LDA M，D，rdSTA M，D，rdJMP M，DBZC M，D00 M 00 rdD00 M 01 rdD00 M
5、10 00D00 M 11 00DE-rsrd-EE-PC当CY=1或Z=1时，E-PCIN addr，rdOUT addr，rd0100 01 rd0101 10 rdaddr-rdrd-addrHALT停机表2-13微操作控制部件的设计3.1微指令编码的格式设计本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA03.2微操作控制信号设计微指令编码中前18位为操作控制字段和测试字段。uA5-uA0为6位的下地址字段微地址。微
6、指令中个控制位的含义如下：S3、S2、S1、S0、M、Cn是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令。S3、S2、S1、S0、M、Cn组合功能表（其中符号“+”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算）：选择M=1逻辑操作M=0 算术操作S3 S2 S1 S0Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）0 0 0 0 F=/AF=AF=A加10 0 0 1F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10 0 1 0F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10 1 0 0F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加
7、10 1 0 1F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B)加A*/B加10 1 1 0F=(/A*B+A*/B)F=A减B减1F=A减B0 1 1 1F=A*/BF=A*/B减1F=A*/B1 0 0 0F=/A+BF=A加A*BF=A加A*B加11 0 0 1F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加11 0 1 0F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加11 0 1 1F=A*BF=A*B减1F=A*B1 1 0 0F=1F=A加AF=A加A加11 1 0 1F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加10 0 1 1F=0F=减1(2的补)F=01 1
8、1 0F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11 1 1 1F=AF=A减1F=AWE是写内存的微命令，状态“1”有效。1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、“01”。 状态“00”为无效。F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译码电路74138译码输出8种状态，前7种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。F3字段包含P1- P4四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。、三个字段的编码方
9、案如下表。 F1字段 F2字段 F3字段15 14 13 选择12 11 10选择9 8 7选择0 0 0 LDRi0 0 0 RAG0 0 0 P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0 LDR20 1 0 RCG0 1 0 P30 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1 LAR1 0 1 PC-G1 0 1 LPC1 1 0LDIR1 1 0299G1 1 0P4 其中微命令LDRi表示写寄存器操作。微命令LOAD表示程序计数器PC写操作。微命令LDR2表示数据暂存器LT2写操作。微命令LDR1表示数据暂存器LT1
10、写操作。微命令LAR表示地址寄存器AR写操作。微命令LDIR表示指令寄存器写操作。微命令RAG表示源寄存器读操作。微命令ALU-G表示运算器输出操作。微命令RCG表示目的寄存器读操作。微命令PC-G表示程序计数器PC读操作。微命令LPC表示程序计数器PC选通操作。微命令299-G表示移位寄存器读写操作。微命令RBG表示变址寄存器读操作。3.3微程序顺序控制方式设计3.3.1微程序控制部件组成原理它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。其工作过程是：每读出一条微指令，则执行这
11、条微指令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微指令。读出一条微指令并执 行微指令的时间总和称为一个微指令周期。通常，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。 微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄
12、存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改微地址的任务。 微程序控制原理图3.3.2微程序入口地址形成方法采用多路转移方式，根据判别测试条件，通过微地址形成电路使微程序转入相应的微地址入口。本系统有3个判别测试位：P4判别测试位是根据指令译码输入CA1、CA2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的mA0、mA1位产生3路分支转移，使微程序分别转移到写机器指
13、令、读机器指令、和执行机器指令三种状态的微程序的入口。P1判别测试位是根据指令中的前4位操作码IR7、IR6、IR5、IR4的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的mA3、mA2、mA1、mA0位产生16路分支转移，使微程序分别转移到IN指令、ADD指令、MOV指令、OUT指令、RRC指令等16条机器指令执行阶段的微程序的入口。P2判别测试位是根据指令中的2位操作码IR3、IR2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的mA1、mA0位产生4路分支转移，使微程序分别转移到LDA指令、STA指令、BZC指令和JMP指令4条机器指令执行阶段的微程序的入口。3.3.3控存的下地址确定方法微程序顺序控制方式也即微程序执行过程中下一条微指令地址的确定方式。常
