1、一、課程設(shè)計的目的通過課程設(shè)計，更清楚地理解以下基本概念：1.計算機(jī)的基本硬件組成；2.計算機(jī)中機(jī)器指令的設(shè)計；3.機(jī)器指令在計算機(jī)中的執(zhí)行過程；4.微程序控制器的工作原理。5.微指令的格式設(shè)計原則；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了能夠運(yùn)行一些基本機(jī)器指令的微程序。二。課程設(shè)計的內(nèi)容和要求1.通過使用作者開發(fā)的微程序分析和仿真軟件，我熟悉了為本文介紹的基本模型機(jī)設(shè)計的微程序的執(zhí)行過程。必須充分理解并正確解釋以下問題：(1)微指令的每個字段在微程序中的作用。哪些字段沒有被解碼，哪些字段被直接解碼，哪些字段可以被視為間接編碼。(2)微程序中的微指令是否按順序執(zhí)行，如果不是，如何生成二級地址。在什么情況下，輔助地

2、址字段是要執(zhí)行的微指令的地址？(3)如何根據(jù)機(jī)器指令中的相關(guān)位在微程序中進(jìn)行分支，從而在設(shè)計機(jī)器指令時如何避免和解釋其他指令的微指令的微地址沖突。(4)哪些微指令用于執(zhí)行所有指令。(5)解釋機(jī)器指令的微程序的每個微指令的微地址是否連續(xù)？為這些微指令安排微地址的嚴(yán)肅原則是什么？6為什么必須用兩條微指令來讀寫存儲器？(7)機(jī)器程序中使用的寄存器是R0，哪個位由機(jī)器指令決定？如果要使用R1或R2，你想重寫微程序還是機(jī)器指令？如果是，應(yīng)該如何重寫？2.將實現(xiàn)以下功能的機(jī)器指令添加到原來的5條機(jī)器指令中，嘗試設(shè)計相應(yīng)的機(jī)器指令格式，并重寫原來的微程序，使其能夠運(yùn)行所有的機(jī)器指令。新添加的機(jī)器指令的功能有

3、：寄存器MOV RD、rs: (rs) (rd)之間的數(shù)據(jù)傳輸指令減法指令SUB R0，(addr): (r0)-(addr) (r0)和指令與研發(fā)，rs: (rs)和(rd) (rd)或訂單或研發(fā)，rs: (rs)或(rd) (rd)異或指令RS和RD可以是R0、R1和R2中的任何一個。3.寫一份課程設(shè)計報告來解釋你的設(shè)計思想，例如如何實現(xiàn)每條指令的分支，如何在微程序中重新排列每條指令對應(yīng)的微指令的微地址，以及如何設(shè)計每條微指令的代碼。要求畫一個用微命令表示的微流程圖，并適當(dāng)?shù)亟忉屗?。三、基本機(jī)型的硬件結(jié)構(gòu)基本模型機(jī)器的中央處理器和系統(tǒng)硬件組件如圖1所示。圖1模型機(jī)的中央處理器和系統(tǒng)硬件組成

4、每個部件的功能和控制信號如下：算術(shù)單元由算術(shù)邏輯單元ALU(8位)、寄存器DR1、DR2和通用寄存器組成。ALU的功能控制信號為S3、S2、S1、S0、m、CN，可實現(xiàn)48種算術(shù)和邏輯運(yùn)算功能，如圖2所示。算術(shù)單元具有單總線結(jié)構(gòu)，其輸入端分別連接到寄存器DR1和DR2，其用于加載數(shù)據(jù)的微命令分別是LDDR1和LDDR2。當(dāng)它們處于1電平時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通過拍頻脈沖T4加載到相應(yīng)的寄存器中。R0、R1和R2是通用寄存器。加載R0數(shù)據(jù)的微命令為LDR0，加載R1數(shù)據(jù)的微命令為LDR1，加載R2數(shù)據(jù)的微命令為LDR2。299是用于實現(xiàn)換檔操作的裝置。當(dāng)299B微命令有效時，其數(shù)據(jù)端子連接到數(shù)據(jù)總

5、線?？刂破饔沙绦蛴嫈?shù)器、指令寄存器、地址寄存器、定時電路、控制存儲器和相應(yīng)的解碼電路組成。程序計數(shù)器PC的功能是存儲下一條指令的地址，其輸出是向地址寄存器提供要在存儲器中執(zhí)行的指令的地址。提供地址后立即加1，指向指令的下一個字節(jié)或下一條指令的地址。有三個控制微命令。當(dāng)LOAD=0且LDPC=1時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通過T4的正轉(zhuǎn)換被加載到個人計算機(jī)中；當(dāng)LOAD=1且LDPC=1時，P1加1；當(dāng)印刷電路板=1時，地址信息指令寄存器IR用于存儲當(dāng)前執(zhí)行的指令。當(dāng)微命令LDIR=1時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)由節(jié)拍脈沖T3加載。地址寄存器AR存儲要從存儲器讀取的數(shù)據(jù)或指令的地址，或者要寫入存儲器的數(shù)據(jù)或指令

6、的地址。當(dāng)微命令LDAR=1時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)由拍頻脈沖T3加載。內(nèi)存是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的。當(dāng)芯片選擇信號CE=0時，如果信噪比為0，則根據(jù)AR中的地址從存儲器中讀出數(shù)據(jù)并發(fā)送到數(shù)據(jù)總線；如果寫/寫比為1，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)將根據(jù)隨機(jī)存取存儲器中的地址寫入存儲器。芯片選擇信號CE是通過對微指令中的相關(guān)字段(B1B0)進(jìn)行解碼而產(chǎn)生的。模型機(jī)器有兩個外部設(shè)備：輸入設(shè)備是一個設(shè)置數(shù)字開關(guān)軟件，用于設(shè)置數(shù)據(jù)或地址。當(dāng)微命令SWB=0時，設(shè)定數(shù)據(jù)被發(fā)送到數(shù)據(jù)總線；還通過對微指令中的相關(guān)字段(B1B0)進(jìn)行解碼來生成SWB。輸出設(shè)備是一個二位發(fā)光二極管數(shù)碼管。當(dāng)微命令LEDB=1時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被

7、發(fā)送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。圖2 74LS181菜單四、教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計助記機(jī)器指令代碼表示在0000研發(fā)；設(shè)置號碼開關(guān)軟件的狀態(tài)(KD0 KD7)研發(fā)地址0001研發(fā)；(RD)(地址)(RD)地址0010盧比；(RS)(addr)OUT地址0011；(地址)輸出設(shè)備發(fā)光二極管MOV路0101號；(RS)(RD)地址0110路；(RD)-(addr)(RD)RSRD 0111；標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差：和標(biāo)準(zhǔn)偏差(標(biāo)準(zhǔn)偏差)或1000 RSRD；標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差：和標(biāo)準(zhǔn)偏差(標(biāo)準(zhǔn)偏差)異或1001 RSRD；標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差：和標(biāo)準(zhǔn)偏差(標(biāo)準(zhǔn)偏差)JMP addr 0100；地址電腦描述：指令輸入是單字節(jié)

8、指令，其余是雙字節(jié)指令，第二個字節(jié)是要讀寫的主存儲單元的二進(jìn)制地址碼。前三條指令的第一個字節(jié)的最后兩位代表通用寄存器代碼。=00，RX=R0=01，RX=R1；=10，RX=R2；不允許等于11。V.微程序設(shè)計1.讀寫主存和十條微指令的執(zhí)行流程為了能夠連續(xù)讀寫存儲器，寫相應(yīng)的P(4)測試微程序。微程序流程圖如下：2.模型機(jī)器的微指令格式該模型機(jī)的微指令長度為24位，基本采用水平微指令場直接編碼方式?？刂莆坏捻樞蛉缦拢浩渲?，S3、S2、S1、S0、M、CN ( A24 A19位)為算術(shù)邏輯單元運(yùn)算型控制字段，其輸出無需解碼直接連接到算術(shù)邏輯單元的相應(yīng)控制信號。應(yīng)該指出的是，無論這個字段是如何編碼

9、的，算術(shù)邏輯單元都必須執(zhí)行某種操作。然而，只要不發(fā)出ALUB微命令，ALU操作結(jié)果就不會被發(fā)送到數(shù)據(jù)總線，也就是說，它不會對其他組件的操作產(chǎn)生任何影響。在設(shè)計微程序時，只要不發(fā)出ALUB微指令，就可以任意設(shè)置該字段的編碼。A18位是輸出設(shè)備(發(fā)光二極管)和主存儲器(隨機(jī)存取存儲器)的讀寫控制域。該位為0，表示讀取。該位為1，表示寫入。 A17 A16位(B1B0)域用于選擇外設(shè)和主存儲器。B1B0=01選擇主存儲器(CE有效)，B1B0=00選擇輸入數(shù)據(jù)開關(guān)(SWB有效)，B1B0=10選擇輸出發(fā)光二極管(LEDB有效)。B1B0=11對該型號機(jī)器無效，即沒有選擇外設(shè)或主存儲器。對于本機(jī)型，上

10、述三位可視為一個字段，其編碼含義如下：A18A17A16=000或100從輸入開關(guān)SW讀取數(shù)據(jù)A18A17A16=001從主存儲器讀取數(shù)據(jù)A18A17A16=101將數(shù)據(jù)寫入主存儲器A18A17A16=110向發(fā)光二極管寫入數(shù)據(jù)其他組合毫無意義。 A6 A1位是6位預(yù)置的后續(xù)微地址。“預(yù)置”的含義是該字段、微地址控制字段、指令寄存器的內(nèi)容和其他組件一起生成控制存儲器中下一條微指令的微地址。三個解碼場A、B和C分別由三組解碼控制電路解碼以產(chǎn)生各種微命令。字段A用于生成每個寄存器的數(shù)據(jù)加載微指令。各種代碼的含義見上表。由于模型機(jī)有三個通用寄存器(R0、R1、R2)，它們都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)加載微命令。為

11、了不增加微指令的寬度，本領(lǐng)域只設(shè)計了一個LDRi命令。為了區(qū)分哪個寄存器加載了數(shù)據(jù)，這取決于指令寄存器的最低兩位(I1I0)的狀態(tài)：當(dāng)I1I0=00時，發(fā)出LDR0微命令；當(dāng)I1I0=01時，發(fā)出LDR1微命令；當(dāng)I1I0=10時，發(fā)出LDR2微命令；I1I0=11，對于此型號的機(jī)器無效；字段B中的RSB、RDB和RIB分別是用于源寄存器的內(nèi)容發(fā)送數(shù)據(jù)總線、目的寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)總線和索引寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)總線的微命令。其功能是根據(jù)機(jī)器指令選通三個工作寄存器R0、R1和R2中的一個，并將其內(nèi)容發(fā)送到數(shù)據(jù)總線。具體規(guī)則如下：如果RDB有效，發(fā)送到數(shù)據(jù)總線的寄存器的內(nèi)容是根據(jù)指令寄存器最低兩位(I1I0)

12、的狀態(tài)確定的：當(dāng)I1I0=00時，發(fā)出R0B微命令；當(dāng)I1I0=01時，發(fā)出R1B微命令；當(dāng)I1I0=10時，發(fā)出R2B微命令；I1I0=11，對于此型號的機(jī)器無效；如果RSB有效，則根據(jù)指令寄存器(I3I2)的兩位狀態(tài)將哪個寄存器的內(nèi)容發(fā)送到數(shù)據(jù)總線：當(dāng)I3I2=00時，發(fā)出R0B微命令；當(dāng)I3I2=01時，發(fā)出R1B微命令；當(dāng)I3I2=10時，發(fā)出R2B微命令；當(dāng)I3I2=11時，對該機(jī)型無效；該型號機(jī)器的索引寄存器固定為R2，因此RIB有效，R2B有效。根據(jù)上述字段的設(shè)計規(guī)則，在設(shè)計機(jī)器指令格式時，目標(biāo)寄存器的編碼必須放在指令第一個字節(jié)的I1I0位置，源寄存器的編碼必須放在指令第一個字節(jié)

13、的I3I2位置，并且編碼必須符合上述規(guī)則，即00代表寄存器R0，01代表寄存器R1，10代表寄存器R2。字段b中的299B是移位操作裝置的數(shù)據(jù)端子連接到數(shù)據(jù)總線的微指令。該設(shè)備未在圖中顯示。C字段中的P (1)-P (4)是四個測試字段。其功能是根據(jù)機(jī)器指令的內(nèi)容、 A5 A0域及其他相關(guān)組件，在控制存儲器中生成下一條微指令的微地址，從而將微程序轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的微地址條目，實現(xiàn)微程序的順序、分支和循環(huán)操作。AR是算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位和零判斷標(biāo)志的控制位。低電平有效。LDPC是制造PC 1的微指令。p (1)-p (4)的意義如下：P(1)測試的功能是通過輔助地址字段NA (3-0位)或指令寄存器I

14、R (7-4位)在控制存儲器中生成下一條微指令的3-0位微地址?？刂拼鎯ζ髦械南乱粋€微指令的微地址的5-4位仍然是NA字段的5-4位。P(2)測試的功能是通過二級地址字段NA (1-0位)或指令寄存器IR (3-2位)在控制存儲器中生成下一個微指令的1-0位微地址，并且控制存儲器中下一個微指令的5-2位微地址仍然是NA字段的5-2位。P(3)測試的功能是通過輔助地址字段NA(4位)或進(jìn)位或零標(biāo)志生成控制存儲器中下一微指令的4位微地址，并且控制存儲器中下一微指令的微地址的其它位仍然是NA字段的相應(yīng)位。P(4)測試的功能是在二級地址字段NA (1-0位)或(SWC，SWA)中生成控制存儲器中下一個

15、微指令的1-0位微地址，并且控制存儲器中下一個微指令的5-2位微地址仍然是NA字段的5-2位。3.能夠讀寫主存儲器并執(zhí)行十條機(jī)器指令的微程序設(shè)計00:0001:1002:0003:1104:0005:0106:1007:1108:0109:100A:010B:010C:010D:100E:110F:0110:1011:0012:1113:0114:0015:0116:0117:0018:0119:0020:0121:1122:0023:0124:1025:0126:1027:1128:0029:012A:012B:012C:012D:014.根據(jù)機(jī)器指令設(shè)計測試程序00H:輸入R0:(西南)(

16、R0)01H:添加R0，(10):07H:MOVR1，R0:(R0)(R1)08H:子R0，(10):(R0)-(10)(R0)09H:0AH:和R0、R1:(R1)和(R0)(R0)0BH:或R0、R1:(R1)或(R0)(R0)0CH:異或R0，R1:(R1)異或(R0)(R0)0DH:JMP (00): (00)(個人電腦)0EH:0FH:10H:5.在仿真軟件上運(yùn)行測試程序的結(jié)果微指令10執(zhí)行的操作是：個人計算機(jī)LDAR，允許個人計算機(jī)加1(LDPC=1)和轉(zhuǎn)發(fā)地址：02微指令00執(zhí)行的操作有：存儲器CE有效、存儲器讀取、LDIR、P(1)測試： NA (3 0)或(IR7IR4)、微地址：20微指令01執(zhí)行的操作是：輸入開關(guān)SWB有效，LDR0，微地址：01微指令10執(zhí)行的操作是：個人計算機(jī)LDAR，允許個人計算機(jī)加1(LDPC=1)和轉(zhuǎn)發(fā)地址：02微指令00執(zhí)行的操作有：存儲器CE有效、存儲器讀取、LDIR、P(1)測試： NA (3 0)或(IR7IR4)、微地址：21微指令