1、復雜模型機設(shè)計報告西安科技大學計算機科學技術(shù)學院復雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)一、實驗?zāi)康?1)、融會貫通本課程各章的內(nèi)容，通過知識的綜合運用，深化計算機系統(tǒng)統(tǒng)一各模塊的工作原理和相互關(guān)系的認識，掌握零部件單元電路實驗的基礎(chǔ)以上是微程序控制器模塊、運算器模塊、存儲器模塊的組合而構(gòu)成的基本的模型機。(2)學習計算機設(shè)計和調(diào)試的基本步驟和方法，提高使用集成電路的基本技能，用微可編程控制器控制樣機的數(shù)據(jù)通道。(3)培養(yǎng)科研獨立工作能力，通過CPU執(zhí)行十幾條機械指令的簡單程序，掌握機械指令與微指令的關(guān)系，建立利用指令控制整個機械(輸入、輸出、運算、存儲系統(tǒng))的概念。二、實驗設(shè)備(1)電腦臺(2)一臺廣告測試器

2、(3)配線數(shù)多三、實驗內(nèi)容()數(shù)據(jù)格式及指令系統(tǒng)1 .數(shù)據(jù)格式模型機的規(guī)定數(shù)據(jù)使用定點補數(shù)表示數(shù)據(jù)，字長為8比特，其形式如下D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符號零頭其中第七位是符號位，數(shù)值的顯示范圍是：-1X1。2 .指令格式模型設(shè)計了總共16條指令，包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪問和遷移指令和停止指令。(1)算術(shù)邏輯命令設(shè)計了9個算術(shù)邏輯指令，以單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址方式，其形式如下D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0PS代碼雷德雷德其中，OP-CODE是操作碼，rs是源寄存器，rd是目的地寄存器，規(guī)定：rs或rd選定的寄存器000110R0R1R29條算

3、術(shù)邏輯命令的名稱、功能和具體形式如表所示(2)訪問命令和遷移命令模型設(shè)備設(shè)計了四條存儲器(STA )和提取(LDA )兩者作為訪問指令、無條件轉(zhuǎn)換(JMP )和結(jié)果為零或進位轉(zhuǎn)換指令(BZC )作為訪問指令，該指令的長度為2個字節(jié)，其命令形式如下D7 D6D5 D4D3 D2D1 D00 0mPS代碼雷德德. d其中OP-CODE是操作碼，rd是目標寄存器地址(使用LDA、STA命令)。 d是偏移量(正負都可以)，m是地址模式，定義如下地址模式m有效地址e說明00011011E=DE=(D )。E=(RI) DE=(PC) D直接尋址間接地址RI索引修飾相對地址由本模型機規(guī)定的索引寄存器RI被

4、指定給寄存器R2。(3)I/O命令輸入(IN )和輸出(OUT )命令使用以下格式的單字節(jié)命令D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0PS代碼阿德達雷德在此，當addr=01時，選擇“輸入設(shè)備”的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，當addr=10時，選擇“輸出設(shè)備”的數(shù)字塊作為輸出設(shè)備。(4)控制臺命令為了便于調(diào)試、寫入數(shù)據(jù)和程序以及顯示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，該機型設(shè)計了兩個以兩個交換機SWA、SWB的狀態(tài)定義的控制臺指令，如下表所示JKPS控制臺命令011001KRE (只讀存儲器)寫入存儲器RP (啟動主程序)(1)、KWE寫入存儲器：將控制臺的數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容作為程序或數(shù)據(jù)寫入到地址指示燈指示的存儲器單元的功

5、能。(2)、KRE只讀存儲器：把控制臺的數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容作為程序地址，發(fā)送到地址寄存器，把該單元作為開頭地址，連續(xù)讀取所有單元內(nèi)容的功能。 從控制臺上的數(shù)據(jù)燈指示存儲器單元及其單元的數(shù)據(jù)。(3)、RP啟動程序：把數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容作為程序地址發(fā)送到PC，轉(zhuǎn)移到公開操作的功能。(5)停止指令命令的形式如下所示D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0PS代碼0000HALT指令是用來實現(xiàn)停機時間的。3 .指令系統(tǒng)(I )本樣機有16條基本命令，其中算術(shù)邏輯命令7條，訪問命令和程序控制命令4條，輸入輸出命令2條，其他命令1條，表中顯示了各命令的形式、匯編符號、命令功能。指令形式功能011100雷德100

6、0PS雷德1001PS雷德1010PS雷德1011雷德1100PS雷德1101雷德1110PS雷德1111PS雷德0rdPSPSrs rd cyrdrs-rd-cyrdrd 1rdrsrdrdrdPSPSrsrd00m00雷德德. d00m01雷德00m00雷德德. d00m00雷德德. dPSPSrdE電子計算機在CY=1或Z=1的情況下電子計算機010001雷德010101雷德PSPSPS-PS010001雷德停機時間(ii )整體設(shè)計本模型機的數(shù)據(jù)路徑框圖如圖1所示。圖1 :數(shù)據(jù)路徑圖(1)在模型機的實驗中，數(shù)據(jù)通道的控制是微程序控制器完成的，CPU從存儲器中取出機械指令并執(zhí)行指令為止的

7、指令周期是以微指令序列完成的，即機械指令與微程序相對應(yīng)。(2)在本實驗中，將5個機械命令和相關(guān)數(shù)據(jù)寫入RAM和ROM。 通過CPU執(zhí)行由5個機械指令構(gòu)成的簡單程序，掌握機械指令和微指令的關(guān)系。(3)微指令格式：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0mCnWEA9A8甲組聯(lián)賽乙級聯(lián)賽c.cPS 5UA4UA3UA2PS 1PS 0a場b場c場151413選擇121110選擇987選擇000000000001PS001RS-B戰(zhàn)斗機001P(1)010LDDR1010光碟機010P(2)011LDDR2011R1-B011P(3)

8、100LDIR100299-B100P(4)101LOAD101ALU-B戰(zhàn)斗機101PS110LDAR110電腦- b110LDPCA8、A9是2:4解碼器(74LS139 )的輸入端，Y0、Y1、Y2、Y3是解碼器輸出端，其電路結(jié)構(gòu)如下Y0是SW-B，Y1是CE，Y2是LED-B，Y3是空的。 DDR1表示LDDR1，DDR2表示LDDR2圖2寄存器解碼電路圖(iii )微程序設(shè)計根據(jù)機械指令系統(tǒng)的要求，設(shè)計微程序的流程如下圖3 :微程序流程圖四、微地址遷移邏輯的設(shè)計(1)、微地址轉(zhuǎn)移邏輯的設(shè)計微地址為6比特，由3個雙d正邊緣觸發(fā)器(74LS74 )構(gòu)成，具有預(yù)設(shè)端子和歸零端子，在不判別測

9、試的情況下，微地址寄存器的內(nèi)容是下一個微命令地址。 P(1)P(2)P(3)P(4)和FC、FZ發(fā)生時，轉(zhuǎn)變邏輯輸出脈沖在觸發(fā)的預(yù)設(shè)端或歸零端，將觸發(fā)源的“0”從“1”或“1”變更為“0”，修正微地址，進行了修正的麥克風根據(jù)微程序流程圖，執(zhí)行下表中的邏輯功能測試欄位功能P(1)將微地址的低位4位置換為指令寄存器的IR7IR4P(2)當P(2)=1時，將原始微地址的第一位和第零位置換為IR3、IR4P(3)如果P(3)=1，則用FC或FZ替換原始微地址的第四位如果CVE=1，則轉(zhuǎn)移到第o位置1、第一位置0，即公開操作.P(4)用SWA、SWB替換原微地址的第1位、第0位在微地址轉(zhuǎn)變邏輯中，還增加

10、了必要的定時控制，其中，微地址的修正信號為T4，經(jīng)由約500ns的延遲用T4的上升沿被修正的微地址被輸入到微地址寄存器中，根據(jù)控制請求生成如圖所示的媽媽FC-實驗機器上是CY (進位標志)FZ-實驗設(shè)備為ZI (全零標記)(2)、微可編程控制器的設(shè)計微程序控制器的原理框圖如圖4所示。 主要由控制存儲器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)變邏輯三部分構(gòu)成，微指令寄存器分為微地址寄存器和微指令寄存器兩部分。圖4是微程序控制器的結(jié)構(gòu)原理框圖計算機操作控制單元根據(jù)設(shè)計方法，操作控制單元分為組合邏輯型、存儲邏輯型、組合邏輯和存儲邏輯型三種，第一種稱為硬布線，第二種稱為微程序控制器，第三種稱為門陣列控制器，這次的設(shè)計主

11、要是第二種設(shè)計方法，即微處理器本模型機的命令字長24并行采用3個E2PROM，微命令字寄存器的長度也設(shè)為24位，偽命令寄存器由2個74L273和1個74LS175構(gòu)成，占有18位的微命令，微地址寄存器由74LS175E2PPROM控制存儲器被用于存儲實現(xiàn)所有指令系統(tǒng)的所有程序，在只讀存儲器中，如果程序固化，則在機器執(zhí)行時不是只讀的，其操作過程可以讀取一個指令、執(zhí)行一個指令，讀取下一個指令微指令寄存器存儲當前正在執(zhí)行的指令的微指令，該微指令控制所有裝置都正常地操作，并使用轉(zhuǎn)換邏輯來修改微地址。 根據(jù)控制要求，制作顯示微程序控制器的邏輯電路圖。圖5的微地址轉(zhuǎn)移邏輯電路圖對應(yīng)的公式如下所示SE1=T

12、4(SWAP4 P2I2 I3P1)SE2=T4(SWBP4 P2I4 I5P1)SE3=P1T4I6SE4=P1T4I7SE5=(FC FZ)T4P3)根據(jù)流程圖，決定下一個微程序地址命令s3-s0mnwea9a19-16ab6c54321000000 0001 1000 0001 0000 100001 01ED820000 0001 1110 1101 1000 001002 00C0500000 0000 1100 0000 0101 000003 00A0040000 0000 1010 0000 0000 010004 00E0A00000 0000 1110 0000 1010

13、000005 00E0060000 0000 1110 0000 0000 011006 00A0070000 0000 1010 0000 0000 011107 00E0A00000 0000 1110 0000 1010 000008 01ED8A0000 0001 1110 1101 1000 101009 01ED8C0000 0001 1110 1101 1000 11000A 00A03B0000 0000 1010 0000 0011 10110B0000 0001 1000 0000 0000 00010C 00203C0000 0000 0010 0000 0011 11000D 00A00E0000 0000 1010 0000 000