計算機(jī)組成原理課程設(shè)計---復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計

1、<p>　　計算機(jī)組成原理課程設(shè)計</p><p>　　題 目：復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計 </p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　該設(shè)計是根據(jù)計算機(jī)組成原理課程所學(xué)的知識，設(shè)計、開發(fā)的一套簡單模型機(jī)。是在DVCC試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，此系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為較高層次、專用于計算機(jī)原理課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)

2、的實(shí)驗(yàn)計算機(jī)系統(tǒng)具有良好的實(shí)驗(yàn)性能和系統(tǒng)的完整性以及可擴(kuò)展性。 </p><p>　　良好的實(shí)驗(yàn)性體現(xiàn)在DVCC系列機(jī)能很好地完成計算機(jī)硬件系統(tǒng)各功能部件的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，它包括運(yùn)算器部件、控制器部件、主存儲器部件、總線和幾種最重要的外設(shè)接口實(shí)驗(yàn)，包括中斷、定時計數(shù)器、輸入/輸出接口等；計算機(jī)的CPU自行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，配有小的監(jiān)控程序，有自己的匯編語言的支持。在相應(yīng)軟件的配合下，將各功能部件有機(jī)的結(jié)合起來，完成計算機(jī)整機(jī)

3、的實(shí)驗(yàn)。 </p><p>　　系統(tǒng)的完整性體現(xiàn)在DVCC系列機(jī)與學(xué)生常見到的簡單計算機(jī)大體相同，其主要組成與運(yùn)行方式和PC機(jī)差不多，該系列機(jī)是一臺硬軟件相對完整、配置巧妙合理的完整的計算機(jī)系統(tǒng)，通過它能體現(xiàn)出重要教學(xué)內(nèi)容、能完成主要教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。 </p><p>　　可擴(kuò)展性體現(xiàn)在（1）支持高級與初級兩個層次上兩種方式的實(shí)驗(yàn)，高層次的實(shí)驗(yàn)方式是指DVCC系列機(jī)與PC微機(jī)連起來運(yùn)行，可以

4、動態(tài)顯示整個實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)流的流向和當(dāng)前的各種參數(shù)；初級實(shí)驗(yàn)方式是指不接任何計算機(jī)外圍設(shè)備，只用DVCC系列機(jī)上的開關(guān)、按鍵及指示燈、數(shù)碼管顯示器等操作，控制實(shí)驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行，同時顯示運(yùn)行的結(jié)果。（2）在基本系統(tǒng)上支持多項(xiàng)擴(kuò)展功能，它包括一個在系統(tǒng)大規(guī)模可編程器件，一個并行接口電路，一個定時/計數(shù)器電路，一個用萬能接線板組成的通用擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)板。 </p><p><b>　　摘 要</b><

5、;/p><p>　　本設(shè)計完成一個簡單模型計算機(jī)的設(shè)計，設(shè)計中使用的運(yùn)算器是74LS181，存儲器是6264，與相應(yīng)的譯碼電路、鎖存電路以及輸入輸出電路組成了模型機(jī)的硬件基礎(chǔ)。當(dāng)然光有硬件電路不是一個完整的計算機(jī)，本設(shè)計還設(shè)計了相應(yīng)的微指令和微程序組成具有一定功能的指令系統(tǒng)，包括IN,OUT,STA,LDA,JMP,BZC,CLR,MOV,AND,OR,HALT。為了測試指令系統(tǒng)的正確性，設(shè)計中還編寫了小程序A AN

6、D B OR C 來驗(yàn)證指令。</p><p>　　關(guān)鍵詞：簡單模型計算機(jī)機(jī) 運(yùn)算器 存儲器 微指令 微程序</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p><b>　　摘 要2</b><

7、/p><p>　　第一章 設(shè)計目的和設(shè)計原理4</p><p><b>　　1.1設(shè)計目的4</b></p><p><b>　　1.2設(shè)計原理4</b></p><p>　　第二章 總體設(shè)計6</p><p>　　第三章 詳細(xì)設(shè)計7</p><p&

8、gt;　　3.1運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu)7</p><p>　　3.2存儲器系統(tǒng)的組成與說明10</p><p>　　3.3指令系統(tǒng)的設(shè)計與指令分析11</p><p>　　3.4微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)及功能12</p><p>　　3.5微程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)16</p><p>　　第四章 系統(tǒng)調(diào)試22</p

9、><p><b>　　總 結(jié)23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　致 謝25</b></p><p>　　第一章 設(shè)計目的和設(shè)計原理</p><p><b>　　1.1設(shè)計目的<

10、/b></p><p>　　融會貫通計算機(jī)組成原理課程中各章的內(nèi)容，通過知識的綜合運(yùn)用，加深對計算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識，特別是對硬連線控制器的認(rèn)識，建立清晰的整機(jī)概念。對計算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程有更深的了解,加深對理論課程的理解。</p><p>　　在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組

11、成系統(tǒng)地構(gòu)造一臺基本模型計算機(jī)。</p><p><b>　　1.2設(shè)計原理</b></p><p><b>　?。?）運(yùn)算器</b></p><p>　　設(shè)計中所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路，其中運(yùn)算器由兩片74LS181以并/串形成8位字長的ALU構(gòu)成。運(yùn)算器的輸出經(jīng)過一個三態(tài)門74LS245(U33)到ALUO1插座，實(shí)驗(yàn)時用

12、8芯排線和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線BUSD0～D7插座BUS1～6中的任一個相連，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線通過LZD0～LZD7顯示燈顯示；運(yùn)算器的兩個數(shù)據(jù)輸入端分別由二個鎖存器74LS273（U29、U30）鎖存，兩個鎖存器的輸入并聯(lián)后連至插座ALUBUS，測試時通過8芯排線連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一個；參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)來自于8位數(shù)據(jù)開并KD0～KD7，并經(jīng)過一三態(tài)門74LS245（U51）直接連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0～EXD

13、7，通過數(shù)據(jù)開關(guān)輸入的數(shù)據(jù)由LD0～LD7顯示。 </p><p>　　算術(shù)邏輯運(yùn)算功能發(fā)生器 74LS181（U31、U32）的功能控制信號S3、S2、S1、S0、CN、M并行相連后連至SJ2插座，測試時通過6芯排線連至6位功能開關(guān)插座UJ2，以手動方式用二進(jìn)制開關(guān)S3、S2、S1、S0、CN、M來模擬74LS181（U31、U32）的功能控制信號S3、S2、S1、S0、CN、M；其它電平控制信號LDDR1、L

14、DDR2、ALUB`、SWB`以手動方式用二進(jìn)制開關(guān)LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB來模擬，這幾個信號有自動和手動兩種方式產(chǎn)生，通過跳線器切換，其中ALUB`、SWB`為低電平有效，LDDR1、LDDR2為高電平有效。 </p><p>　　另有信號T4為脈沖信號，在手動方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，只需將跳線器J23上T4與手動脈沖發(fā)生開關(guān)的輸出端SD相連，按動手動脈沖開關(guān)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖。</p&

15、gt;<p>　　帶進(jìn)位控制運(yùn)算器增加進(jìn)位控制部分，其中高位74LS181（U31）的進(jìn)位CN4通過門UN4E、UN2C、UN3B進(jìn)入UN5B的輸入端D，其寫入脈沖由T4和AR信號控制，T4是脈沖信號，在手動方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，只需將跳線器J23上T4與手動脈沖發(fā)生開關(guān)的輸出端SD相連，按動手動脈沖開關(guān)，即可獲得測試所需的單脈沖。AR是電平控制信號（低電平有效），可用于實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)。從圖中可以看出，AR必須為“0”電平

16、，D型觸發(fā)器74LS74（UN5B）的時鐘端CLK才有脈沖信號輸入。才可以將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果CY鎖存到進(jìn)位鎖存器74LS74（UN5B）中。</p><p><b>　?。?）存儲器</b></p><p>　　主存儲器單元電路主要用于存放實(shí)驗(yàn)機(jī)的機(jī)器指令，它的數(shù)據(jù)總線掛在外部數(shù)據(jù)總線EXD0～EXD7上；它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器74LS273

17、（U37）給出，地址值由8個LED燈LAD0～LAD7顯示，高電平亮，低電平滅；在手動方式下，輸入數(shù)據(jù)由鍵盤提供，并經(jīng)一三態(tài)門74LS245（U51）連至外部數(shù)據(jù)總線EXD0～EXD7，實(shí)驗(yàn)時將外部數(shù)據(jù)總線EXD0～EXD7用8芯排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線BUSD0～BUSD7，分時給出地址和數(shù)據(jù)。它的讀信號直接接地；它的寫信號和片選信號由寫入方式確定。該存儲器中機(jī)器指令的讀寫分手動和自動兩種方式。手動方式下 ，寫信號由W/R` 提供，片選信

18、號由CE`提供；自動方式下，寫信號由控制CPU的P1.2提供，片選信號由控制CPU的P1.1提供。 </p><p>　　由于地址寄存器為8位，故接入6264的地址為A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其實(shí)際使用容量為256字節(jié)。6264有四個控制線：CS1 第一片選線、CS2第二片選線、OE讀線、WE寫線。其功能如表3—4所示。CS1片選線由CE`控制（對應(yīng)開關(guān)CE）、OE讀線直接接地、WE寫線由W/R`

19、控制（對應(yīng)開關(guān)WE）、CS2直接接+5V。</p><p>　?。?）部件測試過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而總體測試將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，測試計算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序。 </p><p>

20、　　為了向主存儲器RAM中裝入程序或數(shù)據(jù)，并且檢查寫入是否正確以及能運(yùn)行主存儲器中的程序，必須設(shè)計三個控制操作微程序。 </p><p>　　·存儲器讀操作：撥動總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWB、SWA為“0 0”時，按要求連線后，連續(xù)按“啟動運(yùn)行”開關(guān)，可對主存儲器RAM連續(xù)手動讀操作。 </p><p>　　·存儲器寫操作：撥動總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWB、SWA為“0

21、 1”時，按要求連線后，再按“啟動運(yùn)行”開關(guān)，可對主存儲器RAM進(jìn)行連續(xù)手動寫入。 </p><p>　　·運(yùn)行程序：撥動總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWB、SWA為“1 1”時，按要求連線后，再按“啟動運(yùn)行”開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程序運(yùn)行。 </p><p>　　上述三條控制指令用兩個開關(guān)SWC、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：</p><p

22、><b>　　表1-1 控制指令</b></p><p>　　(4) 指令寄存器 </p><p>　　指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制構(gòu)成，為了執(zhí)行任何一條給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行測試P(1)，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作。

23、“指令譯碼器”根據(jù)指令中的操作碼進(jìn)行譯碼，強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。 </p><p><b>　　第二章 總體設(shè)計</b></p><p>　　基本整機(jī)模型數(shù)據(jù)框圖如圖2-1所示，計算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一

24、個微程序。</p><p>　　圖2-1 模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖</p><p>　　數(shù)據(jù)的通路從程序計數(shù)器PC的地址送到主存的地址寄存器，根據(jù)地址寄存器的內(nèi)容找到相應(yīng)的存儲單元。</p><p>　　存儲器中的數(shù)據(jù)是指令時，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總線，再從總線送到IR中。</p><p>　　存儲器中的數(shù)據(jù)是需要加工的數(shù)據(jù)時，那么數(shù)據(jù)是從RAM

25、送到總線，再動總線送到通用寄存器中等待加工。</p><p>　　數(shù)據(jù)加工過程中，兩個數(shù)據(jù)是從總線上將數(shù)據(jù)分別分時壓入兩個暫存器中，等待運(yùn)算部件的加工，在數(shù)據(jù)加工完成以后。運(yùn)算結(jié)果是通過三態(tài)門送到總線上。</p><p>　　三態(tài)門的控制時由微控制器來控制。</p><p><b>　　第三章 詳細(xì)設(shè)計</b></p><p

26、>　　3.1運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu)</p><p>　　運(yùn)算器模塊主要由兩片74LS181、暫存器兩片74LS273等構(gòu)成。其中74LS181可通過控制器相應(yīng)的控制指令來進(jìn)行某種運(yùn)算，具體由S0、S1、 S2、S3、S4、M來決定。T4是它的工作脈沖，正跳變有效。寄存器堆模塊為實(shí)驗(yàn)計算機(jī)提供了2個8位通用寄存器。它們用來保存操作數(shù)及其中間運(yùn)算結(jié)果，它對運(yùn)算器的運(yùn)算速度、指令系統(tǒng)的設(shè)計等都有密切的關(guān)系。</p

27、><p>　　下面是芯片74LS181的控制邏輯引腳的功能表以及邏輯引腳圖如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 74LS181的控制邏輯引腳的功能表</p><p>　　圖3-1 74LS181的邏輯引腳圖</p><p>　　其中各個引腳的功能如下所示：</p><p>　　M：算術(shù)/邏輯運(yùn)算選擇輸入</

28、p><p>　　M=0算術(shù)運(yùn)算 M=1邏輯運(yùn)算</p><p>　　Cn：帶或不帶進(jìn)位運(yùn)算選擇輸入</p><p>　　Cn =0帶進(jìn)位 Cn =1不帶進(jìn)位</p><p>　　S3～S0：函數(shù)選擇輸入，A3～A0：4位輸入數(shù)據(jù)，B3～B0：4位輸入數(shù)據(jù)</p><p>　　F3～F0

29、：4位表示運(yùn)算結(jié)果的輸出，C n+4：進(jìn)位輸出</p><p>　　圖3-2 74LS273的引腳圖</p><p>　　其中，Q0-Q7表示寄存器的8位數(shù)據(jù)輸出，D0—D7表示向寄存器中輸入8位數(shù)據(jù)的引腳，CLK是用來進(jìn)行寄存器的選定操作，當(dāng)其為高電位時和T4信號一起選定哪個寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。</p><p>　　8位運(yùn)算器的原理圖如圖3-3所示：</p&

30、gt;<p>　　圖3-3 8位運(yùn)算器的原理圖</p><p>　　在該運(yùn)算器中，有兩片74LS181組成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。數(shù)據(jù)的來源由74LS273寄存器提供，74LS273產(chǎn)生8位數(shù)據(jù)，分別送入到74LS181運(yùn)算器中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，而如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送是由LDDR1和LDDR2以及T4信號控制的，當(dāng)LDDR1和T4都為高電平時，選定相應(yīng)的寄存器來進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，同理，LDDR2和T4。然后經(jīng)過相

31、應(yīng)的運(yùn)算之后將產(chǎn)生的結(jié)果通過總線送回到寄存器中。整個數(shù)據(jù)的運(yùn)送過程有相應(yīng)的控制信號提供，S0、S1、 S2、S3、S4、M都是通過控制器的相關(guān)指令來控制。讓其進(jìn)行某種算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。整個數(shù)據(jù)和指令都是通過數(shù)據(jù)總線，控制總線和地址總線來進(jìn)行傳送。</p><p>　　3.2存儲器系統(tǒng)的組成與說明</p><p>　　3.2.1存儲器的詳細(xì)設(shè)計</p><p>　　

32、圖3-4 存儲器的原理圖</p><p>　　說明：該主存儲器采用一級cache-存儲器結(jié)構(gòu)。主要用于存放試驗(yàn)機(jī)的機(jī)器指令。它的數(shù)據(jù)總線掛在外部數(shù)據(jù)總線EXD0～EXD7上；它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器74LS273（U37）給出，地址值由8個LED燈LAD0～LAD7顯示，高電平亮，低電平滅；在手動方式下，輸入數(shù)據(jù)由8位數(shù)據(jù)開關(guān)KD0～KD7提供，并經(jīng)一三態(tài)門74LS245（U51）連至外部數(shù)

33、據(jù)總線EXD0～EXD7，實(shí)驗(yàn)時將外部數(shù)據(jù)總線EXD0～EXD7用8芯排線連到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線BUSD0～BUSD7，分時給出地址和數(shù)據(jù)。它的讀信號直接接地；它的寫信號和片選信號由寫入方式確定。該存儲器中機(jī)器指令的讀寫分手動和自動兩種方式。手動方式下 ，寫信號由W/R` 提供，片選信號由CE`提供；自動方式下，寫信號由控制CPU的P1.2提供，片選信號由控制CPU的P1.1提供。</p><p>　　由于地址寄存器為

34、8位，故接入6264的地址為A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其實(shí)際使用容量為256字節(jié)。6264有四個控制線：CS1 第一片選線、CS2第二片選線、OE讀線、WE寫線。CS1片選線由CE`控制（對應(yīng)開關(guān)CE）、OE讀線直接接地、WE寫線由W/R`控制（對應(yīng)開關(guān)WE）、CS2直接接+5V。</p><p>　　圖中信號線LDAR 由開關(guān)LDAR提供，T3由試驗(yàn)機(jī)上時序模塊電路TS3提供。</p>

35、;<p>　　3.3指令系統(tǒng)的設(shè)計與指令分析</p><p><b>　　機(jī)器指令格式的設(shè)計</b></p><p><b>　　3.3.1數(shù)據(jù)格式</b></p><p>　　數(shù)據(jù)格式如表3-2所示：</p><p>　　D7 D6 D0<

36、/p><p><b>　　表3-2 數(shù)據(jù)格式</b></p><p><b>　　3.3.2指令格式</b></p><p>　　模型機(jī)設(shè)計四大類指令共十條，其中包括算術(shù)指令邏輯指令，I/O指令，存算指令，取算指令，轉(zhuǎn)移指令。</p><p><b>　　算術(shù)指令</b></

37、p><p>　　設(shè)計7條算術(shù)指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器尋址，其格式如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 算數(shù)指令格式</p><p>　　其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，DS目的寄存器，其規(guī)定如下所示：</p><p><b>　　表3-4 寄存器</b></p><p

38、><b>　　訪存指令及轉(zhuǎn)移指令</b></p><p>　　設(shè)計2條訪問指令：即存算STA，取算LDA;2條轉(zhuǎn)移指令：即無條件轉(zhuǎn)移指令JMP，有進(jìn)位跳轉(zhuǎn)指令BZC，指令格式如表3-5所示：</p><p>　　表3-5 訪問指令及轉(zhuǎn)移指令格式</p><p>　　其中,OP-CODE為操作碼，RD為源寄存器的地址(LAD,STA指令用)

39、，D 為位移量，M為尋址模式，其定義如下所示：</p><p><b>　　表3-6 尋址方式</b></p><p>　　本模型機(jī)規(guī)定變址RI為寄存器R2。</p><p><b>　　I/O指令</b></p><p>　　輸入IN指令和輸出指令OUT指令采用單字節(jié)指令，其格式如表3-7所示：&

40、lt;/p><p>　　表3-7 I/O指令格式</p><p>　　其中，addr=01時，選中輸入數(shù)據(jù)開關(guān)KD0~KD7作為輸入設(shè)備,addr=10選中2位數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。</p><p><b>　　3.3.3指令系統(tǒng)</b></p><p>　　本模型機(jī)共有11條基本指令，其中算術(shù)指令7條，訪存指令和程序控制指令

41、4條，輸入輸出指令2條。表3-8列出了各條指令的格式，匯編符合，指令功能。</p><p><b>　　表3-8 指令格式</b></p><p>　　3.4微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)及功能</p><p>　　微程序控制器的結(jié)構(gòu)與微指令的格式密切相關(guān)。    微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示。它由控制存儲器、微

42、地址寄存器、微命令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯幾部分組成。微地址寄存器和微命令寄存器兩者的總長度即為一條微指令的長度，二者合在一起稱為微指令寄存器。</p><p>　　圖3-5 微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　1．控制存儲器</b></p><p>　　ROM中存放微程序，也就是全部的微指令。ROM的容量取決于微指令的總數(shù)。假如控

43、制器需要128條微指令，則微地址寄存器長度為7位。ROM的字長取決于微指令長度。如果微指令為32位，則ROM的字長就是32位。實(shí)際應(yīng)用中ROM可采用EPROM或E2PROM、EAROM，用戶寫入和修改微程序比較方便。</p><p><b>　　2．微命令寄存器</b></p><p>　　微命令寄存器暫存由控制存儲器中讀出的當(dāng)前微指令中控制字段與測試判別字段信息，可

44、由8D寄存器組成。</p><p><b>　　3．微地址寄存器</b></p><p>　　微地址寄存器暫存由控制存儲器讀出的當(dāng)前微指令的下址字段信息。它可由帶RD、SD強(qiáng)置端的D觸發(fā)器組成。其中時鐘端和D端配合用做ROM的讀出打入，用SD進(jìn)行下址修改。</p><p><b>　　4．地址轉(zhuǎn)移邏輯</b></p&

45、gt;<p>　　微指令由ROM讀出后直接給出下一條微指令的地址，這個地址就放在微地址寄存器中。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時通過地址轉(zhuǎn)移邏輯去修改微地址寄存器內(nèi)容，并按修改好的微地址讀出下條微指令。地址轉(zhuǎn)移邏輯是一個組合邏輯電路，其輸入是當(dāng)前微指令的判別測試字段Pi、執(zhí)行部件反饋的“狀態(tài)條件”及時間因素T4。</p><p><b>　　5．控制時序信號</b></p>&

46、lt;p>　　上圖中標(biāo)明了一個基本機(jī)器周期中的控制時序信號。例如用上一周期的T4時間按微地址寄存器內(nèi)容從ROM中讀一條微指令，經(jīng)過一段時間后被讀出，用當(dāng)前周期的T1時間打入到微指令寄存器。T2、T3時間用來控制執(zhí)行部件進(jìn)行操作。T4時間修改微地址寄存器內(nèi)容并讀出下一條微指令。</p><p>　　微控制器寄存器使用的是兩片74LS273和一片74LS175構(gòu)成它們從微命令存儲器中讀出并保存，為后續(xù)模塊提供信

47、息。它是根據(jù)節(jié)拍信號進(jìn)行讀的。</p><p>　　地址轉(zhuǎn)移部分是由一個74LS245作為6的帶強(qiáng)制端的觸發(fā)器構(gòu)成寄存器和構(gòu)成在強(qiáng)制端沒有輸入時使用的是從微存儲器讀出下一條地址。如果強(qiáng)制端有輸入就是強(qiáng)制端給定的地址。強(qiáng)制端給地址主要是在分支的時候給出。</p><p>　　還有三個74LS138夠成地址譯碼部分。分別對應(yīng)A,B,C字段。</p><p><b&

48、gt;　　微控制器的物理設(shè)計</b></p><p>　　微控制器的設(shè)計中根據(jù)其要求，使用的微控制的微控存使用的是3片2816</p><p>　　構(gòu)成。其中每一片使用的是256個字節(jié)并沒有全使用。這主要考慮到是整個模型機(jī)都使用的都是8位的。三片2816實(shí)現(xiàn)的位擴(kuò)張，構(gòu)成24長度微指令。因此根據(jù)起設(shè)計的要求物理設(shè)計的原理圖如圖3-6所示: </p><p&g

49、t;　　3.5微程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　3.5.1指令格式</b></p><p>　　微指令長共24位，其控制位順序如表3-9所示：</p><p>　　A字段 B字段 C字段</p><p>　　表3-9 微指令的格式

50、</p><p><b>　　對表3-7解釋：</b></p><p>　　S3 S2 S1 S0 M</p><p>　　微運(yùn)算器74LS181芯片的控制信號，詳見表3-7。</p><p>　　微W\R信號對RAM和OUT進(jìn)行寫操作，高電平為寫有效。</p><p><b>

51、　　B1,B0:</b></p><p>　　為對外部設(shè)備（RAM, OUTPUT, INPUT）地址進(jìn)行譯碼，B0B1=00時， </p><p>　　INPUT 選中; B0B1 =01時，RAM（CE）選中；B0B1=10的，OUTPUT選中; B0B1=11時，外部設(shè)備不選中。</p><p><b>　　A字段：</b&

52、gt;</p><p>　　LDRi：寄存器輸入選中，具體選擇同指令寄存器（IR）的最低2位（I1，I0）配合，當(dāng)I1，I0=00時為輸入到R0寄存器；I1，I0=01時為R1；I1，I0=10時為R2。 </p><p>　　LDDR1：暫存器DR1選中。 </p><p>　　LDDR2：暫存器DR2選中。 </p><p>　　LDIR

53、：指令寄存器IR選中。 </p><p>　　LOAD：總線數(shù)據(jù)直接裝載到PC計數(shù)器。 </p><p>　　LDAR：地址寄存器AR選。</p><p><b>　　B字段 ：</b></p><p>　　RS-B：為源寄存器輸出選中。具體選擇同指令寄存器（IR）的3，4位（I3，I2）配合，當(dāng)I3，I2=00時為輸入

54、到R0寄存器；I3，I2=01時為R1；I3，I2=10時為R2。 </p><p>　　RD-B：為目的寄存器輸出選中。具體選擇同指令寄存器（IR）的最低2位（I1，I0）配合，當(dāng)I1，I0=00時為輸入到R0寄存器；I1，I0=01時為R1；I1，I0=10時為R2。 </p><p>　　RI-B：為變址寄存器選中。本機(jī)定固定為R2 。 </p><p>　　

55、299-B：移位寄存器輸出選中。 </p><p>　　ALU-B：邏輯運(yùn)算單元結(jié)果輸出。 </p><p>　　PC-B ：PC計數(shù)器輸出。</p><p><b>　　C字段 ：</b></p><p>　　P（1）：分支判斷1，和指令寄存器（IR）的高四位（IR7-IR4）作為測試條件?？煞?6個分支。 </

56、p><p>　　P（2）：分支判斷2，和指令寄存器（IR）的三四位（IR3，IR2）作為測試條件，有4個分支。 </p><p>　　P（3）：分支判斷3，和CY或ZI作為測試條件，有兩個分支。 </p><p>　　P（4）：分支判斷4，和開關(guān)SWB，SBA作為測試條件，有4個分支。用于控制臺控制區(qū) （讀程序，寫程序，和運(yùn)行程序）。 </p><p

57、>　　AR：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時是否影響進(jìn)位和判零標(biāo)志的控制位。 選中時進(jìn)行帶進(jìn)位運(yùn)算。 </p><p>　　LDPC：為PC計數(shù)信號選中。 </p><p>　　UA5……UA0：為下一步微地址。</p><p>　　指令的后續(xù)地址的產(chǎn)生方法是:在沒有跳轉(zhuǎn)的指令中后六位就是下一條微指令的入口地址。在有跳轉(zhuǎn)的指令根據(jù)跳轉(zhuǎn)的條件微控制器根據(jù)相應(yīng)的條件和地址將下地址直

58、接送到為控制器的地址強(qiáng)制端得到下一條指令的地址。 微程序是按順序在在為控存中存放在系統(tǒng)初始化的是時候指令是從00H地址開始的00H地址中存放的是一條跳轉(zhuǎn)指令直接可以跳轉(zhuǎn)到01H的中存放的就是真正在控制程序功能的指令。機(jī)器就根據(jù)指令一條的執(zhí)行。在微控制器的控制下讓機(jī)器根據(jù)指令的來進(jìn)行有條不紊的工作。</p><p>　　為指令的入口地址的形成是根據(jù)機(jī)器指令的高四位進(jìn)行判斷后得出的。每一條微指令都對應(yīng)相應(yīng)

59、的一個地址。地址的編制和每一微指令是一一對應(yīng)。不存在沖突。</p><p>　　3.5.2微程序流程圖</p><p>　　根據(jù)以上的指令設(shè)計，得出的微程序流程圖如圖3-7所示：</p><p>　　在微程序流程圖中總共涉及到13條機(jī)器指令它們分別是：</p><p>　　IN OUT STA LDA JM

60、P BZC</p><p>　　CLR MOV AND OR HALT</p><p>　　其中的指令的格式在上面已經(jīng)介紹。</p><p>　　這些機(jī)器指令指令都是遵循從 取址 譯碼 執(zhí)行 訪存 寫回 5個步驟。在取址總它們都有相同的的操作如圖中標(biāo)號 01H 的作用是從地址指針寄存器中得到指令地址根據(jù)指令地址得出取出指令

61、。這個取址過程是所用的指令的需要執(zhí)行的公操作。</p><p>　　圖中在執(zhí)行完公操作后又給“P(1)”的功能就是譯碼。這里的譯碼工作是使用微控制器的外圍電路中分支的方式。得到下一條微指令的地址。</p><p>　　指令中的STA、 LDA JMP BZC 是四條雙字長的指令。他們有四種尋址方式分別是直接、間接、變址、相對。指令在操作地址的時候都是先得到地址然才能操作。在這里設(shè)計的

62、過程使用的也是同樣的思想。在指令譯碼的過程中對這四條指令使用的方式不是直接判斷應(yīng)該執(zhí)行什么指令，而是先判斷應(yīng)該使用怎樣的尋址方式先找到應(yīng)該操作的主存地址再進(jìn)行操作。</p><p>　　間接尋址的方式的STA指令如下：</p><p>　　第一步：(01H)從地址指針(PC)中得到地址,送到地址寄存器（AR）中，PC自動加一。</p><p>　　第二步：(02H)

63、主存（RAM）中讀出東西送到總線上，送到指令寄存器（IR）中。</p><p>　　第三步：(10H)將（IR）中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼。判斷下一條指令的地址。</p><p>　　第四步：（12H）由于是STA指令是一條雙子長指令。所以在此再次執(zhí)行第一步即可。</p><p>　　第五步：（06H）將主存中的數(shù)據(jù)寫到DR1中。</p><p>　　

64、第六步：(07H) 將R2中的內(nèi)容送到DR2中。</p><p>　　第七步：（08H）將DR1與DR2中的數(shù)據(jù)相加后送到AR中，是STA指令操作地址。并進(jìn)行判斷執(zhí)行的是哪種地址。</p><p>　　第八步：（20H）將相應(yīng)的寄存器中的內(nèi)容送到RAM中。</p><p>　　第九步：回到原操作。</p><p><b>　　3.5

65、.3微指令</b></p><p>　　微指令的格式表3-10所示：</p><p>　　表3-10 微指令格式</p><p>　　設(shè)計復(fù)雜模型機(jī)的監(jiān)控軟件，詳細(xì)如下：</p><p>　　$P00 44 IN 01,R0</p><p>　　$P01 46 IN 02,R2</p>

66、<p>　　$P02 48 IN 03,R1</p><p>　　$P03 61 AND RO,R1</p><p>　　$P04 A4 OR R1,R2</p><p>　　$P05 3C BZC 00,00</p><p><b>　　$P06 00</b></p>&l

67、t;p><b>　　微指令：</b></p><p>　　＄M01 82ED05</p><p>　　＄M02 50C004</p><p>　　＄M034CE105</p><p>　　＄M0405E004</p><p>　　＄M058CE004</p>&l

68、t;p>　　＄M0607E004</p><p>　　＄M0708A205</p><p>　　＄M088CEA95</p><p>　　＄M090AA004</p><p>　　＄M0A0BE005</p><p>　　＄M0B8CEA95</p><p>　　＄M0C01

69、9006</p><p>　　＄M0D019004</p><p>　　＄M0E81D108</p><p>　　＄M0F1E8005</p><p>　　＄M1083ED05</p><p>　　＄M1184ED05</p><p>　　＄M1286ED05</p>

70、<p>　　＄M13896D05</p><p>　　＄M14011004</p><p>　　＄M15010407</p><p>　　＄M16019205</p><p>　　＄M1798ED05</p><p>　　＄M1899A601</p><p>　　＄M19

71、418525</p><p>　　＄M1A1BA205</p><p>　　＄M1B1CB405</p><p>　　＄M1C019AE9</p><p>　　＄M1D018005</p><p>　　＄M1E018005</p><p>　　＄M1F81E104</p>

72、<p>　　＄M20019A39</p><p><b>　　第四章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　PC=01->AR=00->RAM(44)</p><p>　　RAM(44)->IR=44->微控器</p><p>　　INPUT(01)->R0=01</p

73、><p>　　PC=02->AR=01->RAM(46)</p><p>　　RAM(45)->IR=46->微控器</p><p>　　INPUT(02)->R1=02</p><p>　　PC=03->AR=03->RAM(48)</p><p>　　RAM(46)->I

74、R=48->微控器</p><p>　　INPUT(03)->R2=03</p><p>　　PC=04->AR=02->RAM(B4)</p><p>　　RAM(88)->IR=88->微控器</p><p>　　R0=01->DR1</p><p>　　R1=02->

75、;DR2</p><p>　　AUL=00->R1</p><p>　　PC=05->AR=03->RAM(61)</p><p>　　RAM(61)->IR=61->微控器</p><p>　　DR1->R0=03</p><p>　　PC=06->AR=04->RAM

76、(A4)</p><p>　　RAM(A4)->IR= A4->微控器</p><p>　　R1=00->DR1</p><p>　　R2=03->DR2</p><p>　　ALU=03->R2</p><p>　　PC=07->AR=03->RAM(3C)</p>

77、;<p>　　RAM(3C)->IR=3C->微控器</p><p>　　PC=08->AR=07->RAM(00)</p><p>　　RAM(00)->AR=03</p><p>　　2.調(diào)試時的問題及解決</p><p>　　在調(diào)試程序時，由于理論和實(shí)踐沒有很好的結(jié)合在一起，因而遇到了很多問題

78、，總結(jié)起來有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1.接線錯誤。 例如：沒有檢查排線是否正?；蛘哂捎诖中?，排線的插孔沒有對齊，排線接錯，導(dǎo)致程序運(yùn)行錯誤。</p><p>　　2.在寫程序時的錯誤。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　通過本次的課程設(shè)計我進(jìn)一步熟悉了計算機(jī)組成原理的基本知識，同時

79、也了解了模型機(jī)設(shè)計的基本過程，掌握了一些基本的軟硬件設(shè)計知識并對其進(jìn)行了基本的運(yùn)用。在模型機(jī)的設(shè)計中運(yùn)用了很多知識，也學(xué)習(xí)了許多設(shè)計技巧。</p><p>　　本次課程設(shè)計通過查閱資料及瀏覽網(wǎng)頁解決了對基本功能部件的功能了解。課程設(shè)計中微控制器的設(shè)計是最為復(fù)雜的一項(xiàng)，在微控制器設(shè)計中譯碼電路和翻譯電路的設(shè)計是最為困難。微指令的設(shè)計中要求的就是精益求精，細(xì)微至極。設(shè)計過程需要24位的微指令中的每一位都要細(xì)微設(shè)計。&

80、lt;/p><p>　　但是由于課程設(shè)計時間較短，所以該模型機(jī)還有許多不盡人意的地方。二周的課程設(shè)計，提高了我的實(shí)際操作能力，從以前所學(xué)理論上升到實(shí)踐，真正做到了學(xué)有所用。設(shè)計中遇到的最為困難的也是在微指令設(shè)計中對微指令的每一位的正確判斷，為了能正確識別每一位微指令，我們再次做了組成原理實(shí)驗(yàn)，加深對時序和數(shù)據(jù)流向的認(rèn)識和理解。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

81、</p><p>　　白中英. 計算機(jī)組成原理. 科學(xué)術(shù)出版社，2006.8</p><p>　　白中英. 計算機(jī)組成原理題解、題庫、實(shí)驗(yàn). 科學(xué)術(shù)出版社，2006.8</p><p>　　王愛英，計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社，1999</p><p>　　王誠，計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社，1999清華大學(xué)出版社，1999<

82、;/p><p>　　唐朔飛. 計算機(jī)組成原理，高等教育出版社，1993</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先非常感謝學(xué)院開設(shè)計算機(jī)組成原理這個課程設(shè)計，為我以后從事計算機(jī)方面的工作提供了實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，奠定了初步的基礎(chǔ)。</p><p>　　在本次課程設(shè)計中，特別感謝我的指導(dǎo)老師xx老師不辭辛苦的

83、輔導(dǎo)，以及我的計算機(jī)組成原理老師xx老師，他在我學(xué)習(xí)計算機(jī)組成原理的過程中也付出了辛勞的汗水，在此獻(xiàn)上我最誠摯的謝意。還要感謝我的隊友及同學(xué)們，在課程設(shè)計的過程中給予我很大的幫助。同時也要感謝實(shí)驗(yàn)室的xx老師，在課程設(shè)計的過程中也給了我很大的幫助。</p><p>　　無論是在專業(yè)知識還是在學(xué)習(xí)生活中的問題，我們問起來時x老師總是有問必答，而且把問題分析的通通透透，用最簡明扼要的語言分析開了最難懂的問題。xx老師

84、真是一個處處為學(xué)生著想，認(rèn)認(rèn)真真工作的好老師。xx老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平使我們收益匪淺，成為我們以后學(xué)習(xí)和工作的榜樣。我覺得xx老師決不止是在專業(yè)知識對我們的教育，他看來更像一個迷霧中的導(dǎo)航燈，讓我們學(xué)到知識的同時認(rèn)識到我們當(dāng)前的位置和市場的聯(lián)系，給我們指明地方，有很多思想教育都是讓我深思的。在此向杜老師表示深深的感謝和由衷的敬意。</p><p>　　再次感謝以上對我此次課程設(shè)計