课程设计报告课程名称：计算机组成原理设计题目：采用微程序控制器的模型机CPU设计院 系：班 级：设 计 者：学 号：指导教师：目 录 课程设计大作业报告1学院课程设计大作业任务书2一、课题分析5二、总体设计51实验模型机结构5实验模型机结构61 运算器单元ALU UINT62 存放器堆单元REG UNIT63 指令存放器单元INS UNIT64 时序电路单元STATE UNIT65 微控器电路单元MICROCONTROLLER UNIT66 逻辑译码单元LOG UNIT67 主存储器单元MAIN MEM68 输入输出单元INPUT/OUTPUT DEVICE62机器指令的结构和功能71 算术逻辑指令72 访存指令与转移指令83 I/O指令84 停机指令8(3)指令系统81 本模型机共有16条根本指令。82微指令格式9三、分步设计11我们小组共有三位成员，分工分别为：按图连接实验线路，写程序，运行程序。下面为运行程序的具体步骤。11运行程序11四、设计成果重点11五、存在问题与改良建议12六、实验器材12七、参考文献与相关网址12课程设计大作业报告注：针对设计题目1一、 课题分析微程序控制器由控制存储器、微地址存放器、微命令存放器和地址转移逻辑几局部组成。微地址存放器和微命令存放器两者的总长度即为一条微指令的长度，二者合在一起称为微指令存放器。经过我们小组成员讨论，设计顺序大致如下：首先画出了程序的流程，然后写出了汇编程序，并且写出了机器指令，其次我们完成了总体的流程图，然后根据流程图写出了微指令以与微指令代码，将机器指令代码与微指令代码写成了一个txt文档用机器录入，运行程序，对照程序上面显示的图与我们画的流程图进展对照，检查来判断这次试验的成功与否。二、 总体设计1实验模型机结构1 运算器单元ALU UINT运算器单元由以下局部构成：两片74LS181构成了并串型8位ALU；两个8位存放器DR1和DR2为暂存工作存放器，保存参数或中间运算结果。ALU的S0S3为运算控制端，为最低进位输入，M为状态控制端。ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由ALU-B控制该三态门。2 存放器堆单元REG UNIT该局部由3片8位存放器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算结构等。三个存放器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和RS-B根据机器指令进展选通。3 指令存放器单元INS UNIT指令存放器单元中指令存放器IR构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。4 时序电路单元STATE UNIT用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。5 微控器电路单元MICROCONTROLLER UNIT微控器主要用来完成承受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进展解释或执行的工作。由输入的W/R信号控制微代码的输出锁存。由程序计数器PC和地址存放器AR实现程序的取指功能。6 逻辑译码单元LOG UNIT用来根据机器指令与相应微代码进展译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，与工作存放器R0、R1、R2的选通译码。7 主存储器单元MAIN MEM用于存储实验中的机器指令。8 输入输出单元INPUT/OUTPUT DEVICE输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。*该CPU数据结构通路框图如下：2机器指令的结构和功能部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次课设是在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从存中取出一条机器指令到指令执行完毕的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、IO指令、访问存储器与转移指令和停机指令。1 算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用存放器直接寻址，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OP-CODE RsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源存放器，Rd为目的存放器，并规定：选中的存放器Rs或RdR0R1 R2 存放器的编码0001102 访存指令与转移指令模型机设计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)。其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0D7D0OP-CODEM OP-CODE RdD其中，OP-CODE为操作码， Rd为目的存放器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：寻址方式 有效地址 说 明 00 E=D直接寻址01E=D间接寻址10E=RI+DRI 变址寻址11E=PC+D相对寻址本模型机规定变址存放器RI指定为存放器R2。3 I/O指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OP-CODE addrRd其中，addr=01 时，表示选中“输入单元中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中“输出单元中的数码管作为输出设备。4 停机指令这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D00 1 1 0 0 00 0(3)指令系统1 本模型机共有16条根本指令。其中，算术逻辑指令9条，访问存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 复杂模型机指令系统序号 汇编符号 指令格式 功能说明 1CLR Rd0111 00 Rd0Rd 2MOV RS,Rd1000 RS RdRSRd 3ADC RS,Rd1001 RS RdRSRdCyRd 4SBC RS,Rd1010 RS RdRSRdCyRd 5INC Rd1011 - RdRd1Rd 6AND RS,Rd1100 RS RdRSRdRd 7 Rd1101 00 RdRdRd 8RRC RS,Rd1110 RS RdRS带进位右循环一位，RSRd 9RLC RS,Rd1111 RS RdRS带进位左循环一位，RSRd10LDA M,D, Rd00 M 00 Rd，DERd11STA M,D, Rd00 M 01 Rd，DRdE12JMP M,D00 M 10 00，DEPC13BZC M,D00 M 11 00，D当CY=1或ZI=1时，EPC14IN addr, Rd0100 01 RdaddrRd15OUT addr, Rd0101 10 RdRdaddr16HALT 0110 00 00停机2微指令格式表2 复杂模型机微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MRDM17M16 A B PuA5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的P1P4是四个测试字位，其功能是根据机器指令与相应微代码进展译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。具体来说，P1测试用于“取指令微指令，它用下址低四位uA3uA0与指令存放器高四位IR7IR4相或得到各路分支；P2测试用下址低2位uA1uA0与指令存放器的IR3IR2相或得到各路分支；P3测试用于条件转移，它用下址的uA4与(ZI +CY)相或得到各路分支；P4测试用于控制台操作，它用下址低2位uA1uA0与SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到的位均直接保存。