复杂模型机设计报告

复杂模型机设计报告西安科技大学计算机科学与技术学院复复杂杂模模型型机机的的设设计计与与实实现现一、实验目的(1)、融会贯通本课程各章节的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，掌握部件单元电路实验的基础上，将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块组合成一起，组成一台基本模型机。(2)、学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，提高使用集成电路的基本技能，用微程序控制器来控制模型机的数据通道。(3)、培养科学研究的独立工作能力，通过CPU运行十几条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，建立利用指令控制整机（输入、输出、运算、存储系统）的概念。二、实验设备（1）PC机一台（2）CM++试验仪一台（3）排线若干三、实验内容（Ⅰ）数据格式及指令系统1.数据格式模型机规定数据采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0符号尾数其中，第7位为符号位，数值的表示范围是：-1≤X≤1。2.指令格式模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及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，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODErdrd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选定的寄存器000110R0R1R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表（2）访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令――存数（STA）和取数（LDA），2条转移指令――无条件转移（JMP）和结果为零或有进位转移指令（BZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：D7D6D5D4D3D2D1D000MOP－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为偏移量（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＝（RI）＋DE＝（PC）＋D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本模型机规定变址寄存器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：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODEaddrrd其中，addr＝01时，选中“INPUTDEVICE”中的开关组作为输入设备，addr＝10时，选中“OUTPUTDEVICE”中的数码块作为输出设备。（4）控制台指令为了方便调试，且能写入数据和程序，以及显示内存中的数据，本模型机设计了两条控制台指令，它们由两个开关SWA,SWB的状态来定义，如下表所示：SWASWB控制台指令011001KRE（读内存）KWE（写内存）RP（启动主程序）（1）、KWE写内存：其功能是把控制台数据开关的内容作为程序或数据写入由地址灯指示的内存单元。（2）、KRE读内存：其功能是把控制台数据开关的内容作为程序地址，送人地址寄存器，然后以该单元为起始地址，连续读出所有单元的内容。内存单元以及该单元的数据由控制台上的数据灯给出指示。（3）、RP启动程序：其功能是将数据开关的内容作为程序地址送入PC，然后转入公操作。（5）停机指令指令格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODE0000HALT指令用于实现停机操作。3.指令系统（I）本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条，表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。指令格式功能1000rsrd1001rsrd1010rsrd1011rd1100rsrd1101rd1110rsrd1111rsrd011100rd0→rdrs→rdrs+rd+cy→rdrs-rd-cy→rdrd+1→rdrs∧rd→rdrd→rdcyrsrs→rdcyrsrs←rd00M01rd00M00rdD00M00rdD00M00rdDE→rsrd→EE→PC当CY＝1或Z＝1，E→PC010001rd010101rdaddr→rdrd→addr010001rd停机（Ⅱ）总体设计本模型机的数据通路框图如图1所示。DR1(74273)DR2(74273)ALU-BR0(74374)AR(74273)PC（74161）MEM（6116）OUTPUT时序微控器IR（74273）INPUTALU(74181)CELED-BW/RCESW-BCECEW/RLDART3PC-BLOADLDPCT4W/RCS0CS1CS2LDIRT3T4LDR0R0-BLDDR1T4T4LDDR2CNMS3S2S1S0BUS地址总线数据总线CPUR1(74374)T4LDR1R1-BR2(74374)T4LDR2R2-B图1：数据通路图（1）在模型机实验中，数据通道的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。（2）本实验我们将五条机器指令及有关数据写入RAM和ROM中。通过CPU运行由五条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系。（3）微指令格式：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCUA5UA4UA3UA2UA1uA0A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P（1）010LDDR1010RD-B010P（2）011LDDR2011R1-B011P（3）100LDIR100299-B100P（4）101LOAD101ALU-B101AR110LDAR110PC-B110LDPC其中A8、A9是2：4译码器（74LS139）的输入端，Y0、Y1、Y2、Y3是译码器输出端，其电路结构如下：其中Y0为SW-B，Y1为CE，Y2为LED-B，Y3为空。DDR1表示LDDR1；DDR2表示LDDR2图2寄存器译码电路图（Ⅲ）微程序设计根据机器指令系统的要求，设计微程序流程图如下：PCARPC+1RAM-BUSBUS-IRP(1)0102CLR2720ALU=0-BUSBUS-rd01STOP0126HLTSW-BUSBUS-rd0124INPC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1PC-BUSBUS-DR24623DR1+DR2-BUS-ARDR1+DR2-BUS-DR14750514011(相对)PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1(R1)-DR21522DR1+DR2-BUS-ARDR1+DR2-BUS-DR11617454010(变址)PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-DR10521RAM-BUSBUS-AR06074001(间接)PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1RAM-BUSBUS-AR0320044000(直接)P(2)RAM-BUSBUS-rdLAD4001rd-BUSBUS-RAMSTA4101DR1-BUSBUS-PCJMP4201LAD43P(3)DR1-BUSBUS-PC01Y016444Nrd-BUS0125OUTrs-rd0130MOVrs-BUSBUS-DR1rd-BUSBUS-DR2DR1+DR2-BUS-rd52315301ADCrs-BUSBUS-DR2RAM-BUSBUS-DR1DR1-DR2-BUS-DR1带进位5432DR1-rd555601SUCrd-BUSBUS-DR1DR1+1-BUS-rd6233INC01rs-BUSBUS-DR1rd-BUSBUS-DR2DR1+DR2-BUS-rd633465AND01rd-BUSBUS-DR1DR1-BUSBUS-rd6635COM01R0-299带进位右环移6736RRC70R0-299带进位左环移7137RLC72299-R0299-R00101P(4)0020PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1DR1-LEDPC-ARPC+1(SW)-BUSBUS-DR1DR1-RAM2301202227212430(SWB,SWA)KWE(01)KWD(00)RP(11)控制台运行微程序图3：微程序流程图四、微地址转移逻辑的设计(1)、微地址转移逻辑的设计微地址6位，用三片双D正沿触发器（74LS74）组成，并带有预置端和清零端，在不判别测试情况下，微地址寄存器的内容为下条微指令地址。当P(1)P(2)P(3)P(4)及FC、FZ发生时，转移逻辑输出脉冲通过触发器的预置端或清零端将触发器原来的“0”改为“1”或“1”改为“0”来修改微地址，从而按修改了的微地址读下一条指令。根据微程序流程图可知，它要执行如下表的逻辑功能：测试字段功能P(1)用指令寄存器中的IR7～IR4取代微地址的低4位P(2)当P(2)=1，用IR3，IR4取代原微地址第一位和第零位P(3)当P(3)=1时用FC或FZ取代原微地址第四位若CVE=1则将第O位置1，第一位置0，即转入公操作P(4)用SWA、SWB，取代原微地址的第1位，第0位在微地址转移逻辑中，还要加入必须的时序控制，其中微地址的修改信号为T4，经过约500ns的延时用T4的上升沿将修改好的微地址打入微地址寄存器中，根据控制要求需要产生如图所示的微地址转移电路图。FC---实验仪器上为CY(进位标志)FZ---实验仪器上为ZI（全零标志）(2)、微程序控制器的设计微程序控制器原理框图如图4所示。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，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。图4微程序控制器组成原理框图计算机操作控制部件，根据设计方法的不同，操作控制部件可分为组合逻辑型，存储逻辑性，组合逻辑与存储逻辑型三种，第一种成为硬布线，第二种成为微程序控制器，第三种称为门阵列控制器，本次设计主要采用第二种设计方法，即微程序控制器的设计。本模型机指令字长24，采用三片E2PROM并联，从而使微指令字寄存器的长度亦为24位，伪指令寄存器采用两片74L273和一片74LS175构成，用来占存18位微命令，而微地址寄存器用74LS175构成，用来占存6位微地址。E2PPROM控制存储器，用来存放实现全部指令系统的所有程序，它是一个只读存储，一旦程序固化，机器运行时只读不写，其工作过程是读出一条指令执行一条指令，接着读出下一条指令，再执行下一条指令，微命令寄存器存放当前执行指令的微命令，通过这些微命令亦控制全机正常运行，转移逻辑用来修改微地址。根据控制要求需要产生所示微程序控制器逻辑电路图。图5微地址转移逻辑电路图相应的表达式如下所示：SE1=T4(SWA·P4+P2I2+I3P1)SE2=T4(SWB·P4+P2I4+I5P1)SE3=P1·T4·I6SE4=P1·T4·I7SE5=(FC+FZ)T4·P3)根据流程图，确定如下微程序：地址指令S3-S0MCnWEA9A819-16ABC654321000181080000000110000001000010000101ED820000000111101101100000100200C0500000000011000000010100000300A0040000000010100000000001000400E0A00000000011100000101000000500E0060000000011100000000001100600A0070000000010100000000001110700E0A00000000011100000101000000801ED8A0000000111101101100010100901ED8C