基本模型計算機設計
專業：嵌入式
班級：計科11307
姓名：梁宇程
指導教師：高曉清
2023年7月4日
一、引言
通過幾次計算機組成原理實驗課，對實驗結構及微指令格式及控制台的使用有了一定的了解，通過運算器等實驗，實現手動控制微型機，知道了如何設計機器指令，再經過除錯指令和模型機和使其再微程式的控制下自動產生各部件單元的正常工作控制訊號。
在設計基本模型機的實驗過程中，個別部件單元的控制訊號是人為模擬產生的，而本課程設計能在微程式控制下自動產生各部件單元控制訊號，實現特定指令的功能。這裡，計算機資料通路的控制將由微程式控制器來完成，cpu從記憶體中取出一條機器指令到執行結束的乙個指令週期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一條微程式。
本課程設計將實現6條機器指令：in（輸入），add（加法），sta（存數），out（輸出），jmp（跳轉）,rr(右迴圈)，mov（移動）
二、系統介紹
1.硬體系統結構
2.組成
1) 運算器
採用兩片4位74ls181作為本系統的運算器，因此該系統字長為8位。
2) 控制器
s3-s0，m： 運算器的操作選擇訊號。m=0時執行由s3-s0選擇的16種算術運算；m=1時執行由s3-s0選擇的16種邏輯運算。
/cn： 進製控制訊號。/cn=0表示低位進製位為一的帶進製運算；/cn=1、ldczy =0表示不帶進製運算（運算結果不影響進製標誌cy及零標誌zy），/cn=1、ldczy=1表示帶進製運算，低位進製位為cy（運算結果同步影響進製標誌cy及零標誌zy）。
ldczy： 運算結果的進製標誌及零標誌同步打入cy、zy標誌位寄存。
/load： /load=0、ldpc=1表示裝載pc值；/load=1，ldpc=1時控制pc同步計數。
ldpc： 程式計數器pc控制訊號。ldpc=1對pc操作。
/ce： 主存片選訊號，低電平有效。
we： 主存讀寫控制訊號。we=1控制同步寫；we=0表示讀。
ldr0-ldr2：控制資料匯流排資料同步打入通用暫存器r0-r2。
lddr1-lddr2：控制資料匯流排資料同步打入暫存器dr1-dr2。
ldir： 控制資料匯流排資料同步打入指令暫存器ir。
ldar： 控制資料匯流排資料同步打入位址暫存器ar（a7-a0）。
ldarh： 控制資料匯流排資料同步打入位址暫存器ar高位（a9-a8）。
rd： pi/o口讀控制訊號。
c、b、a： 資料通路選擇訊號，用3-8解碼器實現如下。
p1： 指令解碼p測試位。p1=1時，位址轉移邏輯將用指令操作碼i7i6i5i4位修改微指令暫存器的ua3 ua2 ua1 ua0位。
p2： 指令解碼p測試位。p2=1時，位址轉移邏輯將用指令操作碼i3i2位修改微指令暫存器的ua1 ua0位。
p3： 進製p測試位。p3=1時，位址轉移邏輯將用cy標記修改微指令暫存器的ua4位。
a9、a8： i/o裝置選擇訊號。裝置選擇用2-4解碼器實現：
3) 儲存器
主存採用一片sram6116作為本系統的主存，資料寬度為8位，位址線只使用a7-a0，因此該系統儲存容量為256×8位。
控存（控制儲存器）
採用四片sram62256作為本系統的控存，每片資料寬度為8位，共32位；位址線只使用a5-a0。因此該系統儲存容量為64×32位。
輸入微指令時分4段輸入，位址分配方式如下：
暫存器通用暫存器：r0、r1、r2；
暫存暫存器：dr1、dr2，暫存兩個運算元；
狀態標誌暫存器：cn
狀態標誌暫存器各位的含義如下：
注意：狀態標誌暫存器各位的值用控制台只能寫不能讀，讀時顯示為00h。
輸入暫存器：in，儲存8位輸入開關的值；
位址暫存器：ar，儲存當前主存位址；
微位址暫存器：uar，儲存當前微指令位址；
指令暫存器：ir，儲存當前正在執行的指令；
運算器：alu，儲存當前運算結果；
程式計數器：pc，儲存將要執行的指令的位址；
移位暫存器：sr，儲存移位暫存器的值；
輸出暫存器：out，儲存當前輸出裝置上的值。
三、設計任務及設計原理
1.設計任務:
(1) 熟悉實驗裝置各部分的工作原理；
(2) 掌握微程式設計的基本方法；
(3) 掌握基本模型機和帶進製模型機設計與實現的有關細節；
(4) 按自己的理解設計並用微程式實現至少兩條不同的指令，編寫機器程式驗證。
2.設計內容
(1) 指令系統
本基本模型機系統cpu指令系統設計有五條指令，其指令格式、助記符及功能如下表。
(2) 指令流程圖01
t302
t320
in addout stajmp
(29） （2a） (2b2c) t3 （2d）
t4t3 t3t3t3
03 07 09 0b
t3 t3
04 t3 t3
t3 08 0a
05 t3 t3
t406t4mov rr
(2e) (2f)
0c0d(3) 微指令格式
計算機組成原理實驗系統微指令格式採用混合編碼法，控制各部件輸出的微命令被分成一組由cba三位編碼（參見本章第四點關於cba的說明），其他微命令則直接送出。
按圖10-1基本模型機系統指令流程圖設計微指令如下表所示。
(4) 基本模型機微指令表
(5)基本模型機微指令表(續)
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