計算機硬體課程設計
設計報告
學號： 09008112 姓名： 馬京亞成績：
學號： 09008123 姓名： 郭晨成績
東南大學電腦科學與工程學院
二〇一〇年十一月
微程式控制的模型計算機的設計與除錯
1．綜合運用「計算機組成原理」和「數位電路」等課程的知識，通過對模型機的設計和除錯，加深對計算機各部件工作原理的認識。
2．進一步掌握運用eda 技術進行設計和除錯的工作方法。
3．掌握計算機硬體設計的思想，方法及工作過程，進一步培養工程設計的能力。
1． 自行規定資料格式和指令格式，在所提供的條件範圍內設計一台由微程式控制的模型計算機。
2． 根據設計方案，將模型機除錯成功，對設計進行優化。
3． 整理出相關檔案。
（1） 資料格式和指令系統。
（2） 總框圖。
（3） 詳細電路圖。
（4） 微指令格式和微程式。
（5） 除錯過程和測試結果（包括測試程式）。
採用 8 位資料通路，資料採用8 位二進位制定點表示。
.設定7 條機器指令和2條面板操作指令
（1） 面板操作指令
a.輸入位址為 pc 置初始值，即輸入程式的起始位址，當k1 開關置「1」，k2 開關置「0」時執行此操作；
b.輸入程式將程式輸入到記憶體的指定區域，當k1，k2 開關均置「1」時，由面板輸入開關輸入程式；
c.本模型機設定 k3 開關，k3 置1 表示執行單步操作；
d. start 表示啟動開關。單步操作時，用於執行每一條指令；
表示總清開關，置0時系統全部清零。
（2） 指令系統
a. 指令格式
有二種定址方式
（1）暫存器定址
（2）直接位址定址
由於位址要占用乙個位元組，所以此類指令為雙位元組指令。
b．7條基本機器指令
（1）in r； 從開關輸入資料送入到指定的暫存器r。
格式：（2）out r；從指定的暫存器r 中取出資料送入到輸出緩衝器，顯示燈亮。
格式：（3）ld r , address ；從記憶體指定單元取出資料，送入指定的暫存器r。
格式：（4）st address, r; 從指定的暫存器r 中取出資料，存入記憶體指定單元。
格式：（5）add r1， r2；將兩個暫存器中的資料相加，結果送到r1。
格式：（6）jmp address; 無條件轉移，即address ->pc。
格式：（7）halt ； 停機指令。
為了簡單方便，我們採用單匯流排結構，總體結構和 cpu 內部結構設計如圖3-1 和圖3-2所示。
（1） 控制器組成
（2） 微指令格式和微命令
首先對資料通路進行分析，需要16個控制訊號。此外還要2個訊號：upc （表示一段微程式結束），halt（停機），共需要18個控制訊號。採用水平型格式表示。
控制資料通路的 16個訊號說明如下：
g1，g2，g3，g4 分別控制4個多路開關
a，b，c，d，e 分別控制對應的暫存器輸入
f 控制計數器pc 的輸入和計數
i 控制指令暫存器的輸入
dest 目的暫存器的讀出控制訊號
src 源暫存器的讀出控制訊號
we 對ram 的寫入訊號
gwn 通用暫存器組的寫入訊號
ldn pc 置初值的控制訊號
（3） 時序訊號和控存的安排
根據分析，每執行一條微指令的操作須用2 個工作脈衝，讀取一條微指令需要1 個工作脈衝執行，m1 脈衝將微指令送入微指令暫存器（3 片74273）；m3、m4 用來執行該微指令的操作。這樣讀取並執行一條微指令總共需要4 個工作脈衝m1、m2、m3、m4，所需的脈衝時序如圖所示。
電路實現：
根據分析，執行一條微指令的操作須用2 個工作脈衝。18 位微命令需要占用3 個位元組，本實驗用如下方式來獲得3 個位元組的微指令，由數位電路的知識可知，當rom 的字數夠用而每個字的位數不夠用時，我們可以採用位擴充套件的連線方式，將多片rom 組合成位數足夠多的儲存器。所以將3 片8 位的rom 按圖所示方式連線起來實現24 位的rom，可以同時輸出24 位的微指令。
（4） 微位址入口電路的設計
為簡單起見，微位址採用8 位，其高4 位由指令操作碼控制，低4 位由乙個4 位的計數器控制。將rom 的高段位址區用於存放面板指令的微程式，低段位址儲存區存放一般指令的微程式，控制電路如下圖
rom內容截圖：
在m2週期，cpu只執行了操作upc+1，而這一操作對於同時鐘週期的m3，m4是沒有影響的，所以可將m2週期內的操作在m3週期內完成。另外m1,m2,m3,m4之間不需要空餘的時鐘週期進行間隔。
綜上，只需要形成如圖所示的時序即可
實現電路如下：
（1）sub r1，r2；將兩個暫存器中的資料相減，結果送到r1。
格式：（2）ana r1，r2；將兩個暫存器中的資料做邏輯與運算，結果送到r1。
格式：（3）or r1，r2；將兩個暫存器中的資料做邏輯或運算，結果送到r1。
格式：（4）cma r1；將r1暫存器中的資料取反，結果送到r1。
格式：（5）shr r1；將r1暫存器中的資料右移，結果送到r1。
格式：（6）shl r1；將r1暫存器中的資料左移，結果送到r1。
格式：在微指令中設計3跟控制訊號線，用於運算的選擇
新alu內部電路圖
新指令的微程式表
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