微程序控制器的CPU设计课程设计报告.doc

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1、课程名称：计算机组成原理设计题目:微程序控制器模型机CPU设计学院课程设计大作业任务书课程设计题目：1、 采用硬连线控制器或微程序控制器的模型机CPU设计。2、 分析Intel公司Pentium系列CPU构造设计，提出改良设计思想。3、 新一代或未来计算机大致构造框架及主要设计原理设想。课程设计要求：1、 可以单人设计，也可分组设计。假设分组，组员自由组合，每组2-3人，通过组员协作共同完成设计任务，各组员工作量要均衡饱满，组各组员设计容不得雷同。2、 根据个人或小组的实际情况，以上三个设计题目任选其一作为正式课程设计题目。也可自拟设计题目，但必须经指导教师认可批准后才能作为正式课程设计题目。

2、3、 对于设计题目1，要求在完成根本模型机实验与复杂模型机实验的根底上，参考主教材P.34712.1具体设计要求，并且结合上网搜索与图书馆查找相关资料进展具体设计。4、 对于设计题目2，要求在完成根本模型机实验与复杂模型机实验的根底上，参考主教材P.166P.171并结合上网搜索与图书馆查找相关资料进展较为全面到位的分析，以支持主教材中对该CPU堪称为当代CISC机器的经典之作的评价。并且提出你对该CPU的假设干改良设计思想原设计何处有何缺乏，如何改良？。5、 对于设计题目3，要求在完成根本模型机实验与复杂模型机实验的根底上，到图书馆查找相关资料并结合上网搜索，再加上自己大胆与合理的想象进展设

3、计。不怕做不到，只怕想不到。6、 不管上述哪个设计题目，均要求有较完善的设计文档，并结合实际，按后文要求写出课程设计报告并打印装订与电子版一起提交大作业，纸质版与电子版缺一不可。7、 请自觉遵守课程设计纪律，出勤、实验情况、设计态度等平时设计过程表现将与最终设计成果一起综合评定本次课程设计总成绩，过程与结果同样重要。工作方案及安排：1、 分组，明确设计目标，搜集相关设计资料，熟悉根本模型机原理实验。 7.1日2、 整体构造框架设计，撰写初步设计文档，进一步搜集设计资料，熟悉复杂模型机实验。 7.2日3、 按分工要求进展具体容设计，撰写具体设计文档，熟悉复杂模型机实验。 7.3日4、 具体设计容

4、进一步修改完善，继续撰写并修改完善设计文档大作业报告。 7.4日5、 按设计要求提交最终设计成果及课程设计大作业报告，指导教师检查评阅。 7.5日共 一 周指导教师签字年 月 日 目录课程设计大作业报告0一、课题分析41.1、设计目的41.2、设计任务41.3、课程设计题目分析4课题设计准备4读/写操作的认识5二、总体设计52.1、设计原理62.2功能设计6三、方案比拟7四、分步设计84.1小组成员设计任务分配84.2微程序控制器的设计84.2.1 设计要求84.2.2 设计容84.3、指令周期流程图94.4、机器指令设计94.5系统组成框图104.6、各部件功能114.7微指令格式124.8

5、微程序流程图134.10数据连通图和接线图14五、设计成果155.1运行结果155.2复杂模型机实图连接165.3课程设计的收获16六、存在问题及改良建议16七、实验器材17八、参考文献及相关网址17课程设计大作业报告一、 课题分析通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，编写相应的微程序，完成由根本单元电路构成一台根本模型机，再经过调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的正常工作控制信号。在设计根本模型机的实验根底上，完成这次的课程设计。这次的课程设计将能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

6、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条微程序。1.1、设计目的计算机组成与构造课程设计是计算机组成与构造课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与构造课程的根本容，掌握计算机设计与实现的根本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为以后进展计算机应用系统的设计与开发奠定根底。1.2、设计任务设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备。在计算机组成原理与系统构造实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简

7、单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。1.3、课程设计题目分析基于我们对简单和复杂模型机的理解和实验，我们对课程设计分析、课题设计准备、确定设计目标确定所设计计算机的功能和用途。、确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。、总体构造与数据通路总体构造设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路构造。在此根底上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的

8、数据通路构造，确定采用何种方案的总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的构造也就不一样。、设计指令执行流程数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线构造，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。、确定微程序地址根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。、微指令代码化根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。、组装、调试在总调试前，先按功能模块进展组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的

9、正常运行。读/写操作的认识机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作READ：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为00时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作WRITE：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为01时，按START微动开关可对RAM进展连续手动写入。启动程序RUN：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为11时，按START微动开关，即可转入到

10、第01号取址微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台命令00读存READ01写存WRITE11启动程序运行RUN二、 总体设计2.1、设计原理CPU由运算器ALU、微程序控制器MC、通用存放器RO、指令存放器IR、程序计数器PC和地址存放器AR组成，如图1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的根底上增加一个主存和根本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图1 根本CPU构成原理图2.2功能设计本模型机

11、和前面微程序控制器实验相比,共有5条指令：IN(输入)、ADD二进制加法、OUT(输出)、JMP(无条件转移)、HLT停机，其指令格式如下：助记符 实现功能 机器指令代码IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R0 0000 0000MUL(R0，R1)AvB-R0 0101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000 HLTNOP1000 0000均为单字节指令，*为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并

12、执行。三、 方案比拟方案一：(1) 选定CPU中所使用的产要器件；(2) 根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计指令流的数据通路；(3) 根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计数据流的数据通路。计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进展传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的构造也就不样，因此数据通路的设计是至关重要的。所谓数据通路的设计，也就是确定机器各逻辑部件相对位置的总框图。数据远路的设计，目前还没有非常标准的方法。主要是依据设计者的经历，并参考现有机器的三种典型形式单总线、双总线或三总线构造，根据指令系统的要求，可采用试探方法来完成。

13、其主要步骤如下：(1) 对指令系统中的各条指令进展分析，得出所需要的指令周期与操作序列，以便决定各器件的类型和数量。(2) 构成一个总框图草图，进展各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求。(3) 检验全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号。(4) 检查所设计的数据通路，尽可能降低本钱，简化线路。方案二:、用根本的五条机器指令编写实验程序。程序如下：地址和容都是十六进制，机器指令的前4位为操作码。地址容助记符说明0000IN R0, 80H80H R0。数据80H从实验仪左下方INPUT DEVICE中的8位数据开

14、关D7D0输入，存入R0存放器。0110ADD R0, (0A)(R0)+(0A) R0。R0存放器的容与存储器0A地址单元的容相加，结果存入R0存放器。020A0320STA(0B), R0R0 (0B)。R0存放器的容与存入存储器0B地址单元。040B 0530OUT BUS, (0B)(0B) BUS。通过总线输出存储器0B地址单元的容。060B 0740JMP 0000 PC。无条件转移到00地址。0800 0A01 存储器0A地址单元的数据，可自定。0B 求和结果保存在存储器0B地址单元。微指令的微代码如下：容是十六进制十六进制地址八进制地址容十六进制地址八进制地址容00001081

15、010D15018202010182ED010E160FE000020248C0000F1715A000030304E000102092ED01040405B000112194ED01050506A201122217A0000606019A95132301800107070DE000142418200008100110001525010A07091183ED01162681D1000A1287ED011727100A070B138EED011830118A060C1496ED01 、修改和编写实验仪RAM和ROM数据。 方案比拟：由于方案二更符合本次课程设计的容，而且是基于我们平时做的根本模型

16、机包括简单模型机和复杂模型机两局部的根底，所以做起来比拟容易。因此，我们选择了方案二。四、 分步设计4.1小组成员设计任务分配 表一 任务分配表小组成员任务兴发廖宇梅设计机器指令执行流程微程序流程图指令周期流程图数据通路图二进制代码表微指令格式微指令代码化4.2微程序控制器的设计 设计要求1将所编写的微程序存储到控制存储器中；2用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制信号；3每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并记录相关实验结果；4. 提交微程序流程图、对应的二进制微代码表 设计容1编写出实现自定义指令系统的微程序；2将所编写的微程序存储到控制

17、存储器中；3在实验箱调试和完成微程序控制器的设计工作；4.3、指令周期流程图开场MMDIRMMAC取指指令MOV指令运算指令MMIRMMIRALU运算PC+1IRuIRDR2ACMMIRMMIRIRuIRIRuIR完毕图 2 指令周期流程4.4、机器指令设计表二 机器指令码设计:助记符实现功能机器指令代码IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R00000 0000MUL(R0，R1)AvB-R00101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000 HLTNOP1000

18、0000表三 机器指令程序地址二进制容二进制助记符说明0000 00000000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001 00000000 00110010 0000STA R0,11HR011H0000 01000001 00010000 0101 0011 0000OUT 11H11HLED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10HR00000 100

19、10001 00000000 10100010 0000STA R0,12HR012H0000 1011 0001 00100000 11000011 0000OUT 12H12HLED0000 11010001 00100000 11100100 0000JMP 00H00HPC0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和结果0001 0011求差结果4.5系统组成框图 图3 复杂模型机控制器4.6、各部件功能1LDPC 微程序控制器输出的PC加1信号。2LOAD 微程序控制器的输出信号。LOAD0时，PC程序计数器处于并行置数状态；LO

20、AD1时，PC处于计数状态。3ALUBUS 微程序控制器的输出信号，控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。4PCBUS 微程序控制器的输出信号，控制程序计数器的容是否送到总线BUS，低电平有效。5R0BUS 微程序控制器的输出信号，控制存放器R0的容是否送到总线BUS，低电平有效。6SWBUS 微程序控制器的输出信号，控制8位数据开关SW7SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。7LDR0 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入存放器R0。8LDDR1 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1。9LDDR2 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据

21、打入运算暂存器DR2。10LDIR 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据指令输入到指令存放器IR中。4.7微指令格式表四 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A、B、C各字段功能说明：A字段B字段C字段141312选择11109选择876选择000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P010LDB010R0_B010保存011LDR0011保存011保存100保存100保存100保存101保存101保存101保存110保存110保存110保存111LDIR11

22、1保存111保存4.8微程序流程图33IN-R001R0-OUT3101OUTOUTHUOADDININ0101320705060430343635030100NOPPC-ARPC+1MEM-IRR0-AIN-R1R0-AR1-OUTPR1-BR1-BA+B=R0AB=R00101图4 微程序流程图4.9二进制代码表表五 二进制代码表地址十六进制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 7000010000011100000111000004

23、00 26 050000000000100110000001010504 B2 01 0000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 0100011000010000000000

24、00013218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D0000000001101101010111014.10数据连通图和接线图 图5 数据通路图五、 设计成果5.1运行结果按照以下功能分别执行：外设输入指令IN0 R0、IN1 R1二进制加法指令add R0，R1输出到外设指令OUT

25、0 R0、OUT1 R1停机指令HLT5.2复杂模型机实图连接5.3课程设计的收获 在此次课程设计中，通过华瑞教师的悉心教诲，让我从中获得了很多，一开场，我们这学期学习的是理论知识，动手能力很差，在课程设计中，教师让我们理论联系实际，不仅加强了理论知识，还提高了我们的动手能力，并更加深入的了解了理论知识，特别是微程序控制器模型机的CPU设计相关知识的认识。我从中学到的有设计指令流程和微程序控制器，以及他的具体操作和控制。六、 存在问题及改良建议 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。我终于知道了只有亲自动手才能过学到知识的道理！ 在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心

26、里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此消耗在这上面的时间用去很多。 我沉得做课程设计同时也是对课本知识的稳固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比方一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映像深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。 此次课程设计，学到了很多课学不到的东西，比方独立思考解决问题，出现过失的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成工程。 在此，感曾教师的细心指导，也同样其他各组同学的无私帮助！七、 实验器材1、 众友公司ZY15pSys12BB计算机组成原理及系统构造教学实验箱；2、 PC机与网络。八、 参考文献及相关网址1、 计算机组成原理第四版立体化教材，白中英主编，08年1月第四版，科学。2、 计算机组成原理及系统构造实验指导书V1.01，众友科技实业股份。