【正文】 課 程 設(shè) 計 報 告題目：基于微程序控制器的簡單計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)課程名稱： 專業(yè)班級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 同組人員： 試驗臺號： 完成時間： 報告日期： 計算機科學與技術(shù)學院目 錄1 課程設(shè)計概述 1 課設(shè)目的 1 設(shè)計任務 1 設(shè)計要求 12 實驗原理與環(huán)境 2 實驗原理結(jié)構(gòu)圖 2 功能結(jié)構(gòu)圖 2 中央處理器的功能 2 中央處理器的組成 3 實驗環(huán)境 43 模塊設(shè)計方案 5 實驗分析 5 數(shù)據(jù)通路圖 5 模塊設(shè)計 6 主存儲器 6 控制存儲器 7 運算器和寄存器 9 程序計數(shù)器 11 總體設(shè)計 124 微指令設(shè)計 14 機器指令設(shè)計 14 微指令設(shè)計 14 微程序設(shè)計 14 指令流程圖 15 取指公操作 16 立即數(shù)加 17 直接尋址加 17 直接尋址減 18 回存 19 無條件跳轉(zhuǎn) 20 有條件跳轉(zhuǎn) 20 非 21 與 22 異或 22 SHL 24 LOAD 24 芯片控點設(shè)計 255 實驗過程與調(diào)試 27 主要故障與調(diào)試 27 395載入失敗 27 6116中存儲數(shù)據(jù)被改變 27 2816中存儲數(shù)據(jù)被改變 27 193計數(shù)器跳轉(zhuǎn)出問題 28 193自加時的毛刺 28 功能測試 28 實驗流程 306 設(shè)計總結(jié)與心得 31 課設(shè)總結(jié) 31 方案總結(jié) 31 功能總結(jié) 31 未實現(xiàn)功能總結(jié) 31 課設(shè)心得 31參考文獻 33附錄 部分芯片介紹 3431 課程設(shè)計概述 課設(shè)目的計算機組成原理是計算機專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。本課程力圖以“培養(yǎng)學生現(xiàn)代計算機系統(tǒng)設(shè)計能力”為目標，貫徹“強調(diào)軟/硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同、以CPU設(shè)計為核心/層次化系統(tǒng)設(shè)計的組織思路，有效地增強對學生的計算機系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)”。課程設(shè)計是學完該課程并進行多個單元實驗后，綜合利用所學的理論知識，并結(jié)合在單元實驗中所積累的計算機部件設(shè)計和調(diào)試方法，設(shè)計出一臺具有自己指令系統(tǒng)的簡單計算機系統(tǒng)。所設(shè)計的系統(tǒng)能在基于EDA的實驗平臺上運行一段程序，通過檢查程序結(jié)果的正確性來判斷所設(shè)計計算機系統(tǒng)正確性。課程設(shè)計屬于設(shè)計型實驗，不僅鍛煉學生簡單計算機系統(tǒng)的設(shè)計能力，而且通過進行主機系統(tǒng)底層電路的實現(xiàn)、故障分析與定位、系統(tǒng)調(diào)式等環(huán)節(jié)的鍛煉，進一步提高了學生分析和解決問題的能力。 設(shè)計任務課程設(shè)計的主要任務是設(shè)計一臺簡單的計算機系統(tǒng)，并調(diào)試通過。本組所選用的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于微程序控制器的簡單計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。 1) 完成數(shù)據(jù)通路設(shè)計并驗證數(shù)據(jù)通路功能．確定CPU 的基本結(jié)構(gòu)是采用總線方式還是采用專用通路方式；2) 完成指定功能的各指令周期流程圖(表)和所需要的控制信號。把所有指令的狀態(tài)進行綜合，并歸納成最終需要的若干個狀態(tài)，畫出指令流程的狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖設(shè)計狀態(tài)機；3) 完成時序列電路設(shè)計。通過畫出帶控制信號的多周期數(shù)據(jù)通路圖，列出 指令譯碼表，設(shè)計控制譯碼器。最后將控制譯碼器信號與多周期數(shù)據(jù)通路圖上的控制信號對應相連；主要技術(shù)指標如下：1) 支持算術(shù)運算、邏輯運算、存儲器讀寫、寄存器間數(shù)據(jù)傳送等幾類指令。2) 支持立即數(shù)尋址、直接尋址、隱含尋址、寄存器尋址等幾種基本的數(shù)據(jù)尋址方式和順序?qū)ぶ?、跳躍尋址兩種指令的尋址方式。3) 支持10條以上的指令。4) 能運行由自己所是設(shè)計的指令系統(tǒng)構(gòu)成的一段程序，程序執(zhí)行功能正確。 設(shè)計要求1) 根據(jù)課程設(shè)計指導書的要求，制定出設(shè)計方案；2) 畫出自己所設(shè)計計算機系統(tǒng)的原理框圖和器件連接圖，分析器件連接圖中各器件不同引腳的功能，哪些可以固定連接，哪些需要通過微程序來控制，及這些控制信號的有效形式；3) 畫出各指令的指令周期流程圖和所需要的控制信號；4) 設(shè)計出實現(xiàn)指令功能的微程序控制器或硬布線控制器；5) 布線、調(diào)試、驗收。6) 課程設(shè)計報告和總結(jié)。2 實驗原理與環(huán)境 實驗原理結(jié)構(gòu)圖 功能結(jié)構(gòu)圖。 CPU功能結(jié)構(gòu)圖 中央處理器的功能CPU作為運行指令的部件，從保證程序功能正確的角度看，CPU應該具有以下幾方面的功能：1）指令執(zhí)行順序的控制。即控制程序中的指令按事先規(guī)定的順序自動執(zhí)行，從而保證程序執(zhí)行過程中，指令在邏輯上的相互關(guān)系不被改變。2）指令的操作控制。即產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的信號，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運行。3）時間控制。即對每個控制信號進行定時，一邊按規(guī)定的時間順序啟動各操作。對于任何一條指令而言，如果操作控制信號的時間不正確，則指令的功能也就不能正確的實現(xiàn)。4）數(shù)據(jù)加工處理。即對數(shù)據(jù)進行算術(shù)、邏輯運算，或?qū)?shù)據(jù)在相關(guān)的部件之間傳輸。5）異常和中斷處理。即處理運算中的異常及處理外部設(shè)備的中斷服務請求等。 中央處理器的組成中央處理器主要由控制器和運算器兩部分構(gòu)成?？刂破鞯闹饕δ馨ǎ喝≈噶?、計算下一條指令的地址、對指令譯碼、產(chǎn)生相應的操作控制信號、控制指令執(zhí)行的步驟和數(shù)據(jù)流動的方向。運算器是執(zhí)行部件，有算術(shù)邏輯單元和各種寄存器組成。運算器接受控制器的命令執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算即邏輯測試。許多中央處理器中具有多個運算功能單元，這些功能單元能夠進行并行運算。中央處理器的功能與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，任何一種功能都依賴相應的硬件去實現(xiàn)。1）PC（程序計數(shù)器）PC保存將要執(zhí)行的指令地址，又稱指令地址寄存器。CPU取指令時，將PC的內(nèi)容送到主存地址寄存器，然后修改PC的值形成下一條要執(zhí)行的指令地址，有以下兩種修改PC內(nèi)容的方法：（1）程序順序執(zhí)行是，可利用程序計數(shù)器本身的遞增功能來實現(xiàn)，若程序無此功能，則通過加法器實現(xiàn)；（2）轉(zhuǎn)移時，用轉(zhuǎn)移指令提供的地址修改PC的值。2）IR（指令寄存器）IR用于保存指令。從主存儲器取出的指令存放在IR中，直到新的指令從主存中取出為止。IR中對應于指令操作碼的部分輸出送到指令譯碼器。IR中指令的操作碼字段內(nèi)容經(jīng)指令譯碼器，送到微操作信號形成不見；指令的地址碼字段根據(jù)尋址方式的不同可能送入程序計數(shù)器、地址寄存器或運算部件。有的機器指令操作碼中包含尋址方式，因此不單獨設(shè)計尋址方式字段；有的機器將尋址方式字段和操作碼一并送入指令譯碼器；有的機器將操作碼字段和地址碼字段送入地址形成部件，以決定地址碼的作用。3）AR（地址寄存器）AR用來保存當前CPU所要訪問的主存單元地址，無論CPU是取指令還是存取數(shù)據(jù)，都必須先將要訪問的主存單元地址送AR，知道讀寫操作完成。4）DR（數(shù)據(jù)緩沖寄存器）：DR作為CPU和主存之間的數(shù)據(jù)緩沖寄存器用于存放操作數(shù)、運算結(jié)果或 中間結(jié)果以減少訪問主存的次數(shù)；也可以存放從主存中讀出的數(shù)據(jù)，或準備寫入的數(shù)據(jù)。、地址形成部件和微操作產(chǎn)生部件1） 指令譯碼器（ID）指令譯碼器對指令的操作碼進行譯碼，它的輸出送到微操作產(chǎn)生部件。2） 地址形成部件地址形成部件對指令的尋址方式字段、地址字段進行譯碼，計算操作數(shù)的地址信息。3）微操作產(chǎn)生部件微操作產(chǎn)生部件接收指令譯碼器送來的信息，與時序信號、條件及狀態(tài)信息進行組合，形成各種具有時間標志的控制信號（即微操作控制序列）并發(fā)送到計算機的各個部件。微操作產(chǎn)生部件是控制決策機構(gòu)。信息流的控制就是把操作產(chǎn)生部件的微操作控制序列（即微操作控制信號），送到各個部件的控制門、觸發(fā)器或鎖存器，去打開或關(guān)閉某些特定的門電路，使數(shù)據(jù)信息按完成指令功能所需要經(jīng)過的路徑，從一個功能部件傳送到另一個功能部件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)加工處理的控制。根據(jù)設(shè)計方法不同，微操作產(chǎn)生部件的結(jié)構(gòu)有三種不同的類型：組合邏輯型、存儲邏輯型即前兩者的結(jié)合型。它們分別對應三中不同的控制器組成方式：組合邏輯控制器、微程序控制器及組合邏輯與存儲邏輯混合型控制器。指令執(zhí)行過程中所有操作都必須按照一定的次序完成，而且每個操作在什么時刻執(zhí)行，執(zhí)行多長時間都有嚴格的規(guī)定，不能有任何差錯。例如執(zhí)行加法 指令，必須先將操作數(shù)送到ALU的輸入端，然后再給出ALU執(zhí)行加法的操作控制信號，待加法操作完成后，才能將結(jié)果送往目的地。不僅次序有規(guī)定，而且對什么時刻送操作數(shù)、什么時刻執(zhí)行加法操作、什么時刻送出結(jié)果也有規(guī)定。因此，需要時序概念。，即一系列電位與脈沖，送到微操作產(chǎn)生部件，對各種操作信號進行時序控制。 實驗環(huán)境JZYL—Ⅱ型計算機組成原理實驗儀一臺。導線若干。 所需芯片類型及數(shù)量芯片編號芯片名稱所需數(shù)量74LS193二進制同步可逆計數(shù)器174LS181四位運算器274LS244三態(tài)8位緩沖器274LS157四位2選1數(shù)據(jù)選擇器474LS373八D鎖存器7611616K CMOS靜態(tài)RAM（2048*8）12816AEEPROM存儲器（2048*8）274LS395四位寄存器174LS08二輸入四與門274LS04六門反相器174LS32二輸入四或門13 模塊設(shè)計方案 實驗分析分析本次課程設(shè)計中對簡易CPU的要求，需要設(shè)計的功能部件有主存儲器、控制存儲器、運算器、寄存器、計數(shù)器等。由于課程設(shè)計提供的芯片種類有限，我們選取了其中的74LS37186112816A、74LS2474LS1974LS1574LS395等芯片實現(xiàn)相應的功能。我們設(shè)計的機器指令長度為8為，其中前4位為操作碼，后四位為操作數(shù)。在設(shè)計方案時，我們先將總體方案分解為多個小的模塊，分別進行設(shè)計，然后再將各個模塊拼接在一起，實現(xiàn)最終需要的功能。分解的模塊包括主存儲器、控制存儲器、運算器、寄存器、計數(shù)器。下面將逐個分析各個模塊的設(shè)計思路。 數(shù)據(jù)通路圖 數(shù)據(jù)通路圖。圖中標明了計算機系統(tǒng)中的各個部件，包括內(nèi)存、程序計數(shù)器、運算器、寄存器、控制存儲器、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、微指令寄存器等等功能部件。同時，也注明了不同部件的芯片組成，以及控制信號。控制信號是由微程序中的信號（ 微程序設(shè)計）和時序節(jié)拍通過組合邏輯的方式形成。 模塊設(shè)計 主存儲器主存儲器相當于計算機系統(tǒng)中的主存。我們選擇一片6116作為主存儲器。我們設(shè)計的機器指令長度為8位，低4位為操作數(shù)，所以，我們只選用了6116的低四位地址，其他地址位均接低電平。換言之，我們能手動寫入的內(nèi)存只有16位，分別從0000到1111。在寫入6116時，使用了一片74LS244作為緩沖器。因為在總體電路中，6116的輸入可能會有多個，為了避免沖突，使用一片244可以方便后面輸入端的選擇。6116的地址通過一片74LS157后輸入。選擇74LS157的原因是，6116的地址選擇有多種情況。第一種情況是手動輸入地址，這種情況發(fā)生在程序執(zhí)行前，需往6116中寫入程序，此時的地址由操作人員手動選擇；第二種情況是程序自動選擇，這種情況發(fā)生在程序連續(xù)執(zhí)行過程中，由PC自動選擇內(nèi)存地址，取出操作指令或者指令的實現(xiàn)方式為直接尋址時，選擇數(shù)據(jù)的地址。 主存儲器結(jié)構(gòu)圖。我們選擇的寫模式為=L，=L，=L。我們選擇的讀模式為=L，=H，=L。其中，需要控制的只有，另外兩個輸入保持不變。6116是RAM芯片，斷電后，芯片內(nèi)的信息將會丟失。 6116芯片功能表輸入I/O工作方式DIDOHhighz非選擇LHLhighzDO讀LLHDIhighz寫LLLDIhighz寫LHHhighz選擇。 74LS244芯片功能表輸入輸出LLLLLLLHLHHHHH高阻高阻。 74LS157芯片功能表使能端輸入控制數(shù)據(jù)輸入輸出HLLHLLLHHHLLLLLLHH 控制存儲器控制存儲器是整個課程設(shè)計中最重要的一個模塊，這一部分設(shè)計起來沒有太大難度。但是，由于微程序設(shè)計中的微指令是從控制存儲器中取出的，這一部分的設(shè)計尤為重要。我們選擇兩片2816作為控制存