【正文】 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題目：基于微程序控制器的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課程名稱(chēng)： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 同組人員： 試驗(yàn)臺(tái)號(hào)： 完成時(shí)間： 報(bào)告日期： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院目 錄1 課程設(shè)計(jì)概述 1 課設(shè)目的 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1 設(shè)計(jì)要求 12 實(shí)驗(yàn)原理與環(huán)境 2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境 43 模塊設(shè)計(jì)方案 5 實(shí)驗(yàn)分析 5 數(shù)據(jù)通路圖 5 模塊設(shè)計(jì) 6 主存儲(chǔ)器 6 控制存儲(chǔ)器 7 運(yùn)算器和寄存器 9 程序計(jì)數(shù)器 11 總體設(shè)計(jì) 124 微指令設(shè)計(jì) 14 機(jī)器指令設(shè)計(jì) 14 微指令設(shè)計(jì) 14 微程序設(shè)計(jì) 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(wú)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(diǎn)設(shè)計(jì) 255 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(chǔ)數(shù)據(jù)被改變 27 2816中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被改變 27 193計(jì)數(shù)器跳轉(zhuǎn)出問(wèn)題 28 193自加時(shí)的毛刺 28 功能測(cè)試 28 實(shí)驗(yàn)流程 306 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)功能總結(jié) 31 課設(shè)心得 31參考文獻(xiàn) 33附錄 部分芯片介紹 3431 課程設(shè)計(jì)概述 課設(shè)目的計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課。本課程力圖以“培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力”為目標(biāo)，貫徹“強(qiáng)調(diào)軟/硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同、以CPU設(shè)計(jì)為核心/層次化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組織思路，有效地增強(qiáng)對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)”。課程設(shè)計(jì)是學(xué)完該課程并進(jìn)行多個(gè)單元實(shí)驗(yàn)后，綜合利用所學(xué)的理論知識(shí)，并結(jié)合在單元實(shí)驗(yàn)中所積累的計(jì)算機(jī)部件設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，設(shè)計(jì)出一臺(tái)具有自己指令系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能在基于EDA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行一段程序，通過(guò)檢查程序結(jié)果的正確性來(lái)判斷所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正確性。課程設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，不僅鍛煉學(xué)生簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，而且通過(guò)進(jìn)行主機(jī)系統(tǒng)底層電路的實(shí)現(xiàn)、故障分析與定位、系統(tǒng)調(diào)式等環(huán)節(jié)的鍛煉，進(jìn)一步提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。 設(shè)計(jì)任務(wù)課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并調(diào)試通過(guò)。本組所選用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于微程序控制器的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 1) 完成數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)并驗(yàn)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(zhuān)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(hào)。把所有指令的狀態(tài)進(jìn)行綜合，并歸納成最終需要的若干個(gè)狀態(tài)，畫(huà)出指令流程的狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)；3) 完成時(shí)序列電路設(shè)計(jì)。通過(guò)畫(huà)出帶控制信號(hào)的多周期數(shù)據(jù)通路圖，列出 指令譯碼表，設(shè)計(jì)控制譯碼器。最后將控制譯碼器信號(hào)與多周期數(shù)據(jù)通路圖上的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)相連；主要技術(shù)指標(biāo)如下：1) 支持算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)、寄存器間數(shù)據(jù)傳送等幾類(lèi)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(yùn)行由自己所是設(shè)計(jì)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(jì)要求1) 根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)的要求，制定出設(shè)計(jì)方案；2) 畫(huà)出自己所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)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(guò)微程序來(lái)控制，及這些控制信號(hào)的有效形式；3) 畫(huà)出各指令的指令周期流程圖和所需要的控制信號(hào)；4) 設(shè)計(jì)出實(shí)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(yàn)收。6) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告和總結(jié)。2 實(shí)驗(yàn)原理與環(huán)境 實(shí)驗(yàn)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(yùn)行指令的部件，從保證程序功能正確的角度看，CPU應(yīng)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(dòng)執(zhí)行，從而保證程序執(zhí)行過(guò)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(guò)程中所需要的信號(hào)，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運(yùn)行。3）時(shí)間控制。即對(duì)每個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，一邊按規(guī)定的時(shí)間順序啟動(dòng)各操作。對(duì)于任何一條指令而言，如果操作控制信號(hào)的時(shí)間不正確，則指令的功能也就不能正確的實(shí)現(xiàn)。4）數(shù)據(jù)加工處理。即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)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(yùn)算中的異常及處理外部設(shè)備的中斷服務(wù)請(qǐng)求等。 中央處理器的組成中央處理器主要由控制器和運(yùn)算器兩部分構(gòu)成?？刂破鞯闹饕δ馨ǎ喝≈噶?、計(jì)算下一條指令的地址、對(duì)指令譯碼、產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)、控制指令執(zhí)行的步驟和數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。運(yùn)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(yùn)算器接受控制器的命令執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算即邏輯測(cè)試。許多中央處理器中具有多個(gè)運(yùn)算功能單元，這些功能單元能夠進(jìn)行并行運(yùn)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(lài)相應(yīng)的硬件去實(shí)現(xiàn)。1）PC（程序計(jì)數(shù)器）PC保存將要執(zhí)行的指令地址，又稱(chēng)指令地址寄存器。CPU取指令時(shí)，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(jì)數(shù)器本身的遞增功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，若程序無(wú)此功能，則通過(guò)加法器實(shí)現(xiàn)；（2）轉(zhuǎn)移時(shí)，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(chǔ)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(duì)應(yīng)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(hào)形成不見(jiàn)；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(jì)數(shù)器、地址寄存器或運(yùn)算部件。有的機(jī)器指令操作碼中包含尋址方式，因此不單獨(dú)設(shè)計(jì)尋址方式字段；有的機(jī)器將尋址方式字段和操作碼一并送入指令譯碼器；有的機(jī)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(lái)保存當(dāng)前CPU所要訪問(wèn)的主存單元地址，無(wú)論CPU是取指令還是存取數(shù)據(jù)，都必須先將要訪問(wèn)的主存單元地址送AR，知道讀寫(xiě)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(yùn)算結(jié)果或 中間結(jié)果以減少訪問(wèn)主存的次數(shù)；也可以存放從主存中讀出的數(shù)據(jù)，或準(zhǔn)備寫(xiě)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(duì)指令的操作碼進(jìn)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(duì)指令的尋址方式字段、地址字段進(jìn)行譯碼，計(jì)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(lái)的信息，與時(shí)序信號(hào)、條件及狀態(tài)信息進(jìn)行組合，形成各種具有時(shí)間標(biāo)志的控制信號(hào)（即微操作控制序列）并發(fā)送到計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件。微操作產(chǎn)生部件是控制決策機(jī)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(hào)），送到各個(gè)部件的控制門(mén)、觸發(fā)器或鎖存器，去打開(kāi)或關(guān)閉某些特定的門(mén)電路，使數(shù)據(jù)信息按完成指令功能所需要經(jīng)過(guò)的路徑，從一個(gè)功能部件傳送到另一個(gè)功能部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)加工處理的控制。根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，微操作產(chǎn)生部件的結(jié)構(gòu)有三種不同的類(lèi)型：組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型即前兩者的結(jié)合型。它們分別對(duì)應(yīng)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(chǔ)邏輯混合型控制器。指令執(zhí)行過(guò)程中所有操作都必須按照一定的次序完成，而且每個(gè)操作在什么時(shí)刻執(zhí)行，執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間都有嚴(yán)格的規(guī)定，不能有任何差錯(cuò)。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(hào)，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(duì)什么時(shí)刻送操作數(shù)、什么時(shí)刻執(zhí)行加法操作、什么時(shí)刻送出結(jié)果也有規(guī)定。因此，需要時(shí)序概念。，即一系列電位與脈沖，送到微操作產(chǎn)生部件，對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行時(shí)序控制。 實(shí)驗(yàn)環(huán)境JZYL—Ⅱ型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)。導(dǎo)線若干。 所需芯片類(lèi)型及數(shù)量芯片編號(hào)芯片名稱(chēng)所需數(shù)量74LS193二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器174LS181四位運(yùn)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(chǔ)器（2048*8）274LS395四位寄存器174LS08二輸入四與門(mén)274LS04六門(mén)反相器174LS32二輸入四或門(mén)13 模塊設(shè)計(jì)方案 實(shí)驗(yàn)分析分析本次課程設(shè)計(jì)中對(duì)簡(jiǎn)易CPU的要求，需要設(shè)計(jì)的功能部件有主存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、寄存器、計(jì)數(shù)器等。由于課程設(shè)計(jì)提供的芯片種類(lèi)有限，我們選取了其中的74LS37186112816A、74LS2474LS1974LS1574LS395等芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器指令長(zhǎng)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(jì)方案時(shí)，我們先將總體方案分解為多個(gè)小的模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再將各個(gè)模塊拼接在一起，實(shí)現(xiàn)最終需要的功能。分解的模塊包括主存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、寄存器、計(jì)數(shù)器。下面將逐個(gè)分析各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路。 數(shù)據(jù)通路圖 數(shù)據(jù)通路圖。圖中標(biāo)明了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)部件，包括內(nèi)存、程序計(jì)數(shù)器、運(yùn)算器、寄存器、控制存儲(chǔ)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(shí)，也注明了不同部件的芯片組成，以及控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)是由微程序中的信號(hào)（ 微程序設(shè)計(jì)）和時(shí)序節(jié)拍通過(guò)組合邏輯的方式形成。 模塊設(shè)計(jì) 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主存。我們選擇一片6116作為主存儲(chǔ)器。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器指令長(zhǎng)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(dòng)寫(xiě)入的內(nèi)存只有16位，分別從0000到1111。在寫(xiě)入6116時(shí)，使用了一片74LS244作為緩沖器。因?yàn)樵诳傮w電路中，6116的輸入可能會(huì)有多個(gè)，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(guò)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(dòng)輸入地址，這種情況發(fā)生在程序執(zhí)行前，需往6116中寫(xiě)入程序，此時(shí)的地址由操作人員手動(dòng)選擇；第二種情況是程序自動(dòng)選擇，這種情況發(fā)生在程序連續(xù)執(zhí)行過(guò)程中，由PC自動(dòng)選擇內(nèi)存地址，取出操作指令或者指令的實(shí)現(xiàn)方式為直接尋址時(shí)，選擇數(shù)據(jù)的地址。 主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖。我們選擇的寫(xiě)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(gè)輸入保持不變。6116是RAM芯片，斷電后，芯片內(nèi)的信息將會(huì)丟失。 6116芯片功能表輸入I/O工作方式DIDOHhighz非選擇LHLhighzDO讀LLHDIhighz寫(xiě)LLLDIhighz寫(xiě)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(chǔ)器控制存儲(chǔ)器是整個(gè)課程設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)模塊，這一部分設(shè)計(jì)起來(lái)沒(méi)有太大難度。但是，由于微程序設(shè)計(jì)中的微指令是從控制存儲(chǔ)器中取出的，這一部分的設(shè)計(jì)尤為重要。我們選擇兩片2816作為控制存