【正文】 使能端；373e和373f的使能端；395的=，；193的， 5 實(shí)驗(yàn)過程與調(diào)試 主要故障與調(diào)試 395載入失敗74LS395在本次課程設(shè)計(jì)中的功能有兩個(gè)，第一個(gè)功能是在取址周期前，將數(shù)據(jù)清零。這些控點(diǎn)都是需要微程序中的信號來控制的。181芯片：運(yùn)算指令控制端,算術(shù)或邏輯運(yùn)算控制端M，有無進(jìn)位控制端。2816芯片：和并接接地，多余的地址線接在一起并接地。向2816輸入的74LS244芯片：和并接到一個(gè)開關(guān)上，只有在寫微指令的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，其他時(shí)刻都為高電平，手動(dòng)控制，不需要微指令控制。 亦或指令控制流 乘2指令控制流 SHL乘2指令的尋址方式為隱含尋址，即把寄存器AC中的值擴(kuò)大一倍，再存入AC中?？刂菩盘栆哺鼜?fù)雜一些。如果有溢出，則實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，否則不實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。（這個(gè)鎖存的節(jié)拍不在取指公操作，而是在執(zhí)行周期的第一個(gè)節(jié)拍）。通過這一組控制信號，從6116的指定單元中讀出指令。另外還需要控制的芯片是74LS395，因?yàn)槿≈分芷谇?，它需要清零，而?zhí)行周期前，它需要置數(shù)。 指令流程圖我們設(shè)計(jì)的指令，包括取址公操作在內(nèi)，一共有12條。接著，就是比較復(fù)雜的一步了。寫出這個(gè)表的過程比較復(fù)雜，也是整個(gè)課程設(shè)計(jì)最有技術(shù)含量的一部分，還有一部分是時(shí)序電路的加入。一條微指令從控存中取出時(shí)，它所包含的微命令經(jīng)時(shí)間同步后去控制相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路中的部件。機(jī)器指令由操作人員將匯編語言翻譯成機(jī)器語言后，手動(dòng)輸入到內(nèi)存中。設(shè)計(jì)的指令包括算術(shù)指令：立即數(shù)加、直接尋址加、直接尋址減；邏輯運(yùn)算：非運(yùn)算、與運(yùn)算、亦或運(yùn)算；回存；跳轉(zhuǎn)指令：無條件跳轉(zhuǎn)、溢出跳轉(zhuǎn)；載入指令；乘二指令；停機(jī)指令；取址操作。 總體設(shè)計(jì)。 程序計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖。這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)?，取址周期時(shí)，從PC中讀入地址，在從6116的指定內(nèi)存單元中讀出8位操作指令；而在執(zhí)行階段，如果尋址方式為直接尋址，則需要將指令寄存器的低4位作為數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，從6116的指定內(nèi)存單元中讀出8位操作數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，指令寄存器的低4位將會(huì)被load到193中，以確保下一條指令的執(zhí)行時(shí)正確的。提供的芯片中，具有計(jì)數(shù)功能的有74LS193和74LS181。直接尋址時(shí)，數(shù)據(jù)從主存6116中讀出，鎖存在這個(gè)373中，進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)一直保持不變。74LS181的運(yùn)算結(jié)果輸入后，鎖存在74LS373中，這樣，可以防止運(yùn)算結(jié)果被下一條運(yùn)算操作改變。所以，181芯片是實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器的不二選擇。但是，通過基本運(yùn)算的組合，可以實(shí)現(xiàn)及其復(fù)雜的運(yùn)算，如積分，甚至傅里葉變換。 控制存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖。與2816相連的74LS395的作用是，在執(zhí)行周期結(jié)束后，395清零（也可能是結(jié)束前，只要對結(jié)果不產(chǎn)生干擾就可以），系統(tǒng)進(jìn)入取值周期。由于2816是ROM芯片，斷電后，信息不會(huì)丟失。實(shí)際上，我們設(shè)計(jì)的指令只有12條，16個(gè)內(nèi)存已能滿足需求。我們設(shè)計(jì)的微指令中，一共有13位有效信號。 74LS244芯片功能表輸入輸出LLLLLLLHLHHHHH高阻高阻。我們選擇的讀模式為=L，=H，=L。選擇74LS157的原因是，6116的地址選擇有多種情況。換言之，我們能手動(dòng)寫入的內(nèi)存只有16位，分別從0000到1111?？刂菩盘柺怯晌⒊绦蛑械男盘枺?微程序設(shè)計(jì)）和時(shí)序節(jié)拍通過組合邏輯的方式形成。下面將逐個(gè)分析各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路。由于課程設(shè)計(jì)提供的芯片種類有限，我們選取了其中的74LS37186112816A、74LS2474LS1974LS1574LS395等芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 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)。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。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(gè)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(gè)功能部件傳送到另一個(gè)功能部件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)加工處理的控制。、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(jìn)行譯碼，它的輸出送到微操作產(chǎn)生部件。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(jì)數(shù)器、地址寄存器或運(yùn)算部件。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實(shí)現(xiàn)，若程序無此功能，則通過加法器實(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。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。 中央處理器的組成中央處理器主要由控制器和運(yùn)算器兩部分構(gòu)成。4）數(shù)據(jù)加工處理。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(yùn)行。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。3) 支持10條以上的指令。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)。課程設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，不僅鍛煉學(xué)生簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，而且通過進(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)生分析和解決問題的能力。課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題目：基于微程序控制器的簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課程名稱： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 同組人員： 試驗(yàn)臺(tái)號： 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)出問題 28 193自加時(shí)的毛刺 28 功能測試 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)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。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，通過檢查程序結(jié)果的正確性來判斷所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正確性。 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。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。6) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告和總結(jié)。2）指令的操作控制。對于任何一條指令而言，如果操作控制信號的時(shí)間不正確，則指令的功能也就不能正確的實(shí)現(xiàn)。即處理運(yùn)算中的異常及處理外部設(shè)備的中斷服務(wù)請求等。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)算即邏輯測試。1）PC（程序計(jì)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。IR中對應(yīng)于指令操作碼的部分輸出送到指令譯碼器。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)備寫入的數(shù)據(jù)。微操作產(chǎn)生部件是控制決策機(jī)構(gòu)。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(gè)操作在什么時(shí)刻執(zhí)行，執(zhí)行多長時(shí)間都有嚴(yán)格的規(guī)定，不能有任何差錯(cuò)。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(jìn)行時(shí)序控制。 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(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274LS04六門反相器174LS32二輸入四或門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)中對簡易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。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。同時(shí)，也注明了不同部件的芯片組成，以及控制信號。我們設(shè)計(jì)的機(jī)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。6116的地址通過一片74LS157后輸入。我們選擇的寫模式為=L，=L，=L。 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。我們選擇兩片2816作為控制存儲(chǔ)器。換言之，我們能寫入的控制信號只有16位，分別從0000到1111。因?yàn)?816中的信息是確定的，每一個(gè)8位（兩個(gè)2816應(yīng)是16位）都對應(yīng)著一條微指令，只要一次正確寫入后，以后都不需要更改。與2816相連的兩片373的功能相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的μIR（微指令寄存器）。結(jié)構(gòu)圖中沒有標(biāo)明寫入2816時(shí)用到的緩沖器74LS244，因?yàn)樗辉趯懭霑r(shí)使用，寫入成功之后，244將沒有其他的作用，可以去掉。 74LS395芯片功能表功能輸入輸出PEDsDnQn總清LL裝入H↓HLLH↓HHH 運(yùn)算器和寄存器運(yùn)算器是CPU可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算操作的基本部件，所使用的芯片本身只能實(shí)現(xiàn)最基本的加減算術(shù)運(yùn)算和亦或、非與等基本邏輯運(yùn)算。由于提供的芯片中，能顯示運(yùn)算操作的芯片只有74LS181。157中的數(shù)據(jù)有兩種情況，一種是立即數(shù)，這時(shí)高四位為0（由于指令位數(shù)的限制，立即數(shù)只能有4位）；另一種是直接尋址，這時(shí)181中的8位數(shù)據(jù)全部來自于主存6116。74LS157的其中一個(gè)輸入來自一個(gè)74LS373，它的作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)寄存器（DR）。順序執(zhí)行時(shí)，每一條執(zhí)行指令結(jié)束，PC自加1；但有跳轉(zhuǎn)指令出現(xiàn)時(shí)，PC被設(shè)置為需要跳轉(zhuǎn)到的內(nèi)存地址。與74LS193相連的373是指令寄存器。74LS193的輸入接到一片74LS157，而此片157的另外一個(gè)輸入為指令寄存器的低4位。 。3. 二進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)脈沖CPU/CPD上升沿有效。由于操作命令用4位表示，所以，可以實(shí)現(xiàn)的操作最多只能有16條。直接尋址加、直接尋址減、與運(yùn)算、亦或運(yùn)算均使用直接尋址。微命令編碼方法采用直接表示法，將微指令操作控制字段的每一個(gè)二進(jìn)制位定義為一個(gè)微命令。由于指令只有4位，所以，所有指令條數(shù)不能超過16條。如表中編號所示，0,1,2,3分別表示181中的S0，S