【正文】 8． LDR 微程序控制器的輸出信號(hào)，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入寄存器 R0。 6． LDDR2 微程序控制器的輸出信號(hào)，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運(yùn)算暫存器DR2。 4． ALU－ BUS 微程序控制器的輸出信號(hào)，控制運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果是否送到總線 BUS，低電平有效。 3． /CN 微程序控制器輸出的進(jìn)位 標(biāo)志信號(hào)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如下： 實(shí)驗(yàn)儀的總體結(jié)構(gòu)框圖（圖 21） （ 1）控制信號(hào)說(shuō)明 ： 1． S3， S2， S1， S0 有微程序控制器輸出的 ALU 操作選擇信號(hào)，以控制執(zhí)行16 種算術(shù)操作或 16 種邏輯操作中的一種操作。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制是由微程序控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) 的， CPU 從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。在制定設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，首先要理解所設(shè)計(jì)的模擬機(jī)各個(gè)部件的作用及功效，弄清楚他們可以干什么，怎么樣去干。 存儲(chǔ)器寫操作 (KWE)：撥動(dòng)總清開關(guān) CLR 后，控制臺(tái)開關(guān) SWB， SWA置為“ 01”時(shí)，按動(dòng) START 啟動(dòng)紐可對(duì) RAM 進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入。 為了向 RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否 正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還設(shè)計(jì)了 3 個(gè)控制臺(tái)操作微程序。 RL 為將 R0寄存器中的數(shù)據(jù)循環(huán)左移 1 位。 RR 為將 R0 寄存器中的內(nèi)容循環(huán)右移 1 位。 （ 3）帶移位運(yùn)算的模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在基本模型機(jī)的基礎(chǔ)上搭接移位控制電路，實(shí)現(xiàn)移位控制運(yùn)算。 ③ PC 為指令指針計(jì)數(shù)寄存器，用來(lái)存放下一條將要執(zhí)行指令的地址。 “ 指令譯碼器 ” 根據(jù)指令中的操作碼進(jìn)行譯碼，強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。 /輸出設(shè)備 本系統(tǒng)有兩種外部 I/O 設(shè)備，一種是鍵盤，它作為輸入設(shè)備 INPUT；另一種是字符顯示塊，它作為輸出設(shè)備 OUTPUT。 控制器是計(jì)算機(jī)中發(fā)號(hào)施令的部件，它控制計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊的進(jìn)行工作。 該模塊中算術(shù)運(yùn)算是由 2片 74LS181構(gòu)成，是運(yùn)算器的核心。其運(yùn)算規(guī)律非常簡(jiǎn)單。還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算。存儲(chǔ)器的所有 存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。通常，在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)數(shù)的 8 個(gè)觸發(fā)器稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。采用半導(dǎo)體器件來(lái)存放大量的 0， 體觸發(fā)器由于有 0 和 1 兩種狀態(tài)，可以記憶一個(gè)二進(jìn)制代碼。（ 2）各模塊功能為： 存儲(chǔ)器的功能是保存或“記憶”各種數(shù)據(jù)。指令從存儲(chǔ)器中得到， 送到指令寄存器中。指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中，從形式上看，它們都是二進(jìn)制代碼。一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，成為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問題，它不僅與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且直接關(guān)系到用戶的使用需要。輸入 /輸出設(shè)備主要 有兩種外部 I/O設(shè)備，一種是鍵盤，它作為輸入設(shè)備 INPUT；另一種是字符顯示塊，它作為輸出設(shè)備 OUTPUT。 其 中運(yùn)算器主要由運(yùn)算器 U U4（ 74LS181）、暫存器U U2（ 74LS273）、輸出緩沖器 U5（ 74LS245）、移位器（ 74LS299）以及進(jìn)位控制和判零標(biāo)志控制電路等構(gòu)成。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成， CPU 從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。 最后總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完善所設(shè)計(jì)的模型機(jī)系統(tǒng)方案和電路圖，寫出 設(shè)計(jì)報(bào)告。 定義一套簡(jiǎn)單的指令系統(tǒng)，制定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，畫出所設(shè)計(jì)的模型機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖。 關(guān)鍵詞 ： 模型機(jī) 運(yùn)算器 存儲(chǔ)系統(tǒng) 指令系統(tǒng) 微程序指令 目錄 前 言 ..................................................................................... 1 摘 要 ....................................................................................... 2 一 設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理 .................................................... 4 1 設(shè)計(jì)的目的 ............................................................. 4 2 設(shè)計(jì)的原理 ............................................................... 4 二 總體設(shè)計(jì) ........................................................................... 9 三 詳細(xì)設(shè)計(jì) ......................................................................... 12 1 運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu) ................................................ 12 2 存儲(chǔ)器的組成與說(shuō)明 ............................................ 13 3 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與格式分析 ................................... 14 4 微程序控制器的邏輯機(jī)構(gòu)及功能 ........................... 24 5 微程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .............................................. 26 四 .系統(tǒng)調(diào)試報(bào)告 .................................................................. 32 五 設(shè)計(jì)總結(jié) ......................................................................... 35 六 設(shè)計(jì)（論文）的主要參考文獻(xiàn) ....................................... 36 七 致謝 ............................................................................... 37 一 設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理 1 設(shè)計(jì)的目的 計(jì)算機(jī)組成原理 課程設(shè)計(jì)是“計(jì)算機(jī) 組成原理”課程的后續(xù) 設(shè)計(jì)性課程，通過設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)，可 更好地理解計(jì)算機(jī)組 成原理課程的基本內(nèi)容，掌握模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng) 實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，為以后進(jìn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。 部件實(shí)驗(yàn)過程中，本課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能，通過設(shè)計(jì)流程圖，編寫機(jī)器指令，微指令和控制信號(hào)程序。通過 對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的 功能與 設(shè)計(jì)、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等 過程有更深的了解，加深對(duì)理論課程的理解。 本設(shè)計(jì)的規(guī)定項(xiàng)目采用 14條機(jī)器指令： . 。 在自己設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上，編制一個(gè)匯編語(yǔ)言小程序 并進(jìn)行調(diào)試通過。 設(shè)計(jì)模型機(jī)指令系統(tǒng) ： （含設(shè)計(jì)微指令格式、 微程序流程圖， 每條指令所對(duì)應(yīng)的微程序等）。 運(yùn)算器：使用模型機(jī)的器件，組成帶有片間串行進(jìn)位 8 位移位運(yùn)算功能的運(yùn)算器。 根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)整機(jī)系統(tǒng)的方案。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成， CPU 從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng) 一條微程序。前 言 通過對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理及實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì) 14 條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺(tái)基本模型機(jī)，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機(jī)使其在微程序的控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號(hào)。 在設(shè)計(jì)基本模型機(jī) 5 的實(shí)驗(yàn)過程中，個(gè)別部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。 本課程設(shè)計(jì)以 DVCC 計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)完成。 存儲(chǔ)系統(tǒng)：使用模型機(jī)的存儲(chǔ)模塊，說(shuō)明存儲(chǔ)器的輸入輸出時(shí)序，模塊連接方式等。 微程序控制器模塊：使用教學(xué)機(jī)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)微程序控制器。 了解并說(shuō)明教學(xué)模型機(jī)的輸入輸出模塊。 整機(jī) 設(shè)計(jì) 分模塊進(jìn)行， 說(shuō)明模塊中數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的來(lái)源、去向、功能、時(shí)序，以及模塊間數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的來(lái)源、去向、功能、時(shí)序等。 摘 要 本次課程設(shè)計(jì)課題是基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)要求 根據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理課程所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)、開發(fā)一套簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。通過模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，連貫運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成原理課程學(xué)到的知識(shí)，建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，加深計(jì)算機(jī) 時(shí)間和空間概念的理解。首先向存儲(chǔ)器中裝入數(shù)據(jù)和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動(dòng)程序執(zhí)行，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輸出。 設(shè)計(jì)一個(gè) 8 位模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括運(yùn)算器，微程序控制器，存儲(chǔ)器 ,簡(jiǎn)單輸入／輸出接口和設(shè)備 ,時(shí)序和啟?？刂频入娐贰? 在計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上搭建模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成微程序控制器的實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程，并用所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)編寫一個(gè)實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單功能的程序，在搭建的模型機(jī)系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運(yùn)行程序。 2 設(shè)計(jì)的原理 （ 1）基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。 此基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括存儲(chǔ)器、運(yùn)算 器、輸入 /輸出設(shè)備、微控器和指令系統(tǒng)五個(gè)模塊組成。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)該主存儲(chǔ)器采用一級(jí) cache存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)?？刂破魉饕煽刂拼鎯?chǔ)器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成，其中微指令寄存器分為微地址寄存器和 微命令寄存器兩部分。 指令從內(nèi)存的中讀出，首先放到 IR指令寄存器中，再送入到微控器中進(jìn)行譯碼，再由微控器輸出各種控制信號(hào)給各功能部件，執(zhí)行相應(yīng)的操作。一般來(lái)講，取值周期從內(nèi)存中讀出的信息流是指令流，它指向控制器；而在執(zhí)行周期中從內(nèi)存中讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。由指令得到相應(yīng)的控制信號(hào)，從控制器輸出控制信號(hào)來(lái)控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。在存放到存儲(chǔ)器以前，他們?nèi)孔兂?0 或 1 表示的二進(jìn)制代碼。一個(gè)數(shù)據(jù)假定用 8位二進(jìn)制代碼來(lái)表示，那么就需要 8 各觸發(fā)器來(lái)保存這些代碼。存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成的，每一個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，稱為地址。 運(yùn)算器就好像是一個(gè)由電子線路構(gòu)成的算盤，它的主要功能就是進(jìn)行加、減、乘、除等運(yùn)算。電子器件的特性，計(jì)算機(jī)中通常采用二進(jìn)制數(shù)。 0+0+0,0+1=1， 1+0=1,1+1=10,0 0=0， 0 1=0， 1 0=0， 1 1=1。 74LS181功能表如表 11所示 表 11 74LS181功能表 4位ALU S3 S2 S1 S0 M＝ 0（算術(shù)運(yùn)算） M＝ 1 （邏輯運(yùn)算） Cn=1 無(wú)進(jìn)位 Cn=0 有進(jìn)位 L L L L L L L H L L H L L L H H L H L L L H L H L H H L L H H H H L L L H L L H H L H L H L H H H H L L F＝ A F＝ A+B F＝ A+/B F＝ 2的補(bǔ) F＝ A加 (A*/B) F＝ (A+B)加(A*/B) F＝ A減 B減 1 F＝ (A*/B)減 1 F＝ A加 A*B F＝ A加 B F＝（ A+/B） 加A*B F＝ A*B減 1 F＝ A加 A F