8位CISC计算机设计

8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******8位CISC计算机设计班级：09电子信息工程C班学号：091524****姓名：***日期：2012年4月26日8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（最高4位二进制数为操作码）：一．实验目的1．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识；2．深入学习计算机各类典型指令的执行流程；3．学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法。4．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。5．定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。6．通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。二．实验原理1．在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。2．指令格式（1）指令格式采用寄存器直接寻址方式，其格式如下：位76543210功能OP-CODErsrd其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：Rs或rd选定的寄存器000110R0R1R2助记符机器指令码Addr地址码功能说明INADDaddrSTAaddrOUTaddrJMPaddr00H10HXXH20HXXH30HXXH40HXXH“INPUT”中的数据→R0R0+[addr]-R0R0-[addr][addr]-BUSaddr→PC其中IN为单字长（8位二进制），其余为双字长指令，XXH为addr对应的十六进制地址码。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。8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******1,存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“00”时，可对RAM连续手动读入操作。2,存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“01”时，可对RAM连续手动写操作。3、启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“11”时，即可转入到微地址“01”号“取指令”微指令，启动程序运行。根据以上要求设计数据通路框图，如图5-1所示。表6-124位微代码定义：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0表6-2A、B、C各字段功能说明：A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P（1）010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B101LDAR110LDAR110PC-B110LDPC24位微代码中各信号的功能(1)uA5—uA0：微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。(2)S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器输出的ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或16种逻辑操作中的某一种操作。(3)M：微程序控制输出的ALU操作方式选择信号端。M＝0执行算术操作；M＝l执行逻辑操作。(4)Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn＝0表示ALU运算时最低位有进位，Cn＝1则表示无进位。(5)WE：微程序控制器输出的RAM控制信号。当/CE＝0时，如WE＝0为存储器读；如WE＝1为存储器写。(6)A9、A8——译码后产生CS0、CS1、CS2信号，分别作为SW_B、RAM、LED的选通控制信号。(7)A字段（15、14、13）——译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号（见表6-1）。(8)B字段（12、11、10）——译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。(9)C字段（9、8、7）——译码后产生分支判断测试信号P(1)~P(4)和LDPC信号。系统涉及到的微程序流程见图6-2。当执行“取指令”微指令时，该微指令的判断测试字段为P(1)测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支（见图6-2左图）。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定地址单元。控制台操作为P(4)测试（见图6-2右图），它以控制台信号SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控制存储器的一个微地址单元，随意填写。注意：微程序流程图上的微地址为8进制！SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）图6-1数据通路框图8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表6-2即为图6-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。表6-2二进制微代码表微地址微指令S3S2S1S0MCNWEA9A8ABCUA5—UA0000181100000000110000001000100000100ED820000000011101101100000100200C0480000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000000010110000000001010501A20600000001101000100000011006919A011001000110011010000000010700E00D000000001110000000001101100010010000000000010000000000011100ED830000000011101101100000111200ED870000000011101101100001111300ED8E0000000011101101100011101400ED9600000001111011011001011015038201000000110000010000000011600E00F0000000011100000000011111700A0150000000010100000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002200A010000000001010000000010000230080010000000010000000000000012406201100000110001000000001000125070A010000011100001010000000012600D181000000001101000110000001指令寄存器（IR）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试“P(1)”，通过节拍脉冲T4的控制，以便识别所要求的操作。指令译码器:根据指令中的操作码强置微控制器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******图6-3模型计算机电路原理图说明：1、指令IN为单字节指令，指令码：00，其功能是将输入口IN的数据送到寄存器R0；2、指令ADD[0AH]为双字节指令，指令码：100A，其功能是将R0中的数据加上RAM地址0AH中的数据（34H）；3、指令STA[0BH]为双字节指令，指令码：200B，其功能是将R0中的数据送到RAM的0BH地址单元中；4、指令OUT[0BH]为双字节指令，指令码：300B，其功能是将RAM的0BH地址单元中的数据送到OUT输出口上；5、指令JMP[12H]为双字节指令，指令码：4012，其功能是将其操作码下一地址单元（08H）的数据作为转跳地址。三．CPU顶层文件CPU组成部件：时钟发生器；指令寄存器IR；算术逻辑运算单元ALU；数据寄存器；状态控制器；程序计数器PC；地址寄存器AR；微控制器；微指令译码器；微地址寄存器；微程序存储器ROM；地址寄存器RAM；三态门8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******四．测试波形CPU部分波形仿真程序执行过程如下：STEP(1)：M输入微指令018110，控制台执行P（4），进行“读/写/运行”功能判断STEP(2)：检测到SWA、SWB=11后，进入程序运行RP（11）方式。STEP(3)：进入程序运行的流程，执行微地址为23的微指令018001（十六进制），选通LDAR,PC_B,LDPC，后续微地址uA为01（八进制）。STEP(4)：执行微地址为01的M微指令01ED82，执行的操作为PC→AR=00H，PC+1=01H→PC，AR指向RAM存储器地址00H，后续微地址uA为02。STEP(5)：执行微地址为02的M微指令00C048，选通RAM,LDIR,P(1)，执行取指令操作，将RAM中的指令00通过内部总线Bus，送指令寄存器IR：RAM（00H）=00→BUS→IR=00H。执行IN指令，目的寄存器为R0。STEP(6)：执行微地址为10的M微指令001001，执行的操作SW_B打开，允许输入装置键盘SW的数据送往数据总线BUS；LDRi打开，允许向寄存器写数据，而指令编码为00，其中目标寄存器rd=00指向R0，因此输入数据56H送入寄存器R0，执行结果R0=56H。后续微地址uA为01。STEP(7)：同（4），执行01ED82，取指令操作：PC→AR=01H,PC+1=02H,AR指向RAM存储器地址01H，后续微地址02。STEP(8)：执行微地址02的微指令00C048，选通RAM,LDIR,P(1)，取指令，经分支判断P（1），读出地址为01H单元的内容10H，经BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H）=10H→BUS→IR=10H。STEP(9)：执行微地址为11的微指令01ED83，进入加法运算微程序。选通LDAR,PC_B,LDPC，通过间接寻址获得加法运算的另一个操作数，地址寄存器AR指向取数的间接地址：PC→AR=02H,PC+1=03H，AR指向RAM的02单元。STEP(10)：执行微地址为03的微指令00E004，选通LDAR,RAM，RAM_B为高电平，Ram的（02）单元的内容通过BUS送AR，取数地址（AR）=0AH，即要从RAM的（0AH）单元取操作数：RAM(02)=0AH→BUS→AR=0AH。STEP(11)：执行微地址为04的微指令00B005，选通LDDR2,RAM，RAM_B仍然为高电平，Ram的（0AH）单元的内容34H送到BUS，此时LDDR2为高电平，BUS上的数据就送给了DR2，执行结果：RAM(0AH)=34H→BUS→DR2=34H。STEP(12)：执行微地址为05的微指令01A206，选通LDDR1,RS_B，将R0的数据送DR1。R0_B=1，允许R0的内容56H8位CISC计算机设计班级：09电子C学号：091524*******送往BUS，