微程序控制器的设计与实现.docx
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微程序控制器的设计与实现
微程序控制器的设计与实现
一、设计目的
1、巩固和深刻理解“计算机组成原理”课程所讲解的原理，加深对计算机各模块协同工作的认识。
2、掌握微程序设计的思想和具体流程、操作方法。
3、培养学生独立工作和创新思维的能力，取得设计与调试的实践经验。
4、尝试利用编程实现微程序指令的识别和解释的工作流程。
二、设计内容
按照要求设计一指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
三、设计具体要求
1、仔细复习所学过的理论知识，掌握微程序设计的思想，并根、据掌握的理论写出要设计的指令系统的微程序流程。
指令系统至少要包括六条指令，具有上述功能和寻址方式。
2、根据微操作流程及给定的微指令格式写出相应的微程序
3、将所设计的微程序在虚拟环境中运行调试程序，并给出测试思路和具体程序段
4、撰写课程设计报告。
四、设计环境
1、伟福COP2000型组成原理实验仪，COP2000虚拟软件。
2、VC开发环境或者Java开发环境。
五、设计方案
（1）设计思想
编写一个指令系统，根据所编写的指令的功能来设计相应的微程序。
首先利用MOV传送指令来给寄存器和累加器传送立即数，实现立即数寻址；利用寄存器寻址方式，用ADDC指令对两者进行相加运算；利用寄存器间接寻址方式，用SUB指令实现减运算；利用累加器寻址方式，用CPL指令实现对累加器寻址；利用存储器寻址方式，用JMP指令实现程序的无条件跳转。
这样，所要设计的指令系统的功能就全部实现了。
（2）微指令格式
采用水平微指令格式的设计，一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。
其一般格式如下：
控制字段
判别测试字段
下地址字段
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
全水平型（不译法）微指令，字段译码法水平型微指令，以及直接和译码相混合的水平型微指令。
（3）24个微指令的意义
COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：
运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。
其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。
微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。
模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。
相比而言8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。
模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。
指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。
而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控
制位。
在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。
模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。
24位控制位分别介绍如下：
XRD：
外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
EMWR：
程序存储器EM写信号。
EMRD：
程序存储器EM读信号。
PCOE：
将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。
EMEN：
将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。
IREN：
将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。
EINT：
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP：
PC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。
MAREN：
将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。
MAROE：
将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。
OUTEN：
将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
STEN：
将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
RRD：
读寄存器组R0-R3，寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
RWR：
写寄存器组R0-R3，寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
CN：
决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。
FEN：
将标志位存入ALU内部的标志寄存器。
X2：
X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。
如下表所示：
X2X1X0
输出寄存器
000
IN_OE外部输入门
001
IA_OE中断向量
010
ST_OE堆栈寄存器
011
PC_OEPC寄存器
100
D_OE直通门
101
R_OE右移门
110
L_OE左移门
111
没有输出
WEN：
将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。
AEN：
将数据总线DBUS的值打入累加器A中。
通过S2,S1,S0来选择运算数据由寄存器A及寄存器W给出,运算结果输出到直通门D。
如下表所示：
S2S1S0
功能
000
A+W加
001
A-W减
010
A|W或
011
A&W与
100
A+W+C带进位加
101
A-W-C带进位减
110
~AA取反
111
A输出A
（4）微程序的设计
一共设计七条微程序，如下：
MOVR0，#55H立即数寻址，数据传送
MOVA，#33H立即数寻址，数据传送
MOV@R0，A将A的值存入以R0为地址的内存单元
ADDCA，R0寄存器寻址，带进位加
SUBA，@R0寄存器间接寻址，减运算
CPLA累加器寻址，求反
JMP0存储器寻址，无条件跳转
在COP2000中的设计如下所截图：
这七条指令的流程图如下：
1）MOVA,#II2）MOVR?
#II3）MOV@R?
A
PC→ABUS
PC+1
PC→ABUS
EM→A
PC→ABUS
PC+1
PC→ABUS
EM→A
PC→ABUS
EM→R?
PC→ABUS
PC+1
R?
→MAR
MAR→ABUS
A→D→EM
4）ADDCA,R?
（5）SUBBA,@R?
6）CPLA
PC→ABUS
PC+1
PC→ABUS
EM→A
PC→ABUS
PC+1
R?
→W
R?
→MAR
PC→ABUS
PC+1
A→ALU
（A取反）
ALU→A
A+W→ALU
ALU→A
MAR→ABUS
EM→W
A-W→ALU
ALU→A
7）JMPMM
PC→ABUS
PC+1
PC→ABUS
EM→PC
（5）详细设计
下面详细分析每条程序的设计：
1、_FATCH_只用一个周期状态，程序执行的第一条取指的微指令
该指令为一个周期状态，T0状态的设计及可控制信号如下：
2、MOVA,#II
该指令为两个周期状态
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
3、MOVR?
#II
该指令为两个周期状态，T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
4、MOV@R?
A
该指令为三个周期状态，T2状态的设计及可控制信号如下：
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
5、ADDCA,R?
该指令为三个周期状态，T2状态的设计及可控制信号如下：
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
6、SUBA,@R?
该指令为四个周期状态，T3状态的设计及可控制信号如下：
T2状态的设计及可控制信号如下：
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
7、CPLA
该指令为两个周期状态，T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
7.JMPMM
该指令为两个周期状态，T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
六、调试过程
七条指令编写完成以后，选择菜单[文件|保存指令系统/微程序]功能，将新建的指令系统/微程序保存下来，以便以后调用。
将新的指令系统/微程序保存为“INST33.INS”。
在COP2000的ASM窗口中输入以下几行源程序：
MOVA,#66H
MOVR0,#33H
MOV@R0,A
ADDCA,R0
SUBA,@R0
CPLA
JMP0
将程序另存为NEW_INST33.ASM，将程序汇编成机器码，观察反汇编窗口，会显示出程序地址、机器码、反汇编指令。
发现程序代码颜色会发生改变，点击复位按钮后进行单微指令的测试，如下图所示ASM微程序如下：
显示出程序地址、机器码、反汇编指令如下图所示：
程序地址
机器码
反汇编指令
指令说明
00
0466
MOV
A,#66
02
0833
MOV
R0，#33
04
0C
MOV
@R0，A
05
10
ADDC
A,R0
06
14
SUB
A,@RO
07
18
CPL
A
08
1C00
JMP
00
（1）微指令运行结果
1）MOVA,#66H测试结果如图：
说明立即数66已经写入累加器A中。
2）MOVR0,#33H测试结果如图：
说明立即数33已经写入寄存器R0中。
3）MOV@R0,A测试结果如图：
说明累加器中A的直66已经写入以R0为地址的内存单元中。
4）ADDCA,R0测试结果如下：
先将R0中的33传送的W中。
将A与W通过ALU相加的到99，并把结果通过直通门返回到累加器A中。
5）SUBA,@R0测试结果如下：
先将R0的地址读出并送入地址寄存器MAR中。
MAR将地址输出到ABUS，EM读出该地址的数据并将该数据66传送到W中。
A与W通过ALU相减得33，得到的结果通过直通门返回到累加器A中。
6）CPLA累加器寻址，求反结果如下：
7）JMPP0测试结果如下：
PC将地址输出到ABUS，EM将值为0打入回PC，说明下条指令从0地址开始运行。
（2）出现问题与解决方案
1）程序在运行完中间某个指令后自动中断操作。
解决方案：
该指令的最后一个周期的缺少取指令，加上该微指令即可。
2）在进行MOV@R?
A的操作时，无法将A的值写入内存。
解决方案：
控制信号中的EM_WR没有置为低电平，将该信号设为有效位即可写入。
3）指令跳转操作在第一次可顺利完成，但在第二次会出现错误。
解决方案：
控制信号EM_RD应设为有效位，即允许读内存的信息。
七、心得体会
通过本次本次《计算机组成原理》课程设计，我对计算机原理的学习有了更深入的认识。
本次课程设计为计算机组成原理微程序控制器的设计与实现，我们做这次课程设计用的是伟福COP2000型组成原理实验仪和COP2000虚拟软件。
由于对伟福COP2000型组成原理实验仪和COP2000虚拟软件不太了解，通过上网查找资料和再参考计算机组成原理课程设计任务书，知道用户可以通过COP2000计算机组成原理实验软件或组成原理实验仪来设计自己的指令集。
平时做实验用过该软件，但操作还不是很熟练。
经过这些天的琢磨，自己对这个软件也有了一定的认识，所以想用该软件实现多种寻址方式和各种操作并不是很困难的。
对比实验指导书以及上网搜寻相关资料来熟悉该软件的界面以及各种操作，其次再通过本次课程设计的要求来一步步设计微指令，从而更加熟悉用COP2000来实现微程序的设计的方法。
总之，这次课设让我受益匪浅，我感受最深的是不论要进行何种课程设计，必须首先要有一个好的设计思想和设计步骤，如果所使用平台是一个比较陌生的软件环境的话，还要首先熟悉该软件才能在设计时避免由于准备不充分而带来个各种问题。
现在我知道输入这些和汇编语句，计算机会从控存中提取出相应的一段微程序去完成指令所交付的工作。
每一段微程序是由一些微指令的序列构成，而微指令则是由若干无先后顺序的微命令构成，每一个微命令都唯一对应计算机内部的某个部件的专有控制信号。
计算机就通过这种方式，调节和控制其内部各部件的运行和工作来完成机器指令所给予的任务。
参考资料
1.计算机组成原理课程设计任务书。
2.《计算机组成原理》教材及相关参考书。
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