存数等指令实验计算机设计文档格式.docx

1、具体要求如下：1、掌握实验计算机的整机结构。熟悉实验计算机的组装和调试方法。2、设计如下几条机器指令的格式，指令格式可以采用单字长或双字长设计。输入输出指令：IN #DATA，R0 （功能DATA - R0）OUT ADDR （功能（ADDR）- LED输出）算术减法运算指令：SUB R0，ADDR （功能R0-（ADDR）-带进位右移位运算指令：RRC R0 （功能R0的值带进位循环右移一位-存数指令： STA R0，ADDR （功能R0 -ADDR）转移指令： JMP ADDR （功能ADDR - PC）3、设计微指令的格式, 编写上述每条机器指令所对应的微程序，并上机调试。4、通过如下程

2、序的编写调试，验收机器指令、微指令、微程序的设计结果。IN #data，R0SUB R0，addr1RRC R0STA R0，addr2OUT addr2JMP 00HAddr1: XXAddr2: 1.2设计设备 EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。1.3实验计算机结构设计 1.运算器又是由299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，及三个用 用寄存器R0，R1，R2等组成。具体来说，运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂存器 1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。微控器部分控存由

3、U13-U15三片2816构成。除此之外，CPU的其他部分都由EP1K10集成。相对控制器而言， 运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是有控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。2.控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H-FFH。3.存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。在运算前需要把 参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存。 4.输入设备是由置数开关SW控制完成的，能把人们用

4、文字或语言所能表达的问题直接到计算机 内部处理。5.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。 此实验计算机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成，其结构图

5、 如图1.1所示。数据总线（D_BUS） 74299 LPC299-G 程序计数器PCALU-G LOAD PC-G M CN ALU S3S2S1S0 数据暂存器LT1 数据暂存器LT2 LAR 地址寄存器 地址总线（ADDR_BUS）LDR1 LDR2 存储器（MEM） READ WRITE 寄存器R0 微控器 脉冲源及时序 LDR0 R0-G 指令寄存器 C-G LDIR 输入设备 W/R 控制门 输出设备 数据 D-G 控制信号 图1-1 模型机结构框图 本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据总线上的数据打入指 令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低八位有

6、效。1.4指令系统的设计指令助记符、指令功能、指令编码如下：1）输入指令:IN #DATA, R0指令功能：#DATA R0指令代码：000000002）减法指令：SUB ADDR，R0 R0-ADDR- R000000001 XXXXXXXX3）带符号右移运算：RRC R0 指令功能：R0的值带进位循环右移一位- 指令格式：00000100 4）转移指令：JMP ADDRADDR- PC00001001 XXXXXXXX5）存数指令：STA ADDR，R0 R0 - ADDR指令格式： 00000101 XXXXXXXX 6）输出指令：OUT ADDR，R0 ADDR - LED 指令格式:

7、00000111 1.5微指令的格式设计及微操作控制部件的组成原理 1.5.1微指令格式 本系统设计的微指令字长共24位，其控制位顺序如下表1-1所示。 表1-1微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0 其中uA5-uA0为6位后续地址，F1,F2,F3为三个译码字段，分别由三个控制位译出多位，S3S0为选择运算，M为逻辑算数操作选择，Cn表示有无进位，WE是读写控制，1A和1B控制规则如下：两者均为00时为无操作，01是输出LED选通控制，10是内存R

8、AM选通控制，11是输入电路选通控制。 1.5.2微操作控制信号功能S3、S2、S1、S0、M、CN是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令。WE是写内存的微命令，状态“1”有效。1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、“01”。 状态“00”为无效。F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译码电路74138译码输出8种状态，前7种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。F3字段包含P1- P4四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序

9、的顺序、分支、循环运行。、三个字段的编码方案如表1-2所示。表1-2译码字段编码F1字段F2字段F3字段选择0 0 0LDRiRAGP10 0 1LOADALU-GAR0 1 0LDR2RCGP30 1 1自定义1 0 0LDR1RBGP21 0 1LARPC-G1 1 0LDIR299-CP4 控制操作为P4测试，它以CA1、CA2作为测试条件，出现了写机器指令、读机器指令和运行机器指令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存一个微地址单元随意填写。 其中微命令LDRi表示写寄存器操作；微命令LOAD表示程序计数器PC写操作；微命令LD

10、R2表示数据暂存器LT2写操作；微命令LDR1表示数据暂存器LT1写操作；微命令LAR表示地址寄存器AR写操作；微命令LDIR表示指令寄存器写操作；微命令RAG表示源寄存器读操作；微命令ALU-G表示运算器输出操作；微命令RCG表示目的寄存器读操作；微命令PC-G表示程序计数器PC读操作；微命令LPC表示程序计数器PC选通操作；微命令299-G表示移位寄存器读写操作；微命令RBG表示变址寄存器读操作。 机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址上的指令传送至指令寄存器，这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行P1测试，根据指令的译码将后续微地址中的某几位强制置

11、位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址，这就是“译码”过程。然后才顺序执行该段微程序，这是真正的指令执行过程。 在所有机器指令的执行过程中，“取指”和“译码”是必不可少的，而且微指令执行的操作也是相同的，这些微指令称为公用微指令。1.5.3微程序的控制方式设计 微程序顺序控制方式指在一条指令对应的微程序执行过程中，下一条微指令地址的确定方式，又叫后继地址生成方式，常见的有计数增量方式和断定方式。计数增量方式的特点是微程序控制部件中的微地址中的微地址产生线路主要是微地址计数器MPC，MPC的初值由微程序首地址行成线路根据指令操作码编码形成，在微程序执行过程中计数增量计数产生下一条微指令地址，这

12、使得微指令格式中可以不设置下地址场。缩短微指令长度，也使得微程序控制部件较简单。但微程序必须存放在控存若干连续单元中。断定方式的特点是微指令中设有下地址场，它指出下条微指令的地址，这使一条指令的微程序中微指令在控存中不一定要连续存放。在微指令执行过程中，微程序控制部件微地址形成电路直接接受微指令下地址场信息产生下一条微指令地址，微程序的首址也由此微地址形成线路根据指令操作码产生，所以本次微程序顺序控制方式采用断定方式。1.5.4微程序控制部件组成原理微程序控制部件组成原理图如图1-2所示。 图1-2微程序控制原理图其主要由控制存储器、微指令寄存器、地址转移逻辑三部分构成，具体工作原理说明如下文

13、所 述。（1）控制存储器 控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读型存储器。一旦微程序固化， 机器运行则只读不写。其工作过程是:每读出一条微指令，则执行这条微指令；接着又读下一条微指令。读出一条微指令并执行微指令的时间总和称为一个微指令周期。通常，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就是微指令的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。（2） 微指令寄存器微指令寄存器用来存放控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一

14、条微指令的操作控制字段和判别字字段信息。（3） 地址转移逻辑在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不存在不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。地址转移逻辑就来承担自动完成修改微地址的任务。1.6微程序设计 1.6.1微指令流程图 微指令流程图如图1-3所示。 开始 01 PC AR，PC+102RAM D_BU

15、S IR 45 P（1）测试IN ADD STA OUT JMP RR RRC 20 21 22 23 24 25 26D_INPUT R0 PC AR PC AR PC AR PC AR R0 299 R0 299 01 PC+1 PC+1 PC+1 PC+1 03 07 31 34 35 37 RAM D_BUS RAM D_BUS RAM D_BUS RAM D_BUS 右环移 带进位 D_BUS AR D_BUS AR D_BUS AR D_BUS PC 右环移 04 17 32 36 40 RAM D_BUS R0 D_BUS RAM D_BUS 01 299 R0 299 R0 D

16、_BUS LT2 D_BUS RAM D_BUS LT1 05 33 01 01 R0 LT1 01 LT1 LED 06 （LT1）-（LT2） R0 01 图1-3微指令流程图 实验台控制流程图如图1-4所示。 控制开关 00 10 P（4）测试 MWE（10） MRD（00） RUN（11） PC AR,PC+1 11 PC AR,PC+1 10 13（D_INPUT） D_BUS LT1 14 RAM D_BUS LT1 12 01 LT1 RAM 15 LT1 LED 16 图1-4 实验台控制流程图 1.6.2微程序中各微指令的二进制编码，十六进制编码下表为根据微程序流程图设计的各

17、指令二进制微代码表（1）IN #DATA，R0输入指令微代码表如表1-3所示。 表1-3输入指令微代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BUA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01010000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111001010000100000 0 0 0 0 0 0 1 1（2）SUB R0，addr1减法指令微代码如表1-4所示。 表1-4减法指令微代码表0100010000110001000100001011000001100 1 1 0 0 0 0 0 0001（3）RRC R0带符号右位移指令微代码如表1-6所示。 表1-6带进位右移位指令微代码表0110000101100 0 1 1 0 0 0 0 01000110111110 0 1 0 1 0 0 0 0100000（4）STA R0，addr2存数指令微代码如表1-7所示。 表1-7存数指令微代码表0100100001110011110 0 0 0 0 0 1