計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)--16位機(jī)微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　一、設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　16位機(jī)微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　通過看懂教學(xué)計(jì)算機(jī)組合邏輯控制器中已經(jīng)設(shè)計(jì)好并正常運(yùn)行的幾條基本指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JR、RET等指令）的功能、格

2、式和執(zhí)行流程，然后自己設(shè)計(jì)微程序控制器中的29條基本指令和19條擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)、調(diào)試正確，達(dá)到以下目的：</p><p>　　1、深入理解計(jì)算機(jī)控制器的功能、組成知識(shí)和各類典型指令的執(zhí)行過程；</p><p>　　2、對(duì)指令格式、尋址方式、指令系統(tǒng)、指令分類等建立具體的總體概念；</p><p>　　3、學(xué)習(xí)微程序控制器的設(shè)計(jì)過

3、程和相關(guān)技術(shù)。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　控制器設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)總體組成和設(shè)計(jì)的重要的部分。要在TEC—2000教學(xué)計(jì)算機(jī)上完成這項(xiàng)設(shè)計(jì)，必須清楚懂得：</p><p>　　1、TEC—2000教學(xué)機(jī)的微程序控制器主要由作為選件的微程序控制器小板和教學(xué)機(jī)大板上的7片GAL20V8組成。</p&g

4、t;<p>　　2、TEC—2000教學(xué)機(jī)微程序控制器上要實(shí)現(xiàn)的全部基本指令和擴(kuò)展指令的控制信號(hào)都是由微程序小板上的7片控制存儲(chǔ)器給出的。</p><p>　　3、應(yīng)了解監(jiān)控程序的A命令只支持基本指令，擴(kuò)展指令應(yīng)用E命令將指令代碼寫入到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中；不能用T、P命令單步調(diào)試擴(kuò)展指令，只能用G命令執(zhí)行擴(kuò)展指令。</p><p>　　4、要明白TEC—2000教學(xué)機(jī)支持的指令

5、格式及指令執(zhí)行流程分組情況；理解TEC—2000教學(xué)機(jī)中已經(jīng)設(shè)計(jì)好并正常運(yùn)行的各類指令的功能、格式、執(zhí)行流程和控制信號(hào)的組成。</p><p>　　5、明確自己要實(shí)現(xiàn)的指令格式、功能、執(zhí)行流程設(shè)計(jì)中必須遵從的約束條件。</p><p>　　6、為了完成擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)、調(diào)試正確的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具體過程包括：</p><p>　　1）確

6、定指令格式和功能，要受教學(xué)機(jī)已有硬件的約束，應(yīng)盡量與已實(shí)現(xiàn)指令的格式和分類辦法保持一致；</p><p>　　2）劃分指令執(zhí)行步驟并設(shè)計(jì)每一步的執(zhí)行功能，設(shè)計(jì)節(jié)拍狀態(tài)的取值，應(yīng)參照已實(shí)現(xiàn)指令的處理辦法來完成，特別要注意的是，讀取指令的節(jié)拍只能用原來已實(shí)現(xiàn)的，其他節(jié)拍的節(jié)拍狀態(tài)也應(yīng)盡可能的與原用節(jié)拍的狀態(tài)保持一致和相近；</p><p>　　3）在指令微程序表中填寫每一個(gè)控制信號(hào)的狀態(tài)值，注

7、意要特別仔細(xì)，并有意識(shí)地體會(huì)這些信號(hào)的控制作用；</p><p>　　4）將設(shè)計(jì)好的微碼，裝入控制存儲(chǔ)器的相應(yīng)單元；</p><p>　　5）寫一個(gè)包含你設(shè)計(jì)的指令的程序，通過運(yùn)行該程序檢查執(zhí)行結(jié)果的正確性，來初步判斷你的設(shè)計(jì)是否正確；如果有問題，通過幾種辦法查出錯(cuò)誤并改正，繼續(xù)調(diào)試，直到完全正確。</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)內(nèi)容</b&g

8、t;</p><p>　　1、完成微程序控制器指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容是由學(xué)生自己設(shè)計(jì)29條基本指令和19條擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行、調(diào)試正確。</p><p>　　2、首先看懂TEC—2000教學(xué)計(jì)算機(jī)的功能部件組成和線路邏輯關(guān)系，然后分析教學(xué)計(jì)算機(jī)組合邏輯控制器中已經(jīng)設(shè)計(jì)好并正常運(yùn)行的幾條典型指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、RET等

9、指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。</p><p>　　3、設(shè)計(jì)微程序控制器指令系統(tǒng)中各條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)、調(diào)試正確，例如ADC、STC、JRS、JRNS、LDRX、STRX、JMPR、CALR、LDRA等19條擴(kuò)展指令。</p><p>　　4、單條運(yùn)行指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。</p><p>　　5、用監(jiān)控程序的A、E（

10、擴(kuò)展指令必須用E命令置入）命令編寫一段小程序，觀察運(yùn)行結(jié)果。</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　分組及任務(wù)分配</b></p><p>　　每組四名同學(xué)，任務(wù)分配為：</p><p>　　朱冠蘭負(fù)責(zé)仿照教學(xué)計(jì)算機(jī)組合邏輯控制器，設(shè)計(jì)微程序控制器中基本指令的

11、功能、格式和執(zhí)行流程，畫出29條基本指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。</p><p>　　馮云龍負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)擴(kuò)展指令的功能、格式和執(zhí)行流程，設(shè)計(jì)微指令各字段的具體編碼值，包括控制碼的各字段、下址字段、形成下址用到的條件碼，畫出擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程框圖和微程序編碼表。</p><p>　　胡學(xué)智負(fù)責(zé)確定微碼各字段與控制存儲(chǔ)器各個(gè)芯片之間的關(guān)系，列表寫出各控制存儲(chǔ)器芯片中存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，將設(shè)計(jì)好的

12、微碼裝入控制存儲(chǔ)器。</p><p>　　王碩負(fù)責(zé)編寫若干個(gè)測(cè)試程序，包含所有的基本指令和擴(kuò)展指令，通過運(yùn)行這些程序可以檢查所有指令設(shè)計(jì)是否正確。</p><p>　　最后，所有組員共同參與測(cè)試，通過運(yùn)行測(cè)試程序，判斷指令設(shè)計(jì)是否正確。</p><p><b>　?。ǘW(xué)生應(yīng)交材料</b></p><p>　　1、課程

13、設(shè)計(jì)報(bào)告，每組交一份。</p><p>　　2、一塊自定義指令系統(tǒng)的微程序控制器板。</p><p>　　3、課程設(shè)計(jì)日記，每人交一份。</p><p>　?。ㄈ┱n程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容</p><p><b>　　1、題目名稱；</b></p><p><b>　　2、題目內(nèi)容；</b

14、></p><p>　　3、基本指令和擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程框圖；</p><p>　　4、基本指令和擴(kuò)展指令的微程序編碼表；</p><p>　　5、八個(gè)控制存儲(chǔ)器芯片中各存儲(chǔ)單元的內(nèi)容列表；</p><p><b>　　6、測(cè)試程序；</b></p><p>　　7、自評(píng)（從實(shí)現(xiàn)的功能上評(píng)價(jià)

15、）；</p><p>　　8、遇到的問題及解決方案；</p><p>　　9、總結(jié)（主要從綜合應(yīng)用知識(shí)、分析問題、解決問題方面總結(jié)）。</p><p><b>　　六、進(jìn)度安排</b></p><p>　　第1周 周一 上午 課程設(shè)計(jì)動(dòng)員</p><p>　　周二 ~ 周五 （1）熟

16、悉匯編、TEC—2000機(jī)開發(fā)環(huán)境</p><p><b>　?。?）基本指令設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?）擴(kuò)展指令設(shè)計(jì)</b></p><p>　?。?）編寫調(diào)試程序。</p><p>　　第2周 周一 ~ 周五 微指令寫入芯片，運(yùn)行測(cè)試程序，調(diào)試指令。

17、</p><p>　　第3周 周一 ~ 周三 編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　周四、周五 驗(yàn)收和答辯總結(jié)。 </p><p><b>　　七、課程設(shè)計(jì)環(huán)境</b></p><p>　　1、硬件環(huán)境： PC機(jī)一臺(tái)、TEC—2000實(shí)驗(yàn)機(jī)一臺(tái)、微程序控制器實(shí)驗(yàn)板一塊。 </p>

18、<p>　　2、軟件環(huán)境： （1）Win2000、DOS </p><p>　?。?）TEC—2000仿真終端程序PCEC</p><p>　?。?）TEC—2000監(jiān)控程序。</p><p><b>　　八、軟件設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　1．將設(shè)計(jì)好的微碼寫入控制存儲(chǔ)器。</p>

19、<p>　　一次只對(duì)一片28C64控制存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行讀寫，該芯片可插在擴(kuò)展芯片的高位或低位，若插在高位，輸入時(shí)信號(hào)編碼為高八位，低八位補(bǔ)零；若插在低位，輸入時(shí)信號(hào)編碼為低八位，高位補(bǔ)零。若一次擴(kuò)展兩片28C64控制器芯片，要注意信號(hào)要與產(chǎn)生該信號(hào)的芯片相對(duì)。</p><p>　　將擴(kuò)展新片的內(nèi)存單元地址置為4000~5FFF，將MAPROM插入擴(kuò)展芯片的位置，微程序入口地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)存單元的地址為芯片的

20、起始地址和該指令的編碼值之和。具體操作如下：</p><p><b>　　E 4000</b></p><p>　　4000 00FF：04 00FF：05 00FF：06 00FF：09 00FF：08 </p><p>　　00FF：0A 00FF：07 00FF：0B 00FF：0D

21、 00FF：0C </p><p>　　00FF：0E 00FF：0F </p><p><b>　　E 4020</b></p><p>　　4020 00FF：50 </p><p><b>　　E 4041</b></p><p>　　

22、4041 00FF：11</p><p><b>　　E 4044</b></p><p>　　4044 00FF：10 00FF：10 00FF：10 00FF：10 </p><p><b>　　E 4080</b></p><p>　　4080 00FF：1E

23、00FF：1B 00FF：12 00FF：19 00FF：15 </p><p>　　00FF：15 00FF：12 00FF：17 00FF：1D </p><p><b>　　E 408C</b></p><p>　　408C 00FF：17 00FF： 00FF： 00F

24、F： 23</p><p><b>　　E 40CE</b></p><p>　　40CE 00FF：1F </p><p>　　將MPROM1~MPROM7依次插入擴(kuò)展芯片的位置對(duì)其編程，內(nèi)存單元的地址為芯片的起始地址和該指令操作功能所對(duì)應(yīng)的微址之和，操作如下：</p><p>　　MPROM1產(chǎn)生下址信號(hào)，MP

25、ROM2產(chǎn)生CI3~0、SCC3~0信號(hào)</p><p>　　對(duì)MPROM1-2的操作為：MPROM1 在高位 MPROM2 在低位</p><p><b>　　E 4000</b></p><p>　　4000 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：0020</p><p&g

26、t;　　00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 </p><p>　　00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030</p><p>　　00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030 00FF：3030</p><p>　　00FF：3034 00F

27、F：3030 00FF：1436 00FF：3030 </p><p>　　00FF：3030 00FF：1A37 00FF：3030 00FF：1C37</p><p>　　00FF：3030 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：00E0</p><p>　　00FF：3030 00FF：1C30 00FF：2430

28、 00FF：00E0</p><p>　　00FF：00E0 00FF：00E0 00FF：3030 00FF：00E0</p><p>　　00FF：3030 </p><p><b>　　E 4030</b></p><p>　　4030 00FF：3A32 00FF：0230 </p>

29、<p><b>　　E 4050</b></p><p>　　4050 00FF：3030</p><p>　　MPROM3產(chǎn)生0MRW、0I2~0信號(hào)，MPROM4產(chǎn)生SAI8~I6、SBI5~I3信號(hào)，</p><p>　　對(duì)MPROM3-4的操作為：MPROM3 在高位 MPROM4 在低位</p><

30、p><b>　　E 4000</b></p><p>　　4000 00FF：4131 00FF：4320 00FF：1010 00FF：4010</p><p>　　00FF：41B8 00FF：41B9 00FF：41BC 00FF：41BB </p><p>　　00FF：41BE 00FF：4199 00FF

31、：419C 00FF：44B8</p><p>　　00FF：4338 00FF：4339 00FF：4378 00FF：4358</p><p>　　00FF：4010 00FF：4530 00FF：4710 00FF：2310</p><p>　　00FF：3730 00FF：4331 00FF：0010 00FF：4320</

32、p><p>　　00FF：1010 00FF：4318 00FF：0490 00FF：4490</p><p>　　00FF：1738 00FF：4320 00FF：4320 00FF：4320</p><p>　　00FF：1700 00FF：4331 00FF：0220 00FF：4320</p><p><b&

33、gt;　　00FF：1730</b></p><p><b>　　E 4030</b></p><p>　　4030 00FF：4700 00FF：4320 </p><p><b>　　E 4050</b></p><p><b>　　00FF：41B8</b&

34、gt;</p><p>　　MPROM5產(chǎn)生B口、A口信號(hào)，MPROM6產(chǎn)生0SST、SSHSCI信號(hào)，</p><p>　　對(duì)MPROM5-6的操作為：MPROM5 在高位 MPROM6 在低位</p><p><b>　　E 4000</b></p><p>　　4000 00FF：5501 00FF：550

35、1 00FF：0000 00FF：0000</p><p>　　00FF：0010 00FF：0011 00FF：0010 00FF：0010 </p><p>　　00FF：0010 00FF：0011 00FF：0010 00FF：0010</p><p>　　00FF：0011 00FF：0010 00FF：0060 00FF：0

36、050</p><p>　　00FF：0000 00FF：5500 00FF：0000 00FF：0000</p><p>　　00FF：0000 00FF：4000 00FF：0000 00FF：4401</p><p>　　00FF：0020 00FF：0000 00FF：0000 00FF：0000</p><p&g

37、t;　　00FF：0000 00FF：5501 00FF：5501 00FF：5501</p><p>　　00FF：0000 00FF：4000 00FF：5500 00FF：4401</p><p><b>　　00FF：5000</b></p><p><b>　　E 4030</b></p&g

38、t;<p>　　4030 00FF：0000 00FF：5501 </p><p><b>　　E 4050</b></p><p>　　4050 00FF：0012 </p><p>　　MPROM7產(chǎn)生DC2、DC1信號(hào)，對(duì)MPROM7的操作為：</p><p><b>　　E 40

39、00</b></p><p>　　4000 00FF：70 00FF：B0 00FF：10 00FF：00</p><p>　　00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 </p><p>　　00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 </p><p>

40、;　　00FF：00 00FF：00 00FF：00 00FF：00 </p><p>　　00FF：00 00FF：02 00FF：32 00FF：01</p><p>　　00FF：00 00FF：30 00FF：03 00FF：30</p><p>　　00FF：00 00FF：30 00FF：01 00FF：3

41、0</p><p>　　00FF：00 00FF：30 00FF：30 00FF：30</p><p>　　00FF：00 00FF：30 00FF：01 00FF：30</p><p><b>　　00FF：00</b></p><p><b>　　E 4030</b>&l

42、t;/p><p>　　4030 00FF：03 00FF： 0B </p><p><b>　　E 4050</b></p><p>　　4050 00FF：00 </p><p><b>　　九、測(cè)試程序</b></p><p>　　1．測(cè)試基本指令的程序：</

43、p><p>　　1）測(cè)試MVRD，MVRR，PSHF，ADD，SUB，AND，CMP，JRNZ，POPF，RET，XOR，TEST，JRZ的程序</p><p><b>　　程序流程圖：</b></p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　(2000)MVRD R0,0041;

44、MVRD</p><p>　　MVRD R1,0016</p><p>　　MVRD R2,0084</p><p>　　MVRR R3,R1;MVRR</p><p>　　MVRR R6,R0</p><p>　　MVRD R7,0000</p><p>　　(200A)PSHF

45、;PSHF</p><p>　　ADD R0,R1;ADD,->R0=0057</p><p>　　SUB R2,R1;SUB,->R2=006E</p><p>　　AND R3,R1;AND,->R3=0016</p><p>　　CMP R2,R1;CMP</p><p&g

46、t;　　JRNZ 2050;JRNZ</p><p>　　(2010)POPF;POPF</p><p>　　RET;RET</p><p>　　(2050)XOR R1,R6;XOR,->R1=0057</p><p>　　TEST R0,R7;TEST</p><p>

47、　　JRZ 2010;JRZ</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　2）測(cè)試OR，DEC，PUSH，INC，POP，SHR，JRC，SHL，JR，JMPA的程序</p><p><b>　　程序流程圖：</b></p><p><b>　　程序：<

48、;/b></p><p>　　(2000)MVRD R0,0046;MVRD</p><p>　　MVRD R1,0016</p><p>　　MVRR R2,R1;MVRR</p><p>　　MVRR R3,R0</p><p>　　MVRR R6,R0</p><p>　

49、　(2007)OR R0,R1;OR,->R0=0056</p><p>　　DEC R1;DEC,->R1=0015</p><p>　　PUSH R2;PUSH</p><p>　　INC R2;INC,->R2=0017</p><p>　　POP R2;POP,->R2=

50、0016</p><p>　　SHR R3;SHR,->R3=0023</p><p>　　CMP R1,R0;CMP</p><p>　　JRC 2050;JRC</p><p>　　(200F)SHL R6;SHL,->R6=008C</p><p>　　RET

51、;RET</p><p>　　(2050)JR 2060;JR</p><p>　　(2060)JMPA 200F;JMPA</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　3）測(cè)試LDRR，CALA，OUT，STRR，IN，JRNC的程序</p><p>&

52、lt;b>　　程序流程圖：</b></p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　(2070)2070: 0041 2071: 0042 2073:0043 2074:0043</p><p>　　(2000)MVRD R3,0004;MVRD</p><p>　　MVRD

53、R2,2070;MVRD</p><p>　　(2004)LDRR R0,[R2];LDRR</p><p>　　CALA 200C;CALA</p><p>　　DEC R3;DEC</p><p>　　JRZ 200B;JRZ</p><p>　　INC R2;IN

54、C</p><p>　　JR 2004;JR</p><p>　　(200B)RET;RET</p><p>　　(200C)OUT 80;OUT</p><p>　　MVRD R1,0020;MVRD</p><p>　　ADD R0,R1;ADD</p>

55、<p>　　STRR [R2],R0;STRR</p><p>　　(2011)IN 81;IN</p><p>　　SHR R0;SHR</p><p>　　JRNC 2011;JRNC</p><p>　　RET;RET</p><p><b>

56、;　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　2．測(cè)試擴(kuò)展指令的程序：</p><p>　　1）驗(yàn)證指令A(yù)DC的程序。</p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　(2000)MVRD R0,FFFF</p><p>　　MVRD R1,1111</p&g

57、t;<p><b>　　ADD R0,R1</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　運(yùn)行結(jié)果：R0=1110，R1=1111，F(xiàn)=10000011</p><p><b>　　E 2004</b></p><p>　　(2004)

58、0001:2001</p><p>　　運(yùn)行結(jié)果：R0=1111，R1=1111，F(xiàn)=10000011</p><p><b>　　十、自評(píng)</b></p><p>　　測(cè)試程序的運(yùn)行結(jié)果證明了29條基本指令和19條擴(kuò)展指令是正確的。由此我們可以知道16位機(jī)微程序控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是正確的。我們的設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃蟮摹?lt;/p

59、><p>　　十一、遇到的問題及解決方案</p><p>　　測(cè)試擴(kuò)展指令時(shí)，用E命令編碼寫入，但我們對(duì)指令格式不熟悉，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)程序無法正確運(yùn)行。經(jīng)過我們大量的測(cè)試以及尋找相關(guān)資料，我們總結(jié)出了正確的格式并正確地調(diào)試了程序。</p><p><b>　　十二、總結(jié)</b></p><p>　　在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，雖然分工明確