八位指令系统设计Word文档格式.docx
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A4-µ
A0相连,SE5-SE1低电平有效时,连接的触发器对对应的微地址位强制置1。
选择P
(1)-P(4)的代码段为微指令代码中的第九至第七位,具体各测试字段有效时对应微地址入口形成的规律表见表1-1,表1-2,表1-3,表1-4:
P
(1)有效:
表1-1入口地址形成表P
(1)
I7I6I5I4I3I2I1I0
SE6SE5SE4SE3SE2SE1
0000×
×
1111
0000
0001×
1110
0001
0010×
1101
0010
0011×
1100
0011
0100×
1011
0100
0101×
1010
0101
0110×
1001
0110
0111×
1000
0111
1000×
1001×
1010×
1011×
1100×
1101×
1110×
1111×
注:
表示无关项,此表为P
(1)有效时译码规律,设
为×
0000,并且SWA,SWB=1,P
(1)有效时,可以更改微指令地址的后四位。
P
(2)有效:
表1-2入口地址形成表P
(2)
00×
11
00
01×
10
01
10×
11×
表示无关项,此表为P
(2)有效时译码规律,设
00,并且SWA,SWB=1,P
(2)有效时可以更改微指令地址的后两位。
P(3)有效:
表1-3入口地址形成表P(3)
FCFZ
1×
0×
表示无关项,此表为P(3)有效时译码规律,设
,并且SWA,SWB=1,P(3)有效时,可以更改微指令地址的第二位。
P(4)有效:
表1-4入口地址形成表P(4)
SWBSWA
表示无关项,此表为P(4)有效时译码规律,设
00,P(4)有效时。
可以更改微指令地址的后两位。
1.5寄存器译码分析
图1.2寄存器选通电路
实验设备中共有三个寄存器可以使用,分别为R0、R1、R2,选通电路如图1.2所示,LDRi,RD-B、RS-B为选通端,有效时可以对相应的输入信号译码,对机器指令的后四位进行译码来选择寄存器,通过对寄存器选通电路进行分析,可得具体的寄存器选通译码规律见表1-5。
表1-5寄存器选通译码表
输入信号
选通信号
I3I2I1I0
LDRi
RS-BRD-BRI-B
1
111
LDR0
LDR1
LDR2
101
R0-B
R1-B
R2-B
011
110
表示无关项,选通信号LDR0、LDR1、LDR2为高电平有效,R0-B、R1-B、R2-B为低电平有效。
1.6信号及时序分析
1.6.1信号分析
通过分析微程序控制电路可知,输出信号M24-M16为微指令的高九位,不经过译码电路。
而经过译码电路的信号当中,LDRi、LDR1、LDR2、LDIR、LDAR、LDPC为高电平有效,LOAD、RD-B、RS-B、RI-B、299-B、ALU-B、PC-B、P
(1)、P
(2)、P(3)、P(4)、AR为低电平有效。
微控制器单元电路中M17、M16连接A9、A8,当A9=0时、A8=0时,选中Y0;
当A9=0、A8=1时,选中Y1;
当A9=1、A8=0,选中Y2;
当A9=1、A8=1时,选中Y3。
1.6.2时序信号分析
图1.3时序电路产生的波形
时序电路产生的波形见图1.3,根据对电路分析TS1时进行控制的是微控制器单元电路中的编程单元;
TS2控制的是
IR的锁存端;
TS3控制LDAR、LDIR、W/R;
TS4控制299、LDDR1、LDDR2、LDR0、LDR1、LDR2、LDPC、SE6-SE1。
与时钟信号无直接联系的信号299-B、ALU-B、Ri-B、LOAD、CE、LED-B、SW-B、S3、S2、S1、S0、M、CN。
1.7微指令格式分析
本次课程设计所使用的微指令格式见表1-6,对各字段分析如下:
表1-6微指令格式表
24
23
22
21
20
19
18
17
16
151413
121110
987
654321
S3
S2
S1
S0
M
Cn
WE
A9
A8
A
B
C
μA5—μA0
(1)字段24~19为控制运算器的控制端,通过改变S3~Cn来决定对数据进行何种算术或逻辑运算,微指令的高九位不经过译码,直接作用在控制部件上。
(2)字段18为控制对主存W/R的开关,字段对应见表1-7。
表1-7主存控制表
说明
对主存进行读操作
对主存进行写操作
(3)字段17、16控制2-4译码器的输出端,对Y0、Y1、Y2进行选择,选择对应见表1-8。
表1-8Yi选通信号表
Yi
操作
Y0
SW-B
INPUTUNIT的开关
Y1
CE
MAINMEN的控制片选开关
Y2
LED-B
OUTPUTUNIT的开关
NULL
空操作
(4)字段15~7为A、B、C三个开关控制端。
各字段对应的选通信号见表1-9、表1-10、表1-11。
A字段:
表1-9A字段选择表
15
14
13
开关
LDDRi
控制寄存器Ri的写入开关
LDDR1
暂存器DR1的控制开关
LDDR2
暂存器DR2的控制开关
LDIR
指令寄存器IR的控制开关
LOAD
数据装载入PC计数器的控制开关
LDAR
地址寄存器AR的控制开关
B字段:
表1-10B字段选择表
12
RS-B
寄存器R0、R1、R2的译码开关
RD-B
RI-B
ALU-B
ALU的输出开关
PC-B
PC的输出开关
299-B
299输出开关
C字段:
表1-11C字段选择表
9
8
7
P
(1)
P
(1)有效
P
(2)
P
(2)有效
P(3)
P(3)有效
P(4)
P(4)有效
LDPC
PC+1
AR
控制CY
2总体设计
2.1存储器划分
存储器共256*8-bit=256-byte,地址为00H—FFH,其中地址00H—BFH为代码区,共192*8-bit=192-byte,占存储空间的3/4,数据区从地址C0H—FFH,共64*8-bit=64-byte,占存储空间的1/4。
存储区划分见图2.1。
图2.1存储器划分图
2.2数据格式和指令设计
2.2.1数据格式描述
本组设计的数据类型是八位二进制无符号整型数,表示范围0—255,具体格式见图2.2。
6
5
4
3
2
数值
图2.2数据格式描述图
2.2.2指令描述
本组设计了14条指令,指令系统风格为寄存器寄存器风格,指令不定字长,有单字节和双字节两种格式,寻址方式共涉及寄存器寻址、直接寻址、立即数寻址三种寻址方式,指令类别共有算数/逻辑运算、存储器访问、寄存器操作、程序流控制、输入/输出五类功能指令,各包含指令数分别为:
4、2、1、5、2。
对指令的具体描述指令见表2-1。
表2-1指令描述表
指令
类别
名称
指令格式
助记符
寻址
方式
算术/逻辑运算
ADD
OP
Ri
Rj
ADDRi,Rj
寄存器
Rj←Ri+R2
ADDI
Addr
ADDIRi,Rj,Imm
立即数
Rj←Ri+Imm
SLL
SLLRi,Rj
Rj←Ri<
<
SUB
SUBRi,Rj
Rj←Ri-R2
存储器访问
LB
LBRj,Addr
直接寻址
Rj←M[Addr]
SB
SBRi,Addr
M[Addr]←Ri
表2-1指令描述表(续)
寄存器操作
MOV
MOVRi,Rj
Rj←Ri
程序流控制
BEQ
BEQRi,Rj,Addr
IFRi=R2,
PC←Addr;
ELSEPC+1
HALT
JMP
JMPAddr
立即数寻址
PC←Addr
NOP
Nooperation
SLT
SLTRi,Rj,Addr
IFRi<
R2,PC←Addr;
输入/输出
IN
INRj
Rj←INPUT
OUT
OUTRi
LED←Ri
OP代表操作码,Ri代表源寄存器,Rj代表目的寄存器。
2.2.3指令设计
对于指令的设计共分两部分,即操作码设计和操作数设计。
(1)本组设计中,操作码为指令的高四位(I7—I4)。
通过前面对于译码电路的分析,一组I7—I4的值通过译码电路可以得到一组SE4—SE1的值,实现指令的跳转。
本组设计的指令具体跳转关系见表2-2。
表2-2指令跳转表
指令名称
跳转起始(八进制)
I7I6I5I4
SE4SE3SE2SE1
跳转地址(八进制)
34
26
32
25
30
31
33
35
27
(2)在操作数设计主要针对指令的低四位(I3—I0),根据对寄存器电路分析,本组设计的指令中单字节指令I3I2决定源寄存器,I1I0决定目的寄存器。
具体各指令寄存器使用设计见表2-1以及表1-5。
综上设计,可以得到微指令框架如图2.3所示。
图2.3微指令框架图
2.3控制台设计
(1)控制台公操作
表2-3控制台公操作设计表
S3S2S1S0MCn
A9A8
000000
000
100
F=A+1
说明:
选中P(4),通过译码形成微地址入口
假设DR1内为A,DR2内为B,F为输出。
(2)强制写
表2-4强制写设计表
010
000001
000
F=A
从INPUT中接受数据,并强制写到相应地址的主存单元中。
(3)强制读
表2-5强制读设计表
强制从指定地址内存中读取数据,显示到七段码显示器上。
(4)指令执行
表2-6指令执行设计表
所有微操作都为空操作,只是要通过后继地址转入到运行微程序的流程中。
综上所有设计,并且根据表1-4,可以得到控制台流程,控制台流程见图2.4。
图2.4控制台流程图
3详细设计
3.1指令详细设计
3.1.1公操作
表3-1公操作设计表
001
NULL
从内存中读取指令,并进行译码,实现微指令入口的跳转。
3.1.2算术逻辑类指令
(1)ADD:
表3-2ADD指令设计表
100101
F=A+B
从两个寄存器中取数,进行加法运算,结果保存在寄存器中。
(2)ADDI:
表3-3ADDI指令设计表
对从寄存器中取出的数和立即数进行加法运算,结果保存在寄存器中。
(3)SLL:
表3-4SLL指令设计表
001100
数据打入寄存器
000110
带进位左移
将寄存器中的数左移一次,再将数存入寄存器。
(4)SUB:
表3-5SUB指令设计表
LDD
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- 八位 指令系统 设计