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计算机组成原理课程设计

课程设计

项目名称：

TEC2000十六位机微程序设计

课程名称：

计算机组成原理

班级：

姓名：

学号：

教师：

马莉秦彩云杜天苍

信息工程学院计算机系

一、设计题目

16位机微程序控制器指令系统的设计与实现

二、设计目的

通过看懂教学计算机组合逻辑控制器中已经设计好并正常运行的几条基本指令（例如ADD、MVRR、OUT、MVRD、JR、RET等指令）的功能、格式和执行流程，然后自己设计微程序控制器中的29条基本指令和19条扩展指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确，达到以下目的：

1、深入理解计算机控制器的功能、组成知识和各类典型指令的执行过程；

2、对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立具体的总体概念；

3、学习微程序控制器的设计过程和相关技术。

三、设计说明

控制器设计是学习计算机总体组成和设计的重要的部分。

要在TEC—2000教学计算机上完成这项设计，必须清楚懂得：

1、TEC—2000教学机的微程序控制器主要由作为选件的微程序控制器小板和教学机大板上的7片GAL20V8组成。

2、TEC—2000教学机微程序控制器上要实现的全部基本指令和扩展指令的控制信号都是由微程序小板上的7片控制存储器给出的。

3、应了解监控程序的A命令只支持基本指令，扩展指令应用E命令将指令代码写入到相应的存储单元中；不能用T、P命令单步调试扩展指令，只能用G命令执行扩展指令。

4、要明白TEC—2000教学机支持的指令格式及指令执行流程分组情况；理解TEC—2000教学机中已经设计好并正常运行的各类指令的功能、格式、执行流程和控制信号的组成。

5、明确自己要实现的指令格式、功能、执行流程设计中必须遵从的约束条件。

6、为了完成扩展指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确的实验内容，具体过程包括：

1）确定指令格式和功能，要受教学机已有硬件的约束，应尽量与已实现指令的格式和分类办法保持一致；

2）划分指令执行步骤并设计每一步的执行功能，设计节拍状态的取值，应参照已实现指令的处理办法来完成，特别要注意的是，读取指令的节拍只能用原来已实现的，其他节拍的节拍状态也应尽可能的与原用节拍的状态保持一致和相近；

3）在指令微程序表中填写每一个控制信号的状态值，注意要特别仔细，并有意识地体会这些信号的控制作用；

4）将设计好的微码，装入控制存储器的相应单元；

5）写一个包含你设计的指令的程序，通过运行该程序检查执行结果的正确性，来初步判断你的设计是否正确；如果有问题，通过几种办法查出错误并改正，继续调试，直到完全正确。

四、设计内容

完成微程序控制器指令系统的设计，设计29条基本指令和19条扩展指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、运行、调试正确。

五、设计步骤

1.确定指令功能与格式，受教学机已有硬件的约束，应尽量与已实现指令的格式和分类办法保持一致

2.划分指令执行步骤并设计每一步的执行功能，画出指令执行流程框图

3.分配微指令地址

4.设计微指令内容，填写指令微程序表中每一个控制信号的状态值，注意要特别仔细，并有意识地体会这些信号的控制作用；

5.把新微指令写入控存

6.需要时修改MAPROM

7.编写包含你设计的指令的程序，通过运行该程序检查执行结果的正确性，来初步判断你的设计是否正确；如果有问题，通过几种办法查出错误并改正，继续调试，直到完全正确。

六、组分工及任务分配

每组四名同学，任务分配或分工为：

1、魏佳负责设计15条基本指令的执行流程，画出15条基本指令的执行流程框图和微程序编码表。

2、郑智慧负责设计14条基本指令和2条扩展指令的执行流程，画出14条基本指令和2条扩展指令的执行流程框图和微程序编码表。

3、张明璐负责确定微码各字段与控制存储器各个芯片之间

的关系，列表写出各控制存储器芯片中存储单元的内容，将设计好的微码装入芯片。

4、武昊负责编写包含所有指令的测试程序，通过运行这些程序检查指令设计是否正确。

七、度安排

第17周周一上午课程设计动员

周一下午~周五

（1）熟悉汇编及软硬件环境

（2）基本指令设计

（3）扩展指令设计

（4）编写测试程序。

第18周

（1）微指令写入芯片，运行

周一~周四

（2）测试程序，调试指令。

（3）编写课程设计报告。

第18周周五上午验收和答辩总结。

八、程设计环境

1、硬件环境：

PC机一台、TEC—2000实验机一台、微程序控制器实验板一块。

2、软件环境：

（1）Win2000、DOS

（2）TEC—2000仿真终端程序PCEC

（3）TEC—2000监控程序。

九、件设计方案

1．将设计好的微码写入控制存储器。

一次只对一片28C64控制存储器芯片进行读写，该芯片可插在扩展芯片的高位或低位，若插在高位，输入时信号编码为高八位，低八位补零；若插在低位，输入时信号编码为低八位，高位补零。

若一次扩展两片28C64控制器芯片，要注意信号要与产生该信号的芯片相对。

将扩展新片的内存单元地址置为4000~5FFF，将MAPROM插入扩展芯片的位置，微程序入口地址对应的内存单元的地址为芯片的起始地址和该指令的编码值之和。

具体操作如下：

E4000

400000FF：

0400FF：

0500FF：

0600FF：

0900FF：

08

00FF：

0A00FF：

0700FF：

0B00FF：

0D00FF：

0C

00FF：

0E00FF：

0F

E4020

402000FF：

50

E4041

404100FF：

11

E4044

404400FF：

1000FF：

1000FF：

1000FF：

10

E4080

408000FF：

1E00FF：

1B00FF：

1200FF：

1900FF：

15

00FF：

1500FF：

1200FF：

1700FF：

1D

E408C

408C00FF：

1700FF：

00FF：

00FF：

23

E40CE

40CE00FF：

1F

将MPROM1~MPROM7依次插入扩展芯片的位置对其编程，内存单元的地址为芯片的起始地址和该指令操作功能所对应的微址之和，操作如下：

MPROM1产生下址信号，MPROM2产生CI3~0、SCC3~0信号

对MPROM1-2的操作为：

MPROM1在高位MPROM2在低位

E4000

400000FF：

00E000FF：

00E000FF：

00E000FF：

0020

00FF：

303000FF：

303000FF：

303000FF：

3030

00FF：

303000FF：

303000FF：

303000FF：

3030

00FF：

303000FF：

303000FF：

303000FF：

3030

00FF：

303400FF：

303000FF：

143600FF：

3030

00FF：

303000FF：

1A3700FF：

303000FF：

1C37

00FF：

303000FF：

00E000FF：

303000FF：

00E0

00FF：

303000FF：

1C3000FF：

243000FF：

00E0

00FF：

00E000FF：

00E000FF：

303000FF：

00E0

00FF：

3030

E4030

403000FF：

3A3200FF：

0230

E4050

405000FF：

3030

MPROM3产生0MRW、0I2~0信号，MPROM4产生SAI8~I6、SBI5~I3信号，

对MPROM3-4的操作为：

MPROM3在高位MPROM4在低位

E4000

400000FF：

413100FF：

432000FF：

101000FF：

4010

00FF：

41B800FF：

41B900FF：

41BC00FF：

41BB

00FF：

41BE00FF：

419900FF：

419C00FF：

44B8

00FF：

433800FF：

433900FF：

437800FF：

4358

00FF：

401000FF：

453000FF：

471000FF：

2310

00FF：

373000FF：

433100FF：

001000FF：

4320

00FF：

101000FF：

431800FF：

049000FF：

4490

00FF：

173800FF：

432000FF：

432000FF：

4320

00FF：

170000FF：

433100FF：

022000FF：

4320

00FF：

1730

E4030

403000FF：

470000FF：

4320

E4050

00FF：

41B8

MPROM5产生B口、A口信号，MPROM6产生0SST、SSHSCI信号，

对MPROM5-6的操作为：

MPROM5在高位MPROM6在低位

E4000

400000FF：

550100FF：

550100FF：

000000FF：

0000

00FF：

001000FF：

001100FF：

001000FF：

0010

00FF：

001000FF：

001100FF：

001000FF：

0010

00FF：

001100FF：

001000FF：

006000FF：

0050

00FF：

000000FF：

550000FF：

000000FF：

0000

00FF：

000000FF：

400000FF：

000000FF：

4401

00FF：

002000FF：

000000FF：

000000FF：

0000

00FF：

000000FF：

550100FF：

550100FF：

5501

00FF：

000000FF：

400000FF：

550000FF：

4401

00FF：

5000

E4030

403000FF：

000000FF：

5501

E4050

405000FF：

0012

MPROM7产生DC2、DC1信号，对MPROM7的操作为：

E4000

400000FF：

7000FF：

B000FF：

1000FF：

00

00FF：

0000FF：

0000FF：

0000FF：

00

00FF：

0000FF：

0000FF：

0000FF：

00

00FF：

0000FF：

0000FF：

0000FF：

00

00FF：

0000FF：

0200FF：

3200FF：

01

00FF：

0000FF：

3000FF：

0300FF：

30

00FF：

0000FF：

3000FF：

0100FF：

30

00FF：

0000FF：

3000FF：

3000FF：

30

00FF：

0000FF：

3000FF：

0100FF：

30

00FF：

00

E4030

403000FF：

0300FF：

0B

E4050

405000FF：

00

十、本指令和扩展指令的执行流程框图

1.基本指令流程框图

2.扩展指令流程框图

3.TEC-200016位机扩展指令系统

4.微指令格式分析

下地址

CI3~CI0

SCC

0MRW

0I2~I0

SAI8~I6

SBI5~I3

B口

A口

0SST

SSHSCI

DC2

DC1

8

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

（1）下址字段

8位的微下址

用于给出下一条将要执行的微指令的地址。

微程序顺序执行，即把已增1后的微指令地址作为下地址

4位的测试控制码CI3～0

用于决定微程序中的微指令寻址方式（顺序寻址、跳跃寻址）。

本实验中只使用到0000（初始化，使微下址=0）、0010（指令功能分支，做MAPROM映射）、0011（条件转移，由SCC决定是否转移）、1110（顺序寻址，将当前微地址加1作为微下址）这四个命令码。

4位的转移条件编码SCC3～0

当CI3~0=0011时，由这四位编码决定转移判断测试的条件，若选中条件满足，则使用微下址寻址下一条微指令，否则做顺序寻址，同CI3~0=1110。

CI3～0

SCC3～0

判断条件

微下址

0000

0000（无效）

00H

0010

0000（无效）

MAP映射

映射获得

0011

0000

必转

微下址字段值

0010

有中断请求时转移

微下址字段值/顺序寻址

0100

JRC、JRNC、JRZ、JRNZ指令测试

微下址字段值/顺序寻址

0101

JRS、JRNS指令测试

微下址字段值/顺序寻址

0110

IN指令测试

微下址字段值/顺序寻址

0111

入出栈指令测试

微下址字段值/顺序寻址

1110

0000（无效）

顺序寻址

（2）操作控制字段

MIQ、REQ、WE

/MIO（0：

有内存和串口读写，1：

无）

REQ（0：

读写内存，1：

读写串行口）

/WE（0：

写操作，1：

读操作）

MRW

功能

000

内存写

001

内存读

010

I/O写

011

I/O读

1XX

无读写

I8-I6、I5-I3、I2-I0、A口和B口、SST2-0：

数据来源（I2-I0）、运算功能（I5-I3）、数据处理方式（I8-I6）

编码

I8~6

I5~3

I2~0

REG

Q

Y

功能

R

S

000

F→Q

F

R+S

A

Q

001

F

S–R

A

B

010

F→B

A

R–S

0

Q

011

F→B

F

R∨S

0

B

100

F/2→B

Q/2→Q

F

R∧S

0

A

101

F/2→B

F

/R∧S

D

A

110

2F→B

2Q→Q

F

R⊕S

D

Q

111

2F→B

F

/（R⊕S）

D

0

SST2-0:

用于控制状态标志位的状态变化

SSH：

用于控制产生运算器最高、低位的移位输入信号

SST

C

Z

V

S

000

C

Z

V

S

001

CY

F=0

OVR

F15

010

内部总线

011

0

Z

V

S

100

1

Z

V

S

101

RAM0

Z

V

S

110

RAM15

Z

V

S

111

Q0

Z

V

S

SSH

左移

右移

RAM0

Q0

RAM15

Q15

00

0

X

0

X

01

C

X

C

X

10

Q15

/F15

CY

RAM0

11

X

X

F15

RAM0

SCI1-0：

用于控制产生运算器最低位的SA（A口）和SB（B口）：

进位输入信号

SCI

Cin

00

0

01

1

10

C

11

TCLK

编码

SA（A口）

SB（B口）

0

微指令A口

微指令B口

16

1

IR的SR字段

IR的DR字段

8

0

IR的SR字段

IR的DR字段

1

微指令A口

微指令B口

DC1:

用于对CPU内部总线数据来源的控制，选择把哪一组数据发送到CPU内部总线上

用于选择把哪一组数据发送到CPU的内部总线（IB）上。

在微指令执行过程中，若不使用内部总线，则通常将其设置为000，可认为是无效状态。

DC1

译码信号

操作

000

/SWTOIB

开关到内部总线

001

/RTOIB

ALU输出到内部总线

010

/ETOIB

16扩展符号到内部总线

011

/FTOIB

状态到内部总线

100

/STOIB

8扩展符号到内部总线

101

/INTVH

中断向量高位到内部总线

110

/INTVL

中断向量低位到内部总线

111

NC

NC

DC2:

用于对几个特定的寄存器接受输入的控制，选择允许哪一个寄存器接收送给它的一组数据

用于控制数据接收及相关的内部功能。

DC2

译码信号

操作

000

NC

NC

001

/GIR

指令寄存器接收

010

/GARL

AR低位接收

011

/GARH

AR高位接收

100

/INTR

恢复中断优先级

101

/INTN

新中断优先级

110

/EI

开中断，置INTE为1

111

/DI

关中断，清INTE为0

十、本指令和扩展指令的微程序编码表

基本指令的微程序编码表（二进制）

指令名

微址

下址

CI3-0

SCC3-0

0MEW

0I2-0

SAI8-6

SBI5-3

B

A

SST

SSHSCI

DC2

DC1

ALL

00

00

1110

0000

0100

0001

0011

0001

0101

0101

0000

0001

0111

0000

ALL

01

00

1110

0000

0100

0011

0010

0000

0101

0101

0000

0001

1011

0000

ALL

02

00

1110

0000

0001

0000

0001

0000

0000

0000

0000

0000

0001

0000

ALL

03

00

0010

0000

0100

0000

0001

0000

0000

0000

0000

0000

0000

0000

ADD

00

04

30

0011

0000

0100

0001

1011

1000

0000

0000

0001

0000

0000

0000

SUB

01

05

30

0011

0000

0100

0001

1011

1001

0000

0000

0001

0001

0000

0000

AND

02

06

30

0011

0000

0100

0001

1011

1100

0000

0000

0001

0000

0000

0000

CMP

03

09

30

0011

0000

0100

0001

1001

1001

0000

0000

0001

0001

0000

0000

XOR

04

08

30

0011

0000

0100

0001

1011

1110

0000

0000

0001

0000

0000

0000

TEST

05

0A

30

0011

0000

0100

0001

1001

1100

0000

0000

0001

0000

0000

0000

OR

06

07

30

0011

0000

0100

0001

1011

1011

0000

0000

0001

0000

0000

0000

MVRR

07

0B

30

0011

0000

0100

0100

1011

1000

0000

0000

0001

0000

0000

0000

DEC

08

0D

30

0011

0000

0100

0011

0011

1001

0000

0000

0001

0000

0000

0000

INC

09

0C

30

0011

0000

0100

0011

0011

1000

0000

0000

0001

0001

0000

0000

SHL

0A

0E

30

0011

0000

0100

0011

0111

1000

0000

0000

0110

0000

0000

0000

SHR

0B

0F

30

0011

0000

0100

0011

0101

1000

0000

0000

0101

0000

0000

0000

JR

41

11

30

0011

0000

0100

0101

0011

0000

0101

0101

0000

0000

0000

0010

JRC

44

10

30

0011

0100

0100

0000

0001

0000

0000

0000

0000

0000

0000

0000

JRNC

45

10

30

0011

0100

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