计算机硬件课程设计

设计报告

学号 姓名：王宇

学号 姓名：杜冰

2015年10月29日一、课题名称：

微程序控制模型计算机的设计

二、实验目的：

1．运用“计算机组成原理”和“数字电路”等课程的知识，通过对模型机的设计和调试，加深对计算机各部件工作原理的认识。

2．进一步掌握运用EDA 技术进行设计和调试的工作方法。

三、实验任务：

1． 设计一台由微程序控制的模型计算机。

2． 将模型机调试成功，对设计进行优化。

四、设计方案：

1.数据格式和指令系统

采用 8 位数据通路，数据采用8 位二进制定点表示。

76543210.

设置7 条机器指令和2条面板操作指令

(1) 面板操作指令

a.输入地址为 PC 置初始值，即输入程序的起始地址，当K1 开关置“1”，K2 开关置“0”时执行此操作；

b.输入程序将程序输入到内存的指定区域，当K1，K2 开关均置“1”时，由面板输入开关输入程序；

c.本模型机设置 K3 开关，K3 置1 表示执行单步操作；

d. START 表示启动开关。单步操作时，用于执行每一条指令；

e.CLRN表示总清开关，置0时系统全部清零。

(2) 指令系统

a. 指令格式

操作码寻址方式7 6 5 43 2 1 0

有二种寻址方式

(1)寄存器寻址

操作码R目R源7 6 5 43 2 1 0

(2)直接地址寻址

由于地址要占用一个字节，所以此类指令为双字节指令。

操作码R目R源内存地址7 6 5 43 2 1 0

b．7条基本机器指令

(1)IN R； 从开关输入数据送入到指定的寄存器R。

格式：

0 0 0 1R目R源

(2)OUT R；从指定的寄存器R 中取出数据送入到输出缓冲器，显示灯亮。

格式：

0 0 1 00 0R源

(3)LD R , address ；从内存指定单元取出数据，送入指定的寄存器R。

格式：

0 0 1 1R目R源Address

(4)ST address, R; 从指定的寄存器R 中取出数据，存入内存指定单元。

格式：

0 1 0 0R目R源Address

(5)ADD R1， R2；将两个寄存器中的数据相加，结果送到R1。

格式：

0 1 0 1R目R源

(6)JMP address; 无条件转移，即address ->PC。

格式：

0 1 1 0R目R源Address

(7)HALT ； 停机指令。

0 1 1 10 00 0

2.硬件结构设计

为了简单方便，我们采用单总线结构，总体结构和 CPU 内部结构设计如图所示。

3.数据通路设计

4.控制器设计

控制器组成

微指令格式和微命令

首先对数据通路进行分析，需要16个控制信号。此外还要2个信号：UPC (表示一段微程序结束)，HALT(停机)，共需要18个控制信号。采用水平型格式表示。

控制数据通路的 16个信号说明如下：

G1，G2，G3，G4 分别控制4个多路开关

A，B，C，D，E 分别控制对应的寄存器输入

F 控制计数器PC 的输入和计数

I 控制指令寄存器的输入

DEST 目的寄存器的读出控制信号

SRC 源寄存器的读出控制信号

WE 对RAM 的写入信号

GWN 通用寄存器组的写入信号

LDN PC 置初值的控制信号

时序信号和控存的安排

根据分析，每执行一条微指令的操作须用2 个工作脉冲，读取一条微指令需要1 个工作脉冲执行，M1 脉冲将微指令送入微指令寄存器(3 片74273)；M3、M4 用来执行该微指令的操作。这样读取并执行一条微指令总共需要4 个工作脉冲M1、M2、M3、M4，所需的脉冲时序如图所示。

电路实现：

根据分析，执行一条微指令的操作须用2 个工作脉冲。18 位微命令需要占用3 个字节，本实验用如下方式来获得3 个字节的微指令，由数字电路的知识可知，当ROM 的字数够用而每个字的位数不够用时，我们可以采用位扩展的连接方式，将多片ROM 组合成位数