《计算机组成原理》课程设计---微程序设计
《计算机组成原理》课程设计---微程序设计
- 一、目的和要求
- 二、实验环境
- 三、具体内容
- 1.分析TEC-2机的功能部件组成，分析TEC-2机支持的指令格式等。
- （一）AM2901芯片的内部结构和芯片的引脚信号
- （二）AM2901芯片引脚信号
- （三）TEC-2机的控制器组成
- （四）为AM2910提供输入地址信号的配套线路
- （五）AM2910芯片
- （六）微指令格式
- （七）自行设计新指令的微程序段
- 2.使用TEC-2仿真软件进行微指令级的设计和调试，完成微程序控制的特定功能计算机的指令设计。
- （1）把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相加，结果存于内存单元ADDR1中。
- （2）将一通用寄存器内容减去某内存单元内容，结果放在另一寄存器中。
- （3）转移指令。判断两个通用寄存器内容是否相等，若不相等则转移到指定绝对地址，否则顺序执行。
- 3.测试程序设计及调试。
一、目的和要求
深入了解计算机各种指令的执行过程，以及控制器的组成，指令系统微程序设计的具体知识，进一步理解和掌握动态微程序设计的概念；完成微程序控制的特定功能计算机的指令系统设计和调试。
二、实验环境
Windows10
TEC-2仿真软件
三、具体内容
1.分析TEC-2机的功能部件组成，分析TEC-2机支持的指令格式等。
（一）AM2901芯片的内部结构和芯片的引脚信号
AM2901是位片结构，每片内仅有4位线路，内部组成包括：
1.4位的ALU，可以实现8种运算功能，每一位上的2个输入端数据分别用R和S表示，8种功能分别是R+S,S-R,R-S 3种算术运算，R∧S，R∨S,/R∧S,R⊕S，R⊙S 5种逻辑运算。这8种功能的选择控制，用外部送入的3位编码值I5~3实现的。ALU还有Cn+4、F、OVR、和F=0000 4位状态信息，并能接收最低位的一个进位输入信号Cn，ALU还给出了超前进位信号/G和/P。
2.16个4位的通用寄存器组，用R0-R15表示，和一个4位的Q寄存器。通用寄存器组为双端口读出和单端口控制写入的运行方式，而且运算后的结果经一个移位器实现写入。Q寄存器本身具有左、右移位功能且能接收ALU的运算结果。左右移位时，就有移出、移入信号RAM3、RAM0、Q3、Q0 4个信号。
3.该信片能接收外部送入的4位数据D3-0，并输出4位的数据Y3-0。Y3-0可以是通用寄存器A端口上的输出或ALU的运算结果F，并且输出允许控制信号/OE的控制，尽在/OE为低时，Y3-0才有输出。
4.ALU的两个输入端R和S分别可以接收D输入、A端口或逻辑0数据，和A端口、B端口、Q寄存器或逻辑0数据。AM2901器件选用了12种组合的8种，即A_Q,A_B,O_Q,0_B,0_A,D_A,D_Q和D_0 8种组合，并用外部送来的3位控制码I2-0选择。
5.AM2901采用另外3位外部送来的控制信号I8-6，一是选择向外部送出的数据的来源，二是选择内部的通用寄存器组和Q寄存器是否接收和如何接收数据写入。
6.在AM2901芯片内有16个通用寄存器R0-R15,R0-R3、R7-R15共13个寄存器作为通用寄存器供用户使用，R4-R63个寄存器分别作为SP、PC、IP。正常情况下，不能把这3个寄存器当作通用寄存器使用。
（二）AM2901芯片引脚信号
1.D3-D0：外部送给AM2901的数据信号
2.Y3-Y0：AM2901向外送出的数据信号
3.A、B地址：选择通用寄存器组种的源与目的寄存器，当A和B同值时，被选中的同一个寄存器中的内容将被同时送到A、B两个数据输出端口。
4.I8-I0:外部送来的3组3位控制信号，分别选择AM2901对数据结果的处理方案、ALU执行的运算功能、ALU接收的操作数来源。
（三）TEC-2机的控制器组成
- 指令寄存器IR：用于存放当前正在执行的指令内容。
- 程序计数器PC：PC是用运算器通用寄存器组中的寄存器R5实现的，程序计数器PC用于存放内存单元地址，
- 指令指针寄存器IP：IP是用运算器通用寄存器组中的寄存器R6实现的，IP用于存放当前正在执行的机器指令其指令代码所在的内存单元地址。
- 7片LS6116随机读写的存储器芯片组成的56位字长的微程序控制存储器，用于存放TEC-2机的微程序。其内容在刚加电时不定，加电后将首先从2片ROM中读出固化的、用于实现53条机器指令的微程序，稍加组织后写入这一控制存储器，这一过程称为装入微码。装入完成后，将从监控程序的零地址执行指令，完成TEC-2机的启动过程。之后，可以用LDMC指令向控制存储器写入新的微程序，实现新的机器指令。
- 微指令寄存器PLR由7片8位的寄存器芯片（6片LS374和1片LS273）组成，用于存放当前微指令的内容。
（四）为AM2910提供输入地址信号的配套线路
- 由两片LS2716ROM芯片组成的MAPROM，它可以将指令寄存器中的操作码变为一段微程序的入口地址。
- 由1片LS125和LS244组成的接受内部总线的IB9-0信号的选择门电路，把由水平板上的开关提供的微指令地址送入AM2910的地址输入端。
- 由1片LS125和微指令寄存器的PLR55-48组成的一组地址输入，把当前微指令中的后续地址B55-46送入AM2910的地址输入端。
- 这三组信号均为10位宽，且为互斥关系，分别由/MAP、/VECT和/PL加以选通。
（五）AM2910芯片
1.功能：正确形成下一条微指令的地址，以保证微程序正确、高效地执行。
2.组成：AM291包括一个四输入的多路地址选择器，用来选择寄存器/计数器（R），直接输入（D），微程序计数器（μPC）或微堆栈（F）中的一个作为下一条微指令的地址。
3.寄存器/计数器由12个D型触发器组成。当它用作寄存器时，主要用于保存一个微地址，用以实现微程序分支；当它用作计数器时，具有减一功能，主要用于控制微程序的循环次数，若装入的初值为N，则可执行N+1次。
4.微程序计数器由12位增量器和12位寄存器组成。 当增量器的进位输入C1为高电平时，多路器的输出Y加1后装入μPC，用于实现微程序的顺序执行；当C1为低电平时，多路器的输出Y直接装入μPC，用于实现同一条微指令的多次执行。
5.微堆栈是由5字×12位的寄存器堆和微堆栈指针μSP组成，主要用于保存微子程序调用的返回地址和微程序循环的首地址。微堆栈指针μSP总是指向最后一次压入的数据。因此，执行微程序循环时，允许不执行弹出操作而直接访问微堆栈的栈顶。当堆栈中的数据达到5个时，发出堆栈已满信号（/FULL=0）。这时，任何压入操作都将覆盖掉栈顶的数据。
（六）微指令格式
每条微指令由56位组成，从高到低各位标记为B55-B0，分为13个字段。
B55-B46的10位微码是下地址字段；
B55，B44备用；
B43-B40位CI3-1，用于给出AM2910芯片的16中命令码的编号；
B39-37、36分别为3位的SCC和1位的SC，给出AM2910芯片的条件判断信号/CC的选择码，用于保证微指令的条件转移等；
B35位备用；
B34-32位SST，控制标志寄存器的写入；
B31、B27、B23位为/MI0,REQ和/WE，用于控制内存的读写、外设接口的读写，以及微码的装入。
B30-B28位为MI8-6，用于选择运算结果存入的寄存器，以及Y输出的选择；
B26-B24位为MI5-3，用于选择进行何种算术或逻辑运算；
B22-B20位为MI2-0，用于选择R和S端的数据输入；
B19-B16位为A口地址；
B15-B12位为B口地址；
B11-B10位为SCi，控制最低位进位；
B9-B8位为SSH，形成移位信号；
B7位为A口地址选通信号；
B6-B4位为DC1，控制向IB总线的发送内容；
B3位为B口选通地址；
B2-B0位为DC2,选择接收的寄存器。
（七）自行设计新指令的微程序段
- MEM的内容是当前地址寄存器AR所存的地址单元的内容。
- 寄存器Q的内容可以是立即数，也可以是地址。
- 11条未定义的机器指令的6位操作码已定，最低两位可用于选择C、Z、V、S四个标志位作为判别条件。
- 11条未定义的机器指令具有对应的微程序段的入口地址，如D4对应的是100H，D8对应的是110H。
- 装入新指令的微码有两种方法，一是通过水平板上的开关与按键直接拨入，二是在程序中用LDMC指令实现自动装入。
- 新指令在每次TEC-2机重新加电后，至少得重新装入一次对应的微码；仅在装入相应微码后，新指令才能执行。
2.使用TEC-2仿真软件进行微指令级的设计和调试，完成微程序控制的特定功能计算机的指令设计。
（1）把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相加，结果存于内存单元ADDR1中。
指令格式：D8××，ADDR1，ADDR2， 三字指令（控存入口110H）
功能： [ADDR1]=[ADDR1] + [ADDR2]
1.指令格式
D8XX
ADDR1
ADDR2
2.功能
[ADDR1]=[ADDR1]+[ADDR2]
3.设计
先将内存单元ADDR2中的内容取出，送入Q寄存器。然后取出内存单元ADDR1中的内容与Q寄存器的内容相加，结果暂存于Q寄存中，最后将Q寄存器中的内容送入内存单元ADDR1中。
4.微程序
PC+1->AR 0000 0E00 90B5 5402
将存储第二个数地址的内存单元地址送入AR
MEM->AR 0000 0E00 10F0 0002
读取第二个数的内存单元地址
MEM->Q 0000 0E00 00F0 0000
读取第二个数送入Q寄存器
PC->AR,PC+1->PC 0000 0E00 A0B5 5402
将存储第一个数地址的内存单元地址送入AR，PC+1
MEM->AR 0000 0E00 10F0 0002
读取第一个数的内存单元地址
MEM+Q->Q 0000 0E01 00E0 0000
读取第一个数并与第二个数相加，结果送Q寄存器
PC+1->PC 0000 0E00 A0B5 5400
PC+1，形成下一条指令地址，保证程序正确走向
Q->MEM,CC#=0 0029 0300 1020 0010
将Q寄存器中的结果送入存储器，即内存单元ADDR1
（2）将一通用寄存器内容减去某内存单元内容，结果放在另一寄存器中。
指令格式：E0 DR SR，ADDR （SR，DR源、目的寄存器各4位）双字指令（控存入口130H）
功能： DR=SR-[ADDR]
1.指令格式
E0XX
ADDR
2.功能
DR = SR - [ADDR]
3.设计
先从存储器中取出内存单元ADDR的地址送到AR，然后取出AR指向的存储器中内存单元ADDR的内容，同时用通用寄存器SR的内容减去该内存单元ADDR的内容，将结果送入通用寄存器DR中。
4.微程序
PC->AR,PC+1->PC 0000 0E00 A0B5 5402
将存储ADDR地址的单元地址送入AR，PC+1
MEM->AR 0000 0E00 10F0 0002
读取内存单元ADDR的地址，送入AR
SR-MEM->DR 0029 0301 31D0 0088
读取ADDR中的数，用SR-[ADDR]，结果送入DR
（3）转移指令。判断两个通用寄存器内容是否相等，若不相等则转移到指定绝对地址，否则顺序执行。
指令格式：OP DR SR，ADDR 双字指令（控存入口地址根据操作码而定）
功能： if DR!=SR goto ADDR else 顺序执行。
1.指令格式
E5XX
ADDR
2.功能
若DR!=SR，则微程序跳转至ADDR；否则，顺序执行下一条指令。
3.设计
将两个通用寄存器SR、DR相减，结果不保存，根据运算结果重新设置标志位。将存储ADDR的内存单元地址送入AR，并选择标志位Z赋值给CC/，并将PC+1，形成下一条指令地址。若SR不等于DR，则微程序跳转至A4H，若无中断请求，则顺序执行下一条指令，下一条指令设为对通用寄存器R7赋值，以此来检验是否执行该指令。若SR等于DR，则微程序不跳转，顺序执行，将ADDR送入PC，ADDR地址的微指令为RET，微程序结束。
4.微程序
SR-DR 0000 0E01 9190 0088
用SR-DR，结果不保存，设置标志位
PC->AR,CC#=CND,PC+1->PC 0029 03E0 A0B5 5402
选择标志位Z作为CC#的值，若SR!=DR， 跳转至A4H，否则顺序执行
MEM->PC 0029 0300 30F0 5000
读取ADDR送入PC
3.测试程序设计及调试。
（微码程序加载及测试新指令）
（1）把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相加，结果存于内存单元ADDR1中。
E900
0900 0000:0000 0000:0E00 0000:90B5 0000:5402 0000:0000
0905 0000:0E00 0000:10F0 0000:0002 0000:0000 0000:0E00
090A 0000:00F0 0000:0000 0000:0000 0000:0E00 0000:A0B5
090F 0000:5402 0000:0000 0000:0E00 0000:10F0 0000:0002
0914 0000:0000 0000:0E01 0000:00E0 0000:0000 0000:0000
0919 0000:0E00 0000:A0B5 0000:5400 0000:0029 0000:0300
091E 0000:1020 0000:0010A800
0800: MOV R1,900
0802: MOV R2,8
0804: MOV R3,110
0806: LDMC
0807: RET
0808:
G800
A820
0820: MOV R0,0023
0822: MOV [A00],R0
0824: MOV [A01],R0
0826: NOP
0827: NOP
0828: NOP
0829: RET
082A:
E826
0826 0000:D800 0000:0A00 0000:0A01
G820
DA00
0A00 0046 0023 0000 0000 0000 0000 0000 0000 .F.#…
0A08 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A10 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A18 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A20 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A28 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A30 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A38 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A40 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A48 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A50 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A58 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A60 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A68 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A70 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
（2）将一通用寄存器内容减去某内存单元内容，结果放在另一寄存器中。
E900
0900 0000:0000 0000:0E00 0000:A0B5 0000:5402 0000:0000
0905 0000:0E00 0000:10F0 0000:0002 0000:0029 0000:0301
090A 0000:31D0 0000:0088
A800
0800: MOV R1,900
0802: MOV R2,3
0804: MOV R3,130
0806: LDMC
0807: RET
0808:
G800
A820
0820: MOV R9,0037
0822: MOV R0,0022
0824: MOV [A00],R0
0826: NOP
0827: NOP
0828: NOP
0829: RET
082A:
E826itor of Virtual TEC-2 By Guiheng Zhou, Jun. 2005, Sun Yat-sen University
0826 0000:E079 0000:0A00
U820
0820: 2C90 0037 MOV R9, 0037
0822: 2C00 0022 MOV R0, 0022
0824: 3400 0A00 MOV [0A00], R0
0826: E079 DW E079
0827: 0A00 ADC R0, R0
0828: 0000 NOP
0829: AC00 RET
082A: 0000 NOP
082B: 0000 NOP
082C: 0000 NOP
082D: 0000 NOP
082E: 0000 NOP
082F: 0000 NOP
0830: 0000 NOP
0831: 0000 NOP
0832: 0000 NOP
G820
R
R0=0022 R1=090C R2=0000 R3=0133 SP=FFFF PC=0820 IP=0829 R7=0015 R8=0000
R9=0037 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=00001111
0820: 2C90 0037 MOV R9, 0037
DA00
0A00 0022 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ."…
0A08 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A10 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A18 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A20 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A28 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A30 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A38 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A40 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A48 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A50 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A58 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A60 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A68 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
0A70 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 …
（3）转移指令。判断两个通用寄存器内容是否相等，若不相等则转移到指定绝对地址，否则顺序执行。
E900
0900 0000:0000 0000:0E01 0000:9190 0000:0088 0000:0029
0905 0000:03E0 0000:A0B5 0000:5402 0000:0029 0000:0300
090A 0000:30F0 0000:5000
A800
0800: MOV R1,900
0802: MOV R2,3
0804: MOV R3,140
0806: LDMC
0807: RET
0808:
G800
A820
0820: MOV R8,0011
0822: MOV R9,0011
0824: NOP
0825: NOP
0826: MOV R7,0033
0828: RET
0829:
E824
0824 0000:E589 0000:0828y Guiheng Zhou, Jun. 2005, Sun Yat-sen University
U820
0820: 2C80 0011 MOV R8, 0011
0822: 2C90 0011 MOV R9, 0011
0824: E589 DW E589
0825: 0828 ADC R2, R8
0826: 2C70 0033 MOV R7, 0033
0828: AC00 RET
0829: 0000 NOP
082A: 0000 NOP
082B: 0000 NOP
082C: 0000 NOP
082D: 0000 NOP
082E: 0000 NOP
082F: 0000 NOP
0830: 0000 NOP
0831: 0000 NOP
0832: 0000 NOP
R
R0=0000 R1=090C R2=0000 R3=0143 SP=FFFF PC=0800 IP=0807 R7=0000 R8=0000
R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=01001111
0800: 2C10 0900 MOV R1, 0900
G820
R
R0=0000 R1=090C R2=0000 R3=0143 SP=FFFF PC=0820 IP=0828 R7=0000 R8=0011
R9=0011 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=01001111
0820: 2C80 0011 MOV R8, 0011
A820
0820: MOV R8,0022
0822: MOV R9,0011
0824: NOP
0825: NOP
0826: MOV R7,0033
0828: RET
0829:
E824
0824 0000:E589 0000:0828
R
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