《计算机组成原理》

课程设计报告

微指令模型机实现

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小组成员：

完成日期：2020.10.16

一、计算机的功能和用途

通过该课程设计的学习，我们设计一台模型机，该模型机运行在FPGA平台上，可以模拟真正的计算机设备的一部分功能，通过微指令进行实现，使其可以完成一些基本操作，包括：加法、自增、减法、判断全0和判断进位，还有包括存储器读取写入等操作。具体实现了（1）（A1）+（A2）->A3。将A1、A2地址的数分别存到R0、R1寄存器，再通过ALU将加法结果存到寄存器R0，同时将结果状态cvnz存入寄存器STATE，将状态存入内存，再将寄存器R0的值存入内存。（2）数组累加。取出数组首地址放入地址累加器D，取出数组的数进行累加，使内存中的累加次数X+1，使D中地址+1，接着判断累加次数X是否等于N，若X与N不相等，则跳转到累加指令，否则结束循环，将累加结果存入内存。调试过程中通过平台指示灯观察内部的数据流动情况，了解计算机的运行、计算过程和内部的时序问题并辅助修改。

二、指令系统

1.指令格式

1.1基本字长：8位

1.2单字长指令：指令由高4位操作码、低4位全0构成。

7                        4      3      2     1     0

操作码OP

0

0

0

0

1.3双字长指令：指令由第一字节高4位操作码、低4位全0；第二字节操作数或操作数地址构成。

7                        4      3      2     1     0

操作码OP

0

0

0

0

操作数/操作数地址

两种指令格式的高四位为操作码，支持16种不同的指令。使用10、20...90作为九条指令以及F0停机指令。

2.寻址方式：

2.1：立即数寻址：操作数在指令的第二个字节

2.2：直接寻址：操作数的地址在指令的第二个字节。

3.指令功能

指令

指令功能

LDR0 A

读内存将A地址的数存入寄存器R0

LDR1 A

读内存将A地址的数存入寄存器R1

LDD A

读内存将A地址的数存入地址累加器D

ADD1 S

将寄存器R0、R1中的数相加，结果存入R0，加法结果状态从寄存器STATE写入内存地址S

ADD2

读内存将地址累加器D中地址的数与寄存器R0中的数相加，结果存入R0

STA A

将寄存器R0中的数写入内存地址A

INX #X

将内存中的累加次数X取出、+1再写回内存

CPX #N

累加次数X与N比较，若相等则跳出循环，否则继续循环累加

BNE #M

跳转回加法指令

HALT

停机

三、总体结构与数据通路

3.1总体结构

总体结构的设计参考课件中的设计方案。下面简要介绍一下各个部分：

1.寄存器

根据功能的需要，共设计了8个8位寄存器，其中R0、R1为通用寄存器。PC为程序计数器，存储下一条将要执行的指令的地址。IR为指令寄存器，用来存储从RAM中取出的指令。MAR为地址寄存器，该寄存器提供对RAM进行读写的地址。MBR为三态门寄存器，隔离RAM读写冲突，数据通过MBR写入RAM。状态寄存器为三态门寄存器，保存ALU的计算结果状态，并可以直接写入RAM。地址累加器寄存器，提供自增的RAM数组地址。

2.ALU

ALU为组合74181和74182的算术运算器，接收从A和B两个端口传来的数据进行相应的运算并输出，可以提供的加法、直传、减法、判断全0、判断进位的操作。

3.选择器

因为我们的算术运算器的数据来源有很多，所以需要设计数据选择器。

  1. 连接算术运算器的两个选择器，左边的是数据选择器A，选择RAM或R0的数据。右边的是数据选择器B，选择R1或PC的数据。
  2. 连接uPC的选择器，选择无条件跳转或按操作码散转。
  3. 连接MAR的选择器，选择总线或地址累加器的数据。

3.2数据通路

模型机的数据通路是以总线为基础

下面就几个基本的操作分析其数据通路：

1）取指令

RAM → 选择器A →ALU → Bus  → IR

2）送指令地址

PC → 选择器B →ALU → Bus → 选择器C → MAR

3）程序计数器加一

(PC)+1 → PC

4）(R0)->RAM

R0 → 选择器A →ALU → Bus  → MBR → RAM

5）(R0)+(R1)->RAM

R0 → 选择器A →ALU ,R1 → 选择器B →ALU,

ALU→ Bus  → MBR → RAM

四、指令执行流程

五、微程序执行流程

1.取指周期

00

M(MAR)->IR

01

(PC)+1->PC

02

QJP

2.LDR0 A1

10

(PC)->MAR

11

(PC)+1->PC

12

M(MAR)->MAR

13

M(MAR)->R0

14

(PC)->MAR

15

JP

3.LDR1  A2

20

(PC)->MAR

21

(PC)+1->PC

22

M(MAR)->MAR

23

M(MAR)->R1

24

(PC)->MAR

25

JP

4.ADD1  S

30

(R0)+(R1)->R0

31

(PC)->MAR

32

M(MAR)->MAR

33

状态->M(MAR)

34

(PC)+1->PC

35

(PC)->MAR

36

JP

5.STA

40

(PC)->MAR

41

(PC)+1->PC

42

M(MAR)->MAR

43

****R0->M(MAR)

44

(PC)->MAR

45

JP

6.LDD D

50

(PC)->MAR

51

M(MAR)->D

52

(PC)+1->PC

53

(PC)->MAR

54

JP

7.INX #X

60

(PC)->MAR

61

M(MAR)->R1

62

(R1)+1->R1

63

R1->M(MAR)

64

(PC)+1->PC

65

(PC)->MAR

66

JP

8.CPX #N

70

PC ->MAR

71

N==X? M(MAR)-(R1)

72

特殊(PC)+1->PC

73

特殊(PC)+1->PC

74

(PC)+1->PC

75

(PC)->MAR

76

JP

9.BNE #M

80

(PC)->MAR

81

(PC) + M(MAR)->PC

82

(PC)->MAR

83

JP

10.ADD2

90

(D)->MAR

91

(D)+1->D

92

M(MAR)->R1

93

(R0)+(R1)->R0

94

(PC)->MAR

95

JP

六、微程序设计

  1. 微操作字段定义

23-20:

20控制AB累加

0：不选中累加

1：选中累加

21：是否特殊PC+1

22：en_MBR：1为写

19-16:S3210

15:PC_LD

计数1

置数0

14-12:

ALU_AB选择

R0:001

R1:010

PC:011

RAM:100

R0R1:101

RAPC:110

RAR1:111

11-9:寄存器

R0:001

R1:010

PC:011

IR:100

MAR:101

MBR:110

地址累加器D:111

8:停机

7:ALU_CN

6:en

状态寄存器:1为写

5:RAM读

4:RAM写

3：地址累加器D_LD

2-0：跳转

upc+1:001

JP:010

QJP:011

2.特殊规定

1.ALU直传状态寄存器不计状态

2.s3210、cn：00001表示直传

3.只能通过R0存回RAM

4.直传B(PC)用加法

S1001 CN1

状态寄存器控制：1.脉冲2.A的AY、BY有选中即A中有传数3.s3210非全零，即非A直传。实现了A+B和A-B时存状态

七、系统的调试、测试方法:

7.1单元测试部分

ALU测试：

a输入、b输入、s0-s3、cn接开关

输出、进位接指示灯

通过控制开关查看指示灯的方式验证ALU加法、减法、直传、进位功能

累加器测试（PC、地址累加器、uPC）：

输入、LD、CLR接开关，CP接单脉冲

输出接指示灯

通过控制开关和单脉冲查看指示灯的方式验证累加器置数、计数功能

7.2整机测试部分：

①微程序经过检查无误后通过软件以十六进制写入ROM的相应单元。

②指令经过检查无误后通过软件以十六进制写入RAM的相应单元。

③拨清零开关使所有寄存器、累加器清零，按复位键。

④按一次脉冲键发单脉冲使启动器发送连续脉冲，开始运行程序。

⑤根据指示灯观察R0、R1、总线、MAR、PC、uPC的值。

⑥等到程序运行结束后通过软件读取RAM的值。

八、课程设计总结

8.1遇到的问题

三态门：起初由于不理解RAM的单数据通路而发生读写冲突报错，后来通过使用带有三态门的寄存器MBR调控总线与RAM的数据线连接解决问题。

时序问题：由于把握不好读取ROM微操作和寄存器打入脉冲的顺序，导致数据未在正确时机打入寄存器和RAM读写混乱，经过加灯观测调试和询问老师，最终解决时序问题。uRD和CPuIR是下降沿有效，而各个寄存器CP是上升沿有效，而单脉冲为负脉冲，因此在各个寄存器CP脉冲之前都要加上一个非门。

ALU直传：ALU器件设计功能只能直传A输入端的数据，无法直传B输入端的数据，通过使用加法0+B输入端数据实现B输入端数据的直传。

ALU输入组合问题：我们设计的电路中RAM和R1接入ALU的A输入端，pc和R0接入ALU的B输入端。因而无法做到RAM与R1相加，解决方案是将R1的值写入R0中，接着从RAM中取出相应的值放入R1寄存器实现R1寄存器中的值与RAM相加。

如何判断累加次数x和数组大小n是否相等：起初尝试各种简单电路发现难以完成该功能，接着按照真值表转换逻辑电路的方法成功实现该功能。

连续脉冲下不能正常工作：单步执行时程序没有出现问题，当处于连续脉冲自动执行时会发生跳过某条指令、循环指令等问题，最终发现与实验台有关，更换实验台解决问题。

8.2收获和体会

回顾这次实验，自己收获还是挺多的，加深了对课本知识的认知，也增强了动手能力。

1. 经过这次实验加深了对CPU工作原理的认识，对于CPU的数据传输以及工作方式有了更进一步的了解。学会了简单指令系统的设计以及微程序工作原理。

2.通过课程设计掌握了模型机的设计流程。并从模型及设计流程中学会了解决实际问题，体会到了设计与实际实现之间的不同。

3. 通过实验过程更加熟悉了实验平台的使用，以及模型及设计流程。同时也锻炼了在实验中锻炼自己的动手能力和解决问题的能力。

4.总线结构有利也有弊，好处在于电路结构清晰、数据通路简单、组合多样，弊端在于容易发生读写冲突、总线上只能传输一组数据。

九、小组成员各自的任务和完成情况

1.小组分工

各部件设计、整机实验中，两人共同设计电路框架、画电路图、测试部件、指令和微程序的编写。曾尝试过分工，在检查时发现单独完成部分效果不佳，出现器件连线出错、设计理念不一致、编码不完善的问题，因而选择两人一起边讨论边思考完成实验。

2.完成情况

基础实验和拓展数组累加实验最终均实现，各个指令的实验结果均正确，完成了预期的功能。

附录1：逻辑图

一、总图

二、各部件图

2.1ALU

2.2 8位2选1选择器

2.3 8位寄存器

2.4 8位进制计数器

2.5 连续脉冲启动器

附录2.1：微程序编码

附录2.2：指令编码

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