1 第3講 簡單模型機的設計 微程序實現 計算機學院張瑞華 2 模型機設計步驟 擬定指令系統 確定總體結構 邏輯設計 確定控制方式 編制指令流程 編制微程序 調試 3 1 擬定指令系統 擬定指令系統將涉及到基本字長 指令格式 指令種類 尋址方式等內容 這些內容的確定又和總體結構密切相關 基本字長存儲器容量為256 8 基本字長定為8位指令格式指令格式可有單字長指令和雙字長指令兩種在雙字長格式中 第二字節一般定義為操作數或操作數地址 4 操作碼OP尋址方式寄存器號尋址方式寄存器號 基本字長8位743210指令格式源操作數目的操作數 指令類型模型機有單操數指令 雙操作數指令和無操作數指令 操作碼OP共4位 最多可定義16條指令 尋址方式當尋址方式位為0 是寄存器尋址 操作數在指定的寄存器中 相應的寄存器號位為0是R0 為1是寄存器R1 當尋址方式位為1時 尋址方式位和寄存器號位組合 10 是立即數尋址 操作數在指令的下一個單元 11 是直接尋址 操作數地址在指令的下一個單元 5 A B R0 R1 PC IR MAR7 0 RAM RD WR C RB CPR0 CPR1 CPPC CPIR CPMAR PB REST REST 2 確定總體結構 MA RA D BUS A BUS 三態門 圖1 6 寄存器組的設置R0 R1為通用寄存器 8位 IR為指令寄存器 8位 PC程序計數器 8位 MAR為地址寄存器 8位 加法器ALU的設置采用74181 74182實現選擇器的設置連入A選擇器的數據來源是RAM的讀出數據和R0寄存器的數據 連入B選擇器的數據來源是PC的數據和R1的數據 7 數據通路模型機的數據通路是以總線為基礎 以CPU為核心構成的 取指令 MAA直傳CPIRRAM 選擇器A Bus IR送指令地址PBB直傳CPMARPC 選擇器B Bus MAR指令計數器 1PBA加B加1 A為0 cppcPC 選擇器B Bus PC 8 R0 R1RAA直傳CPR1R0 選擇器A Bus R1R1 RAMRBB直傳CWRR1 選擇器B Bus RAM 9 3 邏輯設計 總體結構中 虛線框內的RAM是FPGA之外預先配置好的 1 ALU的邏輯設計由74181和74182組成 10 圖2選擇器設計 11 2 寄存器的設計不帶復位的寄存器結構中R0 R1通用寄存器 可存放操作數或結果 中間結果 每個寄存器均由8個D觸發器構成 在CPRi的作用下接收總線的數據送入寄存器 輸出連入選擇器 指令寄存器IR1 IR2其結構同通用寄存器 帶復位的寄存器結構中MAR地址寄存器是一個帶復位的寄存器 帶復位是指當有復位信號時 MAR清零 邏輯圖如圖3所示 12 圖3帶復位的八位寄存器邏輯圖 13 程序計數器PC的設計程序計數器結構如上圖3所示 是有復位信號的8位寄存器 PC加1是通過加法器實現的 復位信號RET的作用是有復位信號時 計數器PC清零 3 三態門的設計利用2片74125實現 C H時 三態 C L時 Y A 14 4 部件之間的連接由系統結構圖 圖1 可看出 部件之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式 加法器的輸出通過總線BUS連接到所有寄存器和存儲器的輸入端 除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的輸出端外 其它部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器B 連線圖如圖4所示 15 圖4 16 4 確定控制方式 控制命令是確定信息的流向 不同的數據通路需要不同的控制命令 架構圖圖1中 涉及到了許多控制命令例如CPR0 CPMAR MA RB等等 這些命令如何產生 通常有兩種方式 即硬布線邏輯電路方式和微程序方式 本章模型機采用微程序方式 微程序的執行方式采用增量 垂直方式 17 確定總體結構 A B R0 R1 PC IR MAR7 0 RAM RD WR C RB CPR0 CPR1 CPPC CPIR CPMAR PB REST REST MA RA D BUS A BUS 三態門 18 微程序控制器的結構如圖5所示 主要由控制存儲器ROM3 ROM2 ROM1 微指令寄存器IR23 16 IR15 8 IR7 0構成 圖5 19 微程序控制器時序 P P P脈沖的低電平用做控制存儲器讀命令 RDP脈沖的上升邊沿將讀出的微指令送 IR脈沖的上升邊沿將形成的后繼地址送微程序計數器 PC 同時將運算結果 總線的數據 送指定的寄存器 20 3 微指令格式微指令字長24位即 IR23 IR0 1 微指令字段定義ALU控制 IR21 IR20 IR19 IR18 IR17 IR16MS3S2S1S0C0三態門控制 IR60高阻態使C 11三態門使能使C 0停機控制 IR30G 0 運行1G 1 停機 21 A選擇器控制 IR15 IR1400備用01RA10MA11備用B選擇器控制 IR13 IR1200備用01PB10RB11備用 2 4譯碼器 互斥 2 4譯碼器 互斥 22 輸出分配 IR11 IR10 IR9000備用001CPR0010CPR1011CPPC100CPIR101CPMAR110備用111備用存儲器讀寫控制 IR5 IR410RD01WR 3 8譯碼器 互斥 23 后繼微地址形成方式 IR2 IR1 IR0000備用001 PC 1順序執行010JP無條件轉移 地址由IR15 8提供 011QJP高四位按操碼轉移 低4位為0 100YJP給定高4位低4位按源尋址方式轉移 101MJP給定高4位低4位按目尋址方式轉移 110備用111備用 3 8譯碼器 互斥 24 2 微命令形成邏輯微命令形成邏輯電路如圖6所示 圖中二 四譯碼器邏輯原理如7圖7所示 三 八譯碼器邏輯原理如7圖8所示 圖6 25 26 PC 微地址形成部件 P LD JP QJP 操作嗎IR8 5 微指令 IR15 8 圖9后繼地址形成部件是多路選擇器 3 后繼微地址產生邏輯為簡單起見只選三種后繼微地址生成方式即增量方式 無條件轉移方式 按操作碼轉移方式 其結構框圖如圖9所示 當LD 1時 微程序計數 PC執行加1操作 當LD 0時且JP 1時 無條件轉移 有微指令的中八位提供轉移地址 當LD 0時且QJP 1時 按操作碼轉移 27 PC的設計 28 功能 多路選擇器當JP 1 QJP 0時 Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0 IR15 IR14 IR13 IR12 IR11 IR10 IR9 IR8當JP 0 QJP 1時 Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0 IR7IR6IR5IR40000鏈接時 Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0連接 PC的D7 D0 PC的RE接高電平vcc 29 4 微程序編寫 編寫程序MOV105 R0MOV201 R1ADDR0 R1MOV3R1 FA HALT 2 操作碼二進制代碼MOV1 0001MOV2 0010ADD 0011MOV3 0100HALT 0101 30 操作碼OP尋址方式寄存器號尋址方式寄存器號 基本字長8位743210指令格式源操作數目的操作數 指令類型模型機有單操數指令 雙操作數指令和無操作數指令 操作碼OP共4位 最多可定義16條指令 尋址方式當尋址方式位為0 是寄存器尋址 操作數在指定的寄存器中 相應的寄存器號位為0是R0 為1是寄存器R1 當尋址方式位為1時 尋址方式位和寄存器號位組合 10 是立即數尋址 操作數在指令的下一個單元 11 是直接尋址 操作數地址在指令的下一個單元 31 程序代碼 地址代碼地址內容000011000100000101200101001300000001400110001501000111611110101701010000 32 3 微程序入口 十六進制代碼 取指周期微指令入口 00HMOV1執行周期微指令入口 10HMOV2執行周期微指令入口 20HADD執行周期微指令入口 30HMOV3執行周期微指令入口 40HHALT執行周期微指令入口 50H 33 4 指令執行流程00 RAM IR PC 1 PC10 20 30 40 PC MARPC MARR0 R1 R1PC MARG 1 PC 1 PCPC 1 PCPC MARPC 1 PC RAM R0RAM R1JPRAM MAR PC MARPC MARR1 RAM JPJPPC MAR JP 34 5 編制微程序 根據指令流程和微指令格式就可以開始編制微程序 指令流程中每一個流程對應一條微指令 結合總體結構框圖圖1 寫出這個流程所對應的數據通路的控制命令 例RAM IR所需的控制命令是MA CPIR并在表3 1中的相應位置填寫上 1 不需要的命令填寫 0 另外每一條微指令都要確定下條微指令地址的生成方式 35 總體結構 A B R0 R1 PC IR MAR7 0 RAM RD WR C RB CPR0 CPR1 CPPC CPIR CPMAR PB REST REST MA RA D BUS A BUS 三態門 36 37 微代碼 38 在驗收時 為使用連續脈沖 增加下列啟動 停止電路 39 5調試1 FPGA系統平臺上的所有開關和發光二極管 除L之外 均隨意編程用作數據輸入和狀態顯示 選擇系統結構中典型部件進行功能測試看是否滿足要求 若有錯改之 典型部件如下 選擇器A帶復位的寄存器MAR不帶復位的寄存器R0程序計數器PC 40 在部件設計無錯 連線無錯 FPGA的管腳定義無錯時可生成下載文件下載到FPGA中 2 單片機系統微程序經過檢查無誤后通過 計算機組成原理與系統結構安裝軟件 以十六進制寫入3 RAM2 RAM和1 RAM的相應單元中去 然后再讀出檢查看是否正確 有錯改之 寫入代碼時RAM2 和RAM1 是分別寫入的 要注意單元的對應 匯編程序以十六進制代碼從0單元開始寫入RAM的相應單元中 41 6統調具體步驟如下 1 按復位鍵RET使MAR清0 指令計數器PC清0 保證從存儲器0號單元取指令 使微程序計數器UPC清0 保證從3 RAM 2 ROM 1 ROM的0 單元取出取指令微程序的第一條微指令 42 2 執行微程序按復位鍵后 PC PC MAR為0 按一次脈沖鍵產生一負脈沖 作為 RD 將ROM1 ROM2 0號單元的16位微指令代碼讀出 用的上升沿將微指令送入 IR15 0 看是否正確 第一條微指令產生的命令是 MA RD2 CPIR 后繼微地址產生方式為 PC 1 其操作是