課程設(shè)計(jì)概述1.1課設(shè)目的計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。本課程力圖以“培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力”為目標(biāo)，貫徹“強(qiáng)調(diào)軟/硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同、以CPU設(shè)計(jì)為核心/層次化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組織思路，有效地增強(qiáng)對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)”。課程設(shè)計(jì)是學(xué)完該課程并進(jìn)行多個(gè)單元實(shí)驗(yàn)后，綜合利用所學(xué)的理論知識(shí)，并結(jié)合在單元實(shí)驗(yàn)中所積累的計(jì)算機(jī)部件設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，設(shè)計(jì)出一臺(tái)具有自己指令系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能在基于EDA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行一段程序，通過(guò)檢查程序結(jié)果的正確性來(lái)判斷所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正確性。課程設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，不僅鍛煉學(xué)生簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，而且通過(guò)進(jìn)行主機(jī)系統(tǒng)底層電路的實(shí)現(xiàn)、故障分析與定位、系統(tǒng)調(diào)式等環(huán)節(jié)的鍛煉，進(jìn)一步提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并調(diào)試通過(guò)。本組所選用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于微程序控制器的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。完成數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)并驗(yàn)證數(shù)據(jù)通路功能．確定CPU的基本結(jié)構(gòu)是采用總線方式還是采用專用通路方式；完成指定功能的各指令周期流程圖(表)和所需要的控制信號(hào)。把所有指令的狀態(tài)進(jìn)行綜合，并歸納成最終需要的若干個(gè)狀態(tài)，畫(huà)出指令流程的狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)；完成時(shí)序列電路設(shè)計(jì)。通過(guò)畫(huà)出帶控制信號(hào)的多周期數(shù)據(jù)通路圖，列出指令譯碼表，設(shè)計(jì)控制譯碼器。最后將控制譯碼器信號(hào)與多周期數(shù)據(jù)通路圖上的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)相連；主要技術(shù)指標(biāo)如下：1)支持算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)、寄存器間數(shù)據(jù)傳送等幾類(lèi)指令。2)支持立即數(shù)尋址、直接尋址、隱含尋址、寄存器尋址等幾種基本的數(shù)據(jù)尋址方式和順序?qū)ぶ?、跳躍尋址兩種指令的尋址方式。3)支持10條以上的指令。4)能運(yùn)行由自己所是設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)構(gòu)成的一段程序，程序執(zhí)行功能正確。1.3設(shè)計(jì)要求根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)的要求，制定出設(shè)計(jì)方案；2)畫(huà)出自己所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的原理框圖和器件連接圖，分析器件連接圖中各器件不同引腳的功能，哪些可以固定連接，哪些需要通過(guò)微程序來(lái)控制，及這些控制信號(hào)的有效形式；3)畫(huà)出各指令的指令周期流程圖和所需要的控制信號(hào)；4)設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)指令功能的微程序控制器或硬布線控制器；5)布線、調(diào)試、驗(yàn)收;6)課程設(shè)計(jì)報(bào)告和總結(jié)。

2實(shí)驗(yàn)原理與環(huán)境2.1實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)圖2.1.1功能結(jié)構(gòu)圖組成原理課程設(shè)計(jì)CPU功能結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1CPU功能結(jié)構(gòu)圖2.1.2中央處理器的功能CPU作為運(yùn)行指令的部件，從保證程序功能正確的角度看，CPU應(yīng)該具有以下幾方面的功能：1）指令執(zhí)行順序的控制。即控制程序中的指令按事先規(guī)定的順序自動(dòng)執(zhí)行，從而保證程序執(zhí)行過(guò)程中，指令在邏輯上的相互關(guān)系不被改變。2）指令的操作控制。即產(chǎn)生指令執(zhí)行過(guò)程中所需要的信號(hào)，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運(yùn)行。3）時(shí)間控制。即對(duì)每個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，一邊按規(guī)定的時(shí)間順序啟動(dòng)各操作。對(duì)于任何一條指令而言，如果操作控制信號(hào)的時(shí)間不正確，則指令的功能也就不能正確的實(shí)現(xiàn)。4）數(shù)據(jù)加工處理。即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，或?qū)?shù)據(jù)在相關(guān)的部件之間傳輸。5）異常和中斷處理。即處理運(yùn)算中的異常及處理外部設(shè)備的中斷服務(wù)請(qǐng)求等。2.1.3中央處理器的組成中央處理器主要由控制器和運(yùn)算器兩部分構(gòu)成。控制器的主要功能包括：取指令、計(jì)算下一條指令的地址、對(duì)指令譯碼、產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)、控制指令執(zhí)行的步驟和數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。運(yùn)算器是執(zhí)行部件，有算術(shù)邏輯單元和各種寄存器組成。運(yùn)算器接受控制器的命令執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算即邏輯測(cè)試。許多中央處理器中具有多個(gè)運(yùn)算功能單元，這些功能單元能夠進(jìn)行并行運(yùn)算。中央處理器的功能與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，任何一種功能都依賴相應(yīng)的硬件去實(shí)現(xiàn)。如圖2.1是一種能實(shí)現(xiàn)上述功能的CPU基本組成。下面對(duì)圖2.1的各部分功能進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。a.CPU內(nèi)常用的寄存器1）PC（程序計(jì)數(shù)器）PC保存將要執(zhí)行的指令地址，又稱指令地址寄存器。CPU取指令時(shí)，將PC的內(nèi)容送到主存地址寄存器，然后修改PC的值形成下一條要執(zhí)行的指令地址，有以下兩種修改PC內(nèi)容的方法：（1）程序順序執(zhí)行是，可利用程序計(jì)數(shù)器本身的遞增功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，若程序無(wú)此功能，則通過(guò)加法器實(shí)現(xiàn)；（2）轉(zhuǎn)移時(shí)，用轉(zhuǎn)移指令提供的地址修改PC的值。2）IR（指令寄存器）IR用于保存指令。從主存儲(chǔ)器取出的指令存放在IR中，直到新的指令從主存中取出為止。IR中對(duì)應(yīng)于指令操作碼的部分輸出送到指令譯碼器。IR中指令的操作碼字段內(nèi)容經(jīng)指令譯碼器，送到微操作信號(hào)形成不見(jiàn)；指令的地址碼字段根據(jù)尋址方式的不同可能送入程序計(jì)數(shù)器、地址寄存器或運(yùn)算部件。有的機(jī)器指令操作碼中包含尋址方式，因此不單獨(dú)設(shè)計(jì)尋址方式字段；有的機(jī)器將尋址方式字段和操作碼一并送入指令譯碼器；有的機(jī)器將操作碼字段和地址碼字段送入地址形成部件，以決定地址碼的作用。3）AR（地址寄存器）AR用來(lái)保存當(dāng)前CPU所要訪問(wèn)的主存單元地址，無(wú)論CPU是取指令還是存取數(shù)據(jù)，都必須先將要訪問(wèn)的主存單元地址送AR，知道讀寫(xiě)操作完成。4）DR（數(shù)據(jù)緩沖寄存器）：DR作為CPU和主存之間的數(shù)據(jù)緩沖寄存器用于存放操作數(shù)、運(yùn)算結(jié)果或中間結(jié)果以減少訪問(wèn)主存的次數(shù)；也可以存放從主存中讀出的數(shù)據(jù)，或準(zhǔn)備寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。b.指令譯碼器、地址形成部件和微操作產(chǎn)生部件指令譯碼器（ID）指令譯碼器對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼，它的輸出送到微操作產(chǎn)生部件。地址形成部件地址形成部件對(duì)指令的尋址方式字段、地址字段進(jìn)行譯碼，計(jì)算操作數(shù)的地址信息。3）微操作產(chǎn)生部件微操作產(chǎn)生部件接收指令譯碼器送來(lái)的信息，與時(shí)序信號(hào)、條件及狀態(tài)信息進(jìn)行組合，形成各種具有時(shí)間標(biāo)志的控制信號(hào)（即微操作控制序列）并發(fā)送到計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件。微操作產(chǎn)生部件是控制決策機(jī)構(gòu)。信息流的控制就是把操作產(chǎn)生部件的微操作控制序列（即微操作控制信號(hào)），送到各個(gè)部件的控制門(mén)、觸發(fā)器或鎖存器，去打開(kāi)或關(guān)閉某些特定的門(mén)電路，使數(shù)據(jù)信息按完成指令功能所需要經(jīng)過(guò)的路徑，從一個(gè)功能部件傳送到另一個(gè)功能部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)加工處理的控制。根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，微操作產(chǎn)生部件的結(jié)構(gòu)有三種不同的類(lèi)型：組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型即前兩者的結(jié)合型。它們分別對(duì)應(yīng)三中不同的控制器組成方式：組合邏輯控制器、微程序控制器及組合邏輯與存儲(chǔ)邏輯混合型控制器。c.時(shí)序控制部件指令執(zhí)行過(guò)程中所有操作都必須按照一定的次序完成，而且每個(gè)操作在什么時(shí)刻執(zhí)行，執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間都有嚴(yán)格的規(guī)定，不能有任何差錯(cuò)。例如執(zhí)行加法指令，必須先將操作數(shù)送到ALU的輸入端，然后再給出ALU執(zhí)行加法的操作控制信號(hào)，待加法操作完成后，才能將結(jié)果送往目的地。不僅次序有規(guī)定，而且對(duì)什么時(shí)刻送操作數(shù)、什么時(shí)刻執(zhí)行加法操作、什么時(shí)刻送出結(jié)果也有規(guī)定。因此，需要時(shí)序概念。圖2.1中時(shí)序控制部件的作用就是產(chǎn)生一組時(shí)序信號(hào)，即一系列電位與脈沖，送到微操作產(chǎn)生部件，對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行時(shí)序控制。2.2實(shí)驗(yàn)環(huán)境JZYL—Ⅱ型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)。導(dǎo)線若干。涉及芯片類(lèi)型及數(shù)量如表2.1所示。表2.1所需芯片類(lèi)型及數(shù)量芯片編號(hào)芯片名稱所需數(shù)量74LS193二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器174LS181四位運(yùn)算器274LS244三態(tài)8位緩沖器274LS157四位2選1數(shù)據(jù)選擇器474LS373八D鎖存器7611616KCMOS靜態(tài)RAM（2048*8）12816AEEPROM存儲(chǔ)器（2048*8）274LS395四位寄存器174LS08二輸入四與門(mén)274LS04六門(mén)反相器174LS32二輸入四或門(mén)13模塊設(shè)計(jì)方案3.1實(shí)驗(yàn)分析分析本次課程設(shè)計(jì)中對(duì)簡(jiǎn)易CPU的要求，需要設(shè)計(jì)的功能部件有主存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、寄存器、計(jì)數(shù)器等。由于課程設(shè)計(jì)提供的芯片種類(lèi)有限，我們選取了其中的74LS373、181、6116、2816A、74LS244、74LS193、74LS157、74LS395等芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器指令長(zhǎng)度為8為，其中前4位為操作碼，后四位為操作數(shù)。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，我們先將總體方案分解為多個(gè)小的模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再將各個(gè)模塊拼接在一起，實(shí)現(xiàn)最終需要的功能。分解的模塊包括主存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、寄存器、計(jì)數(shù)器。下面將逐個(gè)分析各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路。3.2數(shù)據(jù)通路圖圖3.1數(shù)據(jù)通路圖課程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通路圖如圖3.1所示。圖中標(biāo)明了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)部件，包括內(nèi)存、程序計(jì)數(shù)器、運(yùn)算器、寄存器、控制存儲(chǔ)器、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、微指令寄存器等等功能部件。同時(shí)，也注明了不同部件的芯片組成，以及控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)是由微程序中的信號(hào)（見(jiàn)4.3微程序設(shè)計(jì)）和時(shí)序節(jié)拍通過(guò)組合邏輯的方式形成。3.3模塊設(shè)計(jì)3.2.1主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主存。我們選擇一片6116作為主存儲(chǔ)器。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器指令長(zhǎng)度為8位，低4位為操作數(shù)，所以，我們只選用了6116的低四位地址，其他地址位均接低電平。換言之，我們能手動(dòng)寫(xiě)入的內(nèi)存只有16位，分別從0000到1111。在寫(xiě)入6116時(shí)，使用了一片74LS244作為緩沖器。因?yàn)樵诳傮w電路中，6116的輸入可能會(huì)有多個(gè)，為了避免沖突，使用一片244可以方便后面輸入端的選擇。6116的地址通過(guò)一片74LS157后輸入。選擇74LS157的原因是，6116的地址選擇有多種情況。第一種情況是手動(dòng)輸入地址，這種情況發(fā)生在程序執(zhí)行前，需往6116中寫(xiě)入程序，此時(shí)的地址由操作人員手動(dòng)選擇；第二種情況是程序自動(dòng)選擇，這種情況發(fā)生在程序連續(xù)執(zhí)行過(guò)程中，由PC自動(dòng)選擇內(nèi)存地址，取出操作指令或者指令的實(shí)現(xiàn)方式為直接尋址時(shí)，選擇數(shù)據(jù)的地址。主存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖如3.2所示。圖3.2主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖6116芯片的功能如表3.1所示。我們選擇的寫(xiě)模式為=L，=L，=L。我們選擇的讀模式為=L，=H，=L。其中，需要控制的只有，另外兩個(gè)輸入保持不變。6116是RAM芯片，斷電后，芯片內(nèi)的信息將會(huì)丟失。表3.16116芯片功能表輸入I/O工作方式DIDOH×××high-z非選擇LHLhigh-zDO讀LLHDIhigh-z寫(xiě)LLLDIhigh-z寫(xiě)LHH×high-z選擇74LS244芯片的功能如表3.2所示。表3.274LS244芯片功能表輸入輸出LLLLLLLHLHHHH×H×高阻高阻74LS157芯片的功能如表3.3所示。表3.374LS157芯片功能表使能端輸入控制數(shù)據(jù)輸入輸出H×××LLH×LLLH×HHLLL×LLLH×H3.2.3控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器是整個(gè)課程設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)模塊，這一部分設(shè)計(jì)起來(lái)沒(méi)有太大難度。但是，由于微程序設(shè)計(jì)中的微指令是從控制存儲(chǔ)器中取出的，這一部分的設(shè)計(jì)尤為重要。我們選擇兩片2816作為控制存儲(chǔ)器。我們?cè)O(shè)計(jì)的微指令中，一共有13位有效信號(hào)。由于2816是8位的，所以，需要兩片2816存儲(chǔ)需要的微指令。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器指令長(zhǎng)度為8位，高4位為操作指令，所以，只選用了2816的低四位地址，其他地址位均接低電平。換言之，我們能寫(xiě)入的控制信號(hào)只有16位，分別從0000到1111。實(shí)際上，我們?cè)O(shè)計(jì)的指令只有12條，16個(gè)內(nèi)存已能滿足需求。在寫(xiě)入2816時(shí)，使用了一片74LS244作為緩沖器。寫(xiě)入完成后，去掉74LS244。因?yàn)?816中的信息是確定的，每一個(gè)8位（兩個(gè)2816應(yīng)是16位）都對(duì)應(yīng)著一條微指令，只要一次正確寫(xiě)入后，以后都不需要更改。由于2816是ROM芯片，斷電后，信息不會(huì)丟失。但是，寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用一片74LS244，作為緩沖器。2816的微指令信號(hào)輸出后，將會(huì)鎖存到373中，避免在指令執(zhí)行周期，控制信號(hào)發(fā)生改變。與2816相連的兩片373的功能相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的μIR（微指令寄存器）。與2816相連的74LS395的作用是，在執(zhí)行周期結(jié)束后，395清零（也可能是結(jié)束前，只要對(duì)結(jié)果不產(chǎn)生干擾就可以），系統(tǒng)進(jìn)入取值周期。與74LS395相連的74LS373相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的IR（指令寄存器）。其中，高4位為操作指令，這4位將會(huì)作為74LS395的輸入，選擇2816中的微指令，進(jìn)而鎖存在微指令寄存器中。控制存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。結(jié)構(gòu)圖中沒(méi)有標(biāo)明寫(xiě)入2816時(shí)用到的緩沖器74LS244，因?yàn)樗辉趯?xiě)入時(shí)使用，寫(xiě)入成功之后，244將沒(méi)有其他的作用，可以去掉。圖3.3控制存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖2816的芯片功能如表3.4所示。表3.42816芯片功能表引腳輸入/輸出讀出LLH數(shù)據(jù)出閑置L××高阻字節(jié)擦除LHL數(shù)據(jù)入=H字節(jié)寫(xiě)入LHL數(shù)據(jù)入整片擦除L+10~15VL數(shù)據(jù)入=H不工作LHH高阻禁寫(xiě)HHL高阻74LS373芯片功能如表3.5所示。表4.674LS373功能表輸出控制使能GD輸出QLHHHLHLLLL×Q0H××Z74LS395芯片功能如表3.6所示。表3.674LS395芯片功能表功能輸入輸出PEDsDnQn總清L××××L裝入H↓H×LLH↓H×HH3.2.3運(yùn)算器和寄存器運(yùn)算器是CPU可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算操作的基本部件，所使用的芯片本身只能實(shí)現(xiàn)最基本的加減算術(shù)運(yùn)算和亦或、非與等基本邏輯運(yùn)算。但是，通過(guò)基本運(yùn)算的組合，可以實(shí)現(xiàn)及其復(fù)雜的運(yùn)算，如積分，甚至傅里葉變換?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)可以顯示各種我們需要的功能，但是，如果把每條指令分解來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)，它可以做到的事情實(shí)際上再簡(jiǎn)單不過(guò)。唯快不破，它通過(guò)將處理速度做到極致，即使它做的事情異常簡(jiǎn)單，但是，它能做到的事情卻可以改變整個(gè)世界。由于提供的芯片中，能顯示運(yùn)算操作的芯片只有74LS181。所以，181芯片是實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器的不二選擇。由于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)位數(shù)為8位，而181只能實(shí)現(xiàn)4為的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，所以，我們需要兩片74LS181來(lái)實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)操作。181的B輸入通過(guò)了74LS157，原因是，由于尋址方式有立即數(shù)和直接尋址，所以，通過(guò)157來(lái)選擇不同的尋址方式。157中的數(shù)據(jù)有兩種情況，一種是立即數(shù)，這時(shí)高四位為0（由于指令位數(shù)的限制，立即數(shù)只能有4位）；另一種是直接尋址，這時(shí)181中的8位數(shù)據(jù)全部來(lái)自于主存6116。74LS181的運(yùn)算結(jié)果輸入后，鎖存在74LS373中，這樣，可以防止運(yùn)算結(jié)果被下一條運(yùn)算操作改變。與這個(gè)373相連的是另外一個(gè)74LS373，它的作用相當(dāng)于一個(gè)寄存器。181中的A輸入來(lái)自于這個(gè)373（寄存器）。74LS157的其中一個(gè)輸入來(lái)自一個(gè)74LS373，它的作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)寄存器（DR）。直接尋址時(shí)，數(shù)據(jù)從主存6116中讀出，鎖存在這個(gè)373中，進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)一直保持不變。運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。圖3.4運(yùn)算器結(jié)構(gòu)圖74LS181的功能比較強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種邏輯運(yùn)算和位運(yùn)算，圖3.5列出了181的部分功能，其中，A0，A1，A2，A3，B0，B1，B2，B3位運(yùn)算器輸入；F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為運(yùn)算器輸出；S0，S1，S2，S3為運(yùn)算指令控制端；M位算術(shù)或邏輯運(yùn)算控制端；為有無(wú)進(jìn)位控制端，為高位進(jìn)位。圖3.574LS181功能表3.2.4程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器的功能比較簡(jiǎn)單，就是在程序執(zhí)行過(guò)程中，指示正確的內(nèi)存地址，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)的從內(nèi)存中讀取出正確的指令執(zhí)行。順序執(zhí)行時(shí)，每一條執(zhí)行指令結(jié)束，PC自加1；但有跳轉(zhuǎn)指令出現(xiàn)時(shí)，PC被設(shè)置為需要跳轉(zhuǎn)到的內(nèi)存地址。提供的芯片中，具有計(jì)數(shù)功能的有74LS193和74LS181。但是，181的功能過(guò)于強(qiáng)大，用這個(gè)比較復(fù)雜的芯片去實(shí)現(xiàn)如此簡(jiǎn)單的功能，不太合適，況且，181的置數(shù)操作不太容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)比較可以知道，應(yīng)選用193做為顯示程序計(jì)數(shù)器的芯片。一片74LS193便可以實(shí)現(xiàn)。與74LS193相連的373是指令寄存器。當(dāng)出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，指令寄存器的低4位將會(huì)被load到193中，以確保下一條指令的執(zhí)行時(shí)正確的。在順序執(zhí)行的情況下，193實(shí)現(xiàn)的都是+1功能。由于一片193只有四位，所以，能表達(dá)的指令內(nèi)存地址最大只能到1111。74LS193的輸入接到一片74LS157，而此片157的另外一個(gè)輸入為指令寄存器的低4位。這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)?，取址周期時(shí)，從PC中讀入地址，在從6116的指定內(nèi)存單元中讀出8位操作指令；而在執(zhí)行階段，如果尋址方式為直接尋址，則需要將指令寄存器的低4位作為數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，從6116的指定內(nèi)存單元中讀出8位操作數(shù)。因?yàn)檫@兩種情況都是存在的，所以，需要有一片74LS157來(lái)區(qū)分這兩種情況。區(qū)分的條件是不同的機(jī)器指令對(duì)應(yīng)著不同的微操作，通過(guò)微指令來(lái)選擇157的輸出是程序計(jì)數(shù)器的輸入還是指令寄存器的低4位輸入。程序計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。圖3.6程序計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖74LS193芯片的功能如表3.7所示。表3.774LS193芯片功能表輸入輸出備注LDDnCPUCPDQn1dddd0清零（異步）00xddx置數(shù)（異步）01d↑1累加計(jì)數(shù)上升沿有效01d1↑累減計(jì)數(shù)上升沿有效功能說(shuō)明：直接清零：當(dāng)=1時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零。直接置數(shù)：當(dāng)LD=0時(shí)，計(jì)數(shù)器異步置數(shù)。二進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)脈沖CPU/CPD上升沿有效。3.2.5總體設(shè)計(jì)整個(gè)課程設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。總體結(jié)構(gòu)圖中，添加了一個(gè)回存的功能，由于只是在寄存器后邊加上一個(gè)74LS244芯片，然后將244的輸出接到主存6116的輸入端，所以，在模塊設(shè)計(jì)中，沒(méi)有把回存作為單獨(dú)的一個(gè)模塊說(shuō)明。圖3.6總體結(jié)構(gòu)圖4微指令設(shè)計(jì)4.1機(jī)器指令設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器指令為8位，其中，前4位表示操作命令，后4位為操作數(shù)。由于操作命令用4位表示，所以，可以實(shí)現(xiàn)的操作最多只能有16條。設(shè)計(jì)的指令包括算術(shù)指令：立即數(shù)加、直接尋址加、直接尋址減；邏輯運(yùn)算：非運(yùn)算、與運(yùn)算、亦或運(yùn)算；回存；跳轉(zhuǎn)指令：無(wú)條件跳轉(zhuǎn)、溢出跳轉(zhuǎn)；載入指令；乘二指令；停機(jī)指令；取址操作。其中，直接尋址加、直接尋址減、邏輯運(yùn)算及乘二運(yùn)算均使用隱含尋址。取址操作、立即數(shù)加、載入操作、跳轉(zhuǎn)指令和回存指令均使用立即數(shù)尋址。直接尋址加、直接尋址減、與運(yùn)算、亦或運(yùn)算均使用直接尋址。機(jī)器指令由操作人員將匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言后，手動(dòng)輸入到內(nèi)存中。4.2微指令設(shè)計(jì)控制存儲(chǔ)器由兩片2816組成，最多可以有16位控制信號(hào)。但我們?cè)谠O(shè)計(jì)微指令時(shí)，只使用了13個(gè)控制信號(hào)，使用了一片2816的所有8位，另一片2816的低5位。微命令編碼方法采用直接表示法，將微指令操作控制字段的每一個(gè)二進(jìn)制位定義為一個(gè)微命令。一條微指令從控存中取出時(shí)，它所包含的微命令經(jīng)時(shí)間同步后去控制相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路中的部件。13位控制信號(hào)機(jī)器作用如表4.1所示。其他3位接低電平。表4.1控制信號(hào)作用2816輸出控制信號(hào)作用說(shuō)明C0S0181運(yùn)算控制信號(hào)C1S1181運(yùn)算控制信號(hào)C2S2181運(yùn)算控制信號(hào)C3S3181運(yùn)算控制信號(hào)C4Cn181借位輸入信號(hào)C5M181運(yùn)算控制信號(hào)C6Write回存時(shí)244OE端/6116WE端控制信號(hào)C7ALUin157控制選擇來(lái)自DR/IR(立即數(shù))的信號(hào)C86116add193地址與直接尋址地址間選擇信號(hào)C9stop停機(jī)時(shí)控制時(shí)序停止C10stop停機(jī)時(shí)控制時(shí)序停止C11count與脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后控制193是否加1計(jì)數(shù)C12load與其他控制信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后控制193是否載入4.3微程序設(shè)計(jì)程序中每一條指令用8位二進(jìn)制位來(lái)表示，而前四位為操作碼，即為實(shí)現(xiàn)該指令的微程序的入口地址，后四位為操作數(shù)的地址（直接尋址）或操作數(shù)（立即數(shù)尋址）。操作指令對(duì)應(yīng)的微程序如表4.2所示。寫(xiě)出這個(gè)表的過(guò)程比較復(fù)雜，也是整個(gè)課程設(shè)計(jì)最有技術(shù)含量的一部分，還有一部分是時(shí)序電路的加入。首先，先把可能需要控制的全部芯片控制信號(hào)列舉出來(lái)，可能會(huì)超過(guò)16個(gè)，但是沒(méi)關(guān)系，因?yàn)樵诤竺娴牟襟E中，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些控制信息一直沒(méi)有變化，可以用一個(gè)確定的信號(hào)代替。然后，給需要用到的指令分配一個(gè)4位的控存地址，這將會(huì)成為該指令的微程序的入口地址。由于指令只有4位，所以，所有指令條數(shù)不能超過(guò)16條。接著，就是比較復(fù)雜的一步了。分析每一條指令，畫(huà)出每條指令的數(shù)據(jù)流和控制流，（具體流程圖見(jiàn)4.4指令流程圖）通過(guò)這種方式，知道每條指令需要的控制信號(hào)。表4.2匯編指令對(duì)應(yīng)的微程序表指令控存地址1514131211109876543210取指公操作00000000101001010000立即數(shù)加00010000001011011001立即尋址加00100000001101011001減00110000001101000110回存01000000001100010000JMP01010001001001010000非01100000001101110000與01110000001101111011異或10000000001101110110停機(jī)10010000010001010000JO10100001001001010000LOAD10110000001101111010SHL11000000001101011100微程序表中，每條微程序都有16個(gè)控制信號(hào)。芯片編號(hào)參考圖4.13。如表中編號(hào)所示，0,1,2,3分別表示181中的S0，S1，S2，S3；4,5分別表示181中的和M；6表示244a的；7表示157a和157b的使能端S；8表示157c的使能端S；9表示395中的；10用來(lái)停機(jī)，實(shí)際使用時(shí)，沒(méi)有使用9號(hào)控制信號(hào)；11和12分別表示193中的up和load；其他位均為0。4.4指令流程圖我們?cè)O(shè)計(jì)的指令，包括取址公操作在內(nèi)，一共有12條。不同類(lèi)型的指令控制流和數(shù)據(jù)流都是不相同的，由于數(shù)據(jù)流這個(gè)部分可以參考圖2.1，圖中說(shuō)明了所有數(shù)據(jù)所在的芯片。在同一個(gè)周期中，數(shù)據(jù)都是存在的，關(guān)鍵在與控制信息在同一個(gè)周期中不同節(jié)拍的控制。需要控制的芯片包括74LS373，它是8位鎖存器，所以，需要控制數(shù)據(jù)何時(shí)寫(xiě)入373中，何時(shí)保持373中的數(shù)據(jù)不發(fā)生改變；74LS157，它是2選1數(shù)據(jù)選擇器，所以，需要控制輸出數(shù)據(jù)是兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)中的哪一個(gè)；6116，這個(gè)芯片在回存指令時(shí)，必須要在某個(gè)節(jié)拍變成寫(xiě)模式，但是，在其他指令的周期中，必須一直保持讀模式。另外還需要控制的芯片是74LS395，因?yàn)槿≈分芷谇埃枰辶悖鴪?zhí)行周期前，它需要置數(shù)。4.4.1取指公操作我們?cè)O(shè)計(jì)的指令都是雙周期的，其中，第一個(gè)周期為取指周期，從內(nèi)存中取出執(zhí)行指令；第二個(gè)周期為執(zhí)行周期，執(zhí)行該指令。取址公操作的控制信號(hào)存放在控制存儲(chǔ)器的0000號(hào)單元，也就是說(shuō)，需要進(jìn)行取址操作時(shí)，將395清零即可。控制信號(hào)從控制存儲(chǔ)器中讀出后，寫(xiě)入到微指令寄存器中。通過(guò)這一組控制信號(hào)，從6116的指定單元中讀出指令。指令存放在指令寄存器中。接下來(lái)，將4位操作指令載入74LS395中。這4位操作數(shù)成為這條指令的微程序的入口地址，從控制存儲(chǔ)器中讀出微程序后，鎖存在微指令寄存器中。（這個(gè)鎖存的節(jié)拍不在取指公操作，而是在執(zhí)行周期的第一個(gè)節(jié)拍）取值公操作的控制流如圖4.1所示。圖4.1取值公操作控制流4.4.2立即數(shù)加立即數(shù)加的控制流程圖如圖4.2所示。圖4.2立即數(shù)加控制流4.4.3直接尋址加立即數(shù)加和直接尋址加的區(qū)別在于，立即數(shù)加的加數(shù)為低4位操作數(shù)，被加數(shù)為寄存器AC中的值；而直接尋址加的加數(shù)為地址為低4位操作數(shù)的6116單元內(nèi)的數(shù)據(jù)，被加數(shù)為寄存器AC中的值。其他基本一致。直接尋址加的控制流程圖如圖4.3所示。圖4.3直接尋址加控制流4.4.4直接尋址減直接尋址加和直接尋址減的數(shù)據(jù)流和控制流上基本一致，只是在74LS181的控制上，對(duì)于4個(gè)運(yùn)算控制信號(hào)有些區(qū)別。直接尋址減的控制流程圖如圖4.4所示。圖4.4直接尋址減控制流4.4.5回存回存時(shí)，內(nèi)存需要由讀模式變?yōu)閷?xiě)模式?；卮婵刂屏鞒虉D如圖4.5所示。圖4.5回存控制流4.4.6無(wú)條件跳轉(zhuǎn)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)控制流程圖如4.6所示。圖4.6無(wú)條件跳轉(zhuǎn)控制流4.4.7有條件跳轉(zhuǎn)有條件跳轉(zhuǎn)流程圖如圖4.7所示。與無(wú)條件跳轉(zhuǎn)的不同之處在于，必須判斷數(shù)據(jù)時(shí)是否溢出。如果有溢出，則實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，否則不實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。圖4.7有條件跳轉(zhuǎn)控制流4.4.8非求非指令控制流程圖如圖4.8所示。圖4.8求非指令控制流4.4.9與求非指令使用的尋址方式是隱含尋址，但是求與指令使用的尋址方式是隱含尋址加直接尋址。所以，數(shù)據(jù)通路要比求非運(yùn)算要長(zhǎng)一些?？刂菩盘?hào)也更復(fù)雜一些。求與指令的控制流程圖如圖4.9所示。圖4.9求與指令控制流4.4.10異或亦或指令和與指令的數(shù)據(jù)流和控制流上基本一致，只是在74LS181的控制上，對(duì)于4個(gè)運(yùn)算控制信號(hào)有些區(qū)別。亦或指令的控制流程圖如圖4.10所示。圖4.10亦或指令控制流圖4.11乘2指令控制流4.4.11SHL乘2指令的尋址方式為隱含尋址，即把寄存器AC中的值擴(kuò)大一倍，再存入AC中。乘2指令的控制流程圖如圖4.11所示。4.4.12LOAD載入指令的功能是將指定內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)載入寄存器AC中，作為運(yùn)算的初始值。與之相對(duì)應(yīng)的是回存指令，它的作用是將寄存器AC中的值存入指定內(nèi)存單元。載入指令的控制流程圖如圖4.12所示。圖4.12載入指令控制流4.5芯片控點(diǎn)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)微指令之前，我們分析整個(gè)電路中的各個(gè)芯片的控點(diǎn)，其中有些是需要控制的，而有些是不需要變動(dòng)的，始終接到一個(gè)電位就可以了。數(shù)據(jù)通路圖如圖4.13所示。圖4.13數(shù)據(jù)通路圖不需要控制的控點(diǎn)有：向6116輸入的74LS244芯片：和并接到一個(gè)開(kāi)關(guān)上，只有在寫(xiě)機(jī)器指令的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，其他時(shí)刻都為高電平，手動(dòng)控制，不需要微指令控制。和并接接地，多余的地址線接在一起并接地。向2816輸入的74LS244芯片：和并接到一個(gè)開(kāi)關(guān)上，只有在寫(xiě)微指令的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，其他時(shí)刻都為高電平，手動(dòng)控制，不需要微指令控制。多余地址線接地。74LS157d芯片：使能端S分別接開(kāi)關(guān)，需要手動(dòng)控制輸入改變地址時(shí)為低電平，0通道選通；其他時(shí)候?yàn)楦唠娖剑?通道選通。所有74LS373芯片的輸出控制端接地。2816芯片：和并接接地，多余的地址線接在一起并接地。需要控制的控點(diǎn)有：回存244a芯片：和并接一起控制。74LS157a，74LS157b，74LS157c芯片的使能端S。所有74LS373的使能端S。181芯片：運(yùn)算指令控制端,算術(shù)或邏輯運(yùn)算控制端M，有無(wú)進(jìn)位控制端。6116芯片：端。74LS193的up和load。74LS395的，和。這些控點(diǎn)都是需要微程序中的信號(hào)來(lái)控制的，具體控制見(jiàn)表4.2。還有些控制信號(hào)需要微程序中的控制信號(hào)與時(shí)序節(jié)拍組合邏輯后實(shí)現(xiàn)，具體組合邏輯見(jiàn)4.4指令控制流程圖。表達(dá)式如下。其中T1，T2，T3，T4分別表示一個(gè)周期中的四個(gè)節(jié)拍，C11和C12為表4.2中編號(hào)為11,12的控制信號(hào)，A3是4位操作指令中的最低位。373a的使能端G=T3；373b的使能端G=T4；373c的使能端；373d的使能端；373e和373f的使能端；395的=，；193的，5實(shí)驗(yàn)過(guò)程與調(diào)試5.1主要故障與調(diào)試5.1.1395載入失敗74LS395在本次課程設(shè)計(jì)中的功能有兩個(gè)，第一個(gè)功能是在取址周期前，將數(shù)據(jù)清零。而0000是控制存儲(chǔ)器中，取址指令的入口地址。通過(guò)這一操作，將取址的控制信號(hào)鎖存在微指令寄存器中，保證雙周期中，取址周期的正確執(zhí)行。第二個(gè)功能是在執(zhí)行周期前，將指令寄存器中的高4位，也就是4位操作命令載入，此時(shí)，將會(huì)從控制存儲(chǔ)器中讀出特定指令的控制信號(hào)，鎖存到微指令寄存器中，保證執(zhí)行周期的正確執(zhí)行。按照步驟連接好電路后，開(kāi)始測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)74LS395清零功能是好的，但是，載入功能出問(wèn)題了。給395提供載入信號(hào)后，輸出仍然保持不變，還是0000。接下來(lái)需要做的就是排錯(cuò)。首先，將395的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分別接到信號(hào)燈上，及時(shí)顯示輸入和輸出的數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論輸入信號(hào)如何，加上載入信號(hào)后，4個(gè)輸出燈全是藍(lán)色的，也就是0000。問(wèn)題只有可能出在控制信號(hào)上，于是，我們也將控制信號(hào)接到信號(hào)燈上。讓我們不可思議的是，控制信號(hào)也沒(méi)有問(wèn)題。最后，由于時(shí)間的原因，我們必須要離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，便將試驗(yàn)臺(tái)斷電了。第二天來(lái)后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題莫名其妙的被解決了。到現(xiàn)在也不知道載入失敗的原因是什么。5.1.26116中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被改變6116數(shù)據(jù)的寫(xiě)入是一個(gè)很大的問(wèn)題。寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，之前的已經(jīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)被后來(lái)的數(shù)據(jù)更改，所以，從6116指定的內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)時(shí)，顯示在信號(hào)燈上的數(shù)據(jù)總是和預(yù)期的不一樣。仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)是之后寫(xiě)入的某些數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)被改寫(xiě)了。分析6116的寫(xiě)入方式，它是直接寫(xiě)入的，不需要另外的載入信號(hào)，當(dāng)?shù)刂繁贿x定后，數(shù)據(jù)就已經(jīng)寫(xiě)入了制定的內(nèi)存單元中。為了避免這一問(wèn)題，我們?cè)趯?xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要改變地址時(shí)，要先選到較大的地址，保證這一地址還沒(méi)有寫(xiě)入數(shù)據(jù)。比如寫(xiě)完0011后，接下來(lái)寫(xiě)入0100，這時(shí)候需要做的是，先將地址選擇到0111，然后再選擇到0100。通過(guò)這種方式，解決了6116中數(shù)據(jù)被改變的問(wèn)題。5.1.32816中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被改變將控制信號(hào)寫(xiě)入2816后，馬上測(cè)試，讀出2816中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)都是準(zhǔn)確無(wú)誤的。但是，斷電后，第二天發(fā)現(xiàn)，2816中的0000單元和0001單元數(shù)據(jù)被改變，而其他單元中的數(shù)據(jù)都沒(méi)有問(wèn)題。我們只能重新寫(xiě)入2816中的數(shù)據(jù)。這次因?yàn)橥祽?，沒(méi)有使用244作為緩沖器，而是直接將信號(hào)給到了2816的輸入輸出端。寫(xiě)入成功后，將2816由寫(xiě)模式轉(zhuǎn)換成讀模式。結(jié)果，輸出信號(hào)燈的顏色變得很詭異，馬上可以判定，這是數(shù)據(jù)沖突了。檢查電路后，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)闆](méi)有使用244的原因。因?yàn)闆](méi)有244的高阻功能，使得輸入信號(hào)和2816的輸出信號(hào)同時(shí)存在了。將輸入信號(hào)去掉后，信號(hào)燈變得正常。但是，奇怪的事情發(fā)生了，當(dāng)寫(xiě)入其中一片2816時(shí)，另一片2816的數(shù)據(jù)也被改變了，但是，我們對(duì)另一片2816什么也沒(méi)做。這樣直接輸入嘗試了幾次之后，發(fā)現(xiàn)這樣的問(wèn)題一直是存在的。檢查電路發(fā)現(xiàn)，兩片2816的控制信號(hào)是接在一起，也就是說(shuō)，當(dāng)一片2816處于寫(xiě)模式時(shí)，另一片2816也處于寫(xiě)模式（這是由于控制信號(hào)相同造成了）。由于另一片2816的輸入沒(méi)有給，所以，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)肯定是有問(wèn)題的。于是，我們將兩片2816同時(shí)寫(xiě)入，這樣，就不會(huì)出現(xiàn)一片2816寫(xiě)入，另一片輸入懸空的情況了。在寫(xiě)入2816的過(guò)程中，還遇到了一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)橹?816的控制開(kāi)關(guān)沒(méi)有放在一起，在寫(xiě)模式與讀模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)，有些麻煩，所以，想改變開(kāi)關(guān)的位置，把它們放在一起，方便操作。但是，當(dāng)把CE控制開(kāi)關(guān)撥出來(lái)后，就出大問(wèn)題了。2816所有單元的數(shù)據(jù)全部被改變。原來(lái)，CE這個(gè)控制信號(hào)只能在斷電的情況下才能改變，這是另一組的同學(xué)告訴我的，他們也遇到過(guò)這樣的問(wèn)題。沒(méi)辦法，2816中的控制信號(hào)只能再次寫(xiě)入。5.1.4193計(jì)數(shù)器跳轉(zhuǎn)出問(wèn)題在時(shí)序執(zhí)行時(shí)，遇到最嚴(yán)重的問(wèn)題要算這個(gè)了。當(dāng)把所有的機(jī)器指令寫(xiě)入6116后，開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行，順序執(zhí)行語(yǔ)句執(zhí)行得很好，一點(diǎn)問(wèn)題都沒(méi)有，而且很穩(wěn)定。但是，遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了。如果需要跳轉(zhuǎn)的地址的最低位為0，則不會(huì)有任何的問(wèn)題；但是，如果最低位為1，則跳轉(zhuǎn)的地址會(huì)自動(dòng)加1。這個(gè)問(wèn)題真的解決不了，跟老師討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，也安裝排錯(cuò)的步驟把193的輸入輸出都接了出來(lái)，發(fā)現(xiàn)載入時(shí)，輸入和預(yù)期的一樣，但是輸出就會(huì)加1。為了嘗試解決這個(gè)問(wèn)題，我們將PC自加的節(jié)拍由執(zhí)行周期換到了取址周期，但是，對(duì)這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的作用。換過(guò)193，但這個(gè)問(wèn)題依然存在。大約花了2天的時(shí)間，改過(guò)很多的控制節(jié)拍，除了拿掉很多冗余的導(dǎo)線外，基本沒(méi)有什么大的幫助。最后沒(méi)有辦法，在檢查的時(shí)候，需要實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)的功能時(shí)，我們只能講跳轉(zhuǎn)的地址設(shè)定到最低位為0。這樣人為的去編寫(xiě)機(jī)器代碼，避開(kāi)了這個(gè)無(wú)法消除的問(wèn)題。5.1.5193自加時(shí)的毛刺這個(gè)問(wèn)題是大家在做實(shí)驗(yàn)時(shí)普遍遇到過(guò)的問(wèn)題。因?yàn)?93芯片本身的問(wèn)題，通過(guò)一個(gè)負(fù)脈沖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加1功能。但是，芯片對(duì)負(fù)脈沖實(shí)在太過(guò)于敏感，如果用手指握住導(dǎo)線的一端，另一端接到193的up，可以看到，193的數(shù)據(jù)就會(huì)不停的跳動(dòng)。當(dāng)有人從旁邊走過(guò)的時(shí)候，193也會(huì)自加。進(jìn)行時(shí)序控制時(shí)，有些與193加1毫不相干的節(jié)拍出現(xiàn)時(shí)，也會(huì)使193的值發(fā)生改變。跟同學(xué)討論后，知道了大家基本上都有遇到這樣的問(wèn)題，至于解決方案，有些同學(xué)是在脈沖信號(hào)給到193的up前，接2個(gè)D觸發(fā)器，這樣，就可以達(dá)到整形的目的。但是我們沒(méi)這么做。我們是盡可能的減少直接接到時(shí)序的導(dǎo)線數(shù)量，最后做到接到T0，T1，T2，T3都只有一根導(dǎo)線，這樣就減少了信號(hào)之間的干擾，193的跳動(dòng)也開(kāi)始受控制了。5.2功能測(cè)試檢查時(shí)，我們有兩組測(cè)試程序，一組是我們自測(cè)時(shí)用到的程序，將所以的指令全部執(zhí)行了一遍。另外一組是老師布置給我們的任務(wù)，讓我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較大小的功能，并顯示較大的那個(gè)數(shù)據(jù)。需要先寫(xiě)出匯編語(yǔ)句，再將匯編改寫(xiě)成機(jī)器指令。自測(cè)程序如表5.1所示。表5.1自測(cè)程序主存地址指令/數(shù)據(jù)二進(jìn)制機(jī)器碼AC值0000LOAD10111111FD0001ADD00010010FF0010JO10100101FF0011SUB00111110FE0100JMP01010001FE0101NOT01100000FF0110XOR100011015A0111ADD001011105B1000STORE010011015B1001AND01111111591010SHL(乘2)11000000B21011LOAD101111015B1100STOP100100005B110110100101101001011110000000010000000111111111110111111101按照上述內(nèi)容寫(xiě)好主存后，手動(dòng)將PC清零，將395清零，按下START鍵使程序自動(dòng)運(yùn)行，觀察各指示燈顯示，運(yùn)行結(jié)果正確。老師要求實(shí)現(xiàn)功能程序如表5.2所示。表5.2要求功能程序主存地址指令/數(shù)據(jù)二進(jìn)制機(jī)器碼AC值0000LOAD101111116C0001SUB00111110020010JNO10100101020011LOAD101111100100JMP010101110101LOAD101111116C0110JMP010101116C0111STOP100100006C1110011010100110101011110110110001101100該段機(jī)器指令的功能是比較1110單元與1111單元數(shù)據(jù)的大小，并將較大的數(shù)據(jù)載入到AC中。由于此時(shí)1110單元的值為6A，1111單元的值為6C，所以，AC的預(yù)期值為6C。執(zhí)行該代碼后，觀察指示燈顯示，顯示結(jié)果正確。交換6116中1110單元與1111單元的數(shù)據(jù)，其他的機(jī)器指令不發(fā)生任何改變，再次執(zhí)行該指令。此時(shí)6116中各單元的數(shù)據(jù)和AC的預(yù)期值如表5.3所示。表5.2要求功能程序主存地址指令/數(shù)據(jù)二進(jìn)制機(jī)器碼AC值0000LOAD101111116A0001SUB00111110FE0010JNO10100101FE0011LOAD101111106C0100JMP010101116C0101LOAD101111110110JMP010101110111STOP100100006C1110011011000110110011110110101001101010此時(shí)，1110單元的數(shù)據(jù)為6C，1111單元的數(shù)據(jù)為6A。執(zhí)行同樣的指令后，觀察指示燈，AC顯示的結(jié)果仍然為6C。說(shuō)明該機(jī)器代碼可以實(shí)現(xiàn)比較大小的功能。5.3實(shí)驗(yàn)流程第一天：在實(shí)驗(yàn)室聽(tīng)老師布置任務(wù)和集中講解。熟悉實(shí)驗(yàn)要求，查閱資料。第二天：領(lǐng)取芯片和導(dǎo)線。第三天：測(cè)試導(dǎo)線和芯片，熟悉芯片的功能。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。第四天：初步完成總體實(shí)驗(yàn)圖的設(shè)計(jì)。第五天：設(shè)計(jì)微指令。第六天：設(shè)計(jì)微指令，測(cè)試微指令。第七天：測(cè)試電路，測(cè)試各種硬布線信號(hào)。第八天：測(cè)試硬布線信號(hào)，修改硬布線信號(hào)。第九天：測(cè)試微指令，修改微指令。第十天：修改微指令。第十一天：處理74LS193的自加問(wèn)題以及跳轉(zhuǎn)問(wèn)題。第十二天：處理74LS193的跳轉(zhuǎn)問(wèn)題，下午檢查。6設(shè)計(jì)總結(jié)與心得6.1課設(shè)總結(jié)基于微程序控制器的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于CPU的基本運(yùn)行原理選取適當(dāng)芯片實(shí)現(xiàn)的。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們對(duì)如下內(nèi)容作了總結(jié)工作。6.1.1方案總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，我們采用微程序方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易CPU。按照CPU基本工作原理，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，完成了本次設(shè)計(jì)。我們采用定長(zhǎng)的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，4位地址用于數(shù)據(jù)存取，用一片193芯片和157芯片實(shí)現(xiàn)主存地址的得到，利用193的加1和置數(shù)功能，完成程序的順序執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)，利用157芯片區(qū)分讀取指令或數(shù)據(jù)；用一片6116芯片作為主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；用兩片181芯片相結(jié)合進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，在輸入端和輸出端共運(yùn)用2片373芯片用于緩存運(yùn)算的數(shù)據(jù)用于下次的運(yùn)算和回存；用一片373芯片緩存由主存讀取出的指令；用一片373芯片緩存由主存讀取出的數(shù)據(jù)；用一片244芯片控制進(jìn)行回存工作；用一片395芯片實(shí)現(xiàn)操作指令的清零和置數(shù)。6.1.2功能總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)有芯片，用傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)了微程序方式的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用8位定長(zhǎng)指令，8位變長(zhǎng)數(shù)據(jù)、16位微命令在單指令周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了算術(shù)邏輯運(yùn)算、取數(shù)、存數(shù)、JMP、JO操作、移位操作、停機(jī)操作，并實(shí)現(xiàn)了隱含尋址、直接尋址、立即數(shù)尋址三種尋址方式。6.1.3未實(shí)現(xiàn)功能總結(jié)未能實(shí)現(xiàn)JZ操作。有條件跳轉(zhuǎn)時(shí)，我們有兩個(gè)選擇，為零跳轉(zhuǎn)和溢出跳轉(zhuǎn)。因?yàn)闉榱闾D(zhuǎn)的判斷比較復(fù)雜，需要使用多個(gè)或門(mén)，但實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的或門(mén)只有一片，所以，很難實(shí)現(xiàn)這一功能，我們只能退而求次之，選擇了對(duì)邏輯門(mén)要求較少的溢出跳轉(zhuǎn)。未能將溢出信號(hào)保留。我們將181的溢出信號(hào)鎖存在一片373中，當(dāng)數(shù)據(jù)溢出時(shí)，溢出信號(hào)將會(huì)保留兩個(gè)周期。但是，在下個(gè)執(zhí)行周期發(fā)生時(shí)，執(zhí)行任何操作，溢出信號(hào)都會(huì)丟失。但是，如果是執(zhí)行邏輯運(yùn)算或者是跳轉(zhuǎn)操作時(shí)，溢出信號(hào)不應(yīng)該發(fā)生改變。因?yàn)闀r(shí)間的原因，檢查完課設(shè)已經(jīng)是星期五的下午了，所以，這個(gè)功能未能實(shí)現(xiàn)。6.2課設(shè)心得兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)終于結(jié)束，回想這兩周，雖然很辛苦，但也獲益良多。首先，這次計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)讓我充分認(rèn)識(shí)到磨刀不誤砍柴工。起先想著數(shù)據(jù)通路部分上學(xué)期做過(guò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該很好實(shí)現(xiàn)，我們便直接開(kāi)始連接電路而沒(méi)有管總體架構(gòu)，以致出現(xiàn)了剛開(kāi)始就很多問(wèn)題。幸虧我們迷途知返，重新開(kāi)始思考，設(shè)計(jì)出總體實(shí)驗(yàn)原理圖，并在大腦中運(yùn)用邏輯推理模擬實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)總體方向。有了清晰的整體思路后繪制出電路圖，最后省下不少時(shí)間。而且多與老師和其他同學(xué)交流至關(guān)重要。有時(shí)候遇到問(wèn)題不能死鉆牛角尖，而應(yīng)該將問(wèn)題提出來(lái)，與同學(xué)和老師討論，集思廣益才能事半功倍。其實(shí)我們遇到的很多問(wèn)題，都是由于我們自己已經(jīng)有了一個(gè)思維定式，在思想上已經(jīng)肯定了我們的理論方案，所以無(wú)論在大腦中模擬多少次程序運(yùn)行，仍然找不出問(wèn)題出在哪里。這時(shí)候就必須主動(dòng)問(wèn)老師或者請(qǐng)教同學(xué)指點(diǎn)迷津，有時(shí)候甚至別人只說(shuō)了一句話，我們就能茅塞頓開(kāi)。同時(shí)遇到問(wèn)題必須冷靜思考。在這兩周的時(shí)間里我們遇到的問(wèn)題層出不窮，也有著多方面的原因，有的是我們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理不夠熟悉，有的是太相信自己的思路，當(dāng)然也有很大部分是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的問(wèn)題，當(dāng)遇到這些那些大大小小的問(wèn)題時(shí)，很容易產(chǎn)生負(fù)面情緒，焦躁不安，面對(duì)著那么多的導(dǎo)線和芯片往往一個(gè)頭兩個(gè)大，因?yàn)檫@樣也浪費(fèi)了不少時(shí)間。唯有靜下心來(lái)，耐心理順邏輯思路，往往會(huì)豁然開(kāi)朗，茅塞頓開(kāi)。這一次課設(shè)的所獲得的經(jīng)驗(yàn)，是我們從課本上那些理論知識(shí)上學(xué)習(xí)不到的。理論知識(shí)固然重要，但動(dòng)手實(shí)踐能力往往更為重要。大多數(shù)人都有豐富的理論知識(shí)，但是一到動(dòng)手操作的時(shí)候就會(huì)手足無(wú)措，手忙腳亂的，所以這一次的課設(shè)很好的培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力和將理論結(jié)合實(shí)踐的能力。

參考文獻(xiàn)《計(jì)算機(jī)組成原理》（第一版）秦磊華編著清華大學(xué)出版社2011年2月《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》（第一版）華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院數(shù)字邏輯課程組編著2010年3月《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》（第六版）華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程組編著2010年9月附錄部分芯片介紹1.74LS193二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器193芯片引腳圖及引腳說(shuō)明193芯片功能表輸入輸出備注LDDnCPUCPDQn1dddd0清零（異步）00xddx置數(shù)（異步）01d↑1累加計(jì)數(shù)上升沿有效01d1↑累減計(jì)數(shù)上升沿有效功能說(shuō)明：(1)直接清零：當(dāng)=1時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零。(2)直接置數(shù)：當(dāng)LD=0時(shí)，計(jì)數(shù)器異步置數(shù)。(3)二進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)脈沖CPU/CPD上升沿有效。2.74LS181四位運(yùn)算器181芯片引腳圖181芯片功能表3.74LS244三態(tài)8位緩沖器244芯片引腳圖74LS244芯片功能表輸入輸出LLLLLLLHLHHHH×H×高阻高阻4.74LS157四位2選1數(shù)據(jù)選擇器74LS157芯片引腳圖74LS157芯片功能表使能端輸入控制數(shù)據(jù)輸入輸出H×××LLH×LLLH×HHLLL×LLLH×H5.74LS373八D鎖存器74LS373芯片引腳圖74LS373功能表輸出控制使能GD輸出QLHHHLHLLLL×Q0H××Z6.611616KCMOS靜態(tài)RAM（2048*8）6116芯片引腳圖6116芯片功能表輸入I/O工作方式DIDOH×××high-z非選擇LHLhigh-zDO讀LLHDIhigh-z寫(xiě)LLLDIhigh-z寫(xiě)LHH×high-z選擇7.2816EEPROM存儲(chǔ)器（2048*8）2816芯片引腳圖2816芯片功能表引腳輸入/輸出讀出LLH數(shù)據(jù)出閑置L××高阻字節(jié)擦除LHL數(shù)據(jù)入=H字節(jié)寫(xiě)入LHL數(shù)據(jù)入整片擦除L+10~15VL數(shù)據(jù)入=H不工作LHH高阻禁寫(xiě)HHL高阻ganemploymenttribunalclaimEmploymenttribunalssortoutdisagreementsbetweenemployersandemployees.Youmayneedtomakeaclaimtoanemploymenttribunalif:youdon'tagreewiththedisciplinaryactionyouremployerhastakenagainstyouyouremployerdismissesyouandyouthinkthatyouhavebeendismissedunfairly.Formoreinformationaboutdismissalandunfairdismissal,see

Dismissal.Youcanmakeaclaimtoanemploymenttribunal,evenifyouhaven't

appealed

againstthedisciplinaryactionyouremployerhastakenagainstyou.However,ifyouwinyourcase,thetribunalmayreduceanycompensationawardedtoyouasaresultofyourfailuretoappeal.Rememberthatinmostcasesyoumustmakeanapplicationtoanemploymenttribunalwithinthreemonthsofthedatewhentheeventyouarecomplainingabouthappened.Ifyourapplicationisreceivedafterthistimelimit,thetribunalwillnotusuallyacceptit.Ifyouareworriedabouthowthetimelimitsapplytoyou,takeadvicefromoneoftheorganisationslistedunder

Furtherhelp.Employmenttribunalsarelessformalthansomeothercourts,butitisstillalegalprocessandyouwillneedtogiveevidenceunderanoathoraffirmation.Mostpeoplefindmakingaclaimtoanemploymenttribunalchallenging.Ifyouarethinkingaboutmakingaclaimtoanemploymenttribunal,youshouldgethelpstraightawayfromoneoftheorganisationslistedunder

Furtherhelp.Ifyouarebeingrepresentedbyasolicitoratthetribunal,theymayaskyoutosignanagreementwhereyoupaytheirfeeoutofyourcompensationifyouwinthecase.Thisisknownasa

damages-basedagreement.InEnglandandWales,yoursolicitorcan'tchargeyoumorethan35%ofyourcompensation

ifyouwinthecase.Ifyouarethinkingaboutsigningupfor

adamages-basedagreement,youshouldmakesureyou'reclearaboutthetermsoftheagreement.Itmightbebesttogetadvicefromanexperiencedadviser,forexample,ataCitizensAdviceBureau.

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nearestCAB.Formoreinformationaboutmakingaclaimtoanemploymenttribunal,see

Employmenttribunals.The(lackof)airupthereWatchmCaymanIslands-basedWebb,theheadofFifa'santi-racismtaskforce,isinLondonfortheFootballAssociation's150thanniversarycelebrationsandwillattendCity'sPremierLeaguematchatChelseaonSunday."IamgoingtobeatthematchtomorrowandIhaveaskedtomeetYayaToure,"hetoldBBCSport."Formeit'sabouthowhefeltandIwouldliketospeaktohimfirsttofindoutwhathisexperiencewas."Uefahas

openeddisciplinaryproceedingsagainstCSKA

forthe"racistbehaviouroftheirfans"during

City's2-1win.MichelPlatini,presidentofEuropeanfootball'sgoverningbody,hasalsoorderedanimmediateinvestigationintothereferee'sactions.CSKAsaidtheywere"surprisedanddisappointed"byToure'scomplaint.InastatementtheRussiansideadded:"WefoundnoracistinsultsfromfansofCSKA."Agehasreachedtheendofthebeginningofaword.Maybeguiltyinhisseemstopassingalotofdifferentlifebecametheappearanceofthesameday;Maybebackinthepast,tooneselftheparanoidweirdbeliefdisillusionment,thesedays,mymindhasbeenverymessy,inmymindconstantly.Alwaysfeeloneselfshouldgotodosomething,orwritesomething.Twentyyearsoflifetrajectorydeeplyshallow,suddenlyfeelsomething,doit.一字開(kāi)頭的年齡已經(jīng)到了尾聲?；蛟S是愧疚于自己似乎把轉(zhuǎn)瞬即逝的很多個(gè)不同的日子過(guò)成了同一天的樣子；或許是追溯過(guò)去，對(duì)自己那些近乎偏執(zhí)的怪異信念的醒悟，這些天以來(lái)，思緒一直很凌亂，在腦海中不斷糾纏?？傆X(jué)得自己自己似乎應(yīng)該去做點(diǎn)什么，或者寫(xiě)點(diǎn)什么。二十年的人生軌跡深深淺淺，突然就感覺(jué)到有些事情，非做不可了。Theendofourlife,andcanmeetmanythingsreallydo?而窮盡我們的一生，又能遇到多少事情是真正地非做不可？Duringmychildhood,thinkluckymoneyandnewclothesarenecessaryforNewYear,butastheadvanceoftheage,willbemoreandmorefoundthatthosethingsareoptional;Juniorhighschool,thoughttohaveacrushonjustmeansthattherealgrowth,butoverthepastthreeyearslater,hiswritingofalumniinpeace,suddenlyfoundthatisn'treallygrowup,itseemsisnotsoimportant;Theninhighschool,thinkdon'twanttogiveventtooutyourinnervoicecanbeinthehighschoolchildrenofthefeelingsinaperiod,butwaseventuallyinfarctionwhengraduationpartyinthethroat,lateragainstoodonthepitchhehassweatprofusely,lookedathisthrownabasketballhoops,suddenlyfoundhimselfhasalreadycan'trememberhisappearance.童年時(shí)，覺(jué)得壓歲錢(qián)和新衣服是過(guò)年必備，但是隨著年齡的推進(jìn)，會(huì)越來(lái)越發(fā)現(xiàn)，那些東西根本就可有可無(wú)；初中時(shí)，以為要有一場(chǎng)暗戀才意味著真正的成長(zhǎng)，但三年過(guò)去后，自己心平氣和的寫(xiě)同學(xué)錄的時(shí)候，突然就發(fā)現(xiàn)是不是真正的成長(zhǎng)了，好像并沒(méi)有那么重要了；然后到了高中，覺(jué)得非要吐露出自己的心聲才能為高中生涯里的懵懂情愫劃上一個(gè)句點(diǎn)，但畢業(yè)晚會(huì)的時(shí)候最終還是被梗塞在了咽喉，后來(lái)再次站在他曾經(jīng)揮汗如雨的球場(chǎng)，看著他投過(guò)籃球的球框時(shí)，突然間發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)想不起他的容顏。Originally,thisworld,canproduceachemicalreactiontoanevent,inadditiontoresolutely,havetodo,andtime.原來(lái)，這個(gè)世界上，對(duì)某個(gè)事件能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的，除了非做不可的堅(jiān)決，還有，時(shí)間。Aperson'stime,yourideasarealwaysspecialtoclear.Want,want,lineisclear,asifnothingcouldshakehis.Alsoonceseemedtobedeterminedtodosomething,butmoreoftenishebackedoutatlast.Dislikehiscowardice,finallyfoundthattherearealotoflove,therearealotofmiss,likeshadowreallyhavebeendoomed.Thosewhodo,justgreenyearsoneselfgiveoneselfanarminjection,orisaself-righteousspiritual.一個(gè)人的時(shí)候，自己的想法總是特別地清晰。想要的，不想要的，界限明確，好像沒(méi)有什么可以撼動(dòng)自己。也曾經(jīng)好像已經(jīng)下定了決心去做某件事，但更多的時(shí)候是最后又打起了退堂鼓。嫌惡過(guò)自己的怯懦，最終卻發(fā)現(xiàn)有很多緣分，有很多錯(cuò)過(guò)，好像冥冥之中真的已經(jīng)注定。那些曾經(jīng)所謂的非做不可，只是青蔥年華里自己給自己注射的一支強(qiáng)心劑，或者說(shuō)，是自以為是的精神寄托罷了。Atthemoment,theskyisdark,theairisfreshfactorafterjustrained.Suddenlythoug