实验三简单模型机的设计与实现 Page 1 of 12 实酸三简单机型机的设计与实现 实验目的 1.掌握指令格式、寻址方式、指令系统的设计。 2.掌握微程序控制器的设计方法,进一步理解微指令、微周期、微地址等基本概念 3.理解时序信号和微命令作用下,数据通路的形成过程,建立单机系统的整机概念 二、实验设备 TDN-CM计算机组成原理实验系统一套,排线若干。 三、实验内容 分析模型机的硬件设计,包括运算器、存储器、总线、微程序控制器、时序电路、指令译码电路、微地址转移逻辑 2.设计模型机的指令系统,包括指令格式、指令类型、寻址方式等。 3.按模型机的时序及数据通路,写出指令的微程序流程并安排设计微地址 微程序写入控制存储器,编写简单机器指令程序并调试运行。 四、实验原遷 1.数据通路 模型机数据通路设计如图1所示 图1数据還路框图 2.时序产生电路 mhtml:file/:Documents\desktopldocslwww.xiaoKudang.com教育科硏\高等教育.2022/0207
实验三 简单模型机的设计与实现 一、实验目的 1．掌握指令格式、寻址方式、指令系统的设计。 2．掌握微程序控制器的设计方法，进一步理解微指令、微周期、微地址等基本概念。 3．理解时序信号和微命令作用下，数据通路的形成过程，建立单机系统的整机概念。 二、实验设备 TDN-CM计算机组成原理实验系统一套，排线若干。 三、实验内容 1． 分析模型机的硬件设计，包括运算器、存储器、总线、微程序控制器、时序电路、指令译码电路、微地址转移逻辑。 2． 设计模型机的指令系统，包括指令格式、指令类型、寻址方式等。 3． 按模型机的时序及数据通路，写出指令的微程序流程并安排设计微地址。 4． 将微程序写入控制存储器，编写简单机器指令程序并调试运行。 四、实验原理 1．数据通路 模型机数据通路设计如图1所示。 图1 数据通路框图 2．时序产生电路 实验三简单模型机的设计与实现 Page 1 of 12 mhtml:file://E:\Documents\Desktop\docs\www.xiaokudang.com\教育科研\高等教育... 2022/02/07
实验三简单模型机的设计与实现 Page 2 of 12 模型机采用节拍电位和节拍脉冲两级时序体制作为微操作信号的定时信号,4个节拍脉冲构成一个微周期。时序产生电路如图2所示 图2左半部分为4个等间隔节拍脉冲TS1TS4的产生电路,Φ为时钟信号源输入端。实验箱内部电路能够产生连续的方波脉冲,并可通过实验台右上方的 输出端H23或H24引出。实验中,只需将H23或H24连到Φ就可以产生节拍脉冲TS-TS4 图2右半部分为启停控制电路,四个控制信号STEP(单步)、STOP(停机)、CLR(总清0)和 START(启动)的功能如表1所 表1启停控制电路功能表 CLR STOP STEP START输出Tsl-TS4 总清0,不产生节拍脉冲 L 1停机,TS产生后停机 图2时序产生电 单步运行方式,按动 START,产生一个周期的TS1- 1 0(RUN) 1(STEP) S4后停机 连续运行方式,按动 START,产生周而复始的TS1 0|TS4 信号STEP和STOP可由实验台上方中部的模拟开关拨动控制, START信号可由实验台上方中部的微动开关按键产生,CLR信号则可由实验台右下方的 模拟开关拨动控制。当STOP置为“RUN”状态,STEP置为“EXEC”状态,CLR置“1”时,按动 START后,TS1-TS4端产生的时序信号波形如图3所 微期 mhtml:file/:Documents\desktopldocslwww.xiaoKudang.com教育科硏\高等教育.2022/0207
模型机采用节拍电位和节拍脉冲两级时序体制作为微操作信号的定时信号，4个节拍脉冲构成一个微周期。时序产生电路如图2所示。 图2左半部分为4个等间隔节拍脉冲TS1-TS4的产生电路，Φ为时钟信号源输入端。实验箱内部电路能够产生连续的方波脉冲，并可通过实验台右上方的 输出端H23或H24引出。实验中，只需将H23或H24连到Φ就可以产生节拍脉冲TS1-TS4。 图2右半部分为启停控制电路，四个控制信号STEP（单步）、STOP（停机）、CLR（总清0）和START（启动）的功能如表1所示。 表1 启停控制电路功能表 信号STEP和STOP可由实验台上方中部的模拟开关拨动控制，START信号可由实验台上方中部的微动开关按键产生，CLR信号则可由实验台右下方的 模拟开关拨动控制。当STOP置为“RUN”状态，STEP置为“EXEC”状态，CLR置“1”时，按动START后，TS1-TS4端产生的时序信号波形如图3所示。 图3 时序信号 CLR STOP STEP START 输出TS1-TS4 0 Χ Χ Χ 1 1 （STOP） Χ Χ 1 0（RUN） 1（STEP） 1 0（RUN） 0 （EXEC） 总清0，不产生节拍脉冲 停机，TS4产生后停机 单步运行方式，按动START，产生一个周期的TS1- TS4后停机 连续运行方式，按动START，产生周而复始的TS1- TS4 图2 时序产生电路 实验三简单模型机的设计与实现 Page 2 of 12 mhtml:file://E:\Documents\Desktop\docs\www.xiaokudang.com\教育科研\高等教育... 2022/02/07
实验三简单模型机的设计与实现 Page 3 of 12 时序信号配合下的模型机数据通路见图4 3.微程序控制电路及微指令格式 程序控制电路 微程序控制器组成如图5所示,其中,控制存储器由3片2816E2PROM构成,能够写入、读出信息,并具有掉电保护功能。微命令寄存器24位,由2片 8D触发器(273)和1片4D触发器(175)构成,其输出直接产生或经3-8译码器译码后形成微操作控制信号。微地址寄存器6位,用三片正沿触发的双D 触发器(74)组成,它们带有清“0”端和置位端。当CLR(总清0)信号为“0”时,微命令寄存器和微地址寄存器同时清0。当CLR为“1”时,控制 存储器送出的微指令中,操作控制字段及判别测试字段在2时刻被打入微命令寄存器,直接或经3-8译码器译码后产生微操作控制信号:下址字段被打 入微地址寄存器,经三态缓冲器(245)控制后在微地址显示灯上显示出来。在不判别测试的情况下,打入微地址寄存器的下址字段内容即为下一条要 执行微指令的地址。判别测试时,将地址转移输出连至SEI-SE6(双D触发器74的置位端,低电平有效),在T4时刻,可通过强行置位的方法改变微地 址寄存器的内容,形成地址转移 控制存储器2816在实验台右侧中上部的编程开关的控制下,具有三种工作状态,分别为:PROM(编程)、READ(校验)和RUN(运行) PROM状态用来将微指令写入2816,READ状态用来从2816中读出微指令进行校验。进行PROM或READ时,在实验箱内部单片机控制下,三态缓冲器 245输出被封锁,下方的锁存器(374)被作为2816的地址寄存器,按动 START,启动时序电路后,由接线端M19送入的微指令地址(2816的单元地 址)被Tl上升沿打入374,选中2816的一个单元,同时被显示在微地址显示灯上。PROM时,2816处于写入状态,微代码开关MK23MK0的状态被写入 374选中的2816单元。READ时,2816处于读状态,由374选中的2816单元内容—读出的微代码,被显示在微代码显示灯上。不论是PROM状态还是 READ状态,微指令地址都需要手工拨动“ SWITCH UNIT”单元的模拟开关UA5-UA0产生,因此在实验中,需将“ SWITH UN”单元的UA5-UA0 与“ MICRO-CONTROLER”单元的MA5-MA0(M19)连接,通过UA5-UA0开关置微指令地址。“RUN”状态时,2816处于读状态,374输出被封 锁,启动时序电路后,2816中读出的内容在卫时刻打入微指令寄存器和微地址寄存器,其中的微代码显示在微代码显示灯上,下址字段经245显示在微 地址显示灯上 mhtml:file/:Documents\desktopldocslwww.xiaoKudang.com教育科硏\高等教育.2022/0207
时序信号配合下的模型机数据通路见图4。 3．微程序控制电路及微指令格式 （1） 微程序控制电路 微程序控制器组成如图5所示，其中，控制存储器由3片2816E2PROM构成，能够写入、读出信息，并具有掉电保护功能。微命令寄存器24位，由2片 8D触发器（273）和1片4D触发器（175）构成，其输出直接产生或经3-8译码器译码后形成微操作控制信号。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D 触发器（74）组成，它们带有清“0”端和置位端。当CLR（总清0）信号为“0”时，微命令寄存器和微地址寄存器同时清0。当CLR为“1”时，控制 存储器送出的微指令中，操作控制字段及判别测试字段在T2时刻被打入微命令寄存器，直接或经3-8译码器译码后产生微操作控制信号；下址字段被打 入微地址寄存器，经三态缓冲器（245）控制后在微地址显示灯上显示出来。在不判别测试的情况下，打入微地址寄存器的下址字段内容即为下一条要 执行微指令的地址。判别测试时，将地址转移输出连至SE1-SE6（双D触发器74的置位端，低电平有效），在T4时刻，可通过强行置位的方法改变微地 址寄存器的内容，形成地址转移。 控制存储器2816在实验台右侧中上部的编程开关的控制下，具有三种工作状态，分别为：PROM（编程）、READ（校验）和RUN（运行）。 PROM状态用来将微指令写入2816，READ状态用来从2816中读出微指令进行校验。进行PROM或READ时，在实验箱内部单片机控制下，三态缓冲器 245输出被封锁，下方的锁存器（374）被作为2816的地址寄存器，按动START，启动时序电路后，由接线端MJ19送入的微指令地址（2816的单元地 址）被T1上升沿打入374，选中2816的一个单元，同时被显示在微地址显示灯上。PROM时，2816处于写入状态，微代码开关MK23-MK0的状态被写入 374选中的2816单元。READ时，2816处于读状态，由374选中的2816单元内容——读出的微代码，被显示在微代码显示灯上。不论是PROM状态还是 READ状态，微指令地址都需要手工拨动“SWITCH UNIT”单元的模拟开关UA5-UA0产生，因此在实验中，需将“SWITH UNIT”单元的UA5-UA0 与“MICRO-CONTROLER”单元的MA5-MA0（MJ19）连接，通过UA5-UA0开关置微指令地址。“RUN”状态时，2816处于读状态，374输出被封 锁，启动时序电路后，2816中读出的内容在T2时刻打入微指令寄存器和微地址寄存器，其中的微代码显示在微代码显示灯上，下址字段经245显示在微 地址显示灯上。 实验三简单模型机的设计与实现 Page 3 of 12 mhtml:file://E:\Documents\Desktop\docs\www.xiaokudang.com\教育科研\高等教育... 2022/02/07
实验三简单模型机的设计与实现 Page 4 of 12 图4时序信号作用下的型机数据通路 代码显平订 2816 Lusa【 au h LsSas a 像代问人开 5制原通图 mhtml:file/:Documents\desktopldocslwww.xiaoKudang.com教育科硏\高等教育.2022/0207
图4 时序信号作用下的模型机数据通路 图5 微控制器原理图 实验三简单模型机的设计与实现 Page 4 of 12 mhtml:file://E:\Documents\Desktop\docs\www.xiaokudang.com\教育科研\高等教育... 2022/02/07
实验三简单模型机的设计与实现 Page 5 of 12 微指令格式 微指令字长共24位,采用混合编码法,其控制位顺序如表2所示。 表2微指令格式 232120|s6141|s6543|2 c uAs luA uA2 uAl uAo A字段 B字段 C字段 121选择9sz选择 0|299 I01ALU 其中24-16位采用直接控制方式,UA5-UA0为6位后续微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多位,译码电路由3-8译码器实现 见图5)。C字段为判别测试字段,译码后形成4个判别测试位,功能是根据不同的条件(机器指令操作码、状态条件等)改变微地址,使微程序转入相 应的微地址入口,形成微程序的分支、循环。微地址转移逻辑见图6。 微地址转移逻辑 模型机微地址转移逻辑设计如图6所示。转移条件包括指令寄存器IR7IR2位(图中示为I7-12)、ALU的状态信息FC和FZ、状态测试位P(1)-P(4) 控制开关SWB和SwA。 要实现地址转移,须将地址转移电路输出端SE6-SEI(位于实验台右下方“ LOG UNIT”单元)连至“ MICRO CONTROLER”单元的微地址寄存器 MA5-MA0的强行置位端SE6-SE1(见图5,低电平有效)。当SE6-SEI中某一位或几位输出低电平时,微地址寄存器相应触发器被置“1”,下址字段被改 SAS=(FC +F.P.T4 SE4=n7·PDf4 Mn=15·T4B.PT4SWB·F(4T4 SA=14-P0-T4+/2.P2.T4+ SWA.Po-T4 与SE5-SE1对应的微地址MA4MA0(MA5未设置)的置位情况如表3所示 3微地址转移划舞 mhtml:file/:Documents\desktopldocslwww.xiaoKudang.com教育科硏\高等教育.2022/0207
（2） 微指令格式 微指令字长共24位，采用混合编码法，其控制位顺序如表2所示。 其中24-16位采用直接控制方式，UA5-UA0为6位后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位，译码电路由3-8译码器实现 （见图5）。C字段为判别测试字段，译码后形成4个判别测试位，功能是根据不同的条件（机器指令操作码、状态条件等）改变微地址，使微程序转入相 应的微地址入口，形成微程序的分支、循环。微地址转移逻辑见图6。 （3） 微地址转移逻辑 模型机微地址转移逻辑设计如图6所示。转移条件包括指令寄存器IR7-IR2位（图中示为I7-I2）、ALU的状态信息FC和FZ、状态测试位P（1）-P（4）、 控制开关SWB和SWA。 图 6 微 地 址 转 移 逻 辑 电 路 要实现地址转移，须将地址转移电路输出端SE6-SE1（位于实验台右下方“LOG UNIT”单元）连至“MICRO CONTROLER”单元的微地址寄存器 MA5-MA0的强行置位端SE6-SE1（见图5，低电平有效）。当SE6-SE1中某一位或几位输出低电平时，微地址寄存器相应触发器被置“1”，下址字段被改 变，地址转移。依据图6，地址转移表达式如下： 与SE5-SE1对应的微地址MA4-MA0（MA5未设置）的置位情况如表3所示。 表3 微地址转移逻辑 表2 微指令格式 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 S3 S2 S1 S0 M Cn WE CE LDPC A B C uA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA0 C字段 9 8 7 选择 0 0 0 0 0 1 P （1） 0 1 0 P （2） B字段 12 11 10 选择 0 0 0 0 0 1 RS-B 0 1 0 RDB 0 1 1 RI-B 1 0 0 299- B 1 0 1 ALUA字段 15 14 13 选择 0 0 0 0 0 1 LDRi 0 1 0 LDDR1 0 1 1 LDDR2 1 0 0 LDIR 1 0 1 LOAD 测试名称 P(1) P(2) P(3) P(4) MA4 MA3 MA2 MA1 说明 实验三简单模型机的设计与实现 Page 5 of 12 mhtml:file://E:\Documents\Desktop\docs\www.xiaokudang.com\教育科研\高等教育... 2022/02/07