計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)—硬布線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　硬布線控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備</p><p><b>　　教學(xué)目的</b></p><p>　　熟練掌握實(shí)驗(yàn)5和硬布線控制器的組成原理與應(yīng)用。</p><p>　　復(fù)習(xí)和應(yīng)用數(shù)據(jù)通路及邏輯表達(dá)式。</p><p>　　學(xué)習(xí)運(yùn)用ISP（

2、在系統(tǒng)編程）技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試的基本步驟和方法，熟悉集成開發(fā)軟件中設(shè)計(jì)調(diào)試工具的使用，體會(huì)ISP技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　教學(xué)任務(wù)</b></p><p>　　按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，在所提供的器件范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)一臺(tái)硬布線控制器控制的模型計(jì)算機(jī)。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在通用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行組裝，并調(diào)

3、試成功。</p><p>　　在組裝調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計(jì)圖紙和其他文件。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　TEC－4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)</p><p><b>　　直流萬(wàn)用表一只</b></p><p>　　集成電路建議使用I

4、SP芯片（一片ispLSI1032）。采用ISP器件，則需要一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件(例如ispEXPERT)作設(shè)計(jì)、編程和下載使用。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)思路（描述指令系統(tǒng)，給數(shù)據(jù)通路）</p><p>　　采用與模型計(jì)算機(jī)相同的指令系統(tǒng)，即12條機(jī)器指令。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用該指令系統(tǒng)的子集：去掉中斷指令后的3條機(jī)器指令，只保留9條指令。</p><p>

5、　　采用的數(shù)據(jù)通路和微程序控制器方案相同。</p><p>　　·數(shù)據(jù)通路圖和數(shù)據(jù)通路控制信號(hào)</p><p><b>　　控制器的設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　硬布線控制器能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，關(guān)鍵在于它的組合邏輯譯碼電路。譯碼電路的任務(wù)就是將一系列有關(guān)指令、時(shí)序等的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)控制信號(hào)，輸出到各執(zhí)行部件中。</

6、p><p>　　根據(jù)硬布線控制器的基本原理，針對(duì)每個(gè)控制信號(hào)S，可以列出它的譯碼函數(shù)S = f( Im, Mi, Tk, Bj )其中Im是機(jī)器指令操作碼譯碼器的輸出信號(hào)，Mi是節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器的節(jié)拍信號(hào)，Tk是時(shí)序信號(hào)發(fā)生器的時(shí)序信號(hào)，Bj是狀態(tài)條件判斷信號(hào)。</p><p>　　在TEC—4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，因?yàn)闀r(shí)序信號(hào)Tk（T1—T4）已經(jīng)直接輸送給數(shù)據(jù)通路，所以譯碼電路不需Tk作

7、為輸入。又因?yàn)闄C(jī)器指令系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，操作碼只有４位，不需要專門的操作碼譯碼器，因此Im直接就是操作碼，即指令寄存器的IR4—IR7信號(hào)。Mi的來(lái)源就是時(shí)序模塊的節(jié)拍信號(hào)，例如W4—W1。Bj的信號(hào)包括：</p><p>　　1.來(lái)自數(shù)據(jù)通路中運(yùn)算器ALU的進(jìn)位信號(hào)C；</p><p>　　2.來(lái)自控制臺(tái)的開關(guān)信號(hào)SWC、SWB、SWA；</p><p><b&

8、gt;　　3.其他信號(hào)。</b></p><p>　　其中C、SWC、SWA和SWB信號(hào)在微程序控制器中同樣存在，不用加以解釋。由于硬布線控制器設(shè)計(jì)和微程序控制器設(shè)計(jì)的不同需求和特點(diǎn)以及控制器的設(shè)計(jì)方案的不同，可能需要其他信號(hào)，也可能不需要其他信號(hào)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案而定。</p><p>　　每個(gè)控制信號(hào)的函數(shù)式都是上述輸入信號(hào)的邏輯表達(dá)式，因此可以用各種組合邏輯構(gòu)造電路網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)

9、這些表達(dá)式的邏輯功能。理論上，只要對(duì)所有控制信號(hào)都設(shè)計(jì)出譯碼函數(shù)，這個(gè)硬布線控制器的方案也就得到了。</p><p>　　根據(jù)要求，列出所需的控制臺(tái)指令和機(jī)器指令</p><p>　　老師提供的控制臺(tái)指令流程圖 ：</p><p>　　在這個(gè)控制臺(tái)里，我們將控制臺(tái)指令KRR,KRD,KWE,KLD,PR分別拆分為KRR1,KRR2,KRD1,KRD2,KWE1,KW

10、E2,KLD1,KLD2和PR1,PR2。每個(gè)小指令分別占用W1-W4四個(gè)節(jié)拍。分2次執(zhí)行完成。</p><p>　　控制臺(tái)控制信號(hào)作用：</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　設(shè)計(jì)硬布線控制器的控制流程，也就是解決Mi、Im、Bj如何起作用的問(wèn)題。設(shè)計(jì)微程序控制器時(shí)可以使用流程圖，設(shè)計(jì)硬布線控制器同樣可以使用流程圖

11、。微程序控制器的控制信號(hào)以微指令周期為時(shí)間單位，硬布線控制器以節(jié)拍為時(shí)間單位，兩者本質(zhì)上是一樣的，1拍和1個(gè)微指令周期都是從時(shí)序T1的上升沿到</p><p>　　T4的下降沿的一段時(shí)間。在微程序控制流程圖中，1個(gè)執(zhí)行框代表1個(gè)微指令周期，而在硬布線控制流程圖中，1個(gè)執(zhí)行框就代表1拍。</p><p>　　執(zhí)行一條機(jī)器指令所需的微指令數(shù)目，在硬布線控制器中相當(dāng)于機(jī)器指令所需的節(jié)拍數(shù)。決定執(zhí)

12、行一條指令需要的節(jié)拍數(shù)，要根據(jù)所有指令而定。既不能只考慮某些需要最多節(jié)拍的指令，也不能只考慮節(jié)拍數(shù)最少的指令，一般要根據(jù)大多數(shù)機(jī)器指令所需的節(jié)拍數(shù)而定，設(shè)計(jì)才比較合理。在本實(shí)驗(yàn)中，由于選用4拍對(duì)大多數(shù)指令就夠用，所以節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生4個(gè)節(jié)拍信號(hào)（W1—W4）。統(tǒng)一用4拍執(zhí)行1條機(jī)器指令后，對(duì)于所需節(jié)拍較少的的指令，例如JMP指令只用2拍（忽略中斷），剩下2拍就無(wú)事可做了。這在可行性上當(dāng)然沒(méi)有問(wèn)題，但在性能上就打了折扣，因?yàn)槎嘤嗟墓?jié)拍都浪費(fèi)

13、掉了。為減少浪費(fèi)，在時(shí)序電路中加入了一個(gè)控制信號(hào)SKIP的輸入，該信號(hào)的作用是使節(jié)拍發(fā)生器在任意狀態(tài)下直接跳到最后1拍（W4）。這樣，設(shè)計(jì)控制流程時(shí)，在所需節(jié)拍較少的的指令流程的適當(dāng)位置使SKIP控制信號(hào)有效，多余的節(jié)拍就可以跳過(guò)，從而提高了性能。</p><p>　　機(jī)器指令選用四拍以后，將一條機(jī)器指令的執(zhí)行化為占用兩條（或者更多）機(jī)器指令的節(jié)拍，執(zhí)行一條指令就可以占用W1、W2、W3、W4、W1、W2、W3、

14、W4。為了區(qū)分一條指令的兩個(gè)不同階段，我們加了個(gè)ST內(nèi)部信號(hào)作為標(biāo)志位，當(dāng)ST=0時(shí)，標(biāo)志執(zhí)行指令的前四個(gè)節(jié)拍，當(dāng)ST=1時(shí)，標(biāo)志執(zhí)行指令的后四個(gè)節(jié)拍。注意到只有CLR#到來(lái)后的第四拍時(shí)ST信號(hào)才發(fā)生翻轉(zhuǎn)，所以又設(shè)了一個(gè)SSTO信號(hào)作為ST信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)。</p><p>　　具體實(shí)現(xiàn)ST-SSTO模塊如下：我們?cè)黾恿艘粋€(gè)標(biāo)志位RUN，由于按CLR#按鈕復(fù)位后，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)序停止在T4,W4,ST的值為0,這樣S

15、STO=!ST&W4的值為1.按QD啟動(dòng)按鈕后，由于立即產(chǎn)生T1信號(hào)，在T1的上升沿使ST置1，在第一組W1,W2,W3,W4時(shí)，ST的值為1，這是我們不希望看到的。</p><p>　　增加了標(biāo)志位RUN后，按CLR#按鈕復(fù)位，使RUN為0。由于SSTO=!ST*W4*RUN,因此復(fù)位后的SSTO=0.按QD啟動(dòng)按鈕，在T1的上升沿，使RUN=1。根據(jù)SSTO的布爾表達(dá)式，在W1,W2,W3時(shí)，SSTO

16、=0,直到W4時(shí)，才使SSTO=1,由于ST:=CLR#*SSTO#CLR*ST,在W4過(guò)后的下一個(gè)T1的上升沿，才使ST置1，從而將控制臺(tái)操作的兩種狀態(tài)區(qū)分開來(lái)。</p><p>　　根據(jù)控制臺(tái)指令設(shè)計(jì)出的硬布線控制器：</p><p><b>　　邏輯狀態(tài)表：</b></p><p>　　根據(jù)硬布線指令流程圖畫出狀態(tài)表，然后根據(jù)表格，列寫出

17、每個(gè)信號(hào)的邏輯表達(dá)式，并寫出ABEL語(yǔ)言的源程序：</p><p>　　設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)（ABEL-HDL）</p><p>　　ABEL語(yǔ)言源代碼如下：</p><p>　　MODULE Compute DECLARATIONS</p><p><b>　　"輸入管腳<

18、;/b></p><p>　　SWC, SWB, SWA PIN 3..5;</p><p>　　IR7, IR6, IR5, IR4 PIN 6..9;</p><p>　　MF,T1, W1,W2,W3,W4, C,CLR PIN 10..17;</p><p><b>　　"輸出管腳</b><

19、/p><p>　　ALU_BUS, AR1_INC, CEL, CER, LDAR1, LDAR2, LDDR1, LDDR2, LDER, LDIR, LDPC, LDR4,LRW PIN 29..41;</p><p>　　PC_INC,PC_ADD,RS_BUS,SW_BUS, WRD, SKIP, TJ, M1,M2,M3,M4,S0,S1,S2 PIN 45..58;</p&g

20、t;<p><b>　　"自定義</b></p><p>　　MF1,SSTO NODE ISTYPE 'COM';</p><p>　　RUN,ST NODE ISTYPE 'REG';</p><p>　　tKRR,tKRD,tKWE,tKLD,tPR NODE ISTYPE '

21、;COM';</p><p>　　KRR1,KRD1,KWE1,KLD1,PR1,KRR2,KRD2,KWE2,KLD2,PR2 NODE ISTYPE 'COM';</p><p>　　ADD,SUB,MUL,AND,LDA,STA,JMP,JC,STP NODE ISTYPE 'COM';</p><p><b>

22、;　　CLK=.C.;</b></p><p><b>　　EQUATIONS</b></p><p>　　MF1=!CLR&MF#T1&CLR;</p><p><b>　　RUN:=CLR;</b></p><p>　　RUN.CLK=MF1;</p>

23、<p>　　ST:=CLR&SSTO#CLR&ST;</p><p>　　ST.CLK=MF1;</p><p>　　SSTO=!ST&RUN&W4;</p><p><b>　　"指令譯碼部分</b></p><p>　　tKRR=SWC&!SWB&!

24、SWA;</p><p>　　tKRD=!SWC&!SWB&SWA;</p><p>　　tKWE=!SWC&SWB&!SWA;</p><p>　　tKLD=!SWC&SWB&SWA;</p><p>　　tPR=!SWC&!SWB&!SWA;</p><p

25、>　　KRR1=!ST&tKRR;</p><p>　　KRR2=ST&tKRR;</p><p>　　KRD1=!ST&tKRD;</p><p>　　KRD2=ST&tKRD;</p><p>　　KWE1=!ST&tKWE;</p><p>　　KWE2=ST&

26、;tKWE;</p><p>　　KLD1=!ST&tKLD;</p><p>　　KLD2=ST&tKLD;</p><p>　　PR1=!ST&tPR;</p><p>　　PR2=ST&tPR;</p><p>　　ADD=PR2&(!IR7)&(!IR6)&

27、;(!IR5)&(!IR4);</p><p>　　SUB=PR2&(!IR7)&(!IR6)&(!IR5)&(IR4);</p><p>　　MUL=PR2&(!IR7)&(!IR6)&(IR5)&(!IR4);</p><p>　　AND=PR2&(!IR7)&(!IR6)&

28、amp;(IR5)&(IR4);</p><p>　　LDA=PR2&(!IR7)&(IR6)&(!IR5)&(IR4);</p><p>　　STA=PR2&(!IR7)&(IR6)&(!IR5)&(!IR4);</p><p>　　JMP=PR2&(IR7)&(!IR6)&a

29、mp;(!IR5)&(!IR4);</p><p>　　JC=PR2&(IR7)&(!IR6)&(!IR5)&(IR4);</p><p>　　STP=PR2&(!IR7)&(IR6)&(IR5)&(!IR4);</p><p><b>　　"數(shù)據(jù)通路管腳譯碼</b&g

30、t;</p><p>　　ALU_BUS=(ADD#SUB#MUL#AND)&W3#(STA&W4);</p><p>　　AR1_INC=(KRD2#KWE2)&W4;</p><p>　　CEL=!((KRD2#KWE2#KLD2#KRR2)&W1#(W3&LDA)#(W4&STA));</p>&l

31、t;p>　　CER=(KLD2#KRR2)&W2#(W1&PR2);</p><p>　　LDAR1=W4&(KRR1#KRD1#KWE1#KLD1)#(W2&LDA)#(W2&STA);</p><p>　　LDAR2=W4&(KRR1#KLD1)#(PR2&W1);</p><p>　　LDDR1=W

32、2&(ADD#SUB#MUL#AND);</p><p>　　LDDR2=LDDR1#(W2&STA);</p><p>　　LDER=W3&(KLD2#ADD#SUB#MUL#AND#LDA);</p><p><b>　　LDIR=CER;</b></p><p>　　LDPC=W4&

33、(PR1#JMP#(JC&C));</p><p>　　LDR4=LDPC;</p><p>　　LRW=W1&KRD2#W3&LDA;</p><p>　　M1=!LDDR1;</p><p>　　M2=!LDDR2;</p><p>　　M3=W4&(KRR1#KLD1);</

34、p><p>　　M4=W4&(PR1#JMP);</p><p>　　PC_INC=W1&PR2;</p><p>　　PC_ADD=W4&JC&C;</p><p>　　RS_BUS=!(W2&(LDA#STA)#W4&(KRR2#JMP));</p><p>　　SW_B

35、US=!(W1&(KWE2#KLD2#KRR2)#(W3&KLD2)#(W4&!ST));</p><p>　　S0=SUB#STA;</p><p>　　S1=ADD#SUB;</p><p><b>　　S2=MUL;</b></p><p>　　SKIP=W1&!ST#(W1&

36、;(KRD2#KWE2))#(W2&(KRR2#STA))#W2&(JMP#JC#STP);</p><p>　　TJ=W1&KRD2#W2&KLD2#W4&(tKRR#tKWE#tKLD)#W4&STP;</p><p>　　WRD=W4&(KLD2#ADD#SUB#MUL#AND#LDA);</p><p>

37、;<b>　　END</b></p><p>　　對(duì)程序進(jìn)行編譯，無(wú)誤后下載到芯片。</p><p><b>　　連線，調(diào)試，驗(yàn)收</b></p><p>　　連線按照ABEL程序里面對(duì)管腳的定義連線</p><p>　　寄存器和內(nèi)存單元內(nèi)容：</p><p><b&g

38、t;　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p><b>　　個(gè)人感想</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)開始就很考驗(yàn)我們的細(xì)心與操作，實(shí)驗(yàn)5的連線很多，雖然能夠可以輕松的連出數(shù)據(jù)通路，但是在讀寄存器還有讀存儲(chǔ)器時(shí)候很容易忽略一些細(xì)節(jié)。尤其是寄存器的編號(hào)設(shè)置很容易忘記怎么設(shè)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)進(jìn)入誤區(qū)，讀不出來(lái)正確的數(shù)據(jù)。</p><p>　　編程我

39、們是通過(guò)參考網(wǎng)上的程序來(lái)完成的，雖然弄清楚怎么執(zhí)行的寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)的指令，但是跟自己一開始的思路還是差很多，網(wǎng)上的太過(guò)于簡(jiǎn)便，反而容易誤導(dǎo)我們的思路，自己做的錯(cuò)誤太多，只能和網(wǎng)上的一塊調(diào)試并應(yīng)用。需要注意的就是一開始寫數(shù)的時(shí)候，網(wǎng)上的可以直接邏輯拉下來(lái)，我們只能一個(gè)個(gè)去寫。這個(gè)步驟的連線沒(méi)什么難的，需要注意的就是最后那5個(gè)端口不能忘了。</p><p>　　硬布線控制器最最重要的就是數(shù)據(jù)通路和邏輯表達(dá)式的應(yīng)用，不

40、管是檢測(cè)實(shí)驗(yàn)電路還是最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸出，都需要掌握這些知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)還涉及到了DP,DZ,DB的步驟順序控制方式，只要掌握好數(shù)據(jù)通路就可以輕松理解這些步驟。</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，小學(xué)期的實(shí)驗(yàn)需要的不僅僅是時(shí)間還有耐心和以前所學(xué)的應(yīng)用，這次的實(shí)驗(yàn)不僅告訴我們要牢牢掌握所學(xué)過(guò)的知識(shí)還是學(xué)會(huì)合作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p>