課程設(shè)計(jì)-基于微程序控制器的簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　題目：基于微程序控制器的簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　課程名稱： </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學(xué) 號：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　同組人員： </p><p>　　試驗(yàn)臺號：

3、 </p><p>　　完成時(shí)間： </p><p>　　報(bào)告日期： </p><p>　　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

4、lt;p>　　1 課程設(shè)計(jì)概述1</p><p>　　1.1 課設(shè)目的1</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)1</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)要求1</p><p>　　2 實(shí)驗(yàn)原理與環(huán)境2</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)圖2</p><p>　　2.1.1 功能

5、結(jié)構(gòu)圖2</p><p>　　2.1.2 中央處理器的功能2</p><p>　　2.1.3 中央處理器的組成3</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境4</p><p>　　3 模塊設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)分析5</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)通路圖5<

6、/p><p>　　3.3 模塊設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.2.1 主存儲器6</p><p>　　3.2.3 控制存儲器7</p><p>　　3.2.3 運(yùn)算器和寄存器9</p><p>　　3.2.4 程序計(jì)數(shù)器11</p><p>　　3.2.5 總體設(shè)計(jì)12</p>

7、;<p>　　4 微指令設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1 機(jī)器指令設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.2 微指令設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.3 微程序設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.4 指令流程圖15</p><p>　　4.4.1 取指公操作16</p><p&

8、gt;　　4.4.2 立即數(shù)加17</p><p>　　4.4.3 直接尋址加17</p><p>　　4.4.4 直接尋址減18</p><p>　　4.4.5 回存19</p><p>　　4.4.6 無條件跳轉(zhuǎn)20</p><p>　　4.4.7 有條件跳轉(zhuǎn)20</p><p>

9、;　　4.4.8 非21</p><p>　　4.4.9 與22</p><p>　　4.4.10 異或22</p><p>　　4.4.11 SHL24</p><p>　　4.4.12 LOAD24</p><p>　　4.5 芯片控點(diǎn)設(shè)計(jì)25</p><p>　　5 實(shí)驗(yàn)過程與

10、調(diào)試27</p><p>　　5.1 主要故障與調(diào)試27</p><p>　　5.1.1 395載入失敗27</p><p>　　5.1.2 6116中存儲數(shù)據(jù)被改變27</p><p>　　5.1.3 2816中存儲數(shù)據(jù)被改變27</p><p>　　5.1.4 193計(jì)數(shù)器跳轉(zhuǎn)出問題28</p&g

11、t;<p>　　5.1.5 193自加時(shí)的毛刺28</p><p>　　5.2 功能測試28</p><p>　　5.3 實(shí)驗(yàn)流程30</p><p>　　6 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得31</p><p>　　6.1 課設(shè)總結(jié)31</p><p>　　6.1.1 方案總結(jié)31</p>&l

12、t;p>　　6.1.2 功能總結(jié)31</p><p>　　6.1.3 未實(shí)現(xiàn)功能總結(jié)31</p><p>　　6.2 課設(shè)心得31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p>　　附錄 部分芯片介紹34</p><p><b>　　1 課程設(shè)計(jì)概述&

13、lt;/b></p><p><b>　　1.1 課設(shè)目的</b></p><p>　　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

14、知識，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)出一臺具有自己指令系統(tǒng)的簡單計(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)平臺上運(yùn)行一段程序，通過檢查程序結(jié)果的正確性來判斷所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正確性。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，不僅鍛煉學(xué)生簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，而且通過進(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)生分析和解決問題的能力。</p

15、><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺簡單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并調(diào)試通過。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單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　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；</p>

16、;<p>　　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。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)；</p><p>　　完成時(shí)序列電路設(shè)計(jì)。通過畫出帶控制信號的多周期數(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與多周期數(shù)據(jù)通路圖上的控制信號對應(yīng)相連；</p><p><b>

17、;　　主要技術(shù)指標(biāo)如下：</b></p><p>　　1) 支持算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、存儲器讀寫、寄存器間數(shù)據(jù)傳送等幾類指令。</p><p>　　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。</p><p>　　3) 支持10條以上的指令。</p><p>　

18、　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。</p><p><b>　　1.3 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的要求，制定出設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　2) 畫出自己所設(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，哪些需要通過微程序來控制

19、，及這些控制信號的有效形式；</p><p>　　3) 畫出各指令的指令周期流程圖和所需要的控制信號；</p><p>　　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；</p><p>　　5) 布線、調(diào)試、驗(yàn)收;</p><p>　　6) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告和總結(jié)。</p><p><b>　　2 實(shí)驗(yàn)

20、原理與環(huán)境</b></p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.1.1 功能結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　組成原理課程設(shè)計(jì)CPU功能結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 CPU功能結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.1.2 中央處理器的功能</p><p

21、>　　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：</p><p>　　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)定的順序自動執(zhí)行，從而保證程序執(zhí)行過程中，指令在邏輯上的相互關(guān)系不被改變。</p><p>　　2）指令的操作控制。即產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的信號，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運(yùn)行。</p><p&

22、gt;　　3）時(shí)間控制。即對每個(gè)控制信號進(jìn)行定時(shí)，一邊按規(guī)定的時(shí)間順序啟動各操作。對于任何一條指令而言，如果操作控制信號的時(shí)間不正確，則指令的功能也就不能正確的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4）數(shù)據(jù)加工處理。即對數(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。</p><p>　　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)請求等。</p><p&

23、gt;　　2.1.3 中央處理器的組成</p><p>　　中央處理器主要由控制器和運(yùn)算器兩部分構(gòu)成?？刂破鞯闹饕δ馨ǎ喝≈噶?、計(jì)算下一條指令的地址、對指令譯碼、產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號、控制指令執(zhí)行的步驟和數(shù)據(jù)流動的方向。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

24、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。</p><p>　　下面對圖2.1的各部分功能進(jìn)行簡要分析。</p><p>　　a.CPU內(nèi)常用的寄存器</p><p>　　1）PC（程序計(jì)數(shù)器）</p><p>　　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P

25、C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實(shí)現(xiàn)，若程序無此功能，則通過加法器實(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。</p><p>　　2）IR（指令寄存器）</p><p>　　IR用于保存指令。從主存儲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。

26、IR中對應(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，送到微操作信號形成不見；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。</p><p>　　3）AR（地址寄存器）&

27、lt;/p><p>　　AR用來保存當(dāng)前CPU所要訪問的主存單元地址，無論CPU是取指令還是存取數(shù)據(jù)，都必須先將要訪問的主存單元地址送AR，知道讀寫操作完成。</p><p>　　4）DR（數(shù)據(jù)緩沖寄存器）：</p><p>　　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)備寫入的數(shù)

28、據(jù)。</p><p>　　b.指令譯碼器、地址形成部件和微操作產(chǎn)生部件</p><p><b>　　指令譯碼器（ID）</b></p><p>　　指令譯碼器對指令的操作碼進(jìn)行譯碼，它的輸出送到微操作產(chǎn)生部件。</p><p><b>　　地址形成部件</b></p><p>

29、;　　地址形成部件對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。</p><p><b>　　3）微操作產(chǎn)生部件</b></p><p>　　微操作產(chǎn)生部件接收指令譯碼器送來的信息，與時(shí)序信號、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（即微操作控制序列）并發(fā)送到計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件。</p><p>　　微操作產(chǎn)生部件

30、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），送到各個(gè)部件的控制門、觸發(fā)器或鎖存器，去打開或關(guān)閉某些特定的門電路，使數(shù)據(jù)信息按完成指令功能所需要經(jīng)過的路徑，從一個(gè)功能部件傳送到另一個(gè)功能部件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)加工處理的控制。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，微操作產(chǎn)生部件的結(jié)構(gòu)有三種不同的類型：組合邏輯型、存儲邏輯型即前兩者的結(jié)合型。它們分別對應(yīng)三中不同的控制器組成方式：組合

31、邏輯控制器、微程序控制器及組合邏輯與存儲邏輯混合型控制器。</p><p><b>　　c.時(shí)序控制部件</b></p><p>　　指令執(zhí)行過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)行多長時(shí)間都有嚴(yán)格的規(guī)定，不能有任何差錯。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，待加法操作完成后，才能

32、將結(jié)果送往目的地。不僅次序有規(guī)定，而且對什么時(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，即一系列電位與脈沖，送到微操作產(chǎn)生部件，對各種操作信號進(jìn)行時(shí)序控制。</p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境</b></p><p>　　JZYL—Ⅱ型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀一臺。</

33、p><p><b>　　導(dǎo)線若干。</b></p><p>　　涉及芯片類型及數(shù)量如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 所需芯片類型及數(shù)量</p><p><b>　　3 模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　3.1 實(shí)驗(yàn)分析</b>&

34、lt;/p><p>　　分析本次課程設(shè)計(jì)中對簡易CPU的要求，需要設(shè)計(jì)的功能部件有主存儲器、控制存儲器、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。</p><p>　　我們設(shè)計(jì)的機(jī)器指令長度為8為，其中前4位為操作碼，后四位為操作數(shù)。

35、</p><p>　　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器、控制存儲器、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。</p><p><b>　　3.2 數(shù)據(jù)通路圖</b></p><p>　　圖3.1 數(shù)據(jù)通路圖</p>

36、;<p>　　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?？刂菩盘柺怯晌⒊绦蛑械男盘枺ㄒ?.3 微程序設(shè)計(jì)）和時(shí)序節(jié)拍通過組合邏輯的方式形成。</p><p><b>　　3.3 模塊設(shè)計(jì)</b></

37、p><p>　　3.2.1 主存儲器</p><p>　　主存儲器相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主存。我們選擇一片6116作為主存儲器。我們設(shè)計(jì)的機(jī)器指令長度為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，我們能手動寫入的內(nèi)存只有16位，分別從0000到1111。</p><p>　　在寫入6116時(shí)，使用了一片74LS244作為緩沖

38、器。因?yàn)樵诳傮w電路中，6116的輸入可能會有多個(gè)，為了避免沖突，使用一片244可以方便后面輸入端的選擇。</p><p>　　6116的地址通過一片74LS157后輸入。選擇74LS157的原因是，6116的地址選擇有多種情況。第一種情況是手動輸入地址，這種情況發(fā)生在程序執(zhí)行前，需往6116中寫入程序，此時(shí)的地址由操作人員手動選擇；第二種情況是程序自動選擇，這種情況發(fā)生在程序連續(xù)執(zhí)行過程中，由PC自動選擇內(nèi)存地址

39、，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。主存儲器的結(jié)構(gòu)圖如3.2所示。</p><p>　　圖3.2 主存儲器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　6116芯片的功能如表3.1所示。我們選擇的寫模式為=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)的信息將會丟失。</p><

40、;p>　　表3.1 6116芯片功能表</p><p>　　74LS244芯片的功能如表3.2所示。</p><p>　　表3.2 74LS244芯片功能表</p><p>　　74LS157芯片的功能如表3.3所示。</p><p>　　表3.3 74LS157芯片功能表</p><p>　　3.2.3

41、控制存儲器</p><p>　　控制存儲器是整個(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)起來沒有太大難度。但是，由于微程序設(shè)計(jì)中的微指令是從控制存儲器中取出的，這一部分的設(shè)計(jì)尤為重要。</p><p>　　我們選擇兩片2816作為控制存儲器。我們設(shè)計(jì)的微指令中，一共有13位有效信號。由于2816是8位的，所以，需要兩片2816存儲需要的微指令。我們設(shè)計(jì)的機(jī)器指令長度為8位，高4位為操作指令

42、，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，我們能寫入的控制信號只有16位，分別從0000到1111。實(shí)際上，我們設(shè)計(jì)的指令只有12條，16個(gè)內(nèi)存已能滿足需求。</p><p>　　在寫入2816時(shí)，使用了一片74LS244作為緩沖器。寫入完成后，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）都對應(yīng)著一條微指令，只要一次正確寫入后，以后都不需要更改。

43、由于2816是ROM芯片，斷電后，信息不會丟失。但是，寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用一片74LS244，作為緩沖器。</p><p>　　2816的微指令信號輸出后，將會鎖存到373中，避免在指令執(zhí)行周期，控制信號發(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）。</p><p>　　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)

44、束前，只要對結(jié)果不產(chǎn)生干擾就可以），系統(tǒng)進(jìn)入取值周期。</p><p>　　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?？刂拼鎯ζ鞯慕Y(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。</p><p>　　結(jié)構(gòu)圖中沒有標(biāo)明寫入2816時(shí)用到的緩沖器74LS244，因?yàn)樗辉趯懭霑r(shí)

45、使用，寫入成功之后，244將沒有其他的作用，可以去掉。</p><p>　　圖3.3 控制存儲器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2816的芯片功能如表3.4所示。</p><p>　　表3.4 2816芯片功能表</p><p>　　74LS373芯片功能如表3.5所示。</p><p>　　表4.6 74LS373功能

46、表</p><p>　　74LS395芯片功能如表3.6所示。</p><p>　　表3.6 74LS395芯片功能表</p><p>　　3.2.3 運(yùn)算器和寄存器</p><p>　　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，通過基本運(yùn)算的組合，可以實(shí)現(xiàn)及其復(fù)

47、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看，可以發(fā)現(xiàn)，它可以做到的事情實(shí)際上再簡單不過。唯快不破，它通過將處理速度做到極致，即使它做的事情異常簡單，但是，它能做到的事情卻可以改變整個(gè)世界。</p><p>　　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

48、輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，所以，我們需要兩片74LS181來實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)操作。181的B輸入通過了74LS157，原因是，由于尋址方式有立即數(shù)和直接尋址，所以，通過157來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)全部來自于主存6116。</p><p>　　74LS181的運(yùn)算結(jié)果輸入后，鎖存在74LS37

49、3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輸入來自于這個(gè)373（寄存器）。</p><p>　　74LS157的其中一個(gè)輸入來自一個(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

50、。</p><p>　　圖3.4 運(yùn)算器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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；為有無進(jìn)位控制端，為高位進(jìn)位。</p><p

51、>　　圖3.5 74LS181功能表</p><p>　　3.2.4 程序計(jì)數(shù)器</p><p>　　程序計(jì)數(shù)器的功能比較簡單，就是在程序執(zhí)行過程中，指示正確的內(nèi)存地址，讓計(jì)算機(jī)自動的從內(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。</p><p>　　提供的芯片中，具有計(jì)數(shù)功能

52、的有74LS193和74LS181。但是，181的功能過于強(qiáng)大，用這個(gè)比較復(fù)雜的芯片去實(shí)現(xiàn)如此簡單的功能，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)。</p><p>　　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，1

53、93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。</p><p>　　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

54、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來區(qū)分這兩種情況。區(qū)分的條件是不同的機(jī)器指令對應(yīng)著不同的微操作，通過微指令來選擇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。</p><p>　　程序計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 程序計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　74LS193芯片的功能如表3.7所示

55、。</p><p>　　表3.7 74LS193芯片功能表</p><p><b>　　功能說明：</b></p><p>　　直接清零：當(dāng)=1時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零。</p><p>　　直接置數(shù)：當(dāng)LD=0時(shí)，計(jì)數(shù)器異步置數(shù)。</p><p>　　二進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)脈沖CPU/CPD上升沿有效。

56、</p><p>　　3.2.5 總體設(shè)計(jì)</p><p>　　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，沒有把回存作為單獨(dú)的一個(gè)模塊說明。</p><p>　　圖3.6 總體結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

57、t;<b>　　4 微指令設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 機(jī)器指令設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，我們設(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。</p><p>　　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

58、、與運(yùn)算、亦或運(yùn)算；回存；跳轉(zhuǎn)指令：無條件跳轉(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。</p><p>　　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。</p><p>　　機(jī)器指令由操作人員將匯編語言翻譯成機(jī)器語言后，手動輸入到內(nèi)存中。

59、</p><p><b>　　4.2 微指令設(shè)計(jì)</b></p><p>　　控制存儲器由兩片2816組成，最多可以有16位控制信號。但我們在設(shè)計(jì)微指令時(shí)，只使用了13個(gè)控制信號，使用了一片2816的所有8位，另一片2816的低5位。</p><p>　　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

60、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位控制信號機(jī)器作用如表4.1所示。其他3位接低電平。</p><p>　　表4.1 控制信號作用</p><p><b>　　4.3 微程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　程序中每一條指令用8位二進(jìn)制位來表示，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

61、，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）。</p><p>　　操作指令對應(yīng)的微程序如表4.2所示。寫出這個(gè)表的過程比較復(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列舉出來，可能會超過16個(gè)，但是沒關(guān)系，因?yàn)樵诤竺娴牟襟E中，會發(fā)現(xiàn)有些控制信息一直沒有變化，可以用一個(gè)確定的信號代替。然后，給需要用到的指令分配一個(gè)4位的控存地址，這將

62、會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16條。接著，就是比較復(fù)雜的一步了。分析每一條指令，畫出每條指令的數(shù)據(jù)流和控制流，（具體流程圖見4.4 指令流程圖）通過這種方式，知道每條指令需要的控制信號。</p><p>　　表4.2 匯編指令對應(yīng)的微程序表</p><p>　　微程序表中，每條微程序都有16個(gè)控制信號。芯片編號參考圖4.13。如表中編號所示，

63、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用來停機(jī)，實(shí)際使用時(shí)，沒有使用9號控制信號；11和12分別表示193中的up和load；其他位均為0。</p><p><b>　　4.4 指令流程圖</b></p><p>　　我

64、們設(shè)計(jì)的指令，包括取址公操作在內(nèi)，一共有12條。不同類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)；

65、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?，它需要清零，而?zhí)行周期前，它需要置數(shù)。</p><p>　　4.4.1 取指公操作</p><p>　　我們設(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

66、信號存放在控制存儲器的0000號單元，也就是說，需要進(jìn)行取址操作時(shí)，將395清零即可?？刂菩盘枏目刂拼鎯ζ髦凶x出后，寫入到微指令寄存器中。通過這一組控制信號，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，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）</p>&l

67、t;p>　　取值公操作的控制流如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 取值公操作控制流</p><p>　　4.4.2 立即數(shù)加</p><p>　　立即數(shù)加的控制流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 立即數(shù)加控制流</p><p>　　4.4.3 直接尋址加</p>&

68、lt;p>　　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。</p><p>　　直接尋址加的控制流程圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 直接尋址加控制流</p><p>　　4.4.4 直接尋址減&l

69、t;/p><p>　　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，對于4個(gè)運(yùn)算控制信號有些區(qū)別。</p><p>　　直接尋址減的控制流程圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 直接尋址減控制流</p><p><b>　　4.4.5 回存</b></p><

70、;p>　　回存時(shí)，內(nèi)存需要由讀模式變?yōu)閷懩Ｊ健?lt;/p><p>　　回存控制流程圖如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 回存控制流</p><p>　　4.4.6 無條件跳轉(zhuǎn)</p><p>　　無條件跳轉(zhuǎn)控制流程圖如4.6所示。</p><p>　　圖4.6 無條件跳轉(zhuǎn)控制流</p>

71、<p>　　4.4.7 有條件跳轉(zhuǎn)</p><p>　　有條件跳轉(zhuǎn)流程圖如圖4.7所示。與無條件跳轉(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)。</p><p>　　圖4.7 有條件跳轉(zhuǎn)控制流</p><p><b>　　4.4.8 非</b></p><p>　　求非指

72、令控制流程圖如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.8 求非指令控制流</p><p><b>　　4.4.9 與</b></p><p>　　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)算要長一些?？刂菩盘栆哺鼜?fù)雜一些。</p><p>　　求與指令的

73、控制流程圖如圖4.9所示。</p><p>　　圖4.9 求與指令控制流</p><p><b>　　4.4.10 異或</b></p><p>　　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，對于4個(gè)運(yùn)算控制信號有些區(qū)別。</p><p>　　亦或指令的控制流程圖如圖4.10所示。<

74、;/p><p>　　圖4.10 亦或指令控制流</p><p>　　圖4.11 乘2指令控制流</p><p>　　4.4.11 SHL</p><p>　　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。</p><p>　　乘2指令的控制流程圖如圖4.11所示。</p>&l

75、t;p>　　4.4.12 LOAD</p><p>　　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。</p><p>　　載入指令的控制流程圖如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 載入指令控制流</p><p>　　4.5

76、 芯片控點(diǎn)設(shè)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　圖4.13 數(shù)據(jù)通路圖</p><p>　　不需要控制的控點(diǎn)有：</p><p>　　向6116輸入的74LS244芯片：和并接到一

77、個(gè)開關(guān)上，只有在寫機(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。</p><p>　　向2816輸入的74LS244芯片：和并接到一個(gè)開關(guān)上，只有在寫微指令的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，其他時(shí)刻都為高電平，手動控制，不需要微指令控制。多余地址線接地。</p><p>　　74LS157d芯片：使能端S分別接開關(guān)，需要手動控制輸入改變地址時(shí)

78、為低電平，0通道選通；其他時(shí)候?yàn)楦唠娖剑?通道選通。</p><p>　　所有74LS373芯片的輸出控制端接地。</p><p>　　2816芯片：和并接接地，多余的地址線接在一起并接地。</p><p><b>　　需要控制的控點(diǎn)有：</b></p><p>　　回存244a芯片：和并接一起控制。</p>

79、<p>　　74LS157a，74LS157b，74LS157c芯片的使能端S。</p><p>　　所有74LS373的使能端S。</p><p>　　181芯片：運(yùn)算指令控制端,算術(shù)或邏輯運(yùn)算控制端M，有無進(jìn)位控制端。</p><p><b>　　6116芯片：端。</b></p><p>　　74LS

80、193的up和load。 </p><p>　　74LS395的，和。</p><p>　　這些控點(diǎn)都是需要微程序中的信號來控制的，具體控制見表4.2。還有些控制信號需要微程序中的控制信號與時(shí)序節(jié)拍組合邏輯后實(shí)現(xiàn)，具體組合邏輯見4.4 指令控制流程圖。</p><p>　　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

81、編號為11,12的控制信號，A3是4位操作指令中的最低位。</p><p>　　373a的使能端G = T3；</p><p>　　373b的使能端G = T4；</p><p><b>　　373c的使能端；</b></p><p><b>　　373d的使能端；</b></p>&

82、lt;p>　　373e和373f的使能端；</p><p><b>　　395的=，；</b></p><p><b>　　193的， </b></p><p><b>　　5 實(shí)驗(yàn)過程與調(diào)試</b></p><p>　　5.1 主要故障與調(diào)試</p>&l

83、t;p>　　5.1.1 395載入失敗</p><p>　　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是控制存儲器中，取址指令的入口地址。通過這一操作，將取址的控制信號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)，將會從控制存儲器中讀出特定指令的控制信號，鎖存到微指令寄

84、存器中，保證執(zhí)行周期的正確執(zhí)行。</p><p>　　按照步驟連接好電路后，開始測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)74LS395清零功能是好的，但是，載入功能出問題了。給395提供載入信號后，輸出仍然保持不變，還是0000。</p><p>　　接下來需要做的就是排錯。首先，將395的輸入信號和輸出信號分別接到信號燈上，及時(shí)顯示輸入和輸出的數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論輸入信號如何，加上載入信號后，4個(gè)輸出燈全是藍(lán)色的，

85、也就是0000。問題只有可能出在控制信號上，于是，我們也將控制信號接到信號燈上。讓我們不可思議的是，控制信號也沒有問題。</p><p>　　最后，由于時(shí)間的原因，我們必須要離開實(shí)驗(yàn)室，便將試驗(yàn)臺斷電了。第二天來后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)問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。</p><p>　　5.1.2 6116中存儲數(shù)據(jù)被改變</p><p>　　61

86、16數(shù)據(jù)的寫入是一個(gè)很大的問題。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，之前的已經(jīng)寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)常會被后來的數(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)是之后寫入的某些數(shù)據(jù)，也就是說，數(shù)據(jù)被改寫了。</p><p>　　分析6116的寫入方式，它是直接寫入的，不需要另外的載入信號，當(dāng)?shù)刂繁贿x定后，數(shù)據(jù)就已經(jīng)寫入了制定的內(nèi)存單元中。為了避免這一問題，我們在寫入數(shù)據(jù)的過程中，需

87、要改變地址時(shí)，要先選到較大的地址，保證這一地址還沒有寫入數(shù)據(jù)。比如寫完0011后，接下來寫入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。通過這種方式，解決了6116中數(shù)據(jù)被改變的問題。</p><p>　　5.1.3 2816中存儲數(shù)據(jù)被改變</p><p>　　將控制信號寫入2816后，馬上測試，讀出2816中存儲的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)都是準(zhǔn)確無誤的。但是，斷電后

88、，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)都沒有問題。我們只能重新寫入2816中的數(shù)據(jù)。這次因?yàn)橥祽?，沒有使用244作為緩沖器，而是直接將信號給到了2816的輸入輸出端。寫入成功后，將2816由寫模式轉(zhuǎn)換成讀模式。結(jié)果，輸出信號燈的顏色變得很詭異，馬上可以判定，這是數(shù)據(jù)沖突了。</p><p>　　檢查電路后，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)闆]有使用244的原因。因?yàn)闆]有244的高阻功能，使得

89、輸入信號和2816的輸出信號同時(shí)存在了。將輸入信號去掉后，信號燈變得正常。</p><p>　　但是，奇怪的事情發(fā)生了，當(dāng)寫入其中一片2816時(shí)，另一片2816的數(shù)據(jù)也被改變了，但是，我們對另一片2816什么也沒做。</p><p>　　這樣直接輸入嘗試了幾次之后，發(fā)現(xiàn)這樣的問題一直是存在的。檢查電路發(fā)現(xiàn)，兩片2816的控制信號是接在一起，也就是說，當(dāng)一片2816處于寫模式時(shí)，另一片281

90、6也處于寫模式（這是由于控制信號相同造成了）。由于另一片2816的輸入沒有給，所以，寫入的數(shù)據(jù)肯定是有問題的。于是，我們將兩片2816同時(shí)寫入，這樣，就不會出現(xiàn)一片2816寫入，另一片輸入懸空的情況了。</p><p>　　在寫入2816的過程中，還遇到了一個(gè)問題。因?yàn)橹?816的控制開關(guān)沒有放在一起，在寫模式與讀模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)，有些麻煩，所以，想改變開關(guān)的位置，把它們放在一起，方便操作。但是，當(dāng)把CE控制開關(guān)

91、撥出來后，就出大問題了。2816所有單元的數(shù)據(jù)全部被改變。原來，CE這個(gè)控制信號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，他們也遇到過這樣的問題。沒辦法，2816中的控制信號只能再次寫入。</p><p>　　5.1.4 193計(jì)數(shù)器跳轉(zhuǎn)出問題</p><p>　　在時(shí)序執(zhí)行時(shí)，遇到最嚴(yán)重的問題要算這個(gè)了。當(dāng)把所有的機(jī)器指令寫入6116后，開始自動執(zhí)行，順序執(zhí)行語句執(zhí)行得很好，

92、一點(diǎn)問題都沒有，而且很穩(wěn)定。但是，遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，問題就來了。如果需要跳轉(zhuǎn)的地址的最低位為0，則不會有任何的問題；但是，如果最低位為1，則跳轉(zhuǎn)的地址會自動加1。這個(gè)問題真的解決不了，跟老師討論過這個(gè)問題，也安裝排錯的步驟把193的輸入輸出都接了出來，發(fā)現(xiàn)載入時(shí)，輸入和預(yù)期的一樣，但是輸出就會加1。為了嘗試解決這個(gè)問題，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，對這個(gè)問題沒有什么實(shí)質(zhì)性的作用。換過193，但這個(gè)問題依然存在。大約

93、花了2天的時(shí)間，改過很多的控制節(jié)拍，除了拿掉很多冗余的導(dǎo)線外，基本沒有什么大的幫助。</p><p>　　最后沒有辦法，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。這樣人為的去編寫機(jī)器代碼，避開了這個(gè)無法消除的問題。</p><p>　　5.1.5 193自加時(shí)的毛刺</p><p>　　這個(gè)問題是大家在做實(shí)驗(yàn)時(shí)普遍遇到過的問題。因?yàn)?

94、93芯片本身的問題，通過一個(gè)負(fù)脈沖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加1功能。但是，芯片對負(fù)脈沖實(shí)在太過于敏感，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)就會不停的跳動。當(dāng)有人從旁邊走過的時(shí)候，193也會自加。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)，也會使193的值發(fā)生改變。</p><p>　　跟同學(xué)討論后，知道了大家基本上都有遇到這樣的問題，至于解決方案，有些同學(xué)是在脈沖信號給到193的

95、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，這樣就減少了信號之間的干擾，193的跳動也開始受控制了。</p><p><b>　　5.2 功能測試</b></p><p>　　檢查時(shí)，我們有兩組測試程序，一組是我們自測時(shí)用到的程序，將所以的指令全部執(zhí)行

96、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)。需要先寫出匯編語句，再將匯編改寫成機(jī)器指令。</p><p>　　自測程序如表5.1所示。</p><p>　　表5.1 自測程序</p><p>　　按照上述內(nèi)容寫好主存后，手動將PC清零，將395清零，按下START鍵使程序自動運(yùn)行，觀察各指示燈顯示，運(yùn)行結(jié)果正確。&l

97、t;/p><p>　　老師要求實(shí)現(xiàn)功能程序如表5.2所示。</p><p>　　表5.2 要求功能程序</p><p>　　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。</p><

98、;p>　　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。</p><p>　　表5.2 要求功能程序</p><p>　　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。說明該機(jī)器代碼可以實(shí)現(xiàn)比較大小的功能。<

99、;/p><p><b>　　5.3 實(shí)驗(yàn)流程</b></p><p>　　第一天：在實(shí)驗(yàn)室聽老師布置任務(wù)和集中講解。熟悉實(shí)驗(yàn)要求，查閱資料。</p><p>　　第二天：領(lǐng)取芯片和導(dǎo)線。</p><p>　　第三天：測試導(dǎo)線和芯片，熟悉芯片的功能。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。</p><p>　　第四天：初步完成總

100、體實(shí)驗(yàn)圖的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第五天：設(shè)計(jì)微指令。</p><p>　　第六天：設(shè)計(jì)微指令，測試微指令。</p><p>　　第七天：測試電路，測試各種硬布線信號。</p><p>　　第八天：測試硬布線信號，修改硬布線信號。</p><p>　　第九天：測試微指令，修改微指令。</p><

101、p>　　第十天：修改微指令。</p><p>　　第十一天：處理74LS193的自加問題以及跳轉(zhuǎn)問題。</p><p>　　第十二天：處理74LS193的跳轉(zhuǎn)問題，下午檢查。</p><p><b>　　6 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得</b></p><p><b>　　6.1 課設(shè)總結(jié)</b></

102、p><p>　　基于微程序控制器的簡單計(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)過程中，我們對如下內(nèi)容作了總結(jié)工作。</p><p>　　6.1.1 方案總結(jié)</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，我們采用微程序方式實(shí)現(xiàn)簡易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

103、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芯片作為主存儲器存儲指令和數(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

104、片實(shí)現(xiàn)操作指令的清零和置數(shù)。</p><p>　　6.1.2 功能總結(jié)</p><p>　　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)了微程序方式的簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用8位定長指令，8位變長數(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。</p><p>

105、;　　6.1.3 未實(shí)現(xiàn)功能總結(jié)</p><p>　　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，但實(shí)驗(yàn)臺上的或門只有一片，所以，很難實(shí)現(xiàn)這一功能，我們只能退而求次之，選擇了對邏輯門要求較少的溢出跳轉(zhuǎn)。</p><p>　　未能將溢出信號保留。我們將181的溢出信號鎖存在一片373中，當(dāng)數(shù)據(jù)溢出時(shí)，溢出信號將會保留兩個(gè)周

106、期。但是，在下個(gè)執(zhí)行周期發(fā)生時(shí)，執(zhí)行任何操作，溢出信號都會丟失。</p><p>　　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)。</p><p><b>　　6.2 課設(shè)心得</b></p><p>　　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

107、辛苦，但也獲益良多。</p><p>　　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)期做過實(shí)驗(yàn)應(yīng)該很好實(shí)現(xiàn)，我們便直接開始連接電路而沒有管總體架構(gòu)，以致出現(xiàn)了剛開始就很多問題。幸虧我們迷途知返，重新開始思考，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。</p><p>

108、　　而且多與老師和其他同學(xué)交流至關(guān)重要。有時(shí)候遇到問題不能死鉆牛角尖，而應(yīng)該將問題提出來，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，所以無論在大腦中模擬多少次程序運(yùn)行，仍然找不出問題出在哪里。這時(shí)候就必須主動問老師或者請教同學(xué)指點(diǎn)迷津，有時(shí)候甚至別人只說了一句話，我們就能茅塞頓開。</p><p>　　同時(shí)遇到問題必須冷

109、靜思考。在這兩周的時(shí)間里我們遇到的問題層出不窮，也有著多方面的原因，有的是我們對實(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)臺的問題，當(dāng)遇到這些那些大大小小的問題時(shí)，很容易產(chǎn)生負(fù)面情緒，焦躁不安，面對著那么多的導(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，耐心理順邏輯思路，往往會豁然開朗，茅塞頓開。</p><p>　　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

110、上學(xué)習(xí)不到的。理論知識固然重要，但動手實(shí)踐能力往往更為重要。大多數(shù)人都有豐富的理論知識，但是一到動手操作的時(shí)候就會手足無措，手忙腳亂的，所以這一次的課設(shè)很好的培養(yǎng)了我們的動手能力和將理論結(jié)合實(shí)踐的能力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《 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</p>&l

111、t;p>　　《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》（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</p><p>　　《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》（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</p><p><b>　　附錄 部分芯片介紹</b></p><p>　　1. 74LS193 二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器

112、</p><p>　　193芯片引腳圖及引腳說明</p><p><b>　　193芯片功能表</b></p><p><b>　　功能說明：</b></p><p>　　(1)直接清零：當(dāng)=1時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零。</p><p>　　(2)直接置數(shù)：當(dāng)LD=0時(shí)，計(jì)數(shù)器異步

113、置數(shù)。</p><p>　　(3)二進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)脈沖CPU/CPD上升沿有效。</p><p>　　2. 74LS181 四位運(yùn)算器</p><p><b>　　181芯片引腳圖</b></p><p><b>　　181芯片功能表</b></p><p>　　3. 74

114、LS244 三態(tài)8位緩沖器</p><p><b>　　244芯片引腳圖</b></p><p>　　74LS244芯片功能表</p><p>　　4. 74LS157 四位2選1數(shù)據(jù)選擇器</p><p>　　74LS157芯片引腳圖</p><p>　　74LS157芯片功能表</p&g

115、t;<p>　　5. 74LS373 八D鎖存器</p><p>　　74LS373芯片引腳圖</p><p>　　74LS373功能表</p><p>　　6. 6116 16K CMOS靜態(tài)RAM（2048*8）</p><p><b>　　6116芯片引腳圖</b></p><p&