简单模型机设计(微程序实现).ppt

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1、第3讲—简单模型机的设计（微程序实现）计算机学院张瑞华模型机设计步骤拟定指令系统确定总体结构逻辑设计确定控制方式编制指令流程编制微程序调试1、拟定指令系统拟定指令系统将涉及到基本字长、指令格式、指令种类、寻址方式等内容。这些内容的确定又和总体结构密切相关。基本字长存储器容量为256×8，基本字长定为8位指令格式指令格式可有单字长指令和双字长指令两种在双字长格式中，第二字节一般定义为操作数或操作数地址。操作码OP寻址方式寄存器号寻址方式寄存器号基本字长8位743210指令格式源操作数目的操作数指令类型模型机有单操数指令、双操作数指令和无操作数指令。操作

2、码OP共4位，最多可定义16条指令。寻址方式当寻址方式位为0，是寄存器寻址，操作数在指定的寄存器中，相应的寄存器号位为0是R0，为1是寄存器R1；当寻址方式位为1时，寻址方式位和寄存器号位组合，10：是立即数寻址，操作数在指令的下一个单元；11：是直接寻址，操作数地址在指令的下一个单元。ABR0R1PCIRMAR7-0RAMRDWRCRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTREST2、确定总体结构MARAD-BUSA-BUS三态门图1寄存器组的设置R0、R1为通用寄存器，8位。IR为指令寄存器，8位。PC程序计数器，8位。MAR为地

3、址寄存器，8位。加法器ALU的设置采用74181、74182实现选择器的设置连入A选择器的数据来源是RAM的读出数据和R0寄存器的数据。连入B选择器的数据来源是PC的数据和R1的数据。数据通路模型机的数据通路是以总线为基础,以CPU为核心构成的。取指令:MAA直传CPIRRAM→选择器A→∑→Bus→IR送指令地址PBB直传CPMARPC→选择器B→∑→Bus→MAR指令计数器＋1PBA加B加1（A为0）cppcPC→选择器B→∑→Bus→PCR0→R1RAA直传CPR1R0→选择器A→∑→Bus→R1R1→RAMRBB直传CWRR1→选择器B→∑→

4、Bus→RAM3、逻辑设计总体结构中，虚线框内的RAM是FPGA之外预先配置好的。（1）ALU的逻辑设计由74181和74182组成。图2选择器设计（2）寄存器的设计不带复位的寄存器结构中R0、R1通用寄存器，可存放操作数或结果、中间结果，每个寄存器均由8个D触发器构成。在CPRi的作用下接收总线的数据送入寄存器，输出连入选择器。指令寄存器IR1、IR2其结构同通用寄存器。带复位的寄存器结构中MAR地址寄存器是一个带复位的寄存器，带复位是指当有复位信号时，MAR清零。逻辑图如图3所示。图3带复位的八位寄存器逻辑图程序计数器PC的设计程序计数器结构如上

5、图3所示，是有复位信号的8位寄存器。PC加1是通过加法器实现的。复位信号RET的作用是有复位信号时，计数器PC清零。（3）三态门的设计利用2片74125实现：C=H时，三态;C=L时，Y=A（4）部件之间的连接由系统结构图（图1）可看出，部件之间的连接是采用以CPU为中心的总线连接方式。加法器的输出通过总线BUS连接到所有寄存器和存储器的输入端，除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的输出端外，其它部件的输出端分别送入选择器A和选择器B。连线图如图4所示。图44、确定控制方式控制命令是确定信息的流向，不同的数据通路需要不同的控制命令。架构图图1中，涉及到

6、了许多控制命令例如CPR0、CPMAR、MA、RB等等，这些命令如何产生？通常有两种方式，即硬布线逻辑电路方式和微程序方式。本章模型机采用微程序方式。微程序的执行方式采用增量、垂直方式。确定总体结构ABR0R1PCIRMAR7-0RAMRDWRCRBCPR0CPR1CPPCCPIRCPMARPBRESTRESTMARAD-BUSA-BUS三态门微程序控制器的结构如图5所示，主要由控制存储器ROM3#、ROM2#、ROM1#、微指令寄存器IR23-16、IR15-8、IR7-0构成。图5微程序控制器时序PPP脉冲的低电平用做控制存储器读命令μRDP脉冲

7、的上升边沿将读出的微指令送μIR脉冲的上升边沿将形成的后继地址送微程序计数器μPC，同时将运算结果（总线的数据）送指定的寄存器。3、微指令格式微指令字长24位即μIR23～μIR0。（1）微指令字段定义ALU控制：μIR21·μIR20μIR19·μIR18μIR17·μIR16MS3S2S1S0C0三态门控制：μIR60高阻态使C＝11三态门使能使C＝0停机控制：μIR30G=0，运行1G=1，停机A选择器控制：μIR15·μIR1400备用01RA10MA11备用B选择器控制：μIR13·μIR1200备用01PB10RB11备用2-4译码器，互

8、斥2-4译码器，互斥输出分配：μIR11·μIR10·μIR9000备用001CPR0010CPR1011C