中原工学院信息商务学院学生课程设计环节报告专用纸 第 1 页 实验四 .docVIP

实验四 微程序设计实验 一、实验目的： 1.熟悉COP2000计算机组成原理实验仪的集成开发环境 2.掌握微程序设计的方法、步骤 二、实验内容： 建立一个有如下指令的系统： 指令助记符 指令意义描述 SUB R，#II 累加器A减立即数 JMP MM 无条件跳转指令 三、实验步骤： 1.微程序设计的一般方法和步骤如下所示： 设计微指令结构应当追求的目标是： a.有利于缩短微指令字长度； b.有利于减小控制存储器的容量； c.有利于提高微程序的执行速度； d.有利于对微指令的修改； e.有利于微程序设计的灵活性． 2.微命令编码有三种方法,如下所示： (1)直接表示法 操作控制字段中每一位代表一个微命令．这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制．缺点是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。 (2)编码表示法 编码表示法是把一组相斥性的微命令信号组成一个小组（即一个字段），然后通过小组（字段）译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号 (3)混合表示法 这种方法是把直接表示法与字段编码法相混合使用，以便能综合考虑微指令字长、灵活性和执行微程序速度等方面的要求． 3.使用COP2000实验仪进行微程序设计 模型机总体结构 COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。 模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。 4.建立一个有如下指令的系统的微程序设计步骤： 指令助记符 指令意义描述 SUB R，#II 累加器A减立即数 JMP MM 无条件跳转指令 1).打开COP2000组成原理实验软件，选择[文件|新建指令系统/微程序]，清除原来的指令/微程序系统，观察软件下方的“指令系统”窗口，所有指令码都“未使用 2).选择第二行，即“机器码1”为0000 01XX行，在下方的“助记符”栏填入数据装载功能的指令助记符“LD”，在“操作数1”栏选择“A”，表示第一个操作数为累加器A。在“操作数2”栏选择“#II”，表示第二个操作数为立即数。按“修改”按钮确认。 3).选择第三行，即“机器码1”为0000 10XX行，在下方的“助记符”栏填入加法功能的指令助记符“ADD”，在“操作码1”栏选择“A”，表示第一操作数为累加器A，在“操作数2”栏选择“#II”，表示第二操作数为立即数。按“修改”按钮确认。 4).选择第四行，即“机器码1”为0000 11XX行，在下方的“助记符”栏填入无条件跳转功能的指令助记符“GOTO”，在“操作码1”栏选择“MM”，表示跳转地址为MM，此指令无第二操作数，无需选择“操作数2”。按“修改”按钮确认。因为硬件设计时，跳转指令的跳转控制需要指令码的第3位和第2位IR3、IR2来决定，无条件跳转的控制要求IR3必需为1，所以无条件跳转的机器码选择在此行，机器码为000011XX。关于跳转控制的硬件设计和实验可参考前面章节。如下图所示： 5).选择第五行，即“机器码1”为0001 00XX行，在下方的“助记符”栏填入输出数据功能的指令助记符“OUTA”，由于此指令隐含指定了将累加器A输出到输出商品寄存器，所以不用选择“操作码1”和“操作数2”，按“修改”按钮确认。 现在我们只是输入了四条指令，如下图所示： 5.根据指令的功能来设计相应的微程序 1).将窗口切换到“uM微程序”窗口，现在此窗口中所有微指令值都是0FFFFFFH，也就是无任何操作，我们需要在此窗口输入每条指令的微程序来实现该指令的功能。 如下图所示： 2).每个程序开始要执行的第一条微指令应是取指操作，因为程序复位后，PC和uPC的值都为0，所以微程序的0地址处就是程序执行的第一条取指的微指令。取指操作要做的工作是从程序存储器EM