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计算机硬件课程设计 设计报告 学号 姓名：王宇 学号 姓名：杜冰 2015年10月29日一、课题名称： 微程序控制模型计算机的设计 二、实验目的： 1．运用“计算机组成原理”和“数字电路”等课程的知识，通过对模型机的设计和调试，加深对计算机各部件工作原理的认识。 2．进一步掌握运用EDA 技术进行设计和调试的工作方法。 三、实验任务： 1． 设计一台由微程序控制的模型计算机。 2． 将模型机调试成功，对设计进行优化。 四、设计方案： 1.数据格式和指令系统 采用 8 位数据通路，数据采用8 位二进制定点表示。 7 6 5 4 3 2 1 0 . 设置7 条机器指令和2条面板操作指令 （1） 面板操作指令 a.输入地址为 PC 置初始值，即输入程序的起始地址，当K1 开关置“1”，K2 开关置“0”时执行此操作； b.输入程序将程序输入到内存的指定区域，当K1，K2 开关均置“1”时，由面板输入开关输入程序； c.本模型机设置 K3 开关，K3 置1 表示执行单步操作； d. START 表示启动开关。单步操作时，用于执行每一条指令； e.CLRN表示总清开关，置0时系统全部清零。 （2） 指令系统 a. 指令格式 操作码 寻址方式 7 6 5 4 3 2 1 0 有二种寻址方式 （1）寄存器寻址 操作码 R目 R源 7 6 5 4 3 2 1 0 （2）直接地址寻址 由于地址要占用一个字节，所以此类指令为双字节指令。 操作码 R目 R源 内存地址 7 6 5 4 3 2 1 0 b．7条基本机器指令 （1）IN R； 从开关输入数据送入到指定的寄存器R。 格式： 0 0 0 1 R目 R源 （2）OUT R；从指定的寄存器R 中取出数据送入到输出缓冲器，显示灯亮。 格式： 0 0 1 0 0 0 R源 （3）LD R , address ；从内存指定单元取出数据，送入指定的寄存器R。 格式： 0 0 1 1 R目 R源 Address （4）ST address, R; 从指定的寄存器R 中取出数据，存入内存指定单元。 格式： 0 1 0 0 R目 R源 Address （5）ADD R1， R2；将两个寄存器中的数据相加，结果送到R1。 格式： 0 1 0 1 R目 R源 （6）JMP address; 无条件转移，即address -PC。 格式： 0 1 1 0 R目 R源 Address （7）HALT ； 停机指令。 0 1 1 1 0 0 0 0 2.硬件结构设计 为了简单方便，我们采用单总线结构，总体结构和 CPU 内部结构设计如图所示。 3.数据通路设计 4.控制器设计 控制器组成 微指令格式和微命令 首先对数据通路进行分析，需要16个控制信号。此外还要2个信号：UPC （表示一段微程序结束），HALT（停机），共需要18个控制信号。采用水平型格式表示。 控制数据通路的 16个信号说明如下： G1，G2，G3，G4 分别控制4个多路开关 A，B，C，D，E 分别控制对应的寄存器输入 F 控制计数器PC 的输入和计数 I 控制指令寄存器的输入 DEST 目的寄存器的读出控制信号 SRC 源寄存器的读出控制信号 WE 对RAM 的写入信号 GWN 通用寄存器组的写入信号 LDN PC 置初值的控制信号 时序信号和控存的安排 根据分析，每执行一条微指令的操作须用2 个工作脉冲，读取一条微指令需要1 个工作脉冲执行，M1 脉冲将微指令送入微指令寄存器（3 片74273）；M3、M4 用来执行该微指令的操作。这样读取并执行一条微指令总共需要4 个工作脉冲M1、M2、M3、M4，所需的脉冲时序如图所示。 电路实现： 根据分析，执行一条微指令的操作须用2 个工作脉冲。18 位微命令需要占用3 个字节，本实验用如下方式来获得3 个字节的微指令，由数字电路的知识可知，当ROM 的字数够用而每个字的位数不够用时，我们可以采用位扩展的连接方式，将多片ROM 组合成位数足够多的存储器。所以将3 片8 位的ROM 按图所示方式连接起来实现24 位的ROM，可以同时输出24 位的微指令。 微地址入口电路的设计 为简单起见，微地址