组成原理：采用微程序控制器的模型机CPU设计

课程设计报告

课程名称：计算机组成原理

设计题目：采用微程序控制器的模型机CPU设计院系：

班级：

设计者：

学号：

指导教师：

目录

课程设计（大作业）报告 (1)

昆明学院课程设计（大作业）任务书 (2)

一、课题分析 (5)

二、总体设计 (5)

（1）实验模型机结构 (5)

实验模型机结构 (6)

[1] 运算器单元（ALU UINT） (6)

[2] 寄存器堆单元（REG UNIT） (6)

[3] 指令寄存器单元（INS UNIT） (6)

[4] 时序电路单元（STA TE UNIT） (6)

[5] 微控器电路单元（MICRO－CONTROLLER UNIT） (6)

[6] 逻辑译码单元（LOG UNIT） (6)

[7] 主存储器单元（MAIN MEM） (6)

[8] 输入输出单元（INPUT/OUTPUT DEVICE） (6)

（2）机器指令的结构和功能 (7)

[1] 算术逻辑指令 (7)

[2] 访存指令及转移指令 (8)

[3] I/O指令 (8)

[4] 停机指令 (8)

(3)指令系统 (8)

[1] 本模型机共有16条基本指令。 (8)

[2]微指令格式 (9)

三、分步设计 (11)

我们小组共有三位成员，分工分别为：按图连接实验线路，写程序，运行程序。下面为运行程序的具体步骤。 (11)

运行程序 (11)

四、设计成果（重点） (11)

五、存在问题及改进建议 (12)

六、实验器材 (12)

七、参考文献及相关网址 (12)

课程设计（大作业）报告

（注：针对设计题目1）

一、课题分析

微程序控制器由控制存储器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几部分组成。微地址寄存器和微命令寄存器两者的总长度即为一条微指令的长度，二者合在一起称为微指令寄存器。经过我们小组成员讨论，设计顺序大致如下：首先画出了程序的流程，然后写出了汇编程序，并且写出了机器指令，其次我们完成了总体的流程图，然后根据流程图写出了微指令以及微指令代码，将机器指令代码与微指令代码写成了一个txt文档用机器录入，运行程序，对照程序上面显示的图与我们画的流程图进行对照，检查来判断这次试验的成功与否。

二、总体设计

（1）实验模型机结构

[1] 运算器单元（ALU UINT）

运算器单元由以下部分构成：两片74LS181构成了并－串型8位ALU；两个8位寄存器DR1和DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。ALU的S0～S3为运算控制端，Cn为最低进位输入，M为状态控制端。ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由ALU-B控制该三态门。

[2] 寄存器堆单元（REG UNIT）

该部分由3片8位寄存器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算结构等。三个寄存器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和RS-B根据机器指令进行选通。

[3] 指令寄存器单元（INS UNIT）

指令寄存器单元中指令寄存器（IR）构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。

[4] 时序电路单元（STATE UNIT）

用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。

[5] 微控器电路单元（MICRO－CONTROLLER UNIT）

微控器主要用来完成接受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。由输入的W/R信号控制微代码的输出锁存。由程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）实现程序的取指功能。

[6] 逻辑译码单元（LOG UNIT）

用来根据机器指令及相应微代码进行译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，及工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。

[7] 主存储器单元（MAIN MEM）

用于存储实验中的机器指令。

[8] 输入输出单元（INPUT/OUTPUT DEVICE）

输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。

*该CPU数据结构通路框图如下：

（2）机器指令的结构和功能

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次课设是在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指

令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I／O指令、访问存储器及转移指令和停机指令。

[1] 算术逻辑指令

设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：

其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：

[2] 访存指令及转移指令

模型机设计2条访问指令，即存数(STA)、取数(LDA)、2条转移指令，即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)。其格式如下：

其中，OP-CODE为操作码， Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：

本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。

[3] I/O指令

输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：