《计算机组成原理》第9章 微程序控制计算机的设计

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1、第9章 计算机设计的微程序控制 1 计算机组成原理 第9章 计算机设计的微程序控制 本章主要设计为配合前一章的理论教学 是教学内容理论与应用相结合的一部分。通过 讲述微程序控制计算机的设计方法和过程，加深读 者对计算机存储器、微程序控制器、指令系统等内 容的理解 2 计算机组成原理 本章要点： 整个计算机框图设计 指令系统设计 设计微操作信号 指示微程序设计 编写应用程序 3 计算机组成原理 第9章 计算机设计的微程序控制 9.1 计算机微程计算机概述 9.2 指令系统设计 9.3 微程序设计 9.4 编写源程序 4 计算机组成原理 9.1 计算机微程计算机概述 控制计算机工作的微命。

2.使信号主要通过两种方式 一种是由设计的微程序产生的，另一种是 通过组合逻辑电路产生。计算机控制器构成电路主 如果围绕这两种方法进行设计，各有优缺点 ，第过设计实例，详细知识第六章已经讲述过了。 介绍微程序控制计算机的应用 。 5 计算机组成原理 9.1 计算机微程计算机概述 9.1.1 设计要求和目标 9.1.2 计算机硬件设计 6 计算机组成原理 设计一个完整的计算机系统不仅要考虑计算机 硬件设计还应考虑机器字长、指令系统规模、外部 部件设备规模等。详细分析主要包括以下几个方面： (1)机器字长为8位或16位。即运算器、 数据总线是采用8位还是16位。 (2)地址总线位置。

3、数。确定计算机寻址空间的确定 大小。 (3)计算机运算器采用什么结构(如多通用寄送) 存储结构、多累加器结构等）。 1. 设计要求 7 计算机组成原理 (4)计算机指令系统规模(共有多少个指令， 有多少种、指令功能等。 (5)计算机是否使用外设(键盘和打印机)， 如何使用外设(程序查询)I/O方式还是中断 I/O方式)。 8 计算机组成原理 计算机系统采用8位字长，计算机系统的硬件组 运算器、控制器、主存、I/O接口及总 线等要有一定的典型性，能驱动简单I/O设备。 此外，计算机系统应具有一定规模的指令系统，能够 足以完成基本的算术逻辑操作和数据输入输出控制 制。 2. 设计。

4、目标 9 计算机组成原理 计算机的工作过程本质上是不同的数据 在控制信号的作用下，在有限的数据通道中传输流量 。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同， 机器的结构不同，所以数据通道的设计是至 关重要的。所谓的数据通道设计，即确定机器 各逻辑部件相对位置的总框图。 9.1.2 计算机硬件设计 设计整机逻辑框图 10 计算机组成原理 数据通路的设计，目前还没有非常标准的方法 。主要基于设计师的经验，参考现有机器的数量 典型形式(如单总线、双总线或三总线结构) ，可根据指令系统的要求进行测试。 主要步骤如下： (1)分析指令系统中的各项指令，得出结论 所需的指令。

5.周期和操作序列，以确定每个设备 类型和数量。 11 计算机组成原理 (2)构成各逻辑部件的总框图草图 相互连接，即初步确定数据通路，使指令 可以实现系统包含的所有数据通道，并满足技术指标 的要求。 (3)检查所有指令周期的操作序列，确定所需的操作序列 控制点和控制信号。 (4)检查设计的数据通道，尽可能降低成本 ，简化线路。 注:以上过程可以反复进行，以获得比较 好的方案。 12 计算机组成原理 计算机模块的硬件资源根据设计要求进行 逻辑剪辑组合可以设计计算机的整机数据 如图9-1所示的路逻辑框图。为了便于调试，在路框中 每个设备的控制信号和必要的输出信号都标在图中。。

6、 图9-1设计了运算器ALU、移位发生器 ( 74299)，数据寄存器(DR1、DR二、寄存器 组(R0、R1、R2)、内存RAM、微程序控制器单 元CU、地址加法器、指令寄存器IR、程序计数器 PC以及单元模块，如输入/输出设备。 13 计算机组成原理 图9-1 整机计算机逻辑框图 14 计算机组成原理 (1)移位发生器单元 如图9-2所示，该电路使用74LS299作为 移位发生器，其中8位输入输出和8位数据总线连接 接。299-B信号控制其使能端(0有效)，T4为时序 节拍脉冲。由S0、S1、M控制信号设置其运行状态 ，其控制特性见表9-1。 详细设计了2个单元模块 15 计算机组。

7、成原理 表9-1 移位发生器控制状态表 299- BUS S1S2M功能 000任意保持 0100循环右移 0101 右进位循环 移 0011 左进位循环 移 任意11任意装数16 计算机组成原理 图9-2 移位发生器电路图 17 计算机组成原理 受设计复杂性的限制，总是在计算机整机框图中 序启停模块没有画出来，但是对于计算机系统来说， 控制计算机工作的时序信号非常重要。如图9-3 时序启停电路原理由1/2片组成 74LS74、1片74LS175和6个二输入门，2个二输入门 由三个反向器组成器组成。如图9-3 时序启停电路原理由1/2片组成 74LS74、1片74LS175和6个二输入门，2个二输入门 由入门和三个反向器组成。可产生4个等间隔 序信号T1T四、由脉冲源提供的时钟信号。 为了便。

在控制程序运行时，还设置了时序电路发生器 启停控制触发器CR，使T1T4信号输出可控 。 (2)时序启停电路单元 18 计算机组成原理 图中给出了操作模式、停机和启动控制 分别管理时序信号T1T四将周而复始 发送或单步发送。时序信号T1T连续发送，机器 微程序可以连续执行；机器只发送单周期4拍时 序列信号将单步运行。机器每次只执行一个微信 这样，可以观察微控制状态和当前微指令 执行结果。 19 计算机组成原理 图9-3 时序启停电路图 20 计算机组成原理 用示波器观察时序波形，可以看到时序信号T1T4波形，如图9-4所示。 图9-4 时序信号T1T4的波。

9、形图 21 计算机组成原理 计算机算术运算、逻辑运算或移位运算 运算结果的状态主要依靠标志寄存器来显示， 因此，在设计计算机系统时，设计合理的标志锁定电源 路很必要。如电路图9-5所示，其中8位为181 或者进入744LS74锁定器D端，端状 态由AR和T4信号控制，当AR=1时，在时序T1T4 在单步执行状态下，在T4节拍将当前零(ZQ)状 将状态锁存到零标志锁存器中。 (3)标志位锁定单元 22 计算机组成原理 图9-5 标志位锁存电路图 23 计算机组成原理 如电路图9-6所示，使用2片74LS163组成8位 程序计数器PC，8位输入/输出公用端和总线 (BUS) 。

十、接口连接。通过LDPC、LOAD信号和脉冲 T3控制程序计数器PC装载数据和加1操作。当 LOAD=1、LDPC=1时，在时序T3上升沿数据打开 关的内容装入PC。当LOAD=0、LDPC=1时，在单 周期四节拍时序T2时刻打开PC-B三态门，在T3 时刻PC地址寄存器同时通过总线输入值PC值加1 。 (4)程序计数器单元 24 计算机组成原理 图9-6 程序计数器电路图 25 计算机组成原理 (5)指示寄存器单元 如图9-7所示，1片74LS273作为指令寄存 设备单元，其8位输入端和BUS总线已连接，了 出端和微程序存储器地址(SE5SE0)接口连接。 指令数据寄存器IR(74。

11、LS273)的LDIR为电平正跳 变时，将来自数据总线的数据输入寄存器IR，IR的 输出作为系统中的8个指令I7I0。在本系统内 通过这8个指令(最多可以翻译256个不同的指令)， 这些指令在微程序存储器中的入口处可以对应编码 并输出相应的微控制指令。 26 计算机组成原理 图9-7 指示寄存器电路图 27 计算机组成原理 (6)输入/输出单元 电路图9- 8、9-9所示。输入设备中有8个带显示数据开关 三态门(74)LS245)连接8位数据总线。输出设 备用一锁存器(74)LS273)实现锁定器的8位输送 与8位数据总线相连总线，锁定输出端。

12、8个发光 二极管的显示接口相连，显示接口采用二进制 显示输出结果(灯亮表示输出位为1，灯灭表示 输出位为0)。 28 计算机组成原理 说明在本设计中，8位数据开关是一种简单的输入设备，只能一次输入到计算机中 8位 二进制；8个发光二极管是一种简单的输出设备，一次可以显示字节。 图9-8 输入设备电路图 29 计算机组成原理 图9-9 输出设备电路图 30 计算机组成原理 说明： 运算器、存储器和微程序控制器的工作原理分别在第2章和第4章 和第6 章节已经说过，他们的设计和应用内容将在第10章的培训部分详细介绍，这里不再重复 点讲述。 思考： 结合数字电路知识，请参考数据分析74LS245、7。

13、4LS 74、74LS175、74LS299、74LS273芯片的功能和特性。 31 计算机组成原理 9.2 指令系统设计 计算机系统的设计需要确定计算机指令系统 具体由哪些指令组成，包括哪些类型的指令 操作数有哪些寻址方式，以及指令编码等？ 顾必要性(方便编程)和可行性(硬件条件) 条件。 32 计算机组成原理 9.2 指令系统设计 9.2.1 指令类型 9.2.2 设计指令执行流程 33 计算机组成原理 1. 算术逻辑指令 该系统设计了9个算术逻辑指令：寄存器 清零指令(CLR)、数据传送指令(MOV)、带进 位加法指令(ADC)、借位减法指令(SUC)、自 增运算。

14、指令INC)、与运算指令(AND)、取反运 算指令(COM)、带入位循环右移指令(RRC)和 带入位循环左移指令RLC)。所有这些指令都是单词 节表示，通过寄存器直接寻址，其格式如 下： 计算机设计四类微程序控制指令共16条， 包括算术逻辑指令，I/O指令、访问和转移指令 和停机指令。 34 计算机组成原理 D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0 OP-CODErsrd 其中，OPCODE操作码占用4位二进制(D7D4)，rs为源寄存 器具占2位二进制(D3、D2)，rd为目的寄存器具占2位二进制(D1、D0 )，并规定： rs或rd 所选寄存器 00R0 01R1 10。

15、R2 9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表9-1所示。 35 计算机组成原理 2. 访存指令和转移指令 该系统共设计了两个访存指令存数(STA)和取 数(LAD)，2.转移指令无条件转移 ( JMP ) 结果为零或进位转移指令(JZC)，这4条指令 长度为2个字节，指令格式如下： D7 D6D5 D4D3 D2D1 D0 0 0M OP-CODErd D 36 计算机组成原理 其中，OPCODE为操作码，rd为目的寄 存器地址(LDA、STA使用指令)。D为偏移量( 正负均可)，M定义如下： 搜址模式M有效地址E说明 00 01 10 11 E=D E=(D) E=(RI)。

16、 D E=(PC) D 直接寻 间接寻址 RI变址寻址 相对寻址 本计算机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。 37 计算机组成原理 3. I/O指令 I/O指令共两个，分别是输入(IN)和输出 (OUT)。指令采用单字节指令，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0 OP-CODEaddrrd 其中，addr01时，选中“输入设备”中的开关 组作为输入设备，addr10时，选中“输出设备”中 的数码显示单元作为输出设备。 38 计算机组成原理 4. 停机指令 设计一个停机指令HLT，该指令用于实现停机 操作。指令格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0 O。

17、P-CODE0000 根据上面介绍，表9-1列出了本计算机系统16 条基本指令的格式、汇编符号和指令功能，其中 算术逻辑指令9条，访存指令和程序控制指令4条 ，输入输出指令2条，停机指令1条。 39 计算机组成原理 表9-1 指令详细信息表 汇编 指令指令格式指令功能 CLR rd0111 00 rd0 rd MOV rs, rd1000 rs rdrs rd ADC rs, rd1001 rs rdrs+rd+cy rd(cy是进位值) SUC rs rd1010 rs rdrs-rd-cy rd INC rd1011 rs rdrs+1 rd AND rs, rd1100 rs rdrs机器指令格式说明(“P“代表机器指令)： P01 20 ; PXX XX P02 09 ; 地址 机器代码 P03 A0 P04 0B P05 E0 P06 0B P07 B0 P08 00 P09 55 P0A AA 62 计算机组成原理 本章小节 本章小节 本章从微程序计算机的设计过程作为学习点， 重点讲述了计算机的硬件设计，指令系统设计，微 程序设计，指令编码和源程序设计等内容。 旨在从应用角度使读者加深对计算机组成原理 的理解，提升学习兴趣。 63 计算机组成原理 。