两周速通计组课设（报告版）
一、实验目的
完成一个较简单的模型机（计算机主机系统）的设计，加深对微程序控制的计算机主机的基本构成，部件设计，部件间的连接，用户程序及微程序的编制与调试等全过程的体验和认识。所设计的模型机应具备如下能力：
在自行设计的模型机指令集基础上，运行简单用户程序，通过微程序实现对相应硬件的控制，实现模型机的特定功能。
二、课程设计步骤
拟定指令系统
指令格式
内存容量为256×8，基本字长8 位
单字长指令：指令由高 4 位操作码、低 4 位全 0 构成。
双字长指令：指令由第一字节高 4 位操作码、低 4 位为寄存器组操作码；第二字节由操作数、操作数地址、偏移量等构成。
两种指令格式的高四位为操作码，支持 16 种不同的指令。
指令类型
从操作数个数角度：单操作数指令、双操作数指令和无操作数指令。
从数据传送的角度：
RS型： 寄存器 <=> 存储单元 ;
RR型：寄存器 <=> 寄存器
寻址方式
立即数寻址：操作数在指令的第二个字节。如机器指令中的溢出标志存储指令，其溢出标记等就存储在后面相邻的字节中。再如 JX 指令，偏移量就存在下一个字节中。
直接寻址：操作数的地址在指令的第二个字节。如 LOAD 指令，其下一个字节为对应的操作数地址。
指令集
| 指令 | 指令功能 |
|---|---|
| LOAD R0 A1 | 读内存将 A1 地址的数存入寄存器 R0 |
| ADD R | 将ACC、R 中的数相加，结果存入 R0(ACC) |
| SUB R | 将ACC、R中的数相减，结果存入R0(ACC) |
| MOVOUT R | 将ACC中的数移入寄存器R |
| MOVIN R | 将寄存器R中的数移入ACC |
| STORE A2 | 将ACC 所保存的计算结果存到内存地址 A2 |
| JMP A3 | 根据ACC中的数是否满足X字段的条件决定是否跳转到第二字节中的地址A3 |
| HALT | 停机 |
总体结构与数据通路
总体结构
总体结构的设计参考课件中的设计方案，下面简要介绍各个部分
ALU
采用8位并行超前进位运算器
寄存器
- 通用寄存器组：核心是四片八位寄存器，输入输出端采用二四译码器进行片选，同时输出端使用一片四选一选择器进行数据输出控制。R0寄存器作为选择器A的数据来源，四片寄存器的数据可以作为选择器 B 任意一个的数据来源。
- IR作为指令寄存器，拥有8位字长
- MAR为地址寄存器，8位
- MDR为数据寄存器，8位
选择器
A选择器：数据来源是PC和ACC
B选择器：数据来源是MDR和通用寄存器组中某一被指定的寄存器的输出数据
微地址形成部件中的选择器：
输出端链接μPC，数据来源为IR的高四位操作码，此时低四位置零，用于QJP指令按操作码转移；也可根据IR的X字段，其余位置零，用于XJP指令，跳转到对应寻址周期；亦可根据跳转指令JMP，通过判断条件是否成立，选择顺序执行或跳转到目标地址；以及JP无条件转移到取值周期
数据通路
模型机的数据通路是以总线为基础，以ALU为核心构成，下面就机器指令分析其数据通路
取指
（PC) -> BUS -> MAR
(PC) +1 -> PC
(RAM) -> MDR -> BUS -> IR
LOAD
(PC) -> BUS -> MAR
(PC) +1 -> PC
(RAM) -> MDR -> BUS -> MAR
(RAM) -> MDR -> BUS -> R0
ADD R
(R0) + (R) -> BUS -> R0
SUB
(R0) - (R) -> BUS -> R0
STORE
(PC) -> BUS -> MAR
(PC) +1 -> PC
(RAM) -> MDR -> BUS -> MAR
(R0) -> BUS -> MDR -> RAM
确定控制方式
采用微程序方式，微程序的执行方式采用增量方式
微程序控制器时序
P脉冲的低电平 用作控制存储器读命令$$μ\overline{RD}$$，P脉冲的上升沿将读出的微指令送给μIR；
$$\overline{P}$$脉冲上升沿将形成的后继地址送给微程序计数器μPC，同时将运算结果送入指定的寄存器
微指令格式
微指令字长24位，即$$μIR_{23} — μIR_0$$ ，下面是微指令字段定义
A选择器控制
| $$μIR_{23}$$ | $$μIR_{22}$$ | |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 备用 |
| 0 | 1 | ACC_A |
| 1 | 0 | PC_A |
| 1 | 1 | 备用 |
B选择器控制
| $$μIR_{21}$$ | $$μIR_{20}$$ | |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 备用 |
| 0 | 1 | MDR_B |
| 1 | 0 | R_B |
| 1 | 1 | 备用 |
ALU工作方式选择
| $$μIR_{19}$$ $$S_3$$ | $$μIR_{18}$$ $$S_2$$ | $$μIR_{17}$$ $$S_1$$ | $$μIR_{16}$$ $$S_0$$ | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1 | 加法 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 减法 |
初始进位控制
| $$μIR_{15}$$ | |
|---|---|
| 0 | C0 = 0 |
| 1 | C1 = 1 |
寄存器打入脉冲分配
| $$μIR_{14}$$ | $$μIR_{13}$$ | $$μIR_{12}$$ | |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | CPACC |
| 1 | 0 | 1 | CPR |
| 1 | 0 | 0 | CPPC |
| 0 | 1 | 1 | CPIR |
| 0 | 1 | 0 | CPMAR |
| 0 | 0 | 1 | CPMDR |
内存访问控制
| $$μIR_{11}$$ | $$μIR_{10}$$ | |
|---|---|---|
| 1 | 0 | $$\overline{RD}$$ |
| 0 | 1 | $$\overline{WR}$$ |
MDR三态输入控制
| $$μIR_9$$ | |
|---|---|
| 0 | 总线数据直接输入 |
| 1 | RAM端数据输入 |
停机控制HLT
| $$μIR_8$$ | |
|---|---|
| 0 | 不停机 |
| 1 | 停机 |
后继微地址形成方式
| $$μIR_2$$ | $$μIR_1$$ | $$μIR_0$$ | |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | μPC + 1 顺序执行 |
| 0 | 1 | 0 | JP 无条件转移至取指周期 |
| 0 | 1 | 1 | QJP 按操作码转移 |
| 1 | 0 | 0 | XJP 按X字段转移至对应寻址周期 |
| 1 | 0 | 1 | JJP 跳转至第二字节地址 |
指令执行流程
- 微程序从00H处取指开始执行，将指令送入IR，并使PC +1
- 取指周期结束后，根据指令0000X00中的X字段，进入对应的间址周期
- IR的高四位作为OP，同时作为指令在微程序中对应的首地址。取指和间址周期结束后，跳转至X0H，此处X为OP；
- 指令对应的微程序执行，在执行结束后，使PC指向下一条指令对应的ROM地址，并使μPC跳转至00H，进入取指周期
- 增城顺序执行微指令时，后继微地址形成位为“μPC+1“
拓展部分的实现说明
本次实验共计完成了两级拓展，说明如下：
一级拓展要求实现多种寻址方式以及跳转指令，主要功能由硬件实现，在指令中取中间两位作为X字段，以表示四种寻址方式以及四种转移条件，同时新增两种后继微地址形成方式，分别为XJP和JJP。
XJP指令执行时，若指令X字段为00，则将00H打入μPC，进行取指操作；否则，将除X字段其他位置零后打入μPC，转移至对应寻址周期。
JJP指令执行时，若指令X字段为11，则默认无条件转移，否则，先根据ACC中储存数据是否符合对应条件，来决定是否需要转移，若条件不成立，则让μPC+1，否则进行取指操作。
三、系统的调试、测试方法
单元测试部分
寄存器组测试
D0-D7、P、CPR、CPACC、CLR、AC1、IR1、IR2接开关作为输入，A0-A7、B0-B7 接指示灯。通过控制开关查看将不同数字存进不同寄存器组的情况，并在存放后检查不同寄存器组的输出情况，着重关注 IR1、IR2 对于输入输出的控制方式是否与预期相符。
软件自带 2-4 译码器测试
PPT 上推荐可以使用软件自带的 74139 组件作为 2-4 译码器使用，由于不能确定 A1、A2、B1、B2 的关系以及输出情况，特对 74139 进行测试。将 A1、A2、B1、B2 接开关作为输入，所有 YN 端接指示灯作为输出。通过调整 A、B 的输入，观察指示灯的输出，最后确认 A1、B1 控制是一对译码输入，A2、B2 是一对译码输入，译码的输出是 3 个 1 和 1 个 0。
累加器测试
D0-D7、LD 接开关作为输入，CK 接单脉冲，Q0-Q7 接指示灯。通过控制开关和单脉冲，观察指示灯闪烁情况，分别验证累加器的自增加一、置数功能。
ALU 测试
A、B 输入、CN、M、S0-S3 接开关，F 输出和 CN4 接指示灯。通过控制开关，观察指示灯闪烁情况，分别验证 ALU 加法、减法、直传功能，并观察 CN4的进位情况。
整机测试部分
- 指令经过检查无误后，通过软件以十六进制的形式写入 RAM 的相应单元。
- 微程序经过检查无误后，通过软件以十六进制的形式写入 ROM 的相应单元。
- 拨清零开关使所有寄存器、累加器清零，按复位键。
- 不断点击单脉冲，每次点击后观察 ROM 的当前微指令值，并根据提前连接的指示灯观察 MDR、AB选择器、MAR、IR、μPC的输出情况。
- 运行到停机指令后通过软件读取 RAM 的值，验证结果。
- 单脉冲确保运行结果无误后，将单脉冲替换为连续脉冲，并将所有指示灯断开连接，以免影响连续脉冲。
- 按一次脉冲键发单脉冲使启动器发送连续脉冲，开始运行程序。
- 等到程序运行结束后通过软件读取 RAM 的值，验证结果。
遇到的问题和解决方案
连续脉冲运行紊乱问题
使用连续脉冲运行，会发生加法结果错误，寄存器无法存数、读写内存等问题，而单脉冲则不会出现上述问题
在实验老师的提醒下，去除调试用LED灯后仍未起效，在启停电路出口添加T触发器后成功解决。
小组成员分工
成员1
绘制通用寄存器组、MDR、选择器等基础组件，绘制外部数据总通路，绘制部分微地址形成部件、通过实验台调试模型机，修复错误
成员2
微指令及调试程序设计和编码，绘制部分微地址形成部件，通过实验台调试模型机，修复错误
课程设计总结
- 通过动手设计简单模型机，加深对微程序控制的计算机构成、设计、部件连接、程序设计与调试全过程的理解
- 通过实验台调试任务，加强实践中解决工程问题的能力，培养了团队协作意识与能力，掌握排查错误的能力
- 在设计中额外学习了Excel公式、制表技能，通过Git管理模型机及组件，提升计算机方面的其他能力
- 总线结构有利也有弊，好处在于电路结构清晰、数据通路简单、组合多样，弊端在于容易发生读写冲突、总线上只能传输一组数据。
- 通过与队友的沟通交流发现、弥补了自己在一些知识上的欠缺，也使我团队协作能力有了进一步提升。
附录
附录一 各器件图与总体结构图
总体结构图
ALU
寄存器组
MDR
带置数功能的计数器
启停电路
微地址形成部件
附录二 微程序编码
附录三 调试程序
基础
| 地址 | 机器指令 | 指令值 | 十六进制格式 |
|---|---|---|---|
| 00 | load 40h | 0010 1000 | 28 |
| 01 | 0100 0000 | 40 | |
| 02 | movout r2 | 0101 0010 | 52 |
| 03 | load 41h | 0010 1000 | 28 |
| 04 | 0100 0001 | 41 | |
| 05 | movout r3 | 0101 0011 | 53 |
| 06 | load | 0010 1100 | 2C |
| 07 | movout r1 | 0101 0001 | 51 |
| 08 | movin r2 | 0110 0010 | 62 |
| 09 | movout r3 | 0101 0011 | 53 |
| 0A | load | 0010 1100 | 2C |
| 0B | add r1 | 0011 0001 | 31 |
| 0C | store r2 | 0111 0010 | 73 |
| 0D | halt | 1001 0000 | 90 |
| …… | |||
| 36 | 操作数1 | F0 | |
| 37 | 操作数2 | 07 | |
| …… | |||
| 40 | 地址1 | 36 | |
| 41 | 地址2 | 37 |
一级拓展
| 地址 | 机器指令 | 指令值 | 十六进制格式 |
|---|---|---|---|
| 00 | load 40h | 0010 1001 | 29 |
| 01 | 0100 0000 | 40 | |
| 02 | movout r1 | 0101 0001 | 51 |
| 03 | load 41h | 0010 1010 | 2A |
| 04 | 0100 0001 | 41 | |
| 05 | movout r2 | 0101 0010 | 52 |
| 06 | load (r2) | 0010 1110 | 2E |
| 07 | movout r3 | 0101 0011 | 53 |
| 08 | load r1 | 0010 1101 | 2D |
| 09 | movout r2 | 0101 0010 | 52 |
| 0A | sub r3 | 0100 0011 | 43 |
| 0B | jmp >0 | 1000 0001 | 81 |
| 0C | 跳转地址 | 13 | |
| 0D | movin r2 | 0110 0010 | 62 |
| 0E | store 41h | 0111 1001 | 79 |
| 0F | 41h | 0100 0001 | 41 |
| 10 | movin r3 | 0110 0011 | 63 |
| 11 | store 40h | 0111 1001 | 79 |
| 12 | 40h | 0100 0000 | 40 |
| 13 | halt | 1001 0000 | 90 |
二级拓展
| 地址 | 机器指令 | 指令值 | 十六进制格式 |
|---|---|---|---|
| 00 | load 80h | 0010 1000 | 28 |
| 01 | 80h | 80 | |
| 02 | movout r1 | 0101 0001 | 51 |
| 03 | load r0 | 0010 1100 | 2C |
| 04 | add r2 | 0011 0010 | 32 |
| 05 | movout r2 | 0101 0010 | 52 |
| 06 | add r1+1 | 1010 0001 | A1 |
| 07 | load | 0010 1100 | 2C |
| 08 | jmp >0 | 1000 0001 | 81 |
| 09 | 循环开始地址 | ||
| 0A | jmp <0 | 1000 0010 | 82 |
| 0B | 循环开始地址 | ||
| 0C | movin r2 | 0110 0010 | 62 |
| 0D | store 81h | 0111 0101 | 75 |
| 0E | 81h | 81 | |
| 0F | halt | 1001 0000 | 90 |
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