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一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/font>
1．深入理解基本模型計(jì)算機(jī)的功能、組成知識(shí)
2．深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)各類典型指令的執(zhí)行流程
3．學(xué)習(xí)微程序控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程和相關(guān)技術(shù)，掌握LPM_ROM的配置方法
4．在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將單元電路組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。
5．定義六條機(jī)器指令，并編寫(xiě)相應(yīng)的微程序，上機(jī)調(diào)試，掌握計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。掌握微程序的設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)編寫(xiě)二進(jìn)制微指令代碼表。
6．通過(guò)熟悉較完整的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，全面了解并掌握微程序控制方式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
二．實(shí)驗(yàn)原理
1．在部件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各不見(jiàn)單元的控制信號(hào)是認(rèn)為模擬產(chǎn)生的，而本實(shí)驗(yàn)將能在微過(guò)程控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定的功能。實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微過(guò)程控制器來(lái)完成，CPU從內(nèi)存中取出一條及其指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。
2．指令格式
（1）機(jī)器指令格式
采用寄存器直接尋址方式，其格式如下：
| 位 | 7 6 5 4 | 3 2 | 1 0 | | 功能 | 操作碼（OP-CODE） | 源寄存器（Rs） | 目的寄存器（Rd） |
其中寄存器地址規(guī)定如下
| Rs或Rd地址 | 選定的寄存器 | | 00 01 10 | R0 R1 R2 |
模型計(jì)算機(jī)支持的指令如下
| 指令助記符 | 機(jī)器指令碼 | Addr地址碼 | 功能說(shuō)明 | IN
OUT addr
SUB addr
AND addr
OR addr
XOR addr
MOV #num
LDR addr
| 00H
10H xxH
20H xxH
30H xxH
40H xxH
50H xxH
60H xxH
70H xxH
| “INPUT”中的數(shù)據(jù) → R0
[addr] → OUT
R0 - [addr] → R0
R0 & [addr] → R0
R0 | [addr] → R0
R0 ^ [addr] → R0
num → R0
[addr] → R0
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1．存儲(chǔ)器讀操作（KRD）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWA、SWB為“00”時(shí)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀入操作。
2．存儲(chǔ)器寫(xiě)操作（KWE）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWA、SWB為“01”時(shí)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)入操作。
3．啟動(dòng)程序（RP）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWA、SWB為“11”時(shí)，即可轉(zhuǎn)入到微地址“01”號(hào)“取指令”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。
控制臺(tái)微程序操作如下
| SWB | SWA | 控制臺(tái)指令 | | 0 0 1 | 0 1 1 | 讀內(nèi)存（KRD） 寫(xiě)內(nèi)存（KWE） 啟動(dòng)程序（RP） |
（2）微指令格式
24位微指令格式如下
| 24 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19 | 18 | 17 | 16 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | | S3 | S2 | S1 | S0 | M | Cn | WE | A9 | A8 | A[2] | A[1] | A[0] | B[2] | B[1] | B[0] | C[2] | C[1] | C[0] | uA5 | uA4 | uA3 | uA2 | uA1 | uA0 |
其中A、B、C各個(gè)字段功能說(shuō)明
（1）uA5-uA0：微程序控制器的微地址輸出信號(hào)，下一條要執(zhí)行的微指令的微地址。
（2）S3、S2、S1、S0：由微程序控制器輸出地ALU操作選擇信號(hào)，以控制指令16種算術(shù)操作中的某一種操作。
（3）M：微程序控制輸出地ALU操作方式選擇信號(hào)。M=0時(shí)執(zhí)行算術(shù)操作；M=1時(shí)執(zhí)行邏輯操作。
（4）Cn：微程序控制器輸出的進(jìn)位標(biāo)志信號(hào)，Cn=0時(shí)表示ALU運(yùn)算時(shí)最低位有進(jìn)位，Cn=1時(shí)表示無(wú)進(jìn)位。
（5）WE：微程序控制器輸出地RAM控制信號(hào)。當(dāng)/CE=0時(shí)，WE=0為存儲(chǔ)器讀；WE=1為存儲(chǔ)器寫(xiě)。
（6）A9、A8——譯碼后產(chǎn)生CS0、CS1、CS2信號(hào)，分別作為SW_B、RAM、LED的選通信號(hào)。
（7）A字段（15、14、13）——譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸入選通信號(hào)。
（8）B字段（12、11、10）——譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸出選通信號(hào)。
（9）C字段（9、8、7）——譯碼后產(chǎn)生分支判斷測(cè)試信號(hào)P(1)~P(4)和LDPC信號(hào)。
系統(tǒng)涉及到的微程序流程見(jiàn)圖xx。當(dāng)執(zhí)行“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判斷測(cè)試字段微P(1)測(cè)試。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公共微指令，因此P(1)的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。 用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5各固定地址單元。
控制臺(tái)操作為P(4)測(cè)試，它以控制臺(tái)信號(hào)SWB、SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定位地址單元。當(dāng)分支位地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控制存儲(chǔ)器的一個(gè)微地址單元，隨意填寫(xiě)。
簡(jiǎn)而言之：
M：運(yùn)算模式選擇，0：算術(shù)運(yùn)算；1：邏輯運(yùn)算
Cn：進(jìn)位標(biāo)志位，0：最低位有進(jìn)位；1：無(wú)進(jìn)位
WE：RAM寫(xiě)使能信號(hào)，0：RAM讀使能；1：RAM寫(xiě)使能
A9 A8：
(00)b：IN→BUS；
(01)b：RAM→BUS；
(10)b：BUS→OUT；
A：
(001)b：BUS→Rx(匯編指令中I1 I0指明寄存器地址)
(010)b：BUS→DR1
(011)b：BUS→DR2
(100)b：BUS→IR(指令寄存器)
(101)b：BUS→PC
(110)b：BUS→AR(地址寄存器)
B：
(001)b：Rx→BUS(匯編指令中I3 I2指明寄存器地址)
(010)b：Rx→BUS(匯編指令中I1 I0指明寄存器地址)
(011)b：
(100)b：
(101)b：ALU→BUS
(110)b：PC→BUS
C：
(001)b：測(cè)試匯編指令，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)微程序首地址
(010)b：
(011)b：
(100)b：測(cè)試控制臺(tái)輸入狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到控制用的微程序首地址
(101)b：
(110)b：PC+1→PC
當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化：
| 微地址 | 微指令 | S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8
| A | B | C | uA5——uA0 | | 00 | 018110 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 000 | 000 | 100 | 010000 | | 01 | 01ED82 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 000010 | | 02 | 00C048 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 100 | 000 | 001 | 001000 | | 03 | 000000 |
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| | 04 | 000000 |
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| | 05 | 000000 |
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| | 06 | 000000 |
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| | 07 | 000000 |
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| | 10 | 001001 | 0 0 0 0 0 0 0 0 0
| 001 | 000 | 000 | 000001 | | 11 | 01ED98 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 011000 | | 12 | 01ED9B | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 011011 | | 13 | 01ED9F | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 011111 | | 14 | 01EDA3 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 100011 | | 15 | 01EDA7 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 100111 | | 16 | 01EDAB | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 101011 | | 17 | 01EDAD | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 101101 | | 20 | 01EDAF | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 110 | 110 | 110 | 101111 | | 21 | 000000 |
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| | 22 | 000000 |
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| | 23 | 018001 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 000 | 000 | 000 | 000001 | | 24 | 000000 |
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| | 25 | 000000 |
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| | 26 | 000000 |
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| | 27 | 000000 |
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| | 30 | 00E019 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 110 | 000 | 000 | 011001 | | 31 | 00A01A | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 010 | 000 | 000 | 011010 | | 32 | 010A01 | 0 0 0 0 0 0 0 1 0
| 000 | 101 | 000 | 000001 | | 33 | 00E01C | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 110 | 000 | 000 | 011100 | | 34 | 00B01D | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 011 | 000 | 000 | 011101 | | 35 | 01A21E | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 010 | 001 | 000 | 011110 | | 36 | 619A01 | 0 1 1 0 0 0 0 1 1
| 011 | 101 | 000 | 000001 | | 37 | 00E020 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 110 | 000 | 000 | 100000 | | 40 | 00B021 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 011 | 000 | 000 | 100001 | | 41 | 01A222 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 010 | 001 | 000 | 100010 | | 42 | B99A01 | 1 0 1 1 1 0 0 1 1
| 001 | 101 | 000 | 000001 | | 43 | 00E024 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 110 | 000 | 000 | 100100 | | 44 | 00B025 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 011 | 000 | 000 | 100101 | | 45 | 01A226 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 010 | 001 | 000 | 100110 | | 46 | E99A01 | 1 1 1 0 1 0 0 1 1
| 001 | 101 | 000 | 000001 | | 47 | 00E028 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 110 | 000 | 000 | 101000 | | 50 | 00B029 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 011 | 000 | 000 | 101001 | | 51 | 01A22A | 0 0 0 0 0 0 0 1 1
| 010 | 001 | 000 | 101010 | | 52 | 699A01 | 0 1 1 0 1 0 0 1 1
| 001 | 101 | 000 | 000001 | | 53 | 009001 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 001 | 000 | 000 | 000001 | | 54 | 000000 |
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| | 55 | 00E02E | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 110 | 000 | 000 | 101110 | | 56 | 009001 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 001 | 000 | 000 | 000001 | | 57 | 009001 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1
| 001 | 000 | 000 | 000001 |
指令寄存器（IR）：指令寄存器用來(lái)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試“P(1)”，通過(guò)節(jié)拍脈沖T4的控制，以便識(shí)別所要求的操作。
指令譯碼器：根據(jù)指令中的操作碼強(qiáng)置微控制器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。
實(shí)驗(yàn)中LCD顯示屏可以用來(lái)顯示模型機(jī)CPU中各組成單元的內(nèi)容。將FPGA 配置文件下載到實(shí)驗(yàn)臺(tái)后，按系統(tǒng)復(fù)位鍵，LCD液晶顯示屏即顯示CPU中各組成單元的內(nèi)容。其功能說(shuō)明如下：
| 指令名稱 | 作用 | 指令名稱 | 作用 | | IN | 輸入單元INPUT | DR1 | 暫存器DR1 | | OUT | 輸出單元OUPUT | DR2 | 暫存器DR2 | | ALU | 算術(shù)邏輯單元 | PC | 程序計(jì)數(shù)器 | | BUS | 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 | AR | 地址寄存器 | | R0 | 寄存器R0 | RAM | 程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 | | R1 | 寄存器R1 | IR | 指令寄存器 | | R2 | 寄存器R2 | MC | 微程序控制器 |
測(cè)試微程序的機(jī)器指令如下：
| 地址（16進(jìn)制） | 內(nèi)容（16進(jìn)制） | 助記符 | 說(shuō)明 | | 00 | 00 | IN | “INPUT”中的數(shù)據(jù)66H → R0 | | 01 | 10 | OUT 60H | [60H] → OUT 間接尋址，其中60H中數(shù)據(jù)為44H | | 02 | 60 | | 03 | 20 | SUB 61H | R0 - [61H] → R0 其中61H中數(shù)據(jù)為55H | | 04 | 61 | | 05 | 30 | AND 62H | R0 & [62H] → R0 其中62H中數(shù)據(jù)為01H | | 06 | 62 | | 07 | 40 | OR 63H | R0 | [63H] → R0 其中63H中數(shù)據(jù)為F0H | | 08 | 63 | | 09 | 50 | XOR 64H | R0 ^ [64H] → R0 其中64H中數(shù)據(jù)為00H | | 0A | 64 | | 0B | 60 | MOV #33H | 33H → R0 立即數(shù)尋址方式，將33H送到R0 | | 0C | 33 | | 0D | 70 | LDR 65H | [65H] → R0 間接尋址方式，其中65H中數(shù)據(jù)為77H | | 0E | 65 |
三．實(shí)驗(yàn)步驟
1．微程序的輸入
根據(jù)二進(jìn)制微指令表，編輯LPM_ROM配置文件，與實(shí)驗(yàn)電路一同編譯后，得到FPGA的配置文件，將該文件下載到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)板上的時(shí)鐘clock0選擇輸入頻率為1.5MHz。
2．輸入模型機(jī)的程序，這里采用自動(dòng)寫(xiě)入
（1）在QuartusII環(huán)境下，選擇LPM_RAM_DQ的存儲(chǔ)器初始文件（mif文件）為MyRam.mif文件
（2）將工程文件重新編譯后，下載到FPGA中，即完成LPM_RAM的配置。
（3）根據(jù)以上方法，復(fù)位信號(hào)RST（鍵8）=1；將控制開(kāi)關(guān)SWB、SWA（鍵4、鍵3）設(shè)置為0、0，按鍵7，每?jī)蓚�(gè)
2次單步運(yùn)行（產(chǎn)生2個(gè)正脈沖）。
3．執(zhí)行程序
（1）按1次系統(tǒng)復(fù)位鍵8，并置鍵8為高電平，使CPU允許正常工作；
（2）控制開(kāi)關(guān)（鍵4、鍵3）設(shè)置為SWB、SWA=1,1，處于程序執(zhí)行方式，觀察圖6-1控制臺(tái)：PR（11）；
（3）通過(guò)鍵2、鍵1輸入運(yùn)算數(shù)據(jù)66H，按4次單步鍵7，產(chǎn)生2個(gè)脈沖，執(zhí)行2條微指令，進(jìn)入到圖6-1控制臺(tái)的RP（11），此時(shí)的微指令地址是“23”，微指令碼MC=008001；IN=66H
（4）再用鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行1條微指令，微程序流程進(jìn)入圖6-2左的“運(yùn)行微程序”的最上塊：此時(shí)PC=00，送地址寄存器AR=00，PC自動(dòng)加1，PC=01，MC=00ED82，IN=66。
（5）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行微指令MC=00C048（圖6-2），RAM中的第一條指令碼00進(jìn)入BUS，再由BUS進(jìn)入指令寄存器IR=00。鍵7再進(jìn)1個(gè)脈沖，進(jìn)入MC=001001，執(zhí)行指令I(lǐng)N，送數(shù)IN→R0=66；
（6）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行完IN指令后，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；
（7）仿照步驟4~6的操作方法，依次按按鍵7，觀察液晶顯示屏上檢測(cè)的CPU內(nèi)部寄存器和總線上的數(shù)據(jù)變化。
四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果
針對(duì)設(shè)計(jì)的共8條指令，編寫(xiě)測(cè)試機(jī)器碼來(lái)測(cè)試指令執(zhí)行的正確性。將測(cè)試的機(jī)器碼連同模型機(jī)的電路下載到FPGA中，按照三中所敘述的步驟，觀察到液晶顯示屏上的主要數(shù)據(jù)變化如下
執(zhí)行第一條指令I(lǐng)N后，R0=66H
執(zhí)行第二條指令OUT 60H后，OUT=44H
執(zhí)行第三條指令SUB 61H后，R0=11H
執(zhí)行第四條指令A(yù)ND 62H后，R0=01H
執(zhí)行第五條指令OR 63H后，R0=F1H
執(zhí)行第六條指令XOR 64H后，R0=F1H
執(zhí)行第七條指令MOV #33H后，R0=33H
執(zhí)行第八條指令LDR 65H后，R0=65H
從以上測(cè)試代碼執(zhí)行的情況來(lái)看，微程序的設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題。
五．實(shí)驗(yàn)中遇到的主要問(wèn)題和分析解決問(wèn)題的思路
實(shí)驗(yàn)中首先遇到的一個(gè)問(wèn)題是軟件的問(wèn)題，在使用QuartusII將康芯的示意配置文件修改后下載到FPGA中，F(xiàn)PGA中的微程序運(yùn)行一直不變，剛開(kāi)始以為是自己的微程序問(wèn)題，后來(lái)在檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)FPGA的配置文件的生成時(shí)間跟電腦的時(shí)間不吻合，初步確定是配置文件沒(méi)有更新，后來(lái)在檢查編譯報(bào)告時(shí)發(fā)現(xiàn)提示該版本的Quartus不能生成編程文件。后來(lái)在裝有License的機(jī)器上將文件重新編譯一次，生成了真正的編程文件后，下載到FPGA中，執(zhí)行微指令，正常。中間經(jīng)常遇到的問(wèn)題是試驗(yàn)箱上的按鍵7按得太快的話，微程序的執(zhí)行順序會(huì)變得不正常，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有解決。目前按鍵按得慢點(diǎn)的話不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。還有個(gè)問(wèn)題，當(dāng)指令條數(shù)超過(guò)8條后，微控制器給出的微程序入口地址就不是按照原先的規(guī)律遞增了，通過(guò)請(qǐng)教老師得知微控制器譯碼的指令不能超過(guò)8條，所以本設(shè)計(jì)連同原先的IN和OUT兩條指令，剩下只設(shè)計(jì)6條。
六．學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和切身體會(huì)
通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，初步了解了CPU內(nèi)部的各部分，能夠使用微程序的方式來(lái)完成簡(jiǎn)單的CPU內(nèi)部控制序列的設(shè)計(jì)，對(duì)微指令的理解更進(jìn)了一步。提高了自己分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，在遇到的QuartusII軟件License導(dǎo)致無(wú)法生成編程配置文件這個(gè)問(wèn)題上通過(guò)一步步的分析，把原因定位到軟件的問(wèn)題上，從而解決了問(wèn)題。對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的有一個(gè)建議，就是每臺(tái)電腦上裝上殺毒軟件后再裝上還原卡。實(shí)驗(yàn)中遇到不少問(wèn)題都是機(jī)器的問(wèn)題，例如軟件的License問(wèn)題，用U盤把編輯好的工程文件拷貝到別的裝有License的機(jī)子上打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)文件夾被病毒莫名地隱藏了等等。
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