简单模型计算机的设计

前 言

该设计是根据计算机组成原理课程所学的知识，设计、开发的一套简单模型机。是在DVCC 试验机上实现的，此系列实验系统作为较高层次、专用于计算机原理课程教学实验的实验计算机系统具有良好的实验性能和系统的完整性以及可扩展性。

良好的实验性体现在DVCC 系列机能很好地完成计算机硬件系统各功能部件的教学实验，它包括运算器部件、控制器部件、主存储器部件、总线和几种最重要的外设接口实验，包括中断、定时计数器、输入/输出接口等；计算机的CPU 自行设计与实现，配有小的监控程序，有自己的汇编语言的支持。在相应软件的配合下，将各功能部件有机的结合起来，完成计算机整机的实验。

系统的完整性体现在DVCC 系列机与学生常见到的简单计算机大体相同，其主要组成与运行方式和PC 机差不多，该系列机是一台硬软件相对完整、配置巧妙合理的完整的计算机系统，通过它能体现出重要教学内容、能完成主要教学实验项目。

可扩展性体现在（1）支持高级与初级两个层次上两种方式的实验，高层次的实验方式是指DVCC 系列机与PC 微机连起来运行，可以动态显示整个实验过程中数据流的流向和当前的各种参数；初级实验方式是指不接任何计算机外围设备，只用DVCC 系列机上的开关、按键及指示灯、数码管显示器等操作，控制实验机的运行，同时显示运行的结果。（2）在基本系统上支持多项扩展功能，它包括一个在系统大规模可编程器件，一个并行接口电路，一个定时/计数器电路，一个用万能接线板组成的通用扩展实验板。

摘 要

本设计完成一个简单模型计算机的设计，设计中使用的运算器是74LS181，存储器是6264，与相应的译码电路、锁存电路以及输入输出电路组成了模型机的硬件基础。当然光有硬件电路不是一个完整的计算机，本设计还设计了相应的微指令和微程序组成具有一定功能的指令系统，包括IN,OUT,STA,LDA,JMP,BZC,CLR,MOV,ADD,AND 等指令。最终通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念，加深对计算机时间和空间概念的理解。

关键词：简单模型计算机机 运算器 存储器 微指令 微程序

目 录

前 言 ...................................................................................................................... 1

摘 要 ...................................................................................................................... 2

第一章 设计目的和设计原理 . ............................................................................ 4

1.1设计目的 .................................................................................................... 4

1.2设计原理 .................................................................................................... 4

第二章 总体设计 . ................................................................................................ 6

第三章 详细设计 . ................................................................................................ 8

3.1运算器的物理结构 .................................................................................... 8

3.2存储器系统的组成与说明 ....................................................................... 11

3.3指令系统的设计与指令分析 .................................................................. 12

3.4微程序控制器的逻辑结构及功能 .......................................................... 14

3.5微程序的设计与实现 .............................................................................. 18

第四章 系统调试 . .............................................................................................. 27

总 结 .................................................................................................................... 29

参考文献 ................................................................................................................ 30

致 谢 .................................................................................................................... 31

第一章 设计目的和设计原理

1.1设计目的

融会贯通计算机组成原理课程中各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对硬连线控制器的认识，建立清晰的整机概念。对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解, 加深对理论课程的理解。

在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机。

1.2设计原理

（1）运算器

设计中所用的运算器数据通路，其中运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU 构成。运算器的输出经过一个三态门74LS245(U33)到ALUO1插座，实验时用8芯排线和内部数据总线BUSD0～D7插座BUS1～6中的任一个相连，内部数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器74LS273（U29、U30）锁存，两个锁存器的输入并联后连至插座ALUBUS ，测试时通过8芯排线连至外部数据总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一个；参与运算的数据来自于8位数据开并KD0～KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，通过数据开关输入的数据由LD0～LD7显示。

算术逻辑运算功能发生器 74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN 、M 并行相连后连至SJ2插座，测试时通过6芯排线连至6位功能开关插座UJ2，以手动方式用二进制开关S3、S2、S1、S0、CN 、M 来模拟74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN 、M ；其它电平控制信号LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`以手动方式用二进制开关LDDR1、LDDR2、ALUB 、SWB 来模拟，这几个信号有自动和手动两种方式产生，通过跳线器切换，其中ALUB`、SWB`为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。

另有信号T4为脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD 相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。

带进位控制运算器增加进位控制部分，其中高位74LS181（U31）的进位CN4通过门UN4E 、UN2C 、UN3B 进入UN5B 的输入端D ，其写入脉冲由T4和AR 信号控制，T4是脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD 相连，按动手动脉冲开关，即可获得测试所需的单脉冲。AR 是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验。从图中可以看出，AR 必须为“0”电平，D 型触发器74LS74（UN5B ）的时钟端CLK 才有脉冲信号输入。才可以将本次运算的进位结果CY 锁存到进位锁存器74LS74（UN5B ）中。

（2）存储器

主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令，它的数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273（U37）给出，地址值由8个LED 灯LAD0～LAD7显示，高电平亮，低电平灭；在手动方式下，输入数据由键盘提供，并经一三态门74LS245（U51）连至外部数据总线EXD0～EXD7，实验时将外部数据总线EXD0～EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0～BUSD7，分时给出地址和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下 ，写信号由W/R` 提供，片选信号由CE`提供；自动方式下，写信号由控制CPU 的P1.2提供，片选信号由控制CPU 的P1.1提供。

由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其实际使用容量为256字节。6264有四个控制线：CS1 第一片选线、CS2第二片选线、OE 读线、WE 写线。其功能如表3—4所示。CS1片选线由CE`控制（对应开关CE ）、OE 读线直接接地、WE 写线由W/R`控制（对应开关WE ）、CS2直接接+5V。

（3）部件测试过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而总体测试将能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，测试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。

为了向主存储器RAM 中装入程序或数据，并且检查写入是否正确以及能运行主存储器中的程序，必须设计三个控制操作微程序。

·存储器读操作：拨动总清开关后，置控制开关SWB 、SWA 为“0 0”时，按要求连线后，连续按“启动运行”开关，可对主存储器RAM 连续手动读操作。

·存储器写操作：拨动总清开关后，置控制开关SWB 、SWA 为“0 1”时，按要求连线后，再按“启动运行”开关，可对主存储器RAM 进行连续手动写入。

·运行程序：拨动总清开关后，置控制开关SWB 、SWA 为“1 1”时，按要求连线后，再按“启动运行”开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。

上述三条控制指令用两个开关SWC 、SWA 的状态来设置，其定义如下：

表1-1 控制指令

(4) 指令寄存器

指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”根据指令中的操作码进行译码，强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。

第二章 总体设计

基本整机模型数据框图如图2-1所示，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。

图2-1 模型机的数据通路图

数据的通路从程序计数器PC 的地址送到主存的地址寄存器，根据地址寄存器的内容找到相应的存储单元。

存储器中的数据是指令时，那么数据是从RAM 送到总线，再从总线送到IR 中。 存储器中的数据是需要加工的数据时，那么数据是从RAM 送到总线，再动总线送到通用寄存器中等待加工。

数据加工过程中，两个数据是从总线上将数据分别分时压入两个暂存器中，等待运算部件的加工，在数据加工完成以后。运算结果是通过三态门送到总线上。 三态门的控制时由微控制器来控制。

第三章 详细设计

3.1运算器的物理结构

运算器模块主要由两片74LS181、暂存器两片74LS273等构成。其中74LS181可通过控制器相应的控制指令来进行某种运算，具体由S0、S1、 S2、S3、S4、M 来决定。T4是它的工作脉冲，正跳变有效。寄存器堆模块为实验计算机提供了2个8位通用寄存器。它们用来保存操作数及其中间运算结果，它对运算器的运算速度、指令系统的设计等都有密切的关系。

下面是芯片74LS181的控制逻辑引脚的功能表以及逻辑引脚图如表3-1所示：

表3-1 74LS181的控制逻辑引脚的功能表

图3-1 74LS181的逻辑引脚图

其中各个引脚的功能如下所示：

M ：算术/逻辑运算选择输入

M=0 算术运算 M=1 逻辑运算

Cn ：带或不带进位运算选择输入

Cn =0 带进位 Cn =1 不带进位

S3～S0：函数选择输入，A3～A0：4位输入数据，B3～B0：4位输入数据

F3～F0：4位表示运算结果的输出，C n+4：进位输出

图3-2 74LS273的引脚图

其中，Q0-Q7表示寄存器的8位数据输出，D0—D7表示向寄存器中输入8位数据的引脚，CLK 是用来进行寄存器的选定操作，当其为高电位时和T4信号一起选定哪个寄存器进行数据输入。

8位运算器的原理图如图3-3所示：

图3-3 8位运算器的原理图

在该运算器中，有两片74LS181组成算术和逻辑运算。数据的来源由74LS273寄存器提供，74LS273产生8位数据，分别送入到74LS181运算器中进行相应的运算，而如何进行数据的传送是由LDDR1和LDDR2以及T4信号控制的，当LDDR1和T4都为高电平时，选定相应的寄存器来进行数据输入，同理，LDDR2和T4。然后经过相应的运算之后将产生的结果通过总线送回到寄存器中。整个数据的运送过程有相应的

控制信号提供，S0、S1、 S2、S3、S4、M 都是通过控制器的相关指令来控制。让其进行某种算数运算和逻辑运算。整个数据和指令都是通过数据总线，控制总线和地址总线来进行传送。

3.2存储器系统的组成与说明

3.2.1存储器的详细设计

图3-4 存储器的原理图

说明：该主存储器采用一级cache-存储器结构。主要用于存放试验机的机器指令。它的数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273（U37）给出，地址值由8个LED 灯LAD0～LAD7显示，高电平亮，低电平灭；在手动方式下，输入数据由8位数据开关KD0～KD7提供，并经一三态门74LS245（U51）连至外部数据总线EXD0～EXD7，实验时将外部数据总线EXD0～EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0～BUSD7，分时给出地址和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下 ，写信号由W/R` 提供，片选信号由CE`

提供；自动方式下，写信号由控制CPU 的P1.2提供，片选信号由控制CPU 的P1.1提供。

由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其实际使用容量为256字节。6264有四个控制线：CS1 第一片选线、CS2第二片选线、OE 读线、WE 写线。CS1片选线由CE`控制（对应开关CE ）、OE 读线直接接地、WE 写线由W/R`控制（对应开关WE ）、CS2直接接+5V。

图中信号线LDAR 由开关LDAR 提供，T3由试验机上时序模块电路TS3提供。 3.3指令系统的设计与指令分析 机器指令格式的设计 3.3.1数据格式

数据格式如表3-2所示：

D7 D6 D0

表3-2 数据格式

3.3.2指令格式

模型机设计四大类指令共十条，其中包括算术指令逻辑指令，I/O指令，存算指令，取算指令，转移指令。

(1) 算术指令

设计7条算术指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器寻址，其格式如表3-3所示：

表3-3 算数指令格式

其中，OP-CODE 为操作码，RS 为源寄存器，DS 目的寄存器，其规定如下所示：

表3-4 寄存器

(2) 访存指令及转移指令

设计2条访问指令：即存算STA ，取算LDA;2条转移指令：即无条件转移指令JMP ，有进位跳转指令BZC ，指令格式如表3-5所示：

表3-5 访问指令及转移指令格式

其中,OP-CODE 为操作码，RD 为源寄存器的地址(LAD,STA指令用) ，D 为位移量，M 为寻址模式，其定义如下所示：

表3-6 寻址方式 本模型机规定变址RI 为寄存器R2。

(3)I/O指令

输入IN 指令和输出指令OUT 指令采用单字节指令，其格式如表3-7所示：

表3-7 I/O指令格式

其中，addr=01时，选中输入数据开关KD0~KD7作为输入设备,addr=10选中2位数码管作为输出设备。

3.3.3指令系统

本模型机共有11条基本指令，其中算术指令7条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。表3-8列出了各条指令的格式，汇编符合，指令功能。

表3-8 指令格式

3.4微程序控制器的逻辑结构及功能

微程序控制器的结构与微指令的格式密切相关。

微程序控制器的结构框图如图3-5所示。它由控制存储器、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。

图3-5 微程序控制器的结构框图

1．控制存储器

ROM 中存放微程序，也就是全部的微指令。ROM 的容量取决于微指令的总数。假如控制器需要128条微指令，则微地址寄存器长度为7位。ROM 的字长取决于微指令长度。如果微指令为32位，则ROM 的字长就是32位。实际应用中ROM 可采用EPROM 或E PROM 、EAROM ，用户写入和修改微程序比较方便。

2．微命令寄存器

微命令寄存器暂存由控制存储器中读出的当前微指令中控制字段与测试判别字段信息，可由8D 寄存器组成。

3．微地址寄存器

微地址寄存器暂存由控制存储器读出的当前微指令的下址字段信息。它可由带R D 、S D 强置端的D 触发器组成。其中时钟端和D 端配合用做ROM 的读出打入，用S D 进行下址修改。

4．地址转移逻辑

微指令由ROM 读出后直接给出下一条微指令的地址，这个地址就放在微地址寄存器中。当微程序出现分支时通过地址转移逻辑去修改微地址寄存器内容，并按修改好的微地址读出下条微指令。地址转移逻辑是一个组合逻辑电路，其输入是当前微指令的判别测试字段P i 、执行部件反馈的“状态条件”及时间因素T 4。

5．控制时序信号

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