课程设计指导书[1]

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1、流水微程序控制器的设计与调试一、教学目的、任务与实验设备（一）教学目的（1）通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块协同工作的认识，特别是对并行、流水的认识。（2）学习通过“固件升级”即改写微程序的方法来提高计算机系统性能的方法，体会设计方案优劣对性能发挥的重要性。（3）培养科学研究的独立工作和创新能力，取得设计与调试的实践经验。（二）设计与调试任务（1）在微程序控制器实验的基础上，设计一台微程序控制的流水模型计算机。（２）根据设计图纸，在通用实验台上进行组装，并调试成功。（３）在组装调试成功的基

2、础上，整理出设计图纸和其他文件。包括的文件是１．总框图（数据通路图）；２．微程序控制器逻辑图；３．微程序流程图；４．微程序代码表；5．调试小结。（三）实验设备1)TEC－４计算机组成原理实验仪一台2)集成电路若干片，取决于设计方案。二、指令系统采用与模型机相同的指令系统，即12条机器指令。考虑到复杂度和时间问题，一般应降低难度，采用该指令系统的子集：去掉中断指令后的3条机器指令，只保留前面的9条指令。名称助记符功能指令格式R7R6R5R4R3R2R1R0加法ADDRd,RsRd＋Rs→Rd0000R

3、S1RS0RD1RD0减法SUBRd,RsRd－Rs→Rd0001RS1RS0RD1RD0乘法MULRd,RsRd×Rs→Rd0010RS1RS0RD1RD0逻辑与ANDRd,RsRd&Rs→Rd0011RS1RS0RD1RD0存数STARd,[Rs]Rd→[Rs]0100RS1RS0RD1RD0取数LDARd,[Rs][Rs]→Rd0101RS1RS0RD1RD0无条件转移JMP[Rs][Rs]→PC1000RS1RS0××条件转移JCD若C＝1则PC＋D→PC1001D3D2D1D0停机STP暂

4、停运行0110××××三、设计要求设计流水方案时，牢记设计的目的是提高系统性能。没有性能改善、为流水而流水的方案是毫无意义的。实验系统的时序发生器将一个微指令周期分为T1至T4四段，原则上，本次实验只利用四段划分，即仍使用T1—T4作为时序脉冲。设计时，应充分考虑控制信号的综合和化简，出厂时的模型机提供了这方面的某些化简实例，但还可以进一步化简。四、总体设计指令级标量流水，是指把机器指令的解析过程分解为取指、译码、访存、执行、写回等子过程，各子过程以流水方式运行。考虑到复杂度，在实际设计中，可以分解

5、得不那么细。例如可只分为取指、执行、写回三个子过程。要实现流水，至少需要具备两个条件：（1）数据通路（包括其上的执行器件）要支持流水。设计这种支持流水的数据通路时，需要解决几个主要问题：１、流水线各段争用总线的问题；２、各段之间互通信息、互相等待的问题；３、各段工作时序协调一致的问题；４、程序转移的处理问题。 本实验仪采用了不少具有并行操作功能的器件，如存储器、寄存器堆等，对支持流水有一定的帮助，但还需要使它们组成流水线。从广义上理解并行，则流水是并行的一个特例，只有具备先后、因果关系的并行，才能称

6、为流水。例如，图12中，DR1和DR2可以并行操作，但它们的关系不是流水。实际上，图12的数据通路已经基本布置好了流水线，它可以划分为如下功能部件：１、取指段：包括ＲＡＭ的右端口、AR2、MUX3、PC、IR。２、执行段：包括ALU、DR1、MUX1、DR2、MUX2、RF、ER、RAM的左端口、AR1、IR、R4、MUX4、ALU2、PC。 ３、写回段：包括ER、RF。注意：在数据通路中可能需要对写回寄存器选择信息进行缓冲，为此要增加如图15的缓冲寄存器（否则，WR1、WR0的信息会在写回操作之前

7、改变）。设计的方案不同，可能需要的缓冲寄存器也会有所不同。也可采用别的划分，上述划分方法仅供参考。 （2）控制器要有能力驱动流水线。 在模型机中，使用的是常规的微程序控制器，虽然数据通路相同，但没有利用其中的流水功能，因此得到的整体系统仍然是常规模型计算机。本实验中，可能要对原有的微程序控制器进行必要的改进，使之成为流水微程序控制器。 五、流水微程序控制器 由于数据通路基本仍然沿用第二节图4，如下图所示。无须重新设计，因此本次实验的重点就集中在控制器的设计上。这里使用指令系统的子集，只有９条指令系

8、统。由于流水控制中，对中断断点的处理会增加流程的复杂度，增大理解的难度，因此不包括中断部分。（1）微指令格式在本实验中仍采用水平型微指令格式，微命令编码仍然可以用直接表示法，后继地址用断定方式。（2）微程序控制器支持流水并未对控制器的硬件结构提出更高的要求。微程序控制器的逻辑结构与模型机的差异的只是顺序控制部分，即微程序转移逻辑电路，原因是微程序需要重新设计，重新分配微地址。新设计的微程序转移逻辑电路,可以用一片ispLSI1032实现,也可用中小规模的数字器件实现。