cpu和简单模型机设计实验中关键问题研究

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1、CPU和简单模型机设计实验中关键问题研究　　摘要：模型机设计实验是计算机组成原理实验中的一个综合性较强的实验，要求学生在掌握各部件单元电路的基础上，构建一台模型计算机。文章选用TD-CMA实验教学系统，针对采用微程序控制器设计的CPU与简单模型机设计实验，从连线排查、指令设计、微程序设计、指令控制、程序运行等方面分析该实验中的关键问题，并给出每个问题的解决方法。关键词：计算机组成原理；微程序控制器；简单模型机；TD-CMA0引言8CPU与简单模型机设计实验是计算机组成原理实验中的一个综合性较强的实验，对学生的理论要求、能力要求较高。在美国的一些主流大学中，计算机组成原理实验强调从顶

2、层（应用和软件）到底层（硬件）的掌握与了解，实验方式一般采用高级语言实现对硬件的模拟；有些大学则要求学生采用VHDL、Verilog等硬件描述语言进行功能部件和小型系统的设计与实现，并在FPGA等硬件上进行测试验证。从文献[4]可以看出，国内大学计算机组成原理课程的实验已经由验证性实验逐渐过渡到处理器设计及计算机系统搭建的层次上。与模型机设计相关的实验仍然是重点实验内容，只是实现方式和难度不同。例如，有些学校开设的实验会引入MIPS、流水、Cache等功能设计。根据控制器部件的工作原理，模型机控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器两种，还可根据设计的模型机所含指令系统分为简单模型机

3、和具有特定功能的模型机，因此模型机的设计也有不同的类型。笔者选取微程序控制器的基本模型机设计进行分析。TD-CMA教学实验系统是西安唐都科教仪器公司推出的新一代计算机组成原理与系统结构教学实验设备。该系统硬件的电路布局按照计算机组成结构进行模块化设计，配有CMA’监控软件，可以实现从部件到整机实验的数据通路图实时动态图形调试界面演示，且都具有单拍、单周期、连续等调试功能，通路图的调试过程也具有保存和回放功能。笔者采用TD-CMA实验教学系统，针对以微程序控制器为基础的简单模型机设计实验，从连线排查、指令设计、微程序设计、指令控制、程序运行等多个方面分析微程序控制器模型机实验中的关键

4、问题，给出了每个问题的解决方法。1连线错误问题8进行实验时，先进行功能部件之间的数据连线设计，连线类型有8针、6针、4针、2针。正确的线路连接是保证数据通路正确的基础，而连线错误也是实验中学生碰到的最多的一类问题。为了减少实验中的问题，实验之前应对线路的连接进行检查，确保排线中没有断线情况。连线错误问题可根据表1所示的错误表现进行判断，从而纠正或更换排线即可。模型机实验中涉及OUT、IN、IR、控制总线、数据总线、MC、地址总线、PC&AR、ALU®、CPU内总线、时序与操作控制等11个单元部件。功能部件较多，连线务必仔细认真。2微程序控制模型机实验设计关键问题微程序控制模型

5、机实验的目的是让学生掌握一个简单CPU的组成原理；在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造成一台基本模型计算机；为其定义若干条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。完成本实验的关键步骤包括：指令系统设计、微程序设计、微程序的装载、程序设计、程序装载及运行。正确设计这些环节，是实验成功的保证，也是学生学习时最获收益的实践环节。2.1设计模型机的指令系统该步骤的关键问题是设计好每条指令的功能及格式。TD-CMA实验教学系统是一个8位计算机，实验采用的指令格式分为单字长和双字长指令两种。其中，双字长指令的OP字段占8位，地址码字段占8位；单字长指令只有OP字段，也占8位，

6、没有地址码字段。本实验的指令系统设计有6条：IN、OUT、ADD、JMP、HLT、SUB，下面以SUB指令（即减法指令）设计为例。该指令伪代码表示为SUB8addr，是双字长指令，其操作数1采用隐含寻址，由RO寄存器指定，操作数2存储在地址为addr的内存单元中。相减后将运算结果写回RO寄存器，其含义为RO-（addr）→RO。2.2OP字段的设计设计指令操作码字段OP时，必须要理解P测试的含义。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而完成对指令的识别，并实现微程序的分支。TD-CMA实验教学系统中，17-12表示指令寄存器的第7-2位输出，SE

7、5-SE0表示微控器单元微地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在IR单元的INSDEC（GAL20V8）中实现。假设SUB的OP字段设置为01010000时，十六进制表示为50H；根据译码电路可得，SE5-SE0为110101。确定第一条指令的微指令在控存中的首地址后，其后继微指令地址就可以通过断定方式确定。2.3微程序流程图设计采用方框图语言表示一条指令的指令周期是常见的设计方法。一个方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制。一个菱形符号代表