《计算机组成原理》第九章微程序控制计算机的设计.pptVIP

第9章 微程序控制计算机的设计;第9章 微程序控制计算机的设计;本章要点：;第9章 微程序控制计算机的设计;9.1 微程序控制计算机概述 ;9.1 微程序控制计算机概述;设计一个完整的计算机系统不仅要考虑计算机硬件设计，还要考虑机器字长、指令系统规模、外部设备规模等。详细分析主要包括如下几个方面： （1）机器字长采用8位还是16位。即运算器、数据总线是采用8位还是16位。 （2）地址总线的位数。确定计算机寻址空间的大小。 （3）计算机运算器采用什么结构(如多通用寄存器结构、多累加器结构等)。;（4）计算机指令系统规模(共有多少条指令，多少种寻址方式，指令功能等)。 （5）计算机是否使用外设（键盘和打印机），以什么方式使用外设（程序查询I/O方式还是中断I/O方式）。;计算机系统采用8位字长，计算机系统的硬件组成应该完备，运算器、控制器、主存、I/O接口及总线等应有一定的典型性，并能驱动简单的I/O设备。此外该计算机系统应具备一定规模的指令系统，能够完成基本的算术逻辑运算以及数据的输入输出控制。; 计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进行传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的结构也就不—样，因此数据通路的设计是至关重要的。所谓数据通路的设计，也就是确定机器各逻辑部件相对位置的总框图。;数据通路的设计，目前还没有非常标准的方法。主要是依据设计者的经验，并参考现有机器的几种典型形式（比如单总线、双总线或三总线结构），根据指令系统的要求，可采用试探方法来完成。其主要步骤如下： （1）对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周期与操作序列，以便决定各器件的类型和数量。;（2）构成一个总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求。 （3）检验全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号。 （4）检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路。 注：以上过程可以反复进行，以便得到一个较好的???案。;根据设计要求，对计算机模块的硬件资源进行逻辑剪辑组合，便可设计出该计算机的整机数据通路逻辑框图，如图9-1所示。为利于调试，在通路框图上标明了各器件的控制信号及必要的输出信号。 图9-1中设计了运算器ALU、移位发生器 （74299）、数据寄存器（DR1、DR2等）、寄存器组（R0、R1、R2）、内存RAM、微程序控制器单元CU、地址加法器、指令寄存器IR、程序计数器PC以及输入/输出设备等单元模块。; 图9-1 计算机整机逻辑框图;（1）移位发生器单元 如图9-2所示，该电路使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8位输入／输出和8位数据总线连接。299-B信号控制其使能端（0有效），T4为时序节拍脉冲。由S0、S1、M控制信号设置其运行状态，其控制特性见表9-1所示。;表9-1 移位发生器控制状态表; 图9-2 移位发生器电路图;受设计复杂度的限制，在计算机整机框图中时序启停模块并没有画出，但对于计算机系统来说，控制计算机工作的时序信号是极为重要的。如图9-3时序启停电路原理所，其中时序电路由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入与非门和3个反向器构成。可产生4个等间隔的时序信号T1~T4，其中“时钟”信号由“脉冲源”提供。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器CR，使T1~T4信号输出可控。 ; 图中给出了“运行方式”、“停机”和启动控制位，用来分别管理时序信号T1~T4将周而复始地发送或单步发送。时序信号T1~T4连续发送，机器就可以连续执行微程序；机器仅发送单周期4拍制时序信号，便单步运行状态，机器每次只执行一条微指令，这样，可以观察微控制状态与当前微指令的执行结果。;图9-3 时序启停电路图;用示波器观察时序波形，可看到时序信号T1~T4的波形，如图9-4所示。;在计算机进行算术运算、逻辑运算或移位运算时，运算结果的状态主要依靠标志寄存器来显示，因此设计计算机系统时，设计合理的标志位锁存电路十分必要。如电路图9-5所示，其中181的8位输出端逻辑或非后进入74LS74锁存器D端，该端的状态由AR和T4信号控制，当AR=1时，在时序T1～T4处于单步执行状态下，在T4节拍把当前零（ZQ）状态锁存到零标志锁存器中。;图9-5 标志位锁存电路图;如电路图9-6所示，使用2片74LS163组成8位程序计数器PC，其8位输入/输出公用端与总线(BUS) 接口相连接。通过LDPC、LOAD信号和脉冲T3来控制对程序计数器PC装载数据和加1操作。当LOAD=1、LDPC=1时，在时序T3上升沿把数据开关