目录
1：课程设计题目 ............................................................................................................................. 1 2：嵌入式CISC模型机数据通路框图 ........................................................................................... 1 3：操作控制器的逻辑框图 ............................................................................................................. 1 4：模型机的指令系统和所有指令的指令格式 ............................................................................. 2 5：所有机器指令的微程序流程图或CPU操作流程图 ................................................................. 3 6: 操作控制器单元 ......................................................................................................................... 4 7：嵌入式CISC模型计算机的顶层电路图 ................................................................................... 6 8：汇编语言源程序 ......................................................................................................................... 6 9：机器语言源程序 ......................................................................................................................... 7 10：机器语言程序的功能仿真波形图及结果分析 ....................................................................... 8 11：进行时序仿真是芯片的引脚分配 ........................................................................................... 8 12：故障现象和故障分析 ............................................................................................................... 8 13：软件清单，含各个部件的VHDL源程序(.VHD)或图形描述文件(.gfd) ............................. 8
13.1:ALU单元 .......................................................................................................................... 8 13.2: 状态条件寄存器单元 ................................................................................................. 11 13.3: 暂存寄存器单元 ......................................................................................................... 12 13.4: 3选1数据选择器 ...................................................................................................... 13 13.5：5选1数据选择器 ...................................................................................................... 14 13.6: 程序计数器单元 ......................................................................................................... 15 13.7: 地址寄存器单元 ......................................................................................................... 17 13.8: 主存储器单元 ............................................................................................................. 17 13.9: 指令寄存器单元 ......................................................................................................... 18 13.10: 时序产生器单元 ....................................................................................................... 19 13.11: 微程序控制器单元 ................................................................................................... 20
13.11.1: 地址转移逻辑电路 ........................................................................................ 21 13.11.2: 微地址寄存器 ................................................................................................ 23 13.11.3: 微地址转换器 ................................................................................................ 25 13.11.4: 控制存储器 .................................................................................................... 26 13.11.5: 微指令寄存器 ................................................................................................ 28 13.11.6: 微地址转换器 ................................................................................................ 30 13.11.7: 指令代码转换器 ............................................................................................ 31
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1：课程设计题目
设计一台嵌入式CISC模型计算机：采用定长CPU周期、联合控制方法，并完成一定功能的机器语言源程序进行验证，机器语言源程序功能如下：
输入5个有符号整数（8位二进制补码表示），求所有正数的平方和并输出显示。
2：嵌入式CISC模型机数据通路框图
模型机由CISC微处理器、地址寄存器AR、ROM存储器组成。微处理器有算数逻辑单元ALU、状态条件寄存器、累加器AC、数据暂存器R、通用寄存器R0~R3、程序计数器PC、指令寄存器IR、操作控制器和时序产生器组成。模型机数据通路如图2-1所示：
图2-1 模型机数据通路框图
说明：外部时钟信号上边沿有效。
3：操作控制器的逻辑框图
微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑电路三大部分组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。微程序控制器在T4内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在T2的上边沿到来时，将读出的微指令打入微指令寄存器，即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。微程序控制器组成原理框图如下图3-1所示。
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图3-1 微程序控制器组成原理框图
4：模型机的指令系统和所有指令的指令格式
为了完成求和功能，系统设计了9条指令：IN（输入指令），MOV（将一个数送入寄存器），CMP（完成比较功能），JB（小于等于跳转），ADD（两数相加），DEC（自减1），JMP（无条件跳转），MUL(两数相乘)，OUT（输出）。
助记符号 IN Rd 指令格式 1 0 0 0 ×× 1 1 1 1 功 能 Rd ×× Rd Rd Rd Rd 将数据存到Rd寄存器 (Rs)→LED (Rs)+(Rd) →Rd (Rs)-(Rd),锁存CY和ZI (Rd)+1→Rd data→Rd OUT Rs ADD Rs,Rd CMP Rs,Rd Rs 1 1 0 0 ×× 1 0 1 0 Rs DEC Rd 1 1 0 1 ×× 1 0 0 1 ×× data MOV Rd,data JMP addr 1 1 1 0 ×××× addr addr→PC JB addr 1 0 1 1 ×××× addr 若小于，则addr→PC MUL Rs,Rd 0001 Rs Rd (Rs)*(Rd)→Rd 说明：①对Rs和Rd的规定：
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Rs或Rd 0 0 0 1 1 0 1 1 选定的寄存器 R0 R1 R2 R3 ②模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为8位，其格式如下：
7 符号位 6 5 4 3 2 1 0 尾数 5：所有机器指令的微程序流程图或CPU操作流程图 微程序控制器的设计过程如下：
（1）根据指令格式和指令系统设计所有机器指令的微程序流程图，并确定每条微指令的微地址和后继微地址；
（2）设计微指令格式和微指令代码表； （3）设计地址转移逻辑电路；
（4）设计微程序控制器中的其它逻辑单元电路，包括微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器；
（5）设计微程序控制器的顶层电路（由多个模块组成）。
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00 PC→AR PC+1 02 READ M BUS→IR P(1) MUL 01 RS→BUS BUS→AC IN 08 SW→BUS BUS→Rd MOV 09 PC→AR PC+1 CMP 0A Rs→BUS BUS→AC JB 0B PC→AR PC+1 ADD 0C RS→BUS BUS→AC DEC 0D Rd→BUS BUS→AC JMP 0E PC→AR PC+1 OUT 0F Rs→LED 15 Rd→BUS BUS→DR 03 00 ROM→BUS BUS→Rd 04 Rd→BUS BUS→DR 06 Rd→BUS BUS→DR 12 AC-1→BUS BUS→Rd 13 ROM→BUS BUS→PC 00 16 AC*DR→Rd 05 00 AC→DR 锁存FC、FZ P(2) 07 AC+DR→Rd 00 00 00 00 FS=0 20 ROM→BUS BUS→PC FS=1 00 30 00 00
6: 操作控制器单元
（1）设计微指令格式和微指令代码表
CISC模型机系统使用的微指令采用全水平型微指令，字长为25位，其中微命令字段为17位，P字段为2位，后继微地址为6位，其格式如下：
24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 LOAD LDPC LDAR LDIR LDRi RD_B RS_B S1 S0 ALU_B LDAC LDDR WR CS SW_B LED_B LDFR P1 P2 后继微地址
由微指令格式和微程序流程图编写的微指令代码表如下所示，在微指令的代码表中微命令字段从左边到右代表的微命令信号依次为：LOAD、LDPC、LDAR、LDIR、LDRi、RD_B、RS_B、S1、S0、ALU_B、LDAC、LDDR、WR、CS、SW_B、LED_B、LDFR。
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