计算机组成原理课程设计_微程序控制的运算器设计

实验四 微程序控制的运算器设计

实验分析

设计要求：

• 利用之前设计的具有超前进位功能的8位ALU，实现简单算术或逻辑运算
• 两操作数由八位寄存器R0、R1提供，其结果放入R2中。具体何种操作可由微命令任意设定（物理运算由ALU电路完成）。

实验要求完成如下所示的虚线框内的部分：

其中图片上方是运算器（ALU），下方是计数器（μPC）

另外因为实验要求的器件更改，图中有一部分是错误的，对照试验过程ALU中的右四位不应该是LM、DM、RM和C0，而应该是5位：M、S0-S3（对应74818的功能输入）

实现的功能

1. 按一下单脉冲（会形成一个负脉冲），会输入到三个信号中
   a. 在μRD的作用下，根据μPC的地址从ROM中取出24位的微指令代码（输入到μRD管脚中）
   b. 在CPμIR的作用下，ROM中的24位微指令代码输出到μIR微指令寄存器中（输入到CPμIR管脚中）
   c. μPC+1，形成下一次的8位地址（输入到μPC的clk中）
2. 其中，按第一次形成的24位微指令，将前八位输入R0（后5位不用管）
3. 按第二次，前八位输入R1（后5位不用管）
4. 按第三次，得到R2（后5位调成相应 加 命令）

负脉冲

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运算器结构：

输入：
1. 微指令数据的输入：μIR（23-16）共8个
2. 为了控制输入由R0还是R1保存，以及R2是否保存：需要额外3个输入用于选择（CPR0，CPR1，CPR2）
3. ALU选择进行哪些操作：需要5个输入（M，S0-S3）
输出：
1. R2的运算结果（8个）（从R2中输出）

取出的是24位的微指令代码，但只需要16个输入，也就是有8位是没有用处的，观察下图，μIR23-μIR16和μIR7-μIR0是用到的，其他是没有用到的

p是脉冲，CPRi是相应的寄存器的打入脉冲，只有在有p脉冲和底部CPRi的脉冲共同作用下，寄存器才能存储μIR23-μIR16的数据

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μPC的结构：

见下图连接，这里略

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微程序控制器的连接：

需求：

• 控制存储器ROM
  
  • 字长24位，由三个字长8位的ROM组成（实验系统自带）
• 微程序μPC计数器
  
  • 字长8位，向控制存储器提供8位的微地址（自己搭建）
• 微指令寄存器μIR（23-0）
  
  • 字长24位，需要显示出来（用24个信号灯L23-L0）（实验系统自带）
• 运算器ALU
  
  • 每次接收13个输入（前8位和后5位），经过命令后会产生8个输出

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运行流程

1. 按下脉冲键，形成一次脉冲，脉冲输入充当三个输入（μRD、CPμIR、CPRi）
2. μPC提供8位微地址 + 控存读信号（μRD、低电平有效） -> 控制存储器读出24位的微指令代码
3. 控制存储器的24位微指令代码 + 打入命令（CPμIR、高电平有效/） -> 送入微指令寄存器
4. 微指令寄存器的24位指令中，前8位直接输出到2个寄存器中；中8位没有用处；
5. 后8位中，前三位用来控制哪个寄存器有效，即控制前两个寄存器是否接受前8位的数据以及第三个寄存器是否接受ALU的运算结果，后五位用来控制ALU接受了前两个寄存器的输入后，经过怎样的运算输出

μPC

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μPC其实就是一个PC计数器，用来实现脉冲＋1和预置功能的，本次实验用两个74161实现8位计数器，样式如下

74161的功能表

上表一个没有说明的功能是：计数到1111时RCO=1，这样就使得进位可以连续下去

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8位寄存器

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8位寄存器是由8个D触发器组成的，用于实现存储值，具体实现如下：

D触发器的功能表：

也就是只要没有上升沿脉冲触发，output永远是之前的值不会变

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8位超前进位ALU

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然后是今天最后的8位超前进位ALU了，它有两个74181和一个74182组成。

原理：其中74181是4位加法器，本来可以通过串联直接变成8位加法器，但为了解决串联过程的延迟，于是通过一个74182（超前进位产生器）来实现超前进位，使运算速度更快（通俗一点，74182就是接收低四位的进位信息反馈给高四位的，本来可以直接两个74181传递，但是用74182更快一点）

实现如下：

74181的功能表

简单的说，An和Bn是输入的两组数，Sn是用于控制A和B实现什么运算的，Fn是运算的4位输出，C是是否有进位。
G和P有些特殊，G称为进位产生函数，Gi=Ai*Bi，也就是A和B都为1的时候本位会产生下一位的进位。
P称为进位传递函数，Pi=Ai+Bi，也就A和B有一个为1的时候，如果低位进1，则本位会产生进位
GN =G3+P3G2 +P3P2G1 +P3P2P1G0
PN =P3P2P1P0

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运算器设计

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最后就是将这些组件全都连接起来，并设置相应的管脚

这个如果不懂原理，直接照着连可能会看不懂..因为还设置了一些输出是用于调试的（没设置名字，直接是pin_namei的），建议弄清楚整个流程后再连。

整个过程是这样的：

红线和橙线先执行，然后执行蓝线
红线允许ROM从μPC的8位数据对应的地址中取24位数据输出到μIR指令寄存器，橙线允许指令寄存器接收ROM的24位数据并保存

随后μIR指令寄存器的数据保持输出状态，赋给上图橙色标注的管脚，执行相关的命令。
最后返回一开始的图，执行蓝线，计数器+1

在ROM中输入指令，重复三次脉冲，看到最后的结果

实验中的ROM指令是16进制输入的，找个进制转换网站解决吧。

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总结

这个实验一开始做是很懵逼的…而且老师的ppt我感觉很乱，就有种不知道从何处下手的感觉，其实这个实验理解透了很简单…就是控制ROM读指令到μIR，然后从μIR接收指令完成操作，也就是将μIR指令控制代替了开关控制，中间多了一步操作就是，但整个PPT我很难找到一个具有概括性质的话语，写这篇文章的时候我尽力的理清了一下思路，不敢说每个人都能看懂，但就逻辑的清晰度来看我觉得是要好很多的，就酱紫，下次实验见…

重大错误

• CPuIR是上升沿触发
• 是uPC先＋1，在下一次脉冲的时候才触发寄存器
• uRD和CPuIR不需要加否门，通向寄存器的需要加否门

如果不加，这次实验应该能完成，但下一次实验按照这个思路连就会出现莫名其妙的错误