微指令设计

设计指令/微指令系统

班级：计科1203   姓名：杜杨浩   学号：2012310200707

实验目的：设计若干条机器指令及对应的微程序

实验原理：

要设计一个指令/微指令系统，从本质上来讲要解决两个问题，第一就是新指令系统（即汇编语句），第二就是新微指令系统（即每条汇编语句所对应的微指令，以及每条微指令所对应的微命令）。换句话说就是要设计想要达到某种操作的标识符（汇编语句），以及为了达到这种操作计算机所要执行的各具体动作（微指令）。标识符的设计完全是个人的编程习惯及兴趣决定，但往往标识符要起到“顾名思义”的效果，使得可以通过查看标识符就了解相应的功能。设计汇编语句难度不高。难点和重点体现在如何设计实现汇编语句的微指令。要设计微指令就必须对计算机硬件十分熟悉，对计算机实现相应功能操作过程中的控制逻辑了如指掌，这样才可能设计出正确的微指令。而cp226模型机中有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。具体来讲，我们可以通过设置24位控制位的状态来设计相应的微命令，通过若干条微命令组合成微指令。

实验步骤/内容：

由实验原理我们知道要设计一个指令/微指令系统，我们必须要分别设计指令系统和微指令系统。指令系统的设计相对简单，只需要设计该汇编语句所对应的机器码，标识符，所占字节数，以及对应微程序在微程序寄存器中的首地址。下面给出我所设计的指令系统截图：

 

 对于指令的机器码设计在指令集文件中（供指令集窗口显示，可以省略），下面是我设计的与指令系统相对应的指令集截图：

 

由于指令集文件的设计信息包含了指令系统的信息，所以这里只对指令集文件做简单的说明。首先每个汇编语句都设计了唯一的标识符，然后给出了该汇编语句的机器码中头6位信息（因为硬件资源需要指令机器码的最低两位作为R0-R3寄存器寻址用，所以指令机器码要忽略这两位），需要注意的是不同汇编指令这6位数字不能完全相同，否则计算机无法识别具体指令。接下来给出了汇编语句所对应的微程序在微程序寄存器中的地址，例如_FATCH_指令所对应的微程序在寄存器中的地址为00到03，最后给出了每条汇编语句所占字节数及其要完成的功能。

设计完指令系统后，就要根据指令功能进行微指令系统的设计了。下面详细说明一下微指令系统的设计。在cp226模型机中每条指令最多分为四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，从而实现模型机的各种功能。这里统一将所有的指令设置为四个状态周期，便于计算机处理。下面是我所设计的微指令系统截图：

1）取指操作要做的工作是从程序存储器EM 中读出下条将要执行的指令，并将指令的机器码存入指令寄存器IR 和微程序计数器uPC 中，读出下条操作的微指令。根据此功能，观察窗口下方的各控制信号，有“勾”表示信号为高，处于无效状态，去掉“勾”信号为低，为有效状态。要从EM 中读数，EMRD 必需有效，去掉信号

下面的“勾”使其有效；读EM的地址要从PC 输出，所以PCOE 要有效，允许PC 输出，去掉PCOE下面的“勾”，PCOE有效同时还会使PC加1，准备读EM的下一地址；IREN是将EM 读出的指令码存入uPC 和IR，所以要去掉IREN 的“勾”使其有效。这样，取指操作的微指令就设计好了，取指操作的微指令的值为CBFFFFH。然后把助记符＂_FATCH_＂，状态＂T0＂，微地址＂００＂，微程序＂CBFFFFH＂。

 下面是微指令的执行截图：

 

2）对于第二条机器指令，把立即数装入累加器。首先要从EM中读出立即数，并送到数据总线DBUS，再从DBUS上将数据打入累加器A中，按照这个要求，从EM中读数据，EMRD应该有效，EM的地址由PC输出，PCOE必须有效，读出的输入送到DBUS，EMEN也应该有效，要求将数据存入A中，AEN也要有效。这样T1状态周期指令就为C7FFF7。T0状态周期执行取指操作，故T0状态周期的微指令为CBFFFF。

下面是微指令的执行截图：

3）下面再来看看立即数和累加器进行与运算需要做哪些工作，首先要从EM中读出立即数，并送到数据总线DBUS，再从DBUS上将数据打入工作寄存器W中，这是第一个状态周期需要做的事情。按照这个要求，从EM   中读数据，EMRD应该有效，EM的地址由PC输出，PCOE必须有效，读出的数据送到DBUS，EMEN应该有效，要求将输入存入W中，则WEN也应该有效。这样T1状态微指令的值为C7FFEF。第二个状态周期需要做的事情是：使工作寄存器W中的数据与累加器中的数据进行与运算，并将运算结果由数据总线送到累加器中，同时，将运算标志位送入ALU内部的标志寄存器中。按照这个要求，要进行与运算，S2S1S0的值必须为011，结果无需移位直接输出到DBUS，X2X1X0的值应为100（二进制），总线DBUS的值打入累加器中，则AEN必须有效，将标志位送入标志寄存器，FEN也应该有效，这样T0状态微指令的值为FFFE93。与此同时ABUS和IBUS空闲，取指操作可以并行执行，也就是以PC为地址，从EM中读出下条将要执行指令的机器码，并打入IR和uPC中，故 T0状态微指令的值为CBFE93。

下面是微指令的执行截图：

4）第四条指令和第三条指令基本类似，只是运算性质不同而已，

下面还是简单的分析一下微指令的设计。首先要从EM中读出立即数，并送到数据总线DBUS，再从DBUS上将数据打入工作寄存器W中，这是第一个状态周期需要做的事情。按照这个要求，从EM中读数据，EMRD应该有效，EM的地址由PC输出，PCOE必须有效，读出的数据送到DBUS，EMEN应该有效，要求将输入存入W中，则WEN也应该有效。这样T1状态微指令的值为C7FFEF。第二个状态周期需要做的事情是：累加器中的数据减去寄存器W中的数据，并将运算结果由数据总线送到累加器中，同时，将运算标志位送入ALU内部的标志寄存器中。按照这个要求，要进行减法运算，S2S1S0的组合必须为001，结果无需移位直接输出到DBUS，X2X1X0的值应为100（二进制），要求将数据总线DBUS的值打入累加器中，则AEN必须有效，将标志位送入标志寄存器，FEN也应该有效，这样T0状态微指令的值为FFFE91。与此同时ABUS和IBUS空闲，取指操作可以并行执行，也就是以PC为地址，从EM中读出下条将要执行指令的机器码，并打入IR和uPC中，故 T0状态微指令的值为CBFE91。

下面是微指令的执行截图：

5）本指令要将立即数存入寄存器中，分析如下：首先要从EM中读出立即数，并送到数据总线DBUS，再从DBUS上将数据打入寄存器中，这是第一个状态周期需要做的事情。按照这个要求，从EM中读数据，EMRD应该有效，EM的地址由PC输出，PCOE必须有效，读出的数据送到DBUS，EMEN应该有效，将数据总线DBUS上的数据打入到寄存器中，则RWR必须有效，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。这样T1状态周期的微指令为C7FBFF。T0状态为取值指令，故T0状态周期的微指令为CBFFFF。

下面是微指令的执行截图：

6）从累加器A中减去寄存器R?中的值，T1状态周期需要处理如下事情：从寄存器中读数据到数据总线DBUS，并将数据总线上的值打入工作寄存器W中。读寄存器数据，要求RRD必须有效，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。将数据总线上的数据打入工作寄存器W中，则WEN必须有效，这样T1状态周期的微指令为FFF7EF，T0状态周期需要处理如下事情：累加器A中的数据减去工作寄存器W中的数据，并将运算结果由数据总线送到累加器中，同时，将运算标志位送入ALU内部的标志寄存器中。按照这个要求，要进行减法运算，S2S1S0的组合必须为001，结果无需移位直接输出到DBUS，X2X1X0的值应为100（二进制），要求将数据总线DBUS的值打入累加器中，则AEN必须有效，将标志位送入标志寄存器，FEN也应该有效，这样T0状态微指令的值为FFFE91。与此同时ABUS和IBUS空闲，取指操作可以并行执行，也就是以PC为地址，从EM中读出下条将要执行指令的机器码，并打入IR和uPC中，故 T0状态微指令的值为CBFE91。

下面是微指令的执行截图：

7）最后一个指令要求将累加器的内容输出到输出端口，其操作为累加器A不做运算，直接输出，ALU结果不移位输出到DBUS，DBUS上的数据存入输出端口OUT，累加器A直通输出结果，S2S1S0值要为111（二进制），ALU结果不移位输出到数据总线DBUS      ,X2X1X0的值要等于100（二进制），DBUS数据要打入OUT，那么OUTEN应有效。与此同时ABUS和IBUS空闲，取指操作可以并行执行，也就是以PC为地址，从EM中读出下条将要执行指令的机器码，并打入IR和uPC中，故T0状态周期的微指令为CBDF9F。

实验总结：

 通过这次实验，我对计算机底层的运行情况有了一个更清晰的认识。记得大一时，老师总说高级语言先翻译成机器语言（汇编语言），然后才能执行，现在我才真正明白为什么要进行翻译，而不直接识别高级语言执行。简单的讲就是计算机只“认识“汇编语言，高级语言只有先转化成汇编语言，才能被计算机识别，并执行相应动作。或者更准确的解释是计算机只”认识“二进制语言，而汇编语言是二进制的符号化，所以才说计算机能够“认识”汇编语言。当然认识的前提是汇编语言先转化为二进制语言。通过自行设计指令/微指令系统，我感觉已经能够将汇编语言、计算机组成原理、以及高级语言很好的联系在一起了。一条高级语言对应若干条汇编语言，一条汇编语言对应一段微程序，微程序由若干条微指令组合而成，而一条微指令又对应若干个微命令，其中微命令是计算机可以直接运行的。这样逐层由外到内，由软件到硬件的结构构成了计算机系统。那么具体在设计的过程中，首先是设计汇编语言，这一部分的重点我在上述分析中已经给出了说明。然后是设计微指令，这是难点也是重点。要设计正确的微指令就要求我们对计算机硬件十分熟悉，对每条汇编指令的执行过程要非常清晰。另外，就是要注意微指令的执行顺序，以及微指令的构造，有些微命令不可以放在一个状态周期中，因为它们在执行的过程中可能产生某些类型的矛盾：例如共用一个寄存器，同时对内存进行写操作等等。

 另外，这次实验使我发现，自己对于硬件的确还是非常陌生，在以后的学习中要加强硬件的学习，同时，要注意理论联系实践，在实践的过程中加强理论的理解和认识。