基于proteus的CPU控制器設計（微程序版）

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數(shù)據(jù)通路

為了理解微程序控制器的設計思想，我們假設一個極簡的數(shù)據(jù)通路（如下圖1所示），由并聯(lián)在單條8位總線BUS上的三個部件組成：指令寄存器IR（寄存器74LS273構(gòu)成）、程序計數(shù)器PC（計數(shù)器74LS163構(gòu)成）、程序存儲器PROGRAM（ROM存儲器2764構(gòu)成）。

圖1. 數(shù)據(jù)通路圖

在數(shù)據(jù)通路上所能執(zhí)行的某一種操作可以看作是一條對應的“指令”，則該數(shù)據(jù)通路能執(zhí)行的所有操作可以用一個極簡的指令集（只包含四條指令）來描述，如下表1所示：

表1. 微程序控制器指令集列表

按照上述指令表1的指令格式，用戶可以編寫一段機器語言程序存放在程序存儲器PROGRAM中，如下表2所示。其中每一個存儲器單元存放一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，對應唯一的8位二進制地址（由地址寄存器AR鎖存）。若用戶需要訪問程序存儲器的某個單元，須由程序計數(shù)器PC提供該單元的地址，才能從程序存儲器取出該單元中的數(shù)據(jù)。因為程序是順序訪問的，所以程序計數(shù)器PC是由兩個計數(shù)器74LSl63級聯(lián)構(gòu)成的一個8位遞增計數(shù)器PC。當前指令從程序存儲器PROGRAM取出，并鎖存到指令寄存器IR后，PC自動執(zhí)行PC+1操作，指向相鄰下一條指令。

表2. 程序存儲器PROGRAM中的機器語言程序

微程序設計原理

仔細分析上述圖1和表1可知，數(shù)據(jù)通路的各條指令狀態(tài)圖如下圖2所示：所有指令的取指操作都是相同的，即是上圖1中紫色箭頭所示的指令流（ROM→IR）：CPU從程序存儲器PROGRAM取出指令，經(jīng)過總線BUS流向指令寄存器IR。NOP和HLT指令只有上述取指操作，沒有執(zhí)行操作（HLT指令取指后硬件停機）；而JMP1和JMP2指令除了上述取指操作外，實際只有一種執(zhí)行操作，即上圖1中紅色箭頭所示的數(shù)據(jù)流（ROM→PC）：CPU從程序存儲器PROGRAM取出數(shù)據(jù)，經(jīng)過總線BUS流向程序計數(shù)器PC。兩種跳轉(zhuǎn)指令不同之處在于：JMP1指令的第二字節(jié)是目標地址（直接尋址），只要一次數(shù)據(jù)流（ROM→PC）就把目標地址送入PC；而JMP2指令的第二字節(jié)是存放目標地址的存儲器單元地址（間接尋址），需要連續(xù)兩次數(shù)據(jù)流（ROM→PC）才能把目標地址送入PC。

圖2. 微程序控制器指令狀態(tài)圖

在上圖2中，雖然微程序控制器指令的狀態(tài)類型只有兩種（指令流和數(shù)據(jù)流），但是每一條指令擁有的狀態(tài)數(shù)目都不盡相同，其中最關(guān)鍵問題是如何根據(jù)不同的指令來判斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。因此我們可以采用微程序原理來解決這個問題：圖2中每一條指令都是一個任務，一個狀態(tài)則對應一條微指令。若干條微指令組合成一段微程序，解決相對應的任務。
微指令的字長設為24位，結(jié)構(gòu)如下圖3所示：
1-5位表示該微指令執(zhí)行后，下一條微指令的地址 [uA4, uA0]（即下址轉(zhuǎn)移方式）；
6-7位是判斷字段Px：P1=1表示該微指令是取指微指令；，P2空缺。
8-24位是微命令字段：微命令即是圖1所示數(shù)據(jù)通路中的微操作信號，其中某位置“1”，表示該位的微命令有效；反之，置“0”則表示該位的微命令無效。

圖3. 微指令結(jié)構(gòu)圖

仔細觀察數(shù)據(jù)通路圖1，可以發(fā)現(xiàn)指令的取指或執(zhí)行過程都是指令或數(shù)據(jù)從一個部件打入總線BUS，再從總線BUS打入另一個部件的過程。為了保證上述操作先后次序，指令流（ROM→IR）和數(shù)據(jù)流（ROM→PC）都分為T1和T2兩個周期：T1周期，信息從源部件（例如程序存儲器PROGRAM）打入總線BUS；T2周期，信息從總線BUS打入目標部件（例如指令寄存器IR或者程序計數(shù)器PC），如下表3所示。因此，在圖3所示的微操作信號中，除了信號#OE(存儲器輸出使能)和#LDPC(PC加載使能)是全過程有效外，其他信號需要與T1或T2周期節(jié)拍信號邏輯“與”，產(chǎn)生新的邊沿觸發(fā)信號，在指定周期開始時刻上升沿跳變，例如AR_CLK=LDAR?T1，IR_CLK=LDIR?T2，PC_CLK=PC_INC?T2

表3. 數(shù)據(jù)通路的微操作信號列表

綜合上述微指令結(jié)構(gòu)圖3和微操作信號列表3，通過分析微程序控制器指令狀態(tài)圖2，可以得到如下圖4所示的微程序流程圖：圖中每一個方框在時間上表示一個微指令周期，包括T1（源部件→總線）和T2（總線→目標部件）兩個周期；在空間上表示一條微指令，通過一系列微操作信號使得信息從某個源部件經(jīng)過總線BUS到達目標部件。圖中每個方框的右上方是對應微指令的地址，右下方是對應微指令的下一條微指令的地址（簡稱下址）。

圖4. 指令的微程序流程圖

上述微程序流程圖4中，最上方首先執(zhí)行的方框是公共的取指微指令，即指令流（ROM→IR）。取出指令后， P1菱形框表示指令譯碼及地址轉(zhuǎn)移：根據(jù)當前指令OP碼的[I7,I6,I5]位形成其執(zhí)行周期第一條微指令地址[0,0,I7,I6,I5]，從而選擇該指令的執(zhí)行周期。菱形框下的四條路徑對應指令列表1所述的四條指令的執(zhí)行周期，其中每個方框是一條執(zhí)行微指令，即數(shù)據(jù)流（ROM→PC）。值得注意的是，NOP指令和HLT指令只有取指周期，沒有執(zhí)行周期。NOP指令的OP碼是000，取指后譯碼得到的第一條微指令地址仍為[00000]，即直接返回下一條指令的取指周期。而HLT指令的OP碼是111，譯碼后直接令硬件停機。在所有路徑末尾，最后一條微指令的下址[uA4-uA0]都必須是取指微指令地址[00000]，即一條指令結(jié)束后必須返回取指微指令，準備取出下一條指令。如圖4左上方所示，整個數(shù)據(jù)通路的運行過程就是不斷循環(huán)的取指令和執(zhí)行指令。圖4中總共有三條微指令，其編碼如下表4所示（具體位置的微命令含義請參考微指令結(jié)構(gòu)圖3）。

表4. 微指令列表

微程序控制器

上述微指令列表4相當于一個并行的操作開關(guān)序列，用戶根據(jù)微程序流程圖4，在規(guī)定的微指令周期（方框），按照規(guī)定的節(jié)拍Tx，撥動特定的操作開關(guān)序列（微指令），就可以實現(xiàn)從程序存儲器PROGRAM中取出和執(zhí)行一條機器指令。更進一步，我們可以用時序發(fā)生器輸出預定的時序，通過微程序控制器按時序自動產(chǎn)生操作信號，代替用戶在數(shù)據(jù)通路中完成的人工操作。時序發(fā)生器(CLOCK UNIT)、微程序控制器(CONTROLL UNIT)和數(shù)據(jù)通路共同構(gòu)成一個最小版本的CPU，如下圖5所示。

圖5. 最小版本CPU電路圖

在上述CPU電路圖5中，代替用戶人工操作的CPU部件是微程序控制器(CONTROLL UNIT)，由控制存儲器、微指令寄存器、微地址寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯電路組成，如下圖6所示。CPU啟動或復位后，微地址寄存器清零，控制存儲器從地址[00000]開始輸出微指令。如前述微指令結(jié)構(gòu)圖3所示，微指令包括了控制字段、下址字段和判斷字段。控制字段即下圖6中的微命令字段，直接輸出微操作信號執(zhí)行當前微指令；下址字段鎖存在微地址寄存器，待當前微指令執(zhí)行完后，再從控制存儲器取出下一條微指令。若當前微指令是取指微指令，則P字段啟動地址轉(zhuǎn)移，根據(jù)指令寄存器IR中的OP碼修改微地址寄存器，轉(zhuǎn)向指令執(zhí)行周期的第一條微指令。

圖6. 微程序控制器結(jié)構(gòu)圖

存放上述微指令列表4的存儲器電路如下圖7所示：微指令存儲器字長24位，由3個2764芯片MROM1-3組成，其輸出端則連接著微指令寄存器MDR1-3（寄存器74LS273和74LS175構(gòu)成）。在系統(tǒng)啟動（信號ON=1）或T1周期開始（信號T1=1）時刻， MROM1-3輸出當前微指令的微操作信號，鎖存在MDR1-3，送往數(shù)據(jù)通路執(zhí)行。部分微操作信號（LDAR、LDIR、PC_INC）與T1或T2節(jié)拍組合，產(chǎn)生邊沿觸發(fā)信號(AR_CLK、IR_CLK、PC_CLK)，在T1或T2周期開始時刻上升沿跳變。

圖7. 微程序控制器的存儲器電路
如下圖8所示，控制器的微地址寄存器字長五位(MA4-MA0)，由觸發(fā)器74LS74組成，其輸入端通過NMABUS總線連接當前微指令的下址字段[uA4-uA0]，其輸出端通過控制存儲器的地址總線MABUS送到控制存儲器的地址端A4~A0。值得注意的是，上述微程序控制器結(jié)構(gòu)圖6中的地址轉(zhuǎn)移邏輯（即微程序流程圖4中的菱形框P1）在下圖8中對應的就是三個三路與非門74LS10。在取指周期末尾，微指令下址字段本來是[00000]；然而判斷字段P1=1，啟動地址轉(zhuǎn)移邏輯，根據(jù)指令寄存器IR的OP碼[I7,I6,I5]生成信號#SET_MAx=0，強制把微地址寄存器MA4-MA0置位為[0,0,I7,I6,I5]，即該指令執(zhí)行周期的第一條微指令地址。

圖8. 微地址寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯

上述微程序的地址轉(zhuǎn)移過程需要在微指令周期增加T3和T4兩個周期：T3周期，當前微指令的下址字段[uA4-uA0]通過NMABUS總線打入微地址寄存器MA4-MA0，進而通過地址總線MABUS送往微指令存儲器MROM1-3的地址端，使其輸出下一條微指令；T4周期，若當前微指令是執(zhí)行周期微指令，則P1=0，無任何操作；若當前微指令是取指周期微指令，則P1=1，啟動地址轉(zhuǎn)移邏輯，重置微指令地址，跳轉(zhuǎn)到當前指令的執(zhí)行周期第一條微指令。
綜上所述，一條CPU指令就是一段微程序，其中包含若干條微指令（至少有一條是取指微指令）。所以，“微程序”時序如下圖9（左）所示：每個指令周期都包含了若干條微指令的機器周期（即微指令周期），其中至少有一個取指微指令周期。而且，每一條微指令的運行過程都可以看成是一個狀態(tài)機，如下圖9（右）所示：狀態(tài)機有4個狀態(tài){T1,T2,T3,T4}，每個狀態(tài)【Tx】完成從取指、執(zhí)行到判斷下址的相應任務，狀態(tài)轉(zhuǎn)移T1→T4的一次循環(huán)即是一個微指令周期。因此，每個微指令周期內(nèi)部包含了四個節(jié)拍信號Tx，對應“微指令”狀態(tài)機的4個狀態(tài){T1,T2,T3,T4}，狀態(tài)機周而復始在四個狀態(tài)【Tx】之間順序轉(zhuǎn)移，

圖9. 微程序的時序圖和狀態(tài)機

CPU時序發(fā)生器如下圖10所示，主要功能是為上述微程序控制器提供時序控制。其中最核心的狀態(tài)轉(zhuǎn)移電路是由兩個D觸發(fā)器組成的一個2位扭環(huán)計數(shù)器，輸出節(jié)拍序列{T1,T2,T3,T4}={00,01,11,10}。CLK為整個CPU電路的時鐘信號，可以由手動按鍵MANUAL_CLK或方波信號源AUTO_CLK生成（雙擊信號源可以自行選擇方波信號頻率）。
時序發(fā)生器還提供了硬件電路實現(xiàn)HLT指令的停機功能（即斷點）。當指令寄存器IR的OP碼I7I6I5=111的時候，停機信號#HLT=0，阻塞CLK輸出，CPU停機在HLT指令的取指周期T2節(jié)拍上。跳出HLT指令斷點的復位過程與上述初始化過程相同，信號 #RESET=0令指令寄存器IR清零，OP碼[I7,I6,I5]=000，則#HLT=1，跳出“斷點”；同時，扭環(huán)計數(shù)器強制為狀態(tài)T1={00}。#RESET=1，復位成功，CPU進入HLT指令后續(xù)下一條指令的取指周期T1節(jié)拍。
此外，為了觀測微程序的運行，時序發(fā)生器電路提供了一個由節(jié)拍信號T1上升沿驅(qū)動的雙位微指令計數(shù)器MICRO-I（兩個十進制加法計數(shù)器74LS160級聯(lián)構(gòu)成），通過數(shù)碼管顯示當前運行第幾條微指令，顯示范圍是1~99，如下圖10右邊所示。

圖10. 微程序控制器的時序發(fā)生器

參考資料

本文的內(nèi)容節(jié)選自作者編撰的教材專著《基于Proteus的計算機系統(tǒng)實驗教程——邏輯、組成原理、體系結(jié)構(gòu)、微機接口》（機械工業(yè)出版社），更詳細的內(nèi)容可以直接在書中查閱。
讀者如有興趣，可以在 當當網(wǎng)圖書， 京東圖書，亞馬遜上搜索作者姓名賴曉錚即可找到這本著作。

本書詳細描述了在proteus虛擬仿真環(huán)境中，從邏輯電路開始，一步一步構(gòu)造運算器、存儲器、控制器，最終用三種CPU體系架構(gòu)（微程序、硬布線、流水線）實現(xiàn)了一個8位的CPU。并且，這個CPU不僅可以做邏輯、算術(shù)運算，擁有循環(huán)、分支、堆棧等程序結(jié)構(gòu)，還可以完整實現(xiàn)對8086所有外設的控制，即替代8086完整實現(xiàn)了傳統(tǒng)《微機原理》里講到的所有外設實驗。
本書的全部proteus工程文件，PPT，實驗視頻以及配套的兩種形式課程設計（純匯編、硬件改動）的資料都放在 百度網(wǎng)盤，提取密碼：34ad
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總結(jié)

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