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西电计组课设

2025-09-10

西电

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计组课设

实验目的#

最重要的，咱先来确定一下实验的目标和思路。

本次计组实验课设要求我们设计并实现一个微程序，即在 ROM 中存储一系列微指令，完成某些我们自定义的功能。

其次是思路，实验手册中给的微指令有 24 位，每一位都是有用的，咱们需要弄清楚每一位的作用，才能设计出符合要求的微程序。

24..21	20	19	18	17 16	15..13	12..10	9..6	5..0
S[3..0]	M	Cn	WE	A9 A8	A	B	C	uA

高 6 位主要是和 ALU 的操作相关：

S	M=0 (Mathmatical)	M=1 (Logical)
0000	$A + CN$	$\overline{A}$
0001	$(A \lor B) + CN$	$\overline{(A \lor B)}$
0010	$(A \lor \overline{B}) + CN$	$(\overline{A}) \land B$
0011	$0 - CN$	$0$
0100	$A + (A \land \overline{B}) + CN$	$\overline{(A \land B)}$
0101	$(A \lor B) + (A \land \overline{B}) + CN$	$\overline{B}$
0110	$A - B - CN$	$A \oplus B$
0111	$(A \land \overline{B}) - CN$	$A \land \overline{B}$
1000	$A + (A \land B) + CN$	$(\overline{A}) \lor B$
1001	$A + B + CN$	$\overline{(A \oplus B)}$
1010	$(A \lor \overline{B}) + (A \land B) + CN$	$B$
1011	$(A \land B) - CN$	$A \land B$
1100	$A + A + CN$	$1$
1101	$(A \lor B) + A + CN$	$A \lor \overline{B}$
1110	$(A \lor \overline{B}) + A + CN$	$A \lor B$
1111	$A - CN$	$A$

最简单的开始#

就拿 R0->DR1 这个微操作举例，上学期我们都学过计组，那么我们就知道这个微操作的微命令应该是 R0out 和 DR1in。

而当我们去查看实验操作手册里面的说明可以发现，ABC 字段的作用已经给你了，我们只需要进行相应的解析，然后就能得到下面这张表：

nop 是无操作

A(15..13)	Func	description	B(12..10)	Func	description	C(9..7)	Func
0 0 0	nop		0 0 0	nop		0 0 0	nop
0 0 1	LDRi	BUS->Ri	0 0 1	RS-B	Rs->BUS	0 0 1	P(1)
0 1 0	LDDR1	BUS->DR1	0 1 0	RD-B	Rd->BUS	0 1 0
0 1 1	LDDR2	BUS->DR2	0 1 1			0 1 1
1 0 0	LDIR	BUS->IR	1 0 0			1 0 0	P(4)
1 0 1	LOAD		1 0 1	ALU-B	ALU->BUS	1 0 1	LDAR
1 1 0	LDAR	BUS->AR	1 1 0	PC-B	PC->BUS	1 1 0	LDPC

还有 A9A8 对应的操作：

A9 A8	Func	description
0 0	SW-B	SW->BUS
0 1	RAM-B	RAM->BUS
1 0	OUT-B	OUT->BUS
1 1	nop

显而易见，R0out 对应 RS-B, DR1in 对应 LDDR1，C 字段没有我们需要的操作，那么我们就确定了微指令的 ABC 字段。

又因为我们当前的操作不需要 ALU 和外部 IO，所以 ALU 相关的操作置 0, A9A8 置 1即可。

最后就能得出 R0->DR1 操作除去微地址的微指令为 0000 0001 1010 0010 00

正式开始#

我们先来看一下实验手册中给出的微指令流程图：

可以看到左侧的 运行微程序 部分当中，指令会先被送入 IR 指令寄存器，然后进行解析得出 P[1] 信号，根据 P[1] 电路可以判断指令应该跳到地址进行下一步数据的读取。

数据的读取需要依靠 AR 地址寄存器指定数据在 RAM 中的位置，而 AR 的值则是由 PC 程序计数器提供的，PC 的值会在每次时钟上升沿时加 1（C 字段必须是 101, PC 才会自增），从而实现顺序读取指令。

因此如果我们要设计 ADD 这种指令，我们需要知道它在基本模型机当中要执行的微操作有哪些，以微程序流程图中的 ADD 指令为例：

01ED83 取地址：PC -> AR，PC + 1 -> PC
00E004 读数据的地址：RAM[AR] -> AR
00B005 读数据：RAM[AR] -> DR2
01A206 读寄存器数据：R0 -> DR1
919A01 做加法：DR1 + DR2 -> R0

你没看错，是 00E004 而不是 00ED04；01A206 也一样，手册有错误，注意甄别~

这些微操作我们通过数据通路框图来推理：

ADD 指令需要 5 条微指令来完成，概括就是取值+操作。

而我在本次课程设计中实现的是栈的基本操作：栈初始化 INIT、入栈 PUSH 、出栈 POP以及查看栈顶元素 TOP，思路和 ADD 指令类似。

PUSH#

入栈操作用 C 语言描述的话就是：array[--top] = value

这里 --top 是因为栈顶指针是从高地址向低地址增长的。

所以 PUSHI 指令的微操作大概可以描述为：

保存栈顶指针
将输入的值存入 RAM[栈顶指针]
更新栈顶指针

在 PUSH 操作之前需要先确定栈顶指针的初始值

栈顶指针可以保存在 R0 中，后续通过 DR1 进行类似保护现场的操作。

所以，PUSH 指令的微操作可以设计为：

临时保存栈顶指针：R0 -> DR1
保存输入值：DR1-1 -> AR, [获取需要的数据 -> R0], R0 -> RAM[AR]
更新栈顶指针：DR1-1 -> R0

PUSH 指令获取数据的方式可以有两种：

实验箱手动输入值
将 RAM 中的值寻址入栈

了解了 PUSH 指令的微操作框架之后，后续的指令微操作就很好设计了，也是类似的。

下面是我的计组课设流程图，仅供参考：

绘图工具: mermaid

西电计组课设

https://yang-zhihang.github.io/posts/xdu/computer-architecture/curriculumn-design/

作者

ZamYang

发布于

2025-09-10

许可协议

CC BY-NC-SA 4.0

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