宗德才， 王康康

(1.常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟215500;2.江蘇科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的核心基礎(chǔ)課之一，在整個計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中起著承上啟下的作用[1]。該課程具有涉及面廣、抽象性強(qiáng)和學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于對抽象理論的理解，因此，必須對該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)給以足夠的重視[2]。

目前，我?！坝?jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是基于清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研制的TEC-XP16 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)而開展進(jìn)行的。與大多數(shù)高校一樣，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，主要停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)部分，為了使學(xué)生更好地掌握計(jì)算機(jī)的各個組成部件的工作原理，理解指令的執(zhí)行流程，系統(tǒng)地建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)及開發(fā)能力，需要開發(fā)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。為此，我們在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，以擴(kuò)展六條指令為例介紹了在TEC-XP16教學(xué)機(jī)組合邏輯控制器中擴(kuò)展指令的主要過程，并以擴(kuò)展SWRR指令為例，詳細(xì)介紹了如何在控制器的源文件中添加擴(kuò)展指令的控制信號的邏輯表達(dá)式、編譯控制器的源文件、對MACH器件進(jìn)行編程、編寫程序驗(yàn)證擴(kuò)展指令是否正確的整個過程。以此作為TEC-XP16實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

1 組合邏輯控制器的組成及其原理

根據(jù)指令步驟標(biāo)記線路和控制信號產(chǎn)生線路不同的組成和不同的運(yùn)行原理，有兩種控制器：組合邏輯控制器和微程序控制器。

組合邏輯控制器采用組合邏輯線路、依據(jù)指令及其執(zhí)行步驟直接產(chǎn)生控制信號。

微程序控制器采用存儲器電路把控制信號存儲起來，依據(jù)指令執(zhí)行的步驟讀出要用到的信號組合。

TEC-XP16 教學(xué)機(jī)中同時實(shí)現(xiàn)了微程序和組合邏輯兩種控制器[3]。

組合邏輯控制器由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、節(jié)拍發(fā)生器Timer 和控制信號產(chǎn)生部件CU 4 部分組成[4]。PC用于提供待讀出指令在主存儲器中的地址，IR 用于保存從主存儲器中讀出的指令內(nèi)容，Timer 用于給出并維護(hù)指令執(zhí)行步驟的編碼(節(jié)拍狀態(tài)編碼)，控制信號產(chǎn)生部件用于依據(jù)指令內(nèi)容(在IR中)和指令執(zhí)行所處的操作步驟(節(jié)拍狀態(tài)編碼)，用組合邏輯線路產(chǎn)生計(jì)算機(jī)本操作步驟中各個部件所需要的控制信號。TEC-XP16 教學(xué)機(jī)中的組合邏輯控制器主要是由 MACH 器件實(shí)現(xiàn)的。

在教學(xué)機(jī)中，組合邏輯控制器發(fā)出的32位控制信號中控制運(yùn)算器的控制信號有23位I8I7I6、I5I4I3、I2I1I0、A3A2A1A0、B3B2B1B0、SST2SST1SST0、SSHSCI1SCI0，控制內(nèi)存或I/O接口的控制信號有3位_MIO 、REQ、_WE，控制內(nèi)部總線數(shù)據(jù)來源的有3位DC1_2、DC1_1、DC1_0，控制專用寄存器接收的控制信號有3位DC2_2、DC2_1、DC2_0[5]。

2 設(shè)計(jì)組合邏輯控制器的擴(kuò)展指令

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)中，兩種控制器的主要功能線路都集中到一片高集成度CPLD 器件(MACH芯片)中實(shí)現(xiàn)，在完成擴(kuò)展指令的實(shí)驗(yàn)中，可以不對 MACH 芯片之外的電路作任何變動，全部操作都集中到修改描述 MACH 芯片功能的 ABEL 或 VHDL 語言的程序代碼，執(zhí)行編譯和下載操作以及運(yùn)行調(diào)試這樣幾步工作。MACH 器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的電路，都是通過設(shè)計(jì)描述其功能的邏輯表達(dá)式體現(xiàn)出來的，這些邏輯表達(dá)式的分段清晰，實(shí)現(xiàn)的功能彼此獨(dú)立，可讀性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)與變更設(shè)計(jì)容易，不必過多處理功能線路之間的布線連接，可以保證更高的實(shí)驗(yàn)效率。設(shè)計(jì)描述MACH 芯片所實(shí)現(xiàn)功能的程序源代碼是設(shè)計(jì)控制器的主要工作[5]。

在現(xiàn)有的 TEC-XP16 教學(xué)機(jī)中，描述控制器功能的ABEL 語言源文件只實(shí)現(xiàn)了組合邏輯控制器一種控制器，并且只實(shí)現(xiàn)了29條基本指令。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了六條擴(kuò)展指令：

ADD1 DR,SR、MVRT DR,SR、NOT DR、LDRA DR,[ADR]、SWRR DR,SR、SWRM DR,[SR]。

2.1 設(shè)計(jì)條件

(1) 硬件條件：TEC-XP16 教學(xué)機(jī)、PC機(jī)、Lattice USB 下載電纜HW-USB-2A；

(2) 軟件條件：Lattice ispLEVER Classic 2.0軟件、WinPcec軟件；

2.2 擴(kuò)展指令的具體過程

在TEC-XP16教學(xué)機(jī)的組合邏輯控制器中擴(kuò)展指令的具體過程如下：

(1)確定這六條擴(kuò)展指令的格式和功能，如表1所示。

(2)劃分指令的執(zhí)行步驟并設(shè)計(jì)每一步的執(zhí)行功能，設(shè)計(jì)節(jié)拍狀態(tài)的取值，如表2所示。

指令A(yù)DD1屬于A組指令，實(shí)現(xiàn)的功能是DR+SR→DR，實(shí)現(xiàn)的功能與ADD指令相同，但是操作碼與ADD指令不同。執(zhí)行A組指令只需一個節(jié)拍即可完成，0011節(jié)拍完成DR+SR→DR。

指令MVRT屬于A組指令，實(shí)現(xiàn)的功能是DR→SR。執(zhí)行A組指令只需一個節(jié)拍即可完成，0011節(jié)拍完成DR→SR。

指令NOT屬于A組指令，實(shí)現(xiàn)的功能是/DR→DR，即將DR寄存器內(nèi)容每一位取反。執(zhí)行A組指令只需一個節(jié)拍即可完成，0011節(jié)拍完成/DR→DR。

指令LDRA屬于C組指令，所對應(yīng)的二進(jìn)制指令為1110 0100 DR0000 ADR，實(shí)現(xiàn)的功能是DR←[ADR]，即讀出教學(xué)機(jī)主存中地址為ADR的內(nèi)存單元中的內(nèi)容送至DR寄存器。執(zhí)行C組指令需要三個節(jié)拍： 0110節(jié)拍完成PC→AR，PC+1→PC，0111節(jié)拍完成MEM→AR，即讀出教學(xué)機(jī)主存中以寄存器R5(教學(xué)機(jī)中PC即R5)的內(nèi)容為地址的內(nèi)存單元中的值A(chǔ)DR送至寄存器AR，0101節(jié)拍完成MEM→DR，即讀出教學(xué)機(jī)主存中地址為ADR的內(nèi)存單元中的內(nèi)容送至DR寄存器。

表1 六條擴(kuò)展指令的指令格式與功能

表2 六條擴(kuò)展指令的執(zhí)行步驟表

指令SWRR屬于C組指令，實(shí)現(xiàn)的功能是DR與SR的值互換。執(zhí)行C組指令需要三個節(jié)拍：0110節(jié)拍完成DR→Q，0111節(jié)拍完成SR→DR，0101節(jié)拍完成Q→SR。

指令SWRM屬于D組指令，實(shí)現(xiàn)的功能是DR與[SR]的值互換，即將DR寄存器的值與教學(xué)機(jī)主存中以寄存器SR的內(nèi)容為地址的內(nèi)存單元中的值互換。執(zhí)行D組指令需要四個節(jié)拍：①0110節(jié)拍完成DR→Q，0100②節(jié)拍完成SR→AR，③0111節(jié)拍完成MEM→DR，即讀出教學(xué)機(jī)主存中以寄存器SR的內(nèi)容為地址的內(nèi)存單元中的內(nèi)容送至DR寄存器，④0101節(jié)拍完成Q→MEM，將寄存器Q中的內(nèi)容寫入教學(xué)機(jī)主存中以寄存器SR的內(nèi)容為地址的內(nèi)存單元中。

(3)根據(jù)表2，在指令執(zhí)行流程表中填寫節(jié)拍狀態(tài)以及每個節(jié)拍狀態(tài)下各個控制信號的狀態(tài)值，如表3所示。注意：表3中指令操作碼用十六進(jìn)制數(shù)表示。

(4)在現(xiàn)有的MACH器件的ABEL語言源文件中添加所設(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令的控制信號的邏輯表達(dá)式，編譯適配后下載到 MACH 器件中。

表3 六條擴(kuò)展指令的執(zhí)行流程表

(5)寫一個包含所設(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令的程序，通過運(yùn)行該程序檢查執(zhí)行結(jié)果的正確性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的擴(kuò)展指令是否正確。

在控制器的ABEL源文件中擴(kuò)展指令時，先添加一條擴(kuò)展指令的所有控制信號的邏輯表達(dá)式，然后再添加第二條擴(kuò)展指令的所有控制信號的邏輯表達(dá)式。以此類推。這樣做的目的是便于調(diào)試、易于發(fā)現(xiàn)錯誤。

3 SWRR擴(kuò)展指令的實(shí)現(xiàn)

下面將以SWRR指令為例，介紹在組合邏輯控制器的ABEL源文件中添加擴(kuò)展指令的控制信號的邏輯表達(dá)式，編譯控制器的ABEL源文件，對MACH器件編程，編寫程序驗(yàn)證擴(kuò)展指令是否正確的整個過程。

(1)啟動Lattice ispLEVER Classic 2.0中的ispLEVER Classic Project Navigator軟件，新建一個項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱必須是lc4256。

(2)選擇器件類型，如圖1所示。

(3)單擊“Add Source”按鈕，添加控制器源文件m256c.abl，如圖2所示。然后，單擊“完成”按鈕。

(4)右鍵單擊m256c.abl文件，選擇“Open”命令。在文本編輯器中打開m256c.abl文件，如圖3所示。

(5)在文本編輯器中修改m256c.abl控制器源文件。

圖1 選擇器件類型

圖2 添加源文件

圖3 打開源文件

在CALR=(IR==[1,1,1,0,0,0,0,0]);后面加一行代碼：SWRR=(IR==[1,1,1,0,0,0,1,0]);

依據(jù)表3指令執(zhí)行流程表的內(nèi)容修改組合邏輯控制器32位控制信號的邏輯表達(dá)式。

在m256c.abl文件中，某個控制信號前面有!符號的，表示只有當(dāng)某條指令在某個節(jié)拍該信號為0時，才需要將該條指令的操作碼和節(jié)拍狀態(tài)編碼加入其邏輯表達(dá)式；某個控制信號前面無！符號的，表示當(dāng)某條指令在某個節(jié)拍該信號為1時，才需要將該條指令的操作碼和節(jié)拍狀態(tài)編碼加入其邏輯表達(dá)式。

例如，!_MIO控制信號，只有當(dāng)某條指令在某個節(jié)拍/M信號為0時，才需要將該條指令的操作碼和節(jié)拍狀態(tài)編碼加入其邏輯表達(dá)式。從表3可看出，SWRR指令在其三個節(jié)拍中/M信號都是1，所以!_MIO表達(dá)式不需修改。REQ控制信號，當(dāng)某條指令在某個節(jié)拍R信號為1時，才需要將該條指令的操作碼和節(jié)拍狀態(tài)編碼加入其邏輯表達(dá)式。從表3可看出，SWRR指令在其三個節(jié)拍中R信號都是0，所以REQ表達(dá)式不需修改。同理，_WE控制信號的邏輯表達(dá)式不需修改。

從表3可看出，SWRR指令在0111節(jié)拍時I2信號為1，所以在I2控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼和0111節(jié)拍狀態(tài)編碼，即當(dāng)節(jié)拍為0111、操作碼為11100010(由SWRR=(IR==[1,1,1,0,0,0,1,0])，此時SWRR為1)時，I2控制信號為1，IR13為1表示擴(kuò)展指令，#為或運(yùn)算，&為與運(yùn)算。

I2=C_M&((T==[0,0,1,1])&(MVRR#JR#JRC#

JRNC# JRZ#JRNZ)#

(T==[0,1,1,0])&(LDRR#IN_#OUT)#

(T==[0,1,1,1])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,1,0,0])&(MVRD#LDRR#POP#JMPA#RET#STRR#PUSH#IN_#OUT)#

(T==[0,1,0,0])&CALA);

從表3可看出，SWRR指令在0110節(jié)拍和0101節(jié)拍時I1信號為1，所以在I1控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼和0110、0101節(jié)拍狀態(tài)編碼，即當(dāng)節(jié)拍為0110、0101，操作碼為11100010(由SWRR=(IR==[1,1,1,0,0,0,1,0])，此時SWRR為1)時，I1控制信號為1。

I1 = C_M&((T==[0,0,0,0])#

(T==[0,0,1,1])&(INC#DEC#SHL#SHR)#

(T==[0,1,1,0])&(MVRD#JMPA#STRR#POP# POPF#PUSH#PSHF#RET#IN_#OUT#CALA)# (T==[0,1,0,0])&(MVRD#LDRR#POP#JMPA#RET#IN_)#

(T==[0,1,1,0])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,1,0,1])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,1,0,0])&(CALA)#

(T==[0,1,1,1])&(CALA)#

(T==[0,1,0,1])&(CALA));

從表3可看出，SWRR指令在0111節(jié)拍和0101節(jié)拍時I0信號為0，所以在I0控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼和0111、0101節(jié)拍狀態(tài)編碼，即當(dāng)節(jié)拍為0111、0101，操作碼為11100010(由SWRR=(IR==[1,1,1,0,0,0,1,0])，此時SWRR為1)時，I0控制信號為0。

!I0 = C_M&((T==[0,0,1,0])#

(T==[0,0,1,1])&MVRR#

(T==[0,1,1,0])&LDRR#

(T==[0,1,0,0])&(POPF#STRR#PUSH#PSHF#OUT)#

(T==[0,1,1,1])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,1,0,1])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,1,0,1])&CALA);

從表3可看出，SWRR指令在其三個節(jié)拍中I8信號都是0，所以I8控制信號的表達(dá)式不需修改。

從表3可看出，SWRR指令在0111節(jié)拍和0101節(jié)拍時I7信號為1，所以在I7控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼和0111、0101節(jié)拍狀態(tài)編碼，即當(dāng)節(jié)拍為0111、0101，操作碼為11100010(由SWRR=(IR==[1,1,1,0,0,0,1,0])，此時SWRR為1)時，I7控制信號為1。

I7 = C_M&((T==[1,0,0,0])#

(T==[0,0,0,0])#

(T==[0,0,1,1])&(ADD#SUB#AND#OR#XOR_#

MVRR#INC#DEC#SHL#JR#ADD1)#

(T==[0,0,1,1])&JRC&C#

(T==[0,0,1,1])&JRNC&(!C)#

(T==[0,0,1,1])&JRZ&Z#

(T==[0,0,1,1])&JRNZ&(!Z)#

(T==[0,1,1,0])&(MVRD#JMPA#POP#PUSH#

PSHF#RET#CALA)#

(T==[0,1,0,0])&(MVRD#LDRR#POP#JMPA#RET#IN_)#

(T==[0,1,1,1])&(CALA)#

(T==[0,1,0,1])&(CALA)#

(T==[0,1,1,1])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,1,0,1])&(SWRR)&IR13#

(T==[0,0,1,1])&MVRD#

(T==[0,1,0,1])&(CALA));

從表3可看出，SWRR指令在0110節(jié)拍時I6信號為0，所以在!I6控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼和0110節(jié)拍狀態(tài)編碼，即當(dāng)節(jié)拍為0110、操作碼為11100010(由SWRR=(IR==[1,1,1,0,0,0,1,0])，此時SWRR為1)時，I6控制信號為0。

!I6=C_M&((T==[0,0,0,0])# (T==[0,1,1,0])&(MVRD#JMPA#POP#POPF#RET#CALA)#

(T==[0,1,1,0])&(SWRR)&IR13# (T==[0,1,0,0])&CALA#

(T==[0,1,0,1])&CALA);

從表3可看出，SWRR指令在其三個節(jié)拍中I5信號都是0，所以I5控制信號的表達(dá)式不需修改。同理，I4和I3控制信號的表達(dá)式不需修改。

從表3可看出，SWRR指令在0110節(jié)拍和0111節(jié)拍時B口地址(B3 B2B1 B0)為IR的DR字段(IR7 IR6 IR5 IR4)，在0101節(jié)拍時B口地址(B3 B2B1 B0)為SR(IR3 IR2 IR1 IR0)，所以在B3控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0110、0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR7，以及0101節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR3。同理，在B2控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0110、0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR6，以及0101節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR2；在B1控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0110、0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR5，以及0101節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR1；在B0控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0110、0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR4，以及0101節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR0。

從表3可看出，SWRR指令在0111節(jié)拍時A口地址(A3 A2 A1 A0)為IR的SR字段(IR3 IR2 IR1 IR0)，所以在A3控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR3。同理，在A2控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR2；在A1控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR1；在A0控制信號的邏輯表達(dá)式中要增加SWRR指令的操作碼，0111節(jié)拍狀態(tài)編碼和IR0。

從表3可看出，SWRR指令在其三個節(jié)拍中SST2、SST1、SST0、SSH、SCI1、SCI0、DC2_2、DC2_1、DC2_0、DC1_2、DC1_1、DC1_0信號都是0，所以這些控制信號的表達(dá)式不需修改。

(6)保存m256c.abl文件。

(7)在左側(cè)源文件窗口中單擊m256c.abl文件，雙擊Compile Logic任務(wù)項(xiàng)，即對源文件m256c.abl進(jìn)行編譯。

(8)在左側(cè)源文件窗口中點(diǎn)擊器件圖標(biāo)，在右側(cè)窗口中雙擊JEDEC File任務(wù)項(xiàng)生成lc4256.jed文件。完成后以綠色的“√”標(biāo)記。若有警告信息，則以黃色的“!”標(biāo)記，警告信息一般并不影響JEDEC文件的使用。

(9)啟動Lattice ispLEVER Classic 2.0中的ispVM System軟件，彈出主界面。

(10)將教學(xué)機(jī)左下方五個黑色的控制開關(guān)撥為10100(1表示往上撥，0表示往下?lián)?。

(11)通過Lattice USB 下載電纜HW-USB-2A連接PC機(jī)與教學(xué)計(jì)算機(jī)上MACH芯片，打開教學(xué)計(jì)算機(jī)電源。

(12)執(zhí)行Options、Cable and I/O Port Setup…命令，設(shè)置Cable為USB接口，因?yàn)槲覀冇玫氖荱SB ispDOWNLOAD Cables。

(13)通過ispVM System軟件主界面的SCAN按鈕找到在線編程器件。

(14)右擊所找到的編程器件LC4256V，選擇“Edit Device”，在“Device Information”窗口中選擇Device為 LC4256V(B) ，通過Browse按鈕選擇已編譯好的JED文件(lc4256.jed)，單擊OK按鈕。

(15)重新回到ispVM System軟件主界面，點(diǎn)擊GO命令進(jìn)行下載編程。編程成功后，關(guān)閉編程窗口。

(16)關(guān)閉教學(xué)計(jì)算機(jī)電源，拔下下載編程電纜。

(17)將教學(xué)機(jī)左下方五個黑色的控制開關(guān)撥為00110(1表示往上撥，0表示往下?lián)?，啟動WinPcec16軟件，然后打開教學(xué)機(jī)電源，先按RESET鍵，后按START鍵，啟動教學(xué)機(jī)監(jiān)控程序。

(18)在WinPcec16軟件中編寫一個包含擴(kuò)展指令SWRR的教學(xué)機(jī)程序，該程序?qū)0寄存器內(nèi)容與R1寄存器內(nèi)容作交換，程序運(yùn)行結(jié)果表明擴(kuò)展指令SWRR是正確的，如圖4所示。注意：擴(kuò)展指令必須用E命令輸入。

4 結(jié)語

通過對TEC-XP16 教學(xué)機(jī)組合邏輯控制器擴(kuò)展指令整個過程的研究，開設(shè)這樣的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以從根本上理解計(jì)算機(jī)各組成部件的工作原理以及各個組成部件之間的聯(lián)系，使其形成一個完整的計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。這有益于提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

圖4 包含擴(kuò)展指令SWRR的教學(xué)機(jī)程序的運(yùn)行結(jié)果