復雜模型機設計-計算機組成原理課程設計

1、<p><b>　　計算機組成原理</b></p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　班級： </p><p>　　學號： </p><p>　　姓名： <

2、;/p><p>　　成績： </p><p><b>　　電子與信息工程學院</b></p><p><b>　　計算機科學系</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　

3、一、設計題目1</b></p><p>　　二、模型機功能概述1</p><p><b>　　三、總體設計2</b></p><p>　　3.1 模型機結構：2</p><p>　　3.2 微程序控制電路3</p><p>　　3.3 指令譯碼器電路5</p>

4、<p><b>　　四、詳細設計6</b></p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)格式：6</p><p>　　4.2指令格式：6</p><p><b>　　4.3指令系統(tǒng)7</b></p><p>　　4.4設計微代碼8</p><p>　　五、實驗代碼：

5、10</p><p>　　六、實驗步驟：12</p><p>　　6.1實驗連線：12</p><p>　　6.2寫微代碼：12</p><p>　　6.3讀微代碼及校驗微代碼：14</p><p>　　6.4寫機器指令14</p><p>　　6.5讀機器指令及校驗機器指令：15

6、</p><p>　　6.6運行程序15</p><p>　　七、測試源程序及結果分析16</p><p><b>　　八、認識體會16</b></p><p><b>　　九、參考文獻16</b></p><p>　　計算機組成原理課程設計報告書</p>

7、<p><b>　　一、設計題目</b></p><p><b>　　復雜模型機設計</b></p><p><b>　　二、模型機功能概述</b></p><p>　　以EL-JY-II計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)為平臺，根據(jù)模型機的結構，及內(nèi)部的指令譯碼電路、微指令譯碼電路及微指令格式

8、等設計一套指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)中包括傳送類指令、算術運算指令、邏輯運算指令、輸入/輸出及轉移指令；尋址方式包括寄存器尋址、直接尋址及立即尋址等。設計機器指令格式以及微程序，按照模型機數(shù)據(jù)通路設計實現(xiàn)機器指令功能的微程序，裝載代碼到EL-JY-II實驗系統(tǒng)中并運行。</p><p>　　系統(tǒng)采用“基板+擴展板（CPU板）”形式；系統(tǒng)公共部分如數(shù)據(jù)輸入/輸出和顯示、單片機控制、與PC機通訊等電路放置在基板上，微程序控制

9、器、運算器、各種寄存器、譯碼器等電路放置在擴展板上。</p><p>　　此模型機是由運算器，控制器，存儲器，輸入設備，輸出設備五大部分組成。 </p><p>　　1.運算器又是有299，74LS181完成控制信號功能的算邏部件，暫存器LDR1，LDR2，及三個通用寄存器Ax，Bx，Cx等組成。 </p><p>　　2.控制器由程序計數(shù)器PC

10、、指令寄存器、地址寄存器、時序電路、控制存儲器及相應的譯碼電路組成。 </p><p>　　3.存儲器RAM是通過CE和W/R兩個微命令來完成數(shù)據(jù)和程序的的存放功能的。 </p><p>　　4.輸出設備有兩位LED數(shù)碼管和W/R控制完成的。</p><p><b>　　三、總體設計</b></p><p

11、>　　3.1 模型機結構： </p><p>　　圖1中運算器ALU由U7—U10四片74LS181構成，暫存器1由U3、U4兩片74LS273構成，暫存器2由U5、U6兩片74LS273構成。微控器部分控存由U13—U15三片2816構成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理見系統(tǒng)介紹部分）。</p><p>　

12、　存儲器部分由兩片6116構成16位存儲器，地址總線只有低八位有效，因而其存儲空間為00H—FFH。</p><p>　　輸出設備由底板上的四個LED數(shù)碼管及其譯碼、驅動電路構成，當D-G和W/R均為低電平時將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。在開關方式下，輸入設備由16位電平開關及兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機方式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或上位機輸入

13、，然后由監(jiān)控程序直接送上數(shù)據(jù)總線，因而外加的數(shù)據(jù)輸入電路可以不用。</p><p>　　圖1 模型機結構框圖</p><p>　　3.2 微程序控制電路</p><p>　　微程序控制電路電路中，由三片2816作為24位微程序存儲器，EP1K10產(chǎn)生控制邏輯。開關K1、K2、K3的不同組合控制微程序的讀、寫和運行，六個黃色LED為微地址指示燈。微控器原理如下圖（除

14、2816、74LS245和74LS374外，其余芯片功能均由EP1K10實現(xiàn)。不詳之處請查閱EP1K10的源程序）。以微程序的運行為例：在T2時刻，將MS24—MS1的24位微程序打入微指令寄存器，然后由譯碼電路對MS24—MS7進行譯碼，產(chǎn)生地址寄存器、指令寄存器等等電路的控制信號。MS6—MS1指示下一個微地址，在T3時刻，由機器指令譯碼器產(chǎn)生的強制微地址信號對MS6—MS1微地址的某幾位強行置位，形成下一個微地址輸出。微控器的外部

15、接口有：uAJ1、LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS 、AO1、BO1、WEO、WEI、LARI。在讀、寫微程序時，uAJ1用于從外部輸入微地址；LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS為運算器電路的控制信號，只要將它們接至運算器電路相應的接口上（STATUS接S3—S1M</p><p><b>　　圖2 控

16、制電路</b></p><p>　　通常將WEO與WEI相連，實現(xiàn)微程序對外部讀寫的控制。LARI為地址控制器的輸入，以下另作介紹。除此以外其他控制信號都已接至相應的控制電路。</p><p>　　3.3 指令譯碼器電路</p><p>　　指令譯碼器電路由EP1K10實現(xiàn)，其原理如下圖所示。其中P1、P2、P3、P4、LRi、RAG、RBG、RCG為微

17、程序譯碼產(chǎn)生的控制信號，T3為時鐘，I7—I0為指令寄存器的輸出IR，CA1、CA2為機器指令的讀、寫、運行的控制端，已分別接至控制總線的E4和E5。SA4—SA0為強制微地址信號，輸出至微控制器電路；LDR2—LDR0輸出至寄存器堆電路的LR，R0B、R1B、R2B輸出至寄存器堆電路的RG。</p><p>　　圖3-2 微控制器電路</p><p><b>　　四、詳細設計&

18、lt;/b></p><p><b>　　4.1 數(shù)據(jù)格式：</b></p><p>　　本實驗計算機采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為16位，其格式如下：</p><p>　　其中第16位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-32768≤X<32767。</p><p><b>　　4.2指令格式：<

19、/b></p><p><b>　　1）算術邏輯指令</b></p><p>　　設計9條單字長算術邏輯指令，尋址方式采用寄存器直接尋址。其格式如下：</p><p>　　其中OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：</p><p>　　9條算術邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表8-2。&

20、lt;/p><p>　　2）存儲器訪問及轉移指令</p><p>　　存儲器的訪問有兩種，即存數(shù)和取數(shù)。它們都使用助記符MOV，但其操作碼不同。轉移指令只有一種，即無條件轉移（JMP）。指令格式如下： </p><p>　　其中OP-CODE為操作碼，rd為寄存器。M為尋址模式，D隨M的不同其定義也不相同，如下表所示：</p><

21、;p><b>　　3）I/O指令 </b></p><p>　　輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　其中，當OP-CODE=0100且addr=10時，從“數(shù)據(jù)輸入電路”中的開關組輸入數(shù)據(jù)；當OP-CODE=0100且addr=01時，將數(shù)據(jù)送到“輸出顯示電路”中的數(shù)碼管顯示。 </p><p&g

22、t;<b>　　4.3指令系統(tǒng)</b></p><p>　　本實驗共有14條基本指令，其中算術邏輯指令8條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條。輸入輸出指令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號和指令功能。</p><p><b>　　表1 指令格式</b></p><p><b>　　4.4設計微代碼</

23、b></p><p>　　設計三個控制操作微程序：</p><p>　　存儲器讀操作（MRD）：撥動清零開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“00”時，按“單步”鍵，可對RAM連續(xù)讀操作。</p><p>　　存儲器寫操作（MWE）：撥動清零開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“10”時，按“單步”鍵，可

24、對RAM連續(xù)寫操作。</p><p>　　啟動程序（RUN）：撥動開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“11”時，按“單步”鍵，即可轉入到第01號“取指”微指令，啟動程序運行。</p><p>　　注：CA1、CA2由控制總線的E4、E5給出。鍵盤操作方式時由監(jiān)控程序直接對E4、E5賦值，無需接線。開關方式時可將E4、E5接至控制開關CA1、CA2，由開關來控制

25、。</p><p>　　本系統(tǒng)設計的微程序字長共24位，其控制位順序如下：</p><p>　?。疲?、Ｆ２、Ｆ３三個字段的編碼方案如表2： </p><p><b>　　表2 編碼方案</b></p><p>　　系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖2（圖中各方框內(nèi)為微指令所執(zhí)行的操作，方框外的標號為該條微指令所處的八進制

26、微地址）?？刂撇僮鳛镻4測試，它以CA1、CA2作為測試條件，出現(xiàn)了寫機器指令、讀機器指令和運行機器指令3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。</p><p>　　機器指令的執(zhí)行過程如下：首先將指令在外存儲器的地址送上地址總線，然后將該地址上的指令傳送至指令寄存器，這就是“取指”過程。之后必須對操作碼進行P1測試，根據(jù)指令的譯碼將后

27、續(xù)微地址中的某幾位強制置位，使下一條微指令指向相應的微程序首地址，這就是“譯碼”過程（其原理見圖5-4）。然后才順序執(zhí)行該段微程序，這是真正的指令執(zhí)行過程。</p><p>　　在所有機器指令的執(zhí)行過程中，“取指”和“譯碼”是必不可少的，而且微指令執(zhí)行的操作也是相同的，這些微指令稱為公用微指令，對應于圖8-2中01、02、75地址的微指令。75地址為“譯碼”微指令，該微指令的操作為P（1）測試，測試結果出現(xiàn)多路分

28、支。本實驗用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測試條件，出現(xiàn)12路分支，占用12個固定微地址單元。如I7—I4相同，則還需進行P2測試，以指令寄存器的I3、I2位作為測試條件，以區(qū)分不同的指令，如MOV指令和IN、OUT指表3即為將圖2的微程序流程按微程序格式轉化而成的二進制微代碼表。</p><p><b>　　圖2的微程序流程</b></p><p><b

29、>　　控制開關</b></p><p><b>　　00 </b></p><p><b>　　P(4)測試 </b></p><p>　　MWE（01） MRD(00) RUN(11)</p>

30、<p>　　PC AR,PC+1 11 PC AR,PC+1 10 13</p><p>　　(D_INPUT) D_BUS LT1 14 RAM D_BUS LT1 12 01</p><p>　　LT1 RAM

31、 74 LT1 LED 73</p><p><b>　　圖3微程序流程圖</b></p><p><b>　　五、實驗代碼：</b></p><p>　　按程序流程圖譯出適合本實驗系統(tǒng)所有機器指令的微代碼，加深對較完整的模型機的認識。這里提供以下實驗程序：</p>&

32、lt;p>　　地址（二進制） 指令（二進制） 助記符 說 明</p><p>　　0000 0000 0100 1000 IN Ax, KIN “開關輸入” Ax</p><p>　　0000 0001 0000 0101 MOV Bx, 01H 01H Bx<

33、;/p><p>　　0000 0010 0000 0001</p><p>　　0000 0011 1001 0100 ADD Ax，Bx Ax+Bx Ax </p><p>　　0000 0100 1111 0000 ROL Ax Ax </p>

34、<p>　　0000 0101 1101 0000 NOT Ax 取反</p><p>　　0000 0110 0010 0101 MOV Bx,[01H] 直接尋址</p><p>　　0000 0111 0000 0001</p><p>　　0000 1000 1

35、000 0010 MOV Cx, Ax Ax Cx</p><p>　　0000 1001 0100 0110 OUT DISP, Cx Cx LED </p><p>　　0000 1010 0000 1000 JMP 00H 00H

36、 PC</p><p>　　0000 1011 0000 0000</p><p>　　其中MOV、JMP為雙字長（32位），其余為單字長指令。對于雙字長指令，第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)；對于單字長指令只有操作碼，沒有操作數(shù)。上述所有指令的操作碼均為低8位有效，高八位默認為0。而操作數(shù)8位和16位均可。KIN和DISP分別為本系統(tǒng)專用輸入、輸出設備。</p>

37、<p>　　表3為根據(jù)本實驗程序流程圖設計的二進制微代碼表：</p><p>　　表3 二進制微代碼表</p><p><b>　　六、實驗步驟：</b></p><p>　　單片機鍵盤操作方式實驗。</p><p>　　在進行單片機鍵盤控制實驗時，必須把K4開關置于“OFF”狀態(tài)，否則系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，

38、無法進行實驗。</p><p><b>　　6.1實驗連線：</b></p><p>　　實驗連線圖如圖8-3所示。</p><p>　　連線時應按如下方法：對于橫排座，應使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。</p><p><b>　　6.2寫微代碼：

39、</b></p><p>　　將開關K1K2K3K4撥到寫狀態(tài)即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序控制電路，K4在24位微代碼輸入及顯示電路上。</p><p>　　在監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)下按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--_ _ 】輸入08或8，按【確認】鍵，顯示為【ES08】，再按下【確認】鍵。&l

40、t;/p><p>　　(3) 監(jiān)控顯示為【CtL1=_】，輸入1顯示【CtL1_1】，按【確認】。</p><p>　　(4) 監(jiān)控顯示【U-Addr】，此時輸入【000000】6位二進制數(shù)表示的微地址，然后按【確認】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【U_CodE】，顯示這時輸入微代碼【007F88】，注意輸入微代碼的順序，先右后左。按【確認】鍵則顯示【PULSE】，按【單步】完成一條微代碼的輸入。<

41、/p><p>　　(5) 監(jiān)控重新顯示【U-Addr】提示輸入表4第二條微代碼地址。按照上面的方法輸入表4微代碼,觀察微代碼與微地址顯示燈的對應關系（注意輸入微代碼的順序是由右至左）。</p><p><b>　　表4 微代碼表</b></p><p>　　6.3讀微代碼及校驗微代碼：</p><p>　　先將開關K1K2

42、K3K4撥到讀狀態(tài)即K1 off、K2 off、K3 on、K4 off，按【RESET】按鈕對單片機復位，使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)。</p><p>　　按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--_ _ 】輸入08或8，按【確認】鍵，顯示【ES08】。再按【確認】。</p><p>　　監(jiān)控顯示【CtL1=_】時，輸入2，按【確認】顯示【U_Addr】 ，此時輸入6位二

43、進制微地址，進入讀代碼狀態(tài)。再按【確認】顯示【PULSE】，此時按【單步】鍵，顯示【U_Addr】，微地址指示燈顯示輸入的微地址，微代碼顯示電路上顯示該地址對應的微代碼，至此完成一條微指令的讀過程。</p><p>　　對照表3表檢查微代碼是否有錯誤，如有錯誤，可按步驟2重新輸入微代碼。</p><p><b>　　6.4寫機器指令</b></p>&l

44、t;p>　　先將K1K2K3K4撥到運行狀態(tài)即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，按【RESET】按鈕對單片機復位，使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)。</p><p>　　按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--_ _ 】輸入08或8，按【確認】鍵，顯示【ES08】，再按【確認】。</p><p>　　監(jiān)控顯示【CtL1=_】,按【取消】鍵，監(jiān)控指示燈顯示

45、【CtL2=_】，輸入1顯示【CtL2_1】表示進入對機器指令操作狀態(tài)，此時撥動CLR清零開關（在控制開關電路上，注意對應的JUI應短接）對地址寄存器、指令寄存器清零。確定清零后，按【確認】顯示閃爍【PULSE】。連續(xù)按【單步】鍵，當微地址顯示燈顯示“001100”時，按【確認】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【data】，提示輸入機器指令“48”或“0048”（兩位或4位十六進制數(shù)）,輸入后按【確認】，顯示【PULSE】，再按【單步】，微地址顯示燈

46、顯示“111100”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示“0000000001001000”至此完成第一條機器指令。</p><p>　　再連續(xù)按【單步】，微地址顯示燈顯示“001100”時，按【確認】輸入第二條機器指令。依此規(guī)律逐條輸入表5的機器指令，輸完后，可連續(xù)按【取消】或【RESET】鍵退出寫機器指令狀態(tài)。</p><p><b>　　表5 機器指令表</b></p&

47、gt;<p>　　6.5讀機器指令及校驗機器指令：</p><p>　　在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下，輸入2，顯示【CtL2_2】，表示進入讀機器指令狀態(tài)，按步驟4的方法撥動CLR開關對地址寄存器和指令寄存器進行清零，然后按【確認】鍵，顯示【PULSE】，連續(xù)按【單步】鍵，微地址顯示燈顯示從“000000”開始，然后按“001000”、 “001010” 、“111011”方式循環(huán)顯示。當

48、微地址燈再次顯示為“001000”時，輸出顯示數(shù)碼管上顯示寫入的機器指令。讀的過程注意微地址顯示燈，地址顯示燈和數(shù)據(jù)總線指示燈的對應關系。如果發(fā)現(xiàn)機器指令有誤，則需重新輸入機器指令。</p><p>　　注意：機器指令存放在RAM里，掉電丟失，故斷電后需重新輸入。</p><p><b>　　6.6運行程序</b></p><p>　　在監(jiān)控指

49、示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下，輸入3，顯示【CtL2_3】，表示進入運行機器指令狀態(tài)，按步驟4的方法撥動CLR開關對地址寄存器和指令寄存器進行清零,使程序入口地址為00H，可以【單步】運行程序也可以【全速】運行，運行過程中提示輸入相應的量，運行結束后從輸出顯示電路上觀察結果。</p><p><b>　　圖6-1電路連接圖</b></p><p>　　七、測試源程序

50、及結果分析</p><p>　　開始執(zhí)行地址為00H的指令，即IN Ax,KIN。結果：從鍵盤輸入1111H。</p><p>　　執(zhí)行地址為01H的指令，即MOV Bx,01H。結果：Bx = 0001H。</p><p>　　執(zhí)行地址為03H的指令，即ADD Ax，Bx。結果：Ax = 1112H。</p><p>　　執(zhí)行地址為04H的

51、指令，即ROL Ax。結果：Ax = 2224H。</p><p>　　執(zhí)行地址為05H的指令，即NOT Ax。結果：Ax = DDDBH。</p><p>　　執(zhí)行地址為06H的指令，即MOV BX,[01H]。結果：Bx = 05H。</p><p>　　執(zhí)行地址為08H的指令，即MOV CX,AX。結果：Cx = DDDBH。</p><p

52、>　　執(zhí)行地址為09H的指令，即OUT DISP,Cx。結果：顯示Cx。</p><p>　　執(zhí)行地址為0AH和0BH的指令，使程序跳轉到地址為00H處，使程序可以循環(huán)執(zhí)行。</p><p>　　通過實驗測試，輸入1111H時，輸出DDDBH。驗證了結果的正確性。</p><p><b>　　八、認識體會</b></p>&

53、lt;p>　　整個設計通過了軟件和硬件上的調(diào)試。我想這對于自己以后的學習和工作都會有很大的幫助。在這次設計中遇到了很多實際性的問題，在實際設計中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東西與在實際運用中的還是有一定的出入的，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。一切問題必須要靠自己一點一滴的解決，而在解決的過程當中你會發(fā)現(xiàn)自己在飛速的提升。對于教材管理系統(tǒng)，其程序是比較簡單的，主要是解決程序設計中的問題，而程序設計是一個很靈

54、活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力，它才是一個設計的靈魂所在。因此在整個設計過程中大部分時間是用在程序上面的。很多子程序是可以借鑒書本上的，但怎樣銜接各個子程序才是關鍵的問題所在，這需要對系統(tǒng)的結構很熟悉。因此可以說系統(tǒng)的設計是軟件和硬件的結合，二者是密不可分的。通過這次課程設計我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。</p>&