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文檔簡介
1、<p><b> 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b> 1.題目:</b></p><p> 基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)——不帶進(jìn)位與或運(yùn)算指令的實(shí)現(xiàn)</p><p> 2.設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理</p><p><b> 2.1設(shè)計(jì)的目的</b></
2、p><p> 運(yùn)用所學(xué)的知識,通過使用軟件HKCPT掌握各個(gè)單元模塊的工作原理將其組成完整的系統(tǒng),并了解程序編譯、加載的過程,以及通過微單步、單拍調(diào)試?yán)斫饽P蜋C(jī)中的數(shù)據(jù)流向。本實(shí)驗(yàn)主要是設(shè)計(jì)不帶進(jìn)位與或運(yùn)算指令的實(shí)現(xiàn),將匯編語言程序設(shè)計(jì),數(shù)字邏輯與或運(yùn)算原理以及計(jì)算機(jī)組成原理3方面的知識結(jié)合到一起利用此軟件平臺實(shí)現(xiàn)連續(xù)幾個(gè)數(shù)的不帶進(jìn)位的與或運(yùn)算,從而了解邏輯運(yùn)算運(yùn)算單元的運(yùn)行過程。</p><p
3、><b> 2.2設(shè)計(jì)的原理</b></p><p> 2.2.1計(jì)算機(jī)中CPU是核心,它是通過指令和微指令的執(zhí)行來工作的。指令</p><p> 是計(jì)算機(jī)要完成的某一項(xiàng)功能。它對應(yīng)到執(zhí)行的過程中是一段微程序。一</p><p> 段微程序含多條為指令,而一條微指令又含多個(gè)微命令。一個(gè)微命令驅(qū)動(dòng)</p><p&
4、gt; 某個(gè)硬件部件執(zhí)行某種操作。通過這樣一個(gè)關(guān)系,從而達(dá)到由計(jì)算機(jī)指令</p><p> 來驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)各個(gè)硬部件的協(xié)調(diào)工作以實(shí)現(xiàn)一條指令的執(zhí)行。</p><p> 2.2.2在各個(gè)模塊中,各模塊的控制的控制信號都是手動(dòng)模擬產(chǎn)生的。而在真</p><p> 正的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,模型機(jī)的運(yùn)行是在微程序的控制下,實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。在本實(shí)驗(yàn)平臺中,模型機(jī)從內(nèi)存中取出
5、、解釋、執(zhí)行機(jī)器指令都將由微指令和之相配合的時(shí)序來完成,即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序。</p><p> 3.模型機(jī)的邏輯框圖</p><p> 其中運(yùn)算器由2片74L181構(gòu)成8位字長的ALU單元。2片74LS374作為2個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器(DR1、DR2),8芯插座ALU-IN作為數(shù)據(jù)輸入端,可通過短8芯扁平電纜,把數(shù)據(jù)輸入端連接到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)輸入鎖存器DR1的EDR1為低電平,并且
6、D1CK有上升沿時(shí),那來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)打入鎖存器DR1。同樣使EDR2為低電平、D2CK有上升沿時(shí)把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)鎖存器DR2。</p><p> 4.指令系統(tǒng)及其指令格式</p><p><b> 4.1指令系統(tǒng)</b></p><p> 此次實(shí)驗(yàn)涉及的指令有以下幾種:</p><p> MOV A
7、,RI 將寄存器RI中的數(shù)據(jù)傳遞到累加器A中</p><p> MOV RI,A 將累加器A中的數(shù)據(jù)傳遞到寄存器RI中</p><p> MOV A, #data 將立即數(shù)傳遞到通用寄存器A中</p><p> ORL A,#data 邏輯或指令</p><p> ANL A,#data 邏輯與指令</p><
8、p> STA addr 將寄存器中內(nèi)容寫入存儲器中</p><p> HALT 停機(jī)指令</p><p><b> 指令系統(tǒng)如下表:</b></p><p><b> 4.2指令格式</b></p><p> 一般指令由操作碼和操作碼組成,如下所示:</p
9、><p> 此實(shí)驗(yàn)所涉及指令的格式如下:</p><p> MOV指令采用雙字節(jié)指令,其格式如下:</p><p> MOV指令采用單字節(jié)指令,其格式如下:</p><p> MOV指令采用單字節(jié)指令,其格式如下:</p><p> ORL邏輯或指令采用單字節(jié)指令,其格式如下: </p><p
10、> ANL邏輯與指令采用單字節(jié)指令,其格式如下: </p><p> STA取數(shù)據(jù)指令,其格式如下:</p><p> 停機(jī)指令(HALT),其格式如下:</p><p> 5.微程序的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的方法</p><p> 5.1 微程序入口地址的形成</p><p> 在本實(shí)驗(yàn)平臺的硬件設(shè)計(jì)是采用的
11、24位微指令,若微指令采用全水平不編碼純控制場的格式,那么至多可有24個(gè)微操作控制信號,可由微代碼直接實(shí)現(xiàn)。若采用多組編碼譯碼,那么24位的微代碼通過二進(jìn)制譯碼可實(shí)現(xiàn)2n個(gè)互斥的微操作控制信號。由于模型機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)模較小,功能也不太復(fù)雜,所以采用全水平不編碼純控制場的微指令格式。在模型機(jī)中,用指令操作碼的高4位作為核心擴(kuò)展成8位的微程序入口地址MD0-MD7。這種方法稱為“按操作碼散轉(zhuǎn)”(如下表所示)。</p><p
12、><b> 按操作碼散轉(zhuǎn)</b></p><p> 此次實(shí)驗(yàn)程序中的微程序指令如下表:</p><p> 5.2微指令格式的設(shè)計(jì)</p><p> 一條微指令的一般格式是如下圖:</p><p> 5.3后續(xù)微地址的產(chǎn)生方法</p><p> 由于本系統(tǒng)中指令系統(tǒng)規(guī)模不大,功能較
13、簡單,微指令采用全水平、不編碼的方式,每一個(gè)微操作控制信號由一位微代碼來表示,24位微代碼至少可表示24個(gè)不同的微操作控制信號。用增量方式來控制微代碼的運(yùn)行順序,每一條指令的微程序連續(xù)存放在微指令存儲器連續(xù)的單元中。在本系統(tǒng)內(nèi),MLD為置微地址的控制信號,MCK為工作脈沖。當(dāng)MLD=0、MCK有上沿時(shí),把MD0~MD7的值作為微程序的地址,打入微地址寄存器。當(dāng)MLD=1、MCK有上升沿時(shí),微地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。</p>&
14、lt;p><b> 6.時(shí)序安排</b></p><p> 由于模型機(jī)已經(jīng)確定了指令系統(tǒng),微指令采用全水平不編碼純控制場的格式,微程序的入口地址采用操作碼散轉(zhuǎn)方式,微地址采用計(jì)數(shù)增量方式,所以可確定模型機(jī)中時(shí)序單元中所產(chǎn)生的每一拍的作用。為了更好地觀察實(shí)驗(yàn)的各個(gè)中間過程中各寄存器的值,由監(jiān)控單元產(chǎn)生一個(gè)PLS-O的信號來控制時(shí)序產(chǎn)生。PLS-O信號經(jīng)過時(shí)序單元的處理產(chǎn)生了4個(gè)脈沖信
15、號。4個(gè)脈沖信號組成一個(gè)微周期,為不同的寄存器提供工作脈沖。</p><p> PLS1: 微地址寄存器的工作脈沖,用來設(shè)置微程序的首地址及微地址加1。</p><p> PLS2: PC計(jì)數(shù)器的工作脈沖,根據(jù)微指令的控制實(shí)現(xiàn)PC計(jì)數(shù)器加1和重置PC計(jì)數(shù)器(如跳轉(zhuǎn)指令)等功能。</p><p> PLS3: 把24位微指令打入3片微指令鎖存器</p>
16、;<p> PLS4: 把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入微指令選通的寄存器</p><p><b> 7.指令執(zhí)行流程</b></p><p> 在每個(gè)系統(tǒng)中,一條指令從內(nèi)存取出到執(zhí)行完畢,需要若干個(gè)機(jī)器周期,任何指令中都必須有一個(gè)機(jī)器周期作為“取指令周期”,稱為公操作周期。而一條指令共需幾個(gè)機(jī)器周期取決于指令在機(jī)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。</p>
17、<p> 對于微程序控制的計(jì)算機(jī),在設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程時(shí),要保證每條微指令所含的微操作的必要性和合理性,還應(yīng)知道總線的IAB,IDB,OAB,ODB僅是傳輸信息的通路,沒有寄存信息的功能,而且必須保證總線傳輸信息時(shí)信息的唯一性。</p><p> 以下描述取微指令執(zhí)行周期:</p><p> 在模型機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí),模型機(jī)的微地址寄存器被清零,微指令鎖存器輸出無效。在處于停機(jī)
18、狀態(tài)時(shí),脈沖PLS1對微地址寄存器(74LS161)無效,微地址寄存器保持為零。脈沖PLS2對PC計(jì)數(shù)器無效,同時(shí)PLS2把HALT=1打入啟停單元中的運(yùn)行狀態(tài)寄存器(74LS74)中,把模型機(jī)置為運(yùn)行狀態(tài),使微程序鎖存器輸出有效。PLS3把微程序儲存器00H單元中的內(nèi)容打入指令寄存器中。</p><p> 在模型機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),脈沖PLS1將微地址寄存器(74LS161)加一,脈沖PLS2將PC計(jì)數(shù)器加1,
19、PLS3把微程序存儲器中的微指令打入微指令鎖存器并且輸出。PLS4把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入當(dāng)前微指令所選通的寄存器。</p><p> 對于此次實(shí)驗(yàn)每條指令的執(zhí)行流程如下:</p><p> 8. 源程序,程序的指令代碼及微程序</p><p><b> 8.1源程序</b></p><p> MOV A,#44
20、</p><p> ORL A,#25</p><p><b> MOV R0,A</b></p><p><b> MOV A,R0</b></p><p> ANL A,#56</p><p><b> MOV R1,A</b>
21、;</p><p><b> STA 10</b></p><p><b> HALT</b></p><p> 該程序的功能是計(jì)算先將16進(jìn)制數(shù)44與25進(jìn)行邏輯或運(yùn)算,結(jié)果放入R0;再將結(jié)果與56進(jìn)行邏輯與運(yùn)算,結(jié)果放入R1。并且A的值放入addr。</p><p> 8.2程序的指
22、令代碼</p><p><b> 8.3微程序</b></p><p> MOV A,#44 : 0000[4D],[FF],[FF] 取指指令 </p><p> 0017[DD],[FB],[FF] Dbus→A </p><p> ORL A,#25: 0018[4D],[FF],[F
23、F] 取指指令 </p><p> 0033[FF],[FC],[FE] A→Dbus→DR1</p><p> 0034[DD],[FF],[7E] RAM→Dbus→DR2</p><p> 0035[FF],[FB],[BE] ALU→A</p><p> MOV R0,A : 0036[4D],[FE],[F
24、F] 取指指令</p><p> 0013[FF],[BD],[FF] A→Dbus→RI</p><p> MOV A,R0 : 0014[4D],[FF],[FF] 取指指令</p><p> 000F[FF],[7B],[FF] RI→Dbus→A</p><p> ANL A,#56: 0010[4D]
25、,[FF],[FF] 取指指令</p><p> 0037[FF][FC][FB] A→Dbus→DR1</p><p> 0038[DD][FF][7B] RAM→Dbus→DR2</p><p> 0039[FF][FB][BB] ALU→A</p><p> MOV R1,A : 003A[4D][FF][
26、FF] 取指指令</p><p> 0013[FF][BD][FF] A→Dbus→RI</p><p> STA 10 : 0014[4D][FF][FF] 取指指令</p><p> 0023[D5][FF][FF] Dbus→IR2</p><p> 0024[BB][FD][FF] IR2→D
27、bus; A→Dbus→RAM</p><p> HALT : 0025[4D][FF][FF] 取指指令</p><p> 0003F[FF][DF][FF] 停機(jī)</p><p> 9.使用軟件HKCPT的聯(lián)機(jī)方式的實(shí)現(xiàn)過程</p><p> 9.1主要指令的時(shí)序圖</p><p>
28、; 44與25進(jìn)行邏輯或運(yùn)算的時(shí)序圖:</p><p> 上次運(yùn)算結(jié)果與56進(jìn)行邏輯與運(yùn)算的的時(shí)序圖:</p><p> 將最終結(jié)果保存到RAM地址的時(shí)序圖:</p><p> 9.2累加器A、寄存器、存儲器的數(shù)據(jù)變化以及數(shù)據(jù)流程</p><p> 第一步:數(shù)據(jù)流程:A->DBUS->DR1</p><
29、;p> 各寄存器數(shù)據(jù)變化如下表:</p><p> 第二步:數(shù)據(jù)流程:RAM->DBUS->DR2</p><p> 各寄存器數(shù)據(jù)變化如下表:</p><p> 第三步:數(shù)據(jù)流程:A->DBUS->DR1</p><p> 各寄存器數(shù)據(jù)變化如下表:</p><p> 第四步:停
30、機(jī) 無數(shù)據(jù)流程變化。</p><p><b> 10.課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p> 在此次計(jì)算機(jī)組成原理的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中,我是利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言以及數(shù)字邏輯運(yùn)算的知識在HKCPT軟件平臺上設(shè)計(jì)幾個(gè)數(shù)的邏輯與或運(yùn)算。在一開始設(shè)計(jì)代碼時(shí)到?jīng)]有遇到多大的問題。但是在編譯完代碼運(yùn)行后進(jìn)行指令以及微指令分析時(shí),仍然有許多地方?jīng)]弄清楚。比如一條指令
31、對應(yīng)的多個(gè)微指令,每條微指令又起到的作用以及每條指令的流程周期變化等等。我此次</p><p> 設(shè)計(jì)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)由于本身很簡單,因此我也沒有設(shè)計(jì)很復(fù)雜的代碼,當(dāng)然也是因?yàn)閾?dān)心后面進(jìn)行指令分析等細(xì)節(jié)問題處理時(shí)很難下手。不過它依然很明了的反映了不帶進(jìn)位的邏輯與或的運(yùn)算特點(diǎn)。</p><p> 通過此次實(shí)驗(yàn),首先,我更一步熟悉了指令、微指令等等相關(guān)的一些基本知識以及與此次實(shí)驗(yàn)所連接到的其它科
32、目的一些知識;其次,我體會(huì)到這次課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是不同與我們之前所做的一些小實(shí)驗(yàn),它是前面這些小實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起的綜合運(yùn)用;再次,這次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深了我對此實(shí)驗(yàn)平臺的理解和運(yùn)用,同時(shí)也使我了解到了它的漏洞和缺點(diǎn);然后,此次實(shí)驗(yàn)告訴我,要善于運(yùn)用所學(xué)的知識運(yùn)用到實(shí)際操作中,加強(qiáng)自己動(dòng)手動(dòng)腦的能力,加強(qiáng)獨(dú)立思考分析的能力并以此檢驗(yàn)所學(xué)知識的牢固、扎實(shí);最后,此次實(shí)驗(yàn)提醒我,知識的缺乏和漏洞以及運(yùn)用知識實(shí)現(xiàn)真正需求的問題總是存在的,因此,我必需在以
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