《計算機(jī)組成原理》課程設(shè)計任務(wù)書2016

1、計算機(jī)組成原理課程設(shè)計計算機(jī)組成原理課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書 班級： 計科14-1班 學(xué)號： 1406010127 姓名： 袁立娜 成績： 電子與信息工程學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系計算機(jī)組成原理課程設(shè)計報告書1 設(shè)計題目 復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計2 模型機(jī)功能概括 設(shè)計三個控制操作微程序：存儲器讀操作（MRD）：撥動清零開關(guān)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。 存儲器寫操作（MWE）：撥動清零開關(guān)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，可對RAM連續(xù)寫操作。啟動程序（RUN）：撥動開關(guān)CLR對地

2、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(zhuǎn)入到第01號“取指”微指令，啟動程序運(yùn)行。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(guān)方式時可將E4、E5接至控制開關(guān)CA1、CA2，由開關(guān)來控制。本系統(tǒng)設(shè)計的微指令字長共24位，其控制位順序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0 、三個字段的編碼方案如表71： F1字段F2字段F3字段15 14 13選擇12 1

3、1 10選擇9 8 7選擇0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定義0 1 1自定義0 1 1自定義1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P 41 1 1無操作1 1 1無操作1 1 1無操作系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖7-2（圖中各方框內(nèi)為微指令所執(zhí)行的操作，方框外的標(biāo)號為該條微指令所處的八進(jìn)制微地址）?？刂撇僮鳛镻4測試，它以CA1、CA2作為測試條件，出現(xiàn)了寫機(jī)器

4、指令、讀機(jī)器指令和運(yùn)行機(jī)器指令3路分支，占用3個固定微地址單元。當(dāng)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。機(jī)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(jìn)行P1測試，根據(jù)指令的譯碼將后續(xù)微地址中的某幾位強(qiáng)制置位，使下一條微指令指向相應(yīng)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。在所有機(jī)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(yīng)于

5、圖7-2中01、02、31地址的微指令。31地址為“譯碼”微指令，該微指令的操作為P（1）測試，測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本實驗用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測試條件，出現(xiàn)7路分支，占用7個固定微地址單元。 當(dāng)全部微程序流程圖設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表7-2即為將圖7-2的微程序流程按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。 3 總體設(shè)計（包括模型機(jī)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路等電路框圖）3.1 課程設(shè)計總要求（1）掌握計算機(jī)部件的開發(fā)和設(shè)計流程。（2）分析所設(shè)計系統(tǒng)中各功能模塊的工作原理；（3）選用合適的器件（芯片）；（4）提出系統(tǒng)的設(shè)計方案；（5）對所設(shè)計電路進(jìn)行調(diào)試，按要求編寫課程設(shè)計

6、報告書，能正確編寫分析、設(shè)計、測試等技術(shù)文檔。3.2模型機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖3-1模型機(jī)結(jié)構(gòu)框圖圖中運(yùn)算器ALU由U7U10四片74LS181構(gòu)成，暫存器1由U3、U4兩片74LS273構(gòu)成，暫存器2由U5、U6兩片74LS273構(gòu)成。微控器部分控存由U13U15三片2816構(gòu)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）。存儲器部分由兩片6116構(gòu)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00HFFH。輸出設(shè)備由底板上的四個LED數(shù)碼管及其譯碼、驅(qū)動電路構(gòu)成，當(dāng)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(guān)方式下，輸入設(shè)備由16位電平開關(guān)及

7、兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構(gòu)成，當(dāng)DIJ-G為低電平時將16位開關(guān)狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機(jī)方式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或上位機(jī)輸入，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。注：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線為16位，指令、地址和程序計數(shù)器均為8位。當(dāng)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入指令寄存器、地址寄存器和程序計數(shù)器時，只有低8位有效。3.3數(shù)據(jù)通路框圖圖3-2數(shù)據(jù)通路框圖 圖3-4微地址形成電路圖 圖3-5微指令譯碼電路 4 詳細(xì)設(shè)計（包括指令系統(tǒng)、指令格式設(shè)計、微程序設(shè)計等）4.1指令系統(tǒng)每條微指令由24位組成，其控制位順序如下：24232221201918171615 14 1312

8、11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1字段F2字段F3字段15 14 13選擇12 11 10選擇9 8 7選擇0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定義0 1 1自定義0 1 1自定義1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P 41 1 1無操作1 1 1無操作1 1 1無操作、三個字段的

9、編碼方案如下表： 表中MS24MS16對應(yīng)于微指令的第2416位，S3S2S1S0MCn為運(yùn)算器的方式控制，詳見實驗一和實驗二；WE為外部器件的讀寫信號，1表示寫，0表示讀；1A、1B用于選通外部器件，通常接至底板IO控制電路的1A1B端，四個輸出Y0Y1Y2Y3接外部器件的片選端。（注：再實驗六及以后的實驗中，Y3被系統(tǒng)占用，用于輸入中斷，Y0Y1Y2仍能被用戶使用） 表中MS15MS13對應(yīng)于微指令中的F1，經(jīng)鎖存譯碼后產(chǎn)生6個輸出信號：LRi、LDR1、LDR2、LDIR、LOAD、LAR。其中LDR1、LDR2為運(yùn)算器的兩個鎖存控制（見實驗一）；LDIR為指令寄存器的鎖存控制（見系統(tǒng)介

10、紹中指令寄存器電路）；LRi為寄存器堆的寫控制，它與指令寄存器的第0位和第1位共同決定對哪個寄存器進(jìn)行寫操作（見系統(tǒng)介紹中寄存器堆電路和圖5-4）；LOAD為程序計數(shù)器的置數(shù)控制，LAR為地址寄存器的鎖存控制（見系統(tǒng)介紹中程序計數(shù)器和地址寄存器電路）。以上6個輸出信號均為1有效。表中MS12MS10對應(yīng)于微指令中的F2，經(jīng)鎖存譯碼后產(chǎn)生6個輸出信號：RAG、RBG、RCG、299-G、ALU-G、PC-G。其中RAG、RBG、RCG分別為寄存器Ax、Bx、Cx的輸出控制（見系統(tǒng)介紹中寄存器堆電路）；299-G為移位寄存器的輸出控制（見實驗二）；ALU-G為運(yùn)算器的輸出控制（見實驗一）；PC-G

11、為程序計數(shù)器的輸出控制（見系統(tǒng)介紹中程序計數(shù)器和地址寄存器電路）。以上信號均為0有效。 表中MS9MS9對應(yīng)于微指令中的F3，經(jīng)鎖存譯碼后產(chǎn)生6個輸出信號：P1、P2、P3、P4、AR、LPC。其中P1、P2、P3、P4位測試字，其功能是對機(jī)器指令進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支和循環(huán)運(yùn)行（見實驗4的圖4-1（b）和圖5-4）；AR為運(yùn)算器的進(jìn)位輸出控制（見實驗一）；LPC為程序計數(shù)器的時鐘控制（見系統(tǒng)介紹中程序計數(shù)器電路）。以上信號均為1有效。1、 數(shù)據(jù)格式：本實驗計算機(jī)采用定點補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為16位，其格式如下：1514 13. 0符號尾 數(shù)其中

12、第16位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-32768X<32767。2、 指令格式：1）算術(shù)邏輯指令 設(shè)計9條單字長算術(shù)邏輯指令，尋址方式采用寄存器直接尋址。其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODErsrd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：OP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROL Rs或rd選定寄存器00Ax01Bx10Cx 9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表8-2。 2）存儲器訪問及轉(zhuǎn)移指令 存儲器的訪問有兩種，即存數(shù)和取數(shù)。它們都使

13、用助記符MOV，但其操作碼不同。轉(zhuǎn)移指令只有一種，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）。指令格式如下： 7 65 43 21 000MOP-CODErdD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：OP-CODE000110指令說明寫存儲器讀存儲器轉(zhuǎn)移指令尋址模式M有效地址ED定義說 明00E=（PC）+1立即數(shù)立即尋址10E=D直接地址直接尋址 根據(jù)本實驗設(shè)計的二進(jìn)制微代碼表：微地址S3S2S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5-UA0000000000000000111111110001000000001000000000101101

14、101000010000010000000010 110111111111101000111000000010 101111 111100101001000000000000 101 101 101001010001001000000000 101101 101001100001010000000010 100111111111011001011000000000111111111000001010000000000000101101 101100101010010000000000 1011011010001110101000000000001111111000101010101010000

15、00101111 010111000001010111000000011 000111111000001011000000000000 000 000111000001011001000000000100 000111101010011101000000000 100 000111110110100000000000110111100111000001100001000000010 000111111000001100010000000010 001 111 101000001100101000000000111 111 100100000101010000000000010010111101

16、011101011100101000000001111000001110110000011000000001111000001111011000001101111001111001000111100111111110111001111001001111101000000010110111000010000 進(jìn)制轉(zhuǎn)換后的微代碼表：微地址（八進(jìn)制）微地址（二進(jìn)制）微代碼（十六進(jìn)制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD07000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FF

17、C11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4724010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA350111010041F6401000000379C141100001010FC142100010011F4145100101007F20521010100029EB531010119403C1661101100C033C874111100FF73C975111101016E104.2指令設(shè)計： 匯編符號指令的格式功 能MOV rd，rs A

18、DD rd，rs 1000 rs rd 1001 rs rd rs rd rs+rd rdNOT rd 1101 rd rd rd rd MOV D，rd 00 10 00 rd D rd D MOV rd, D 00 10 01 rd D D rd MOV rd, D 00 00 01 rd D D rd JMP D 00 00 10 00 DIN rd, KINOUT DISP，rd 0100 10 rd 0100 01 rd KIN rd rd DISP4.3設(shè)計實驗程序如下：地址（二進(jìn)制） 指令（二進(jìn)制） 助記符 說 明0000 0000 0100 1000 IN Ax, KIN “開

19、關(guān)輸入” Ax0000 0001 0000 0101 MOV Bx, 01H 01H Bx0000 0010 0000 00010000 0011 1001 0100 ADD Ax，Bx Ax+Bx Ax 0000 0100 1101 0000 NOT AX AX AX0000 0101 1000 0010 MOV Cx, Ax Ax Cx0000 0110 0100 0110 OUT DISP, Cx Cx LED 0000 0111 0000 1000 JMP 00H 00H PC0000 1000 0000 00000100050200010300910400D0050082060046

20、070008080000機(jī)器指令表：4.4實驗步驟在進(jìn)行單片機(jī)鍵盤控制實驗時，必須把K4開關(guān)置于“OFF”狀態(tài)，否則系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，無法進(jìn)行實驗。1. 實驗連線：實驗連線圖如上圖所示。連線時應(yīng)按如下方法：對于橫排座，應(yīng)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(yīng)使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。2. 寫微代碼：(1) 將開關(guān)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。(2) 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-_ _

21、】輸入08或8，按【確認(rèn)】鍵，顯示為【ES08】，再按下【確認(rèn)】鍵。(3) 監(jiān)控顯示為【CtL1=_】，輸入1顯示【CtL1_1】，按【確認(rèn)】。(4) 監(jiān)控顯示【U-Addr】，此時輸入【000000】6位二進(jìn)制數(shù)表示的微地址，然后按【確認(rèn)】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(rèn)】鍵則顯示【PULSE】，按【單步】完成一條微代碼的輸入。（5） 監(jiān)控重新顯示【U-Addr】提示輸入上表第二條微代碼地址。按照上面的方法輸入上表微代碼,觀察微代碼與微地址顯示燈的對應(yīng)關(guān)系（注意輸入微代碼的順序是由右至左）。3. 讀微代碼及校驗微

22、代碼：(1) 先將開關(guān)K1K2K3K4撥到讀狀態(tài)即K1 off、K2 off、K3 on、K4 off，按【RESET】按鈕對單片機(jī)復(fù)位，使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)。(2) 按【實驗選擇】鍵，顯示【ES-_ _ 】輸入08或8，按【確認(rèn)】鍵，顯示【ES08】。再按【確認(rèn)】鍵。(3) 監(jiān)控顯示【CtL1=_】時，輸入2，按【確認(rèn)】顯示【U_Addr】 ，此時輸入6位二進(jìn)制微地址，進(jìn)入讀代碼狀態(tài)。再按【確認(rèn)】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(yīng)的微代碼，至此完成一條微指令的讀過程。(4)

23、對照上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。4. 寫機(jī)器指令（1） 先將K1K2K3K4撥到運(yùn)行狀態(tài)即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，按【RESET】按鈕對單片機(jī)復(fù)位，使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASS SELECt】狀態(tài)。（2） 按【實驗選擇】鍵，顯示【ES-_ _ 】輸入08或8，按【確認(rèn)】鍵，顯示【ES08】，再按【確認(rèn)】。（3） 監(jiān)控顯示【CtL1=_】,按【取消】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】，輸入1顯示【CtL2_1】表示進(jìn)入對機(jī)器指令操作狀態(tài)，此時撥動CLR清零開關(guān)（在控制開關(guān)電路上，注意對應(yīng)的JUI應(yīng)短接）對地址寄存器、指令寄存器清零

24、。確定清零后，按【確認(rèn)】顯示閃爍【PULSE】。連續(xù)按【單步】鍵，當(dāng)微地址顯示燈顯示“001100”時，按【確認(rèn)】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【data】，提示輸入機(jī)器指令“48”或“0048”（兩位或4位十六進(jìn)制數(shù)）,輸入后按【確認(rèn)】，顯示【PULSE】，再按【單步】，微地址顯示燈顯示“111100”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示“0000000001001000”至此完成第一條機(jī)器指令的輸入。（4） 再連續(xù)按【單步】，微地址顯示燈顯示“001100”時，按【確認(rèn)】輸入第二條機(jī)器指令。依此規(guī)律逐條輸入表85的機(jī)器指令，輸完后，可連續(xù)按【取消】或【RESET】鍵退出寫機(jī)器指令狀態(tài)。注意，每當(dāng)微地址顯示燈顯示“00

25、1100”時，地址指示燈自動加1顯示。如輸入指令為8位，則高8位自動變?yōu)?。5. 讀機(jī)器指令及校驗機(jī)器指令：在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下，輸入2，顯示【CtL2_2】，表示進(jìn)入讀機(jī)器指令狀態(tài)，按步驟4的方法撥動CLR開關(guān)對地址寄存器和指令寄存器進(jìn)行清零，然后按【確認(rèn)】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(dāng)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(jī)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(yīng)關(guān)系。如果發(fā)現(xiàn)機(jī)器指令有誤，則

26、需重新輸入機(jī)器指令。注意：機(jī)器指令存放在RAM里，掉電丟失，故斷電后需重新輸入。6. 運(yùn)行程序在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下，輸入3，顯示【CtL2_3】，表示進(jìn)入運(yùn)行機(jī)器指令狀態(tài)，按步驟4的方法撥動CLR開關(guān)對地址寄存器和指令寄存器進(jìn)行清零,使程序入口地址為00H，可以【單步】運(yùn)行程序也可以【全速】運(yùn)行，運(yùn)行過程中提示輸入相應(yīng)的量，運(yùn)行結(jié)束后從輸出顯示電路上觀察結(jié)果。5 測試源程序及結(jié)果分析測試源程序：地址（二進(jìn)制） 指令（二進(jìn)制） 助記符 說 明0000 0000 0100 1000 IN Ax, KIN “開關(guān)輸入” Ax0000 0001 0000 0101 MOV Bx, 01H 01H Bx0000 0010 0000 00010000 0011 1001 0001 ADD Ax，Bx Ax+Bx Ax 0000 0100 1101 0000 NOT AX AX AX0000 010