帶移位的簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)組組成成原原理理課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)報(bào)報(bào)告告設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)題目 基本模型機(jī)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 專業(yè)班級(jí)專業(yè)班級(jí) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 1221 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 時(shí)時(shí) 間間 2012. 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 李松濤 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日1 1設(shè)計(jì)背景設(shè)計(jì)背景 .1 12 2設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo) .1 13 3概要設(shè)計(jì)概要設(shè)計(jì) .2 231 設(shè)計(jì)目的.23.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容.24 4詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì) .4 441 系統(tǒng)需求分析.442 系統(tǒng)目標(biāo).443 功能分析.544 詳細(xì)步驟.54.4.1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖。.54.4.2 根據(jù)

2、機(jī)器指令畫出對(duì)應(yīng)的微程序流程圖.54.4.3 根據(jù)微程序流程圖設(shè)計(jì)微指令并轉(zhuǎn)換成 16 進(jìn)制代碼文件。.64.4.4 寫程序.74.4.5 實(shí)驗(yàn)接線.84.4.6 仔細(xì)查線無誤后接通電源.94.4.7 讀寫微程序和程序.94.4.8 運(yùn)行程序.105 5調(diào)試與分析調(diào)試與分析 .11115.1 調(diào)試步驟.115.5.1 初始狀態(tài).115.5.2 從實(shí)驗(yàn)電路中裝入第一個(gè)加數(shù) 00000110 到 R0 中。.115.5.3 將 RAM 中另外一個(gè)加數(shù) 13H 送入 DR2 中.125.5.4 經(jīng)過運(yùn)算最終結(jié)果.125.2 驗(yàn)證分析.136 6總結(jié)總結(jié) .1313參考文獻(xiàn)（資料）參考文獻(xiàn)（資料） .

3、1414 11設(shè)計(jì)背景通過計(jì)算機(jī)組成原理理論課和幾次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，嘗試設(shè)計(jì)六條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺(tái)基本模型機(jī)，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機(jī)使其在微程序的控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號(hào)。在設(shè)計(jì)基本模型機(jī) 4 的實(shí)驗(yàn)過程中，個(gè)別部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU 從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一條微程序。本課程設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)六條機(jī)器指令：IN（輸入)，與

4、ADD（邏輯加），STA（存數(shù)），OUT（輸出），JMP（跳轉(zhuǎn)），RL（左移）。2設(shè)計(jì)目標(biāo)在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。本次課程設(shè)計(jì)主要是為其定義六條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試運(yùn)行，形成整機(jī)概念。用微程序控制器實(shí)現(xiàn)以下指令功能，設(shè)計(jì)各指令格式以及編碼，并實(shí)現(xiàn)各機(jī)器指令微代碼，根據(jù)定義的機(jī)器指令，自擬編寫加 ADD,循環(huán)左移 RLC 的應(yīng)用程序。全部微指令設(shè)計(jì)完畢后，編寫二進(jìn)制代碼，即使每條指令代碼化。連接線路在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上運(yùn)行，并顯示輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 23概要設(shè)計(jì)31 設(shè)計(jì)目的1. 在掌握部件單元

5、電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺(tái)稍微復(fù)雜的模型計(jì)算機(jī)。2. 為其定義六條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能，這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU 從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。 本實(shí)驗(yàn)采用六條機(jī)器指令：IN,OUT,STA,加 ADD,左移 RL，JMP 其指格式如下：地址 內(nèi)容 助記符 說明00000000 0000

6、0000 IN ； “輸入開關(guān)量”R0 00000001 00010000 ADD0DH ； R00DHR0 00000010 00001010 00000100 01110000 RL 00000101 00100000 STA0BH 00000110 00001011 ； R00BH 00000111 00110000 OUT0BH 00001000 00001110 ； 0BHBUS 00001001 01000000 JMP 00H ；00HPC 00001010 00000000 00001011 01000000 ；自定義數(shù)據(jù)00001100 ；結(jié)果存放 3單為了向 RAM 中裝入

7、程序和數(shù)據(jù),檢查寫入是否正確,并能啟動(dòng)程序執(zhí)行,還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序.存儲(chǔ)器讀操作:撥動(dòng)總清開關(guān) CLR 后,控制臺(tái)開關(guān) SWB,SWA 為”0 0”時(shí),按 START微動(dòng)開關(guān),可對(duì) RAM 連續(xù)手動(dòng)讀操作.存儲(chǔ)器寫操作:撥動(dòng)總清開關(guān) CLR 后,控制臺(tái)開關(guān) SWB SWA 置為”0 1”時(shí),按 START微動(dòng)開關(guān)可對(duì) RAM 進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入.啟動(dòng)程序:撥動(dòng)總清開關(guān) CLR 后,控制臺(tái)開關(guān) SWB SWA 置為“1 1”時(shí),按 START微動(dòng)開關(guān),既可轉(zhuǎn)入到第 01 號(hào)“取址”微指令,啟動(dòng)程序運(yùn)行.上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開關(guān) SWB SWA 的狀態(tài)來設(shè)置,其定義如下表3-1表 3

8、-1 讀寫變化SWBSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動(dòng)程序（RP）根據(jù)以上要素設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖,如圖 3-1：圖 3-1 數(shù)據(jù)通路框圖 4下面介紹指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把他從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P (1)，通過節(jié)拍脈沖 T4 的控制以便識(shí)別所要求的操作?！爸噶钭g碼器：”（實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片）根據(jù)指令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首

9、地址。本系統(tǒng)有兩種外部 I/O 設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備（INPUT DEVICE）；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備（OUT DEVICE）。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(hào)（W/E）有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。4詳細(xì)設(shè)計(jì)41 系統(tǒng)需求分析一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺(tái)特定的計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言。指令系統(tǒng)表征著計(jì)算機(jī)的基本功能和使用屬性，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

10、主要括指令功能、操作類型的設(shè)計(jì)，尋址方式和指令格式的設(shè)計(jì)。 計(jì)算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，指令系統(tǒng)反映了計(jì)算機(jī)的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。通常性能較好的計(jì)算機(jī)都設(shè)置有功能齊全、通用性強(qiáng)、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。 542 系統(tǒng)目標(biāo)在基本模型機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)并實(shí)現(xiàn) IN,OUT,STA, ADD, RL,JMP 六條指令。43 功能分析該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的加左移運(yùn)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，顯示等功能，從而得到

11、一個(gè)簡(jiǎn)易的復(fù)雜模型機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能。44 詳細(xì)步驟4.4.1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖。 4.4.2 根據(jù)機(jī)器指令畫出對(duì)應(yīng)的微程序流程圖 本實(shí)驗(yàn)的微程序流程見圖 4-1、4-2，當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為 P（1）測(cè)試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此 P（1）的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前 4 位 I7I4 作為測(cè)試條件，出現(xiàn) 5 路分支，占用 5 個(gè)固定微地址單元。 實(shí)驗(yàn)機(jī)控制操作為 P（4）測(cè)試，它以控制開關(guān) SWC、SWA 作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了 3 路分支，占用 3 個(gè)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

12、以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫。 注意：微程序流程圖上的單元地址為 16 進(jìn)制。 圖 4-1 微程序流程圖 6圖 4-2 微程序流程圖4.4.3 根據(jù)微程序流程圖設(shè)計(jì)微指令并轉(zhuǎn)換成 16 進(jìn)制代碼文件。當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，即按微指令格式將 4-1 和 4-2微程序流程圖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制微代碼表，如表 4-1 所示，再轉(zhuǎn)換成 16 進(jìn)制代碼文件。微地址S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8ABCuA5 -uA00 00 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11101101100

13、0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 11000000010 0 1 0 0 0 70 30 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 0 1 0 00 40 0 0 0 0 0 0 0 10110000000 0 0 1 0 10 50 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 00 61 0 0 1 0 1 0 1 10011010000 0 0 0 0 10 70 0 0 0 0 0 0 0 11101101100 0 1 1 0 11 00 0 0 0 0 0 0 0 01101101100 0 0 0 0 11 10 0 0

14、0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 11 20 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 1 1 11 30 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 1 1 1 01 40 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 1 01 50 0 0 0 0 0 1 0 10000010000 0 0 0 0 11 60 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 1 11 70 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0 1 0 12 00 0 0 0 0 0 0 1 1110110110

15、0 1 0 0 1 02 10 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 0 02 20 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0 1 1 12 30 0 0 0 0 0 0 1 10000000000 0 0 0 0 12 40 0 0 0 0 0 0 0 00100000000 1 1 0 0 02 50 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 0 0 0 0 12 60 0 0 0 0 0 0 0 11010001100 0 0 0 0 12 70 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 1 0 0 0 03 00 0 0

16、0 0 1 1 0 10001010000 1 0 0 0 1表 4-1 二進(jìn)制微代碼表4.4.4 寫程序聯(lián)機(jī)讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及表 52 微指令二進(jìn)制表成十六進(jìn)制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼微 將表 52 中的 24 位微代碼按從左到右分成 3 個(gè) 8 位，將此三個(gè) 8 位二進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。程 序$P0000$P0110$P020A$P0370$P0420$P050B$P0630$P070B 8$P0840$P0900$P0A13微程序$M00088105$M0182ED05$M0250C004$M0304E004$M0405B004$M0506

17、A205$M06019A95$M070FE004$M088AED05$M098CED05$M0A0EA004$M0B018004$M0C0D2004$M0D098A06$M0E080A07$M0F018206$M10011004$M1183ED01$M1287ED05$M1399ED05$M149CED05$M151D8235$M161F8235$M17218235$M18238235$M191AE004$M1A1BA004$M1B010A07$M1C81D104$M1D1E8825$M1E019805$M1F20882D$M20019805$M21228815$M22019805$M2324

18、881D$M24019805$M393A881D$M3A019805$M3B080A07 9$M3C098A064.4.5 實(shí)驗(yàn)接線 在實(shí)驗(yàn) 4.1 的基礎(chǔ)上，將 ALUO2 連 BUS4，ak 與實(shí)驗(yàn) 4.1 相同，詳細(xì)如下： a、跳線器 J1J12 全部撥在右邊（自動(dòng)工作方式） ； b、跳線器 J16、J18、J23、J24 全部撥在左邊； c、跳線器 J13J15、J19、J25 全部撥在右邊； d、跳線器 J20J22、J26、J27 連上短路片； e、UJ1 連 UJ2，JSE1 連 JSE2，SJ1 連 SJ2； f、MBUS 連 BUS2； g、REGBUS 連 BUS5； h、

19、PCBUS 連 EXJ2； i、 ALUBUS 連 EXJ3； j、 ALUO1 連 BUS1； k、EXJ1 連 BUS3； l、 ALUO2 連 BUS4。 4.4.6 仔細(xì)查線無誤后接通電源 4.4.7 讀寫微程序和程序 手動(dòng)方法寫微程序參看實(shí)驗(yàn)三。 手動(dòng)方法寫代碼程序（機(jī)器指令）步驟如下： 通過上一步將機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微代碼正確地寫入 E2ROM 2816 芯片后，再進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。 A. 將“編程開關(guān)”置“運(yùn)行”位置， “運(yùn)行方式”開關(guān)置“單步”位置。 B. 撥動(dòng)總清開關(guān)（01） ，微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制開關(guān) SWC、SWA 開關(guān)置為“0 1” ，按

20、動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址顯示燈 LUA0LUA5 顯示“001001” ，再按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址顯示燈 LUA0LUA5 顯示“001100” ，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，再按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀微程序流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址只要第一次給入即可，PC 會(huì)自動(dòng)加 1，所以，每次按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，只有在微地址燈顯示“001100”時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫完。 10C. 寫完程序后須進(jìn)行檢驗(yàn)。撥動(dòng)總清開關(guān)(01)后，微地址清零，PC 程序計(jì)數(shù)器清零，然后使控制開關(guān) SWC、SWA 為“0 0” ，按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)

21、行”開關(guān)，微地址燈將顯示“001000” ，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址燈顯示為“001010” ，再按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址燈顯示為“001110” ，此時(shí)總線數(shù)據(jù)顯示燈 LZD0LZD7 顯示為該首地址的內(nèi)容，再按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址燈顯示為“010000” ，2 位數(shù)碼管即顯示 RAM 中的程序。不斷按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。 注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時(shí)，2 位數(shù)碼管顯示的內(nèi)容才是相應(yīng)地址中的機(jī)器指令內(nèi)容。 聯(lián)機(jī)讀/寫微程序和程序 用聯(lián)機(jī)軟件的裝載功能將 16 進(jìn)制格式文件（文件名為 C8JHE2）裝入實(shí)驗(yàn)機(jī)即可（詳細(xì)操作見隨機(jī)軟件的 R

22、EADME） 。 4.4.8 運(yùn)行程序 單步運(yùn)行程序 A. “編程開關(guān)”置“運(yùn)行”狀態(tài)， “運(yùn)行方式”開關(guān)置為“單步”狀態(tài),“運(yùn)行控制”開關(guān)置為“運(yùn)行”狀態(tài)。 B. 撥動(dòng)總清開關(guān)(01)，微地址清零，PC 計(jì)數(shù)器清零，程序首地址為 OOH。 C. 按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，即單步運(yùn)行一條微指令。對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。 連續(xù)運(yùn)行程序 A. “編程開關(guān)”置“運(yùn)行”狀態(tài)， “運(yùn)行方式”開關(guān)置為“連續(xù)”狀態(tài),“運(yùn)行控制”開關(guān)置為“運(yùn)行”狀態(tài)。 B. 撥動(dòng)總清開關(guān)，清微地址及 PC 計(jì)數(shù)器，按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)行程序。如果要停止程序的運(yùn)行，只需將“運(yùn)行控制”開關(guān)置為“停止”狀態(tài)，系統(tǒng)就停機(jī)。 C. 本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果最終顯示在輸出設(shè)備 2 位數(shù)碼管上。 115 調(diào)試與分析5.1 調(diào)試步驟5.5.1 初始狀態(tài)下圖 5-1 為初始狀態(tài)圖 5-1 初始狀態(tài)5.5.2 從實(shí)驗(yàn)電路中裝入第一個(gè)加數(shù) 00000110 到 R0 中。如下圖 5-2 裝數(shù) 12圖 5-2 裝數(shù)5.5.3 將 RAM 中另外一個(gè)加數(shù) 13H 送入 DR2 中如下圖 5-3 存另一個(gè)數(shù)圖 5-3 存另一個(gè)數(shù)5.