組成原理課程設計-模型機設計.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除河南科技大學課 程 設 計 說 明 書課程名稱 組成原理課程設計 題 目 模型機設計 院 系 班 級 學生姓名 指導教師 日 期 課程設計任務書（指導教師填寫）課程設計名稱 組成原理課程設計 專業(yè)班級 電信科07 設計題目 模型機設計 一、 課程設計目的1.掌握整機動態(tài)工作過程2.了解微程序控制器的設計，構(gòu)建指令系統(tǒng)3.組建模型機，編寫應用程序進行調(diào)試二、設計內(nèi)容、技術(shù)條件和要求1.設計內(nèi)容（1）設計指令系統(tǒng)（2）編寫微程序（3）實驗接線（4）編寫應用程序，選擇實現(xiàn)下列要求的一種功能輸入兩個一位十進制數(shù)，計算兩數(shù)之和，并以BCD碼輸出輸入一個一位十進制數(shù)，將其擴大5倍后以BCD碼輸出輸入一個兩位十進制數(shù)，求其負值的補碼輸入一個兩位十進制數(shù)，輸出八進制結(jié)果輸入幾個數(shù)，統(tǒng)計大于10的數(shù)的個數(shù)輸入幾個數(shù)，找出最大數(shù)2.設計要求（1）指令在8條以上（2）尋址方式包括：寄存器尋址、直接尋址、立即數(shù)尋址（3）數(shù)據(jù)由鍵盤輸入（4）由數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)三、時間進度安排2010-6-21：布置題目2010-6-22：熟悉實驗原理，編寫微程序和應用程序2010-6-232010-7-1：實驗調(diào)試2010-7-22010-7-4：編寫課程設計報告四、主要參考文獻1.張新榮，于瑞國.計算機組成原理.天津大學出版社2.白中英.計算機組成原理.科學出版社指導教師簽字： 2010年 6 月 20 日模型機設計一、設計目的1.掌握整機動態(tài)工作過程2.了解微程序控制器的設計，構(gòu)建指令系統(tǒng)3.組建模型機，編寫應用程序進行調(diào)試二、設計器材 EL-JY-II型計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套，排線若干。三、設計要求（1）指令在8條以上（2）尋址方式包括：寄存器尋址、直接尋址、立即數(shù)尋址（3）數(shù)據(jù)由鍵盤輸入（4）由數(shù)碼管顯示結(jié)果四、模型機結(jié)構(gòu)圖1模型機結(jié)構(gòu)框圖圖1中運算器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，輸入設備由16位電平開關(guān)及兩個三態(tài)傳輸芯片74LS244構(gòu)成，當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)機方式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或串口輸入，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。五、指令編碼及微程序1數(shù)據(jù)格式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：1514 13 0符號尾 數(shù)其中第16位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-32768X32767。2指令格式（1）算術(shù)邏輯指令設計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CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROLrs或rd選定寄存器00Ax01Bx10Cx9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表1。（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11E=100H +D直接地址擴展直接尋址注：擴展直接尋址用于面包板上擴展的存儲器的尋址。（3）I/O指令 輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，當OP-CODE=0100且addr=10時，從“數(shù)據(jù)輸入電路”中的開關(guān)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。3指令系統(tǒng)有14條基本指令，其中算術(shù)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。表1 指令格式匯編符號指令的格式功 能MOV rd，rs1000 rs rdrsrdADD rd，rs1001 rs rdrs+rdrdSUB rd，rs1010 rs rdrd-rsrdINC rd1011 rd rdrd+1rdAND rd，rs1100 rs rdrsrdrdNOT rd1101 rd rd/rdrdROR rd1110 rd rdrdROL rd1111 rd rdrdMOV D，rd00 10 00 rdrdDDMOV rd, D00 10 01 rdDrdDMOV rd,D00 00 01 rdDrdDJMP D00 00 10 00DPCDIN rd, KIN0100 10 rdKINrdOUT DISP，rd0100 01 rdrdDISP 4設計微代碼微程序設計的關(guān)鍵技術(shù)之一是處理好每條微指令的下地址，以保證程序正確高效地進行。本系統(tǒng)采用分段編碼的指令格式，采用斷定方式確定下一條微指令的地址。控制場 下地址場微指令寄存器MIR微地址形成電路控存CM微操作控制信號指令操作碼狀態(tài)條件微指令微地址圖2 斷定方式微程序控制部件示圖每條微指令由24位組成，其控制位順序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0MS24MS16對應于微指令的第2416位，S3S2S1S0MCn為運算器的方式控制， WE為外部器件的讀寫信號，1表示寫，0表示讀；控制總線上的WR為外部讀寫控制電路的輸出，其控制電路為： 圖3控制電路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：Y3被系統(tǒng)占用，用于輸入中斷，Y0Y1Y2能被用戶使用）。I/O控制電路由一片74LS139構(gòu)成，用于為外部器件提供選通信號。其原理和邏輯關(guān)系如下圖所示：圖4 I/O控制電路輸 入輸 出1A1BY0Y1Y2Y3000111101011011101111110微指令中的uA5-uA0為6位的后續(xù)微地址。、三個字段的編碼方案如表2：表2 、編碼方案F1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 0LRi0 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 0P41 1 1無操作1 1 1無操作1 1 1無操作 MS15MS13對應于微指令中的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為運算器的兩個鎖存控制；LDIR為指令寄存器的鎖存控制；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行寫操作；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。MS12MS10對應于微指令中的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；ALU-G為運算器的輸出控制；PC-G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。移位運算實驗電路結(jié)構(gòu)如圖5所示： 圖5 移位運算器電路結(jié)構(gòu)功能由S1、S0、M控制，具體功能如下表： G-299S1S0MT4功 能000保持0100循環(huán)右移0101帶進位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進位循環(huán)左移111置數(shù)(進位保持)0110置數(shù)（進位清零）0111置數(shù)（進位置1）MS9MS7對應于微指令中的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，其功能是對機器指令進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支和循環(huán)運行；AR為運算器的進位輸出控制；LPC為程序計數(shù)器的時鐘控制。以上信號均為1有效。六、微程序設計流程存儲器讀操作（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。系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖9（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微地址）。控制操作為P4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。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8）。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9中01、02、75地址（8進制）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(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)12路分支，占用12個固定微地址單元。如I7I4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指令?？刂崎_關(guān)13P4測試PCAR，PC1(D_INPUT)D_BUS LT1LT1 RAM00MWE（10）1474PCAR，PC1RAM D_BUS LT1LT1 LED1012730111MRD（00）RUN（11） 圖6 微程序流程圖（1）圖7 微程序流程圖（2）六、應用程序加法器：00 0048；IN AX,KIN01 0049;IN BX,KIN02 0091;ADD BX,AX03 0021;MOV00FF,BX04 00FF;05 0004;MOV AX,9H06 009H;07 00A4;SUB AX,BX08 00F0;ROL AX09 0005;MOV BX,01HA 001H;B 00C4;AND AX,BXC 00F0;ROL AXD 0005;MOV BX,0E 0000;F 0091;ADD BX,AX10 00F0;ROL AX11 0091;ADD BX,AX12 0024;MOV AX,00FF13 00FF;14 0094;ADD AX,BX15 0082;MOV CX,AX16 0046;OUT DISP,CX17 000818 0000比較2數(shù)大小：00 0048;IN AX,KIN01 0049;IN BX,KIN02 0021;MOV 00FF,BX03 OOFF;04 0081;MOV BX,AX05 0021;MOV 00FE,BX06 00FE;07 0025;MOV BX,00FF08 OOFF;09 004A;SUB AX,BX0A 00O5;MOV BX,01H0B OOO10C 00C4;AND AX,BX0D OO81;MOV BX,AXOE 0004;MOV AX,OOH0F 0000;10 OOA4;SUB AX,BX11 0081;MOV BX,AX12 0021;MOV OOFB,BX13 00FB;14 00D0;NOT AX15 OO81;MOV BX,AX16 0024;MOV AX,OOFE17 OOFE;18 00C1;AND BX,AX19 0021;MOV 00FC,BX1A 00FC;1B OO24;MOV AX,0OFF1C OOFF;1D 0025;MOV BX,00FB1E 00FB;1F 00C1;AND BX,AX20 0024;MOV AX,OOFC21 00FC;22 0094;ADD AX,BX23 0082;MOV CX,AX24 0046;OUT DISP,CX25 0008;26 0000;七、接線圖圖8實驗連線圖八、調(diào)試及實驗結(jié)果在按照實驗連線圖進行連線之后，首先完成的是兩個課程設計指導書上的驗證性實驗。其中包括一個寫微代碼和一個寫機器指令的實驗。前者驗證了試驗儀可以正常的寫入和讀取導入的微指令。后者驗證了試驗儀可以正常的運行導入的機器指令并得出正確的結(jié)果。兩個驗證性實驗的成功基本上就說明了連線的正確。之后進行了課程設計任務書中的設計內(nèi)容。我組進行的設計是設計要求中的和，即求兩十進制數(shù)和，并以BCD碼輸出；和比較兩數(shù)大小，并輸出其中較大值的實驗。其中，在進行加法實驗的時候比較順利，在將編寫的機器指令輸入之后運行，輸出的結(jié)果正確的等于了兩個輸入十進制數(shù)之和，并且是以十進制的形式輸出。這也就驗證了所設計機器指令的正確性。在進行求較大值的實驗中，我組的調(diào)試過程中遇到了麻煩。在對所編寫機器指令運行，并測試了多組數(shù)據(jù)之后，我們發(fā)現(xiàn)每次的輸出結(jié)