寄存器算術(shù)清零邏輯與輸入輸出等指令實驗計算機設計

1、 沈陽理工大學課程設計專用紙成 績 評 定 表學生姓名班級學號 專 業(yè)計算機科學與技術(shù)課程設計題目多寄存器算術(shù)清零邏輯與輸入輸出等指令實驗計算機設計評語組長簽字：成績?nèi)掌?2013 年 月 日課程設計任務書學 院信息學院專 業(yè)計算機科學與技術(shù)學生姓名班級學號 課程設計題目多寄存器算術(shù)清零邏輯與輸入輸出等指令實驗計算機設計實踐教學要求與任務:利用EL-JY-II型計算機組成原理實驗儀提供的硬件資源，通過設計（包括整機結(jié)構(gòu)設計、指令設計、微程序設計、微指令設計、調(diào)試程序設計等）、組裝、調(diào)試三個步驟完成一臺微程序控制的復雜實驗計算機的設計。具體要求如下：1、 掌握實驗計算機的整機結(jié)構(gòu)。熟悉實驗計算機

2、的組裝和調(diào)試方法。2、 設計如下幾條機器指令的格式，指令格式可以采用單字長或雙字長設計。算術(shù)清零運算指令：CLR rd （功能 0 -> rd）邏輯與運算指令：AND rs，rd（功能rs rd -> rd）輸入輸出指令：IN #DATA，rd （功能DATA -> rd）OUT Ri （功能Ri的值 -> LED輸出）轉(zhuǎn)移指令： JMP ADDR （功能ADDR -> PC）3、 設計微指令的格式, 編寫上述每條機器指令所對應的微程序，并上機調(diào)試。4、通過如下程序的編寫調(diào)試，驗收機器指令、微指令、微程序的設計結(jié)果。IN #data，R0IN #data，R2AN

3、D R0，R2OUT R2CLR R2OUT R2JMP 00H工作計劃與進度安排: 第17周：布置課程設計任務，查閱資料，分組設計，實驗室組裝與調(diào)試。 第20周：調(diào)試，驗收，答辯，編寫課程設計報告。指導教師： 2013年6月 日專業(yè)負責人： 2013年6月 日學院教學副院長： 2013年6月 日目 錄1.計算機的設計31.1設計目的31.2指令系統(tǒng)的設計31.3 微指令的格式設計及微操作控制部件的組成原理31.3.1微指令編碼的格式設計31.3.2微操作控制信號的功能41.3.3微程序順序控制方式設計51.4微程序設計61.4.微程序控制器的原理61.4.2每條指令對應的微程序流程圖61.4

4、.3每段微程序中各微指令的二進制編碼、16進制編碼121.4.4微程序在控存中的存放位置131.5編寫調(diào)試程序141.5.1具體代碼141.5.2地址碼和機器碼（16進制編碼）152.課設計算機的組裝153.課設計算機的調(diào)試173.1 調(diào)試前準備173.2調(diào)試步驟及調(diào)試結(jié)果193.3 結(jié)果分析193.4 設計和調(diào)試中遇到的困難和心得體會203.4.1 課設中遇到的問題困難203.4.2 心得體會204參考資料211.計算機的設計1.1設計目的綜合運用所學過的計算機原理知識，設計并實現(xiàn)較為完整的計算機。掌握運用計算機原理知識解決問題和設計指令程序的能力。通過課程設計的綜合訓練，培養(yǎng)實際分析問題，

5、編寫程序指令和動手能力、團隊協(xié)作精神，幫助學生系統(tǒng)掌握計算機組成原理課程的主要內(nèi)容。1.2指令系統(tǒng)的設計00000000指令格式、指令編碼、指令助記符、指令功能、操作數(shù)的尋址方式如下： 表1 指令系統(tǒng)的設計框圖指令格式 指令編碼指令助記符指令功能操作數(shù)的尋址方式0100 010000HIN #data,R0Addr R0寄存器尋址1000 011001HIN #data,R2Addr R0寄存器尋址1010 001002HSUB R0,R2R0-R2 R0寄存器尋址1110 100003HRRC R2,R0帶進位的邏輯右移 R2 R0寄存器尋址0000 100004HOUT R0R0 Addr

6、寄存器尋址0000 100005HJMP 00H無條件跳轉(zhuǎn)Addr PC 0000 000006H00H停機1.3微指令的格式設計及微操作控制部件的組成原理1.3.1微指令編碼的格式設計本系統(tǒng)設計的微指令采用水平型微指令格式，字長共24位，其控制位順序如下：表1.2 控制位順序242322212019181716S3S2S1S0MCnWE1A1B15 14 1312 11 109 8 7654321F1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0其中前18位為操作控制字段和測試字段。uA5-uA0為6位的下地址字段微地址。微指令中的控制位的含義如下：S3、S2、S1、S0、M、Cn是控制運算器

7、的邏輯和算術(shù)運算的微命令。表1.3微指令中的控制位S3S2S1S0MCn0000000001100101020011110300000104000011WE是寫內(nèi)存的微命令，狀態(tài)“1”有效。1A、1B是輸入電路選通、內(nèi)存RAM選通、輸出LED選通控制微命令，分別對應狀態(tài)“11”、“10”、“01”。 狀態(tài)“00”為無效。F1、F2、F3為三個譯碼字段，分別由三個控制位經(jīng)指令譯碼電路74138譯碼輸出8種狀態(tài)，前7種狀態(tài)分別對應一組互斥性微命令中的一個，狀態(tài)“111”為無效。F3字段包含P1- P4四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令代碼及相應微指令代碼進行譯碼測試，使微程序轉(zhuǎn)入相應的微地址入囗，

8、從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。F1、F2、F3三個字段的編碼方案如表1.10表1.4 F1,F2,F3三個字段的編碼方案表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 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 10 1 10 1 11 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299G1 1 0P41.3.2微操作控制信號的功能微命令LDRi表示寫寄存器操作。微命

9、令LOAD表示程序計數(shù)器PC寫操作。微命令LDR2表示數(shù)據(jù)暫存器LT2寫操作。微命令LDR1表示數(shù)據(jù)暫存器LT1寫操作。微命令LAR表示地址寄存器AR寫操作。微命令LDIR表示指令寄存器寫操作。微命令RAG表示源寄存器讀操作。微命令ALU-G表示運算器輸出操作。微命令RCG表示目的寄存器讀操作。微命令PC-G表示程序計數(shù)器PC讀操作。微命令LPC表示程序計數(shù)器PC選通操作。微命令299-G表示移位寄存器讀寫操作。微命令RBG表示變址寄存器讀操作。1.3.3微程序順序控制方式設計微程序控制部件組成原理 1 運算器單元（ALU UINT） 運算器單元由以下部分構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并串型8

10、位ALU；兩個8位寄存器DR1和DR2為暫存工作寄存器，保存參數(shù)或中間運算結(jié)果。ALU的S0S3為運算控制端，Cn為最低進位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過三態(tài)門74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制該三態(tài)門。 2 寄存器堆單元（REG UNIT） 該部分由3片8位寄存器R0、R1、R2組成，它們用來保存操作數(shù)用中間運算結(jié)構(gòu)等。三個寄存器的輸入輸出均以連入數(shù)據(jù)總線，由LDRi和RS-B根據(jù)機器指令進行選通。 3 指令寄存器單元（INS UNIT） 指令寄存器單元中指令寄存器（IR）構(gòu)成模型機時用它作為指令譯碼電路的輸入，實現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，由LDIR控制其選通。 4 時序電路單元（S

11、TATE UNIT） 用于輸出連續(xù)或單個方波信號，來控制機器的運行。 5 微控器電路單元（MICROCONTROLLER UNIT） 微控器主要用來完成接受機器指令譯碼器送來的代碼，使控制轉(zhuǎn)向相應機器指令對應的首條微代碼程序，對該條機器指令的功能進行解釋或執(zhí)行的工作。由輸入的W/R信號控制微代碼的輸出鎖存。由程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）實現(xiàn)程序的取指功能。 6 邏輯譯碼單元（LOG UNIT） 用來根據(jù)機器指令及相應微代碼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、循環(huán)運行，及工作寄存器R0、R1、R2的選通譯碼。 7 主存儲器單元（MAIN MEM） 用于存儲

12、實驗中的機器指令。 8 輸入輸出單元（INPUT/OUTPUT DEVICE） 輸入單元使用八個撥動開關(guān)作為輸入設備，SW-B控制選通信號。輸出單元將輸入數(shù)據(jù)置入鎖存器后由兩個數(shù)碼管顯示其值。1.4微程序設計1.4.1微程序控制器的原理A. 微程序控制的基本思想:1. 若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作； 2. 若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令； 3. 微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機器指令時再取出。B. 基本組成:控制存儲器，微指令寄存器，微地址寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯框圖:圖1 微程序控制器組成原理框圖控制存儲器(CM):用來存放實現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，位于CPU

13、中。它是一種只讀型存儲器，要求速度快，讀出周期短微指令寄存器:存放當前由控制存儲器讀出的一條微指令信息，分為微地址寄存器和微命令寄存器兩個部分。其中微地址寄存器決定將要訪問的下一條微指令的地址，微命令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段(P)的信息地址轉(zhuǎn)移邏輯:自動完成修改微地址的任務。微程序控制器:微程序控制器的基本任務是完成當前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合進行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以

14、用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器,微程序控制器原理框圖如圖2所示6MA5-MA02I7-I2P4-P1T4地址T16SE6SE0T2CLR6uA5ua0T2uIR微指令CM2816*324位S3A8ABCQQ D指令譯碼單元3-8譯碼器指令寄存器IR圖2 微程序控制器原理框圖C. 微程序控制計算機的工作過程:下面通過計算機啟動、執(zhí)行程序直到停機的過程，來說明微程序是如何控制計算機工作的:計算機加電以后，首先由復位信號(Reset)將開機后執(zhí)行的第一條指令的地址送入PC內(nèi)，同時將一條"取指"微指令送入微

15、指令寄存器中，并將其他一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當電壓達到穩(wěn)定值后，自動啟動計算機，產(chǎn)生節(jié)拍電位和工作脈沖。為保證計算機正常工作，電路必須保證開機后第一個機器周期信號的完整性，在該CPU周期末，產(chǎn)生開機后第一個工作脈沖。然后計算機開始執(zhí)行程序，不斷地取出指令、執(zhí)行指令。程序可以存放在固定存儲器中，也可以利用固化在只讀存儲器(ROM)中的一小段引導程序，將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部設備調(diào)入主存。實現(xiàn)各條指令的微程序是存放在微程序控制器中的。當前正在執(zhí)行的微指令從微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并進行相應的處理。當遇到停機指令或

16、外來停機命令后，應該待當前這條指令執(zhí)行完畢后再停機或至少在本機器周期結(jié)束時停機。要保證停機后，重新啟動計算機能繼續(xù)工作而且不出現(xiàn)任何錯誤。1.4.2每條指令對應的微程序流程圖開始(1) 輸入指令IN011PCAR,PC+1021RAMDBUSLR751P(1)測試241INDINPUTDBUSDBUSrd 01圖1.2 IN指令的微程序流程圖開始（2）輸出指令OUT011011PCAR,PC+1021RAMDBUSLR751P(1)測試OUT251rdLED011圖1.3 IN指令的微程序流程圖(3)右移位運算指令RRC開始P(1)測試021PCAR,PC+1011RAMDBUSLR75136

17、1RRCrs299671帶進位右環(huán)移701299rd011圖1.4 RRC指令的微程序流程圖開始(5) 算術(shù)減法運算指令SUBPCAR,PC+1011021751RAMDBUSLRP(1)測試SUB321rsDBUSDBUSLT2541rdDBUSDBUSLT1551LT1LT1561LT1LT1571LT1+1DBUSLT1601LT1LT161LT1+LT2DBUSrd01圖1.5 SUB指令的微程序流程圖開始(6) 轉(zhuǎn)移指令JMP011PCAR,PC+1021RAMDBUSLR751P(1)測試20100直接PCAR,PC+1031RAMDBUSDBUSLT104RAMDBUSDBUSA

18、R401P(2)4231LT1DBUSDBUSPC01圖1.6 JMP指令的微程序流程圖(7)右移位運算指令RRC開始P(1)測試021PCAR,PC+1011RAMDBUSLR751361RRCrs299671帶進位右環(huán)移701299rd011圖1.7 RRC指令的微程序流程圖1.4.3每段微程序中各微指令的二進制編碼、16進制編碼表1.5 據(jù)本實驗程序流程圖設計的二進制微代碼表微地址S3S2S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5-UA0000000000000000111111110001000000001000000000101101101000010000010000

19、000010 110111111111101000110000000010 101111111100101000111000000010 101111 111100101001000000000000 101 101 101001010001001000000000 101101 101001100001010000000010 100111111111011001011000000000111111111000001001100000000011 100111111111100010000000000000101101 101100101010010000000000 10110110100

20、0111010011000000000 101 101 101000110010100000000000111111100010101010101000000101111 010111000001010111000000011 000111111000001011000000000000 000 000111000001011001000000000100 000111101010011010000000000 100 000111101100011011000000000 100 000111110010011100000000000 100 000111110011011101000000

21、000 100 000111110110011110001100000 111 000111110111011111001100000 000 000111111001100000000000110111100111000001100001000000010 000111111000001100010000000010 001 111 101000001100101000000000111 111 100100000101010000000000010010111101011101011100101000000001111000001101100000000000010100111101101

22、101101011000000000 00111100000111001000000000000000111100000111001100000000001001011111010111010110111000000000111100000111011000001100000000111100000111011100100000011111011111100011100000000000000011011100000111100100010000011111011111101011101000000000000011011100000111101100000110111100111100100

23、01111001111111101110011110010011111010000000101101110000100001.4.4微程序在控存中的存放位置表1.6 二進制代碼表微地址（八進制）微地址（二進制）微代碼（十六進制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD03000011014FC404000100015F2005000101015FC606000110014FC707000111015F2010001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC1500

24、1101014FCE160011100025CF170011119453E520010000005B4321010001005B4522010010005B4D23010011005B6624010100018FC12501010102F5C126010110007FD6270101113C03C1300110000001C1310110010041EA320110100021EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103001F7370111113001F940100000010FC1411000010379/p>

25、1F4143100011007EA444100100007FC14510010184492046100110014FE747100111002BE850101009459E951101001944920521010100025EB531010119403FE541011000049ED551011010449EE561011100C49EF571011110049F0601100000C7F31611100019403C1621100100003C1631100110025F56411010004134165110101B803C1661101100C03C167110111287DF8701

26、11000000DC171111001187DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E10761111100041C11.5編寫調(diào)試程序1.5.1具體代碼設計如下幾條機器指令的格式，指令格式可以采用單字長或雙字長設計。算術(shù)減法運算指令：SUB rs，rd （功能rs - rd -> rd）輸入輸出指令：IN #DATA，rd （功能DATA -> rd）OUT Ri （功能Ri的值 -> LED輸出）右移位運算指令：RRC rs，rd（功能rs的值帶進位循環(huán)右移一位-> rd）轉(zhuǎn)移指令： JMP A

27、DDR （功能ADDR -> PC）通過如下程序的編寫調(diào)試，驗收機器指令、微指令、微程序的設計結(jié)果。IN #data，R0IN #data，R2SUB R0，R2RRC R2, R0OUT R0JMP 00H1.5.2地址碼和機器碼（16進制編碼）表1.7地址碼和機器碼（16進制編碼）地址（八進制）地址（二進制）機器指令（十六進制）0000000044010000014602000010A203000011E80400010058050001010806000110002.計算機的組裝按照組裝圖將各接口處用連接線連接起來，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

28、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。計算機接線圖如圖2.1圖2.1 計算機的接線圖3.計算機的調(diào)試 3.1 調(diào)試前準備1、按照實驗指導說明書連接硬件系統(tǒng) 2、啟動實驗軟件，打開實驗課題菜單，選中實驗課題打開實驗課題參數(shù)對話窗口：讀寫微指令操作時如圖3.1圖3.1 微指令操作 1)  寫:在編輯框中輸入實驗指導書中的微指令程序(格式：兩位八進制微地址+空格+六位十六進制微代碼),或直接打開隨機附帶的程序EX6.MSM，將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0010”寫狀態(tài)，然后按"寫入"按鈕,微程序?qū)懭肟刂拼鎯ζ麟娐? 2)  讀:將

29、實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0100”讀狀態(tài)，在“讀出微地址”欄中填入兩位八進制地址，按"讀出"按鈕,則相應的微代碼顯示在“讀出微代碼”欄中; 3)保存:按"保存"按鈕,微程序代碼保存在一給定文件(*.MSM)中; 4)打開:按"打開"按鈕,打開已有的微程序文件,并顯示在編輯框中 機器指令操作如圖3.2圖3.2 機器指令操作1)  寫:在編輯框中輸入實驗指導書中機器指令程序(格式：兩位十六進制地址+空格+2位或4位十六進制代碼),或直接打開隨機附帶的程序EX6.ASM，將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0101”運行狀態(tài)

30、，撥動“CLR”開關(guān)對地址和微地址清零，然后按"寫入"按鈕,機器指令寫入存儲器電路;注：對于8位機，十六進制代碼為2位；對于16位機，十六進制代碼可以是2位，也可以是4位。 2)  讀:將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0101”運行狀態(tài)，在“讀出指令地址”欄中填入兩位十六進制地址，撥動“CLR”開關(guān)對地址和微地址清零，然后按"讀出"按鈕,則相應的指令代碼顯示在“讀出指令代碼”欄中 3)保存:按"保存"按鈕,機器指令程序保存在一給定文件(*.ASM)中 4)打開:按"打開"按鈕,打開已有的機器指令程序文件,并顯示在編輯框中 5)單步:在運行狀態(tài)下運行程序前，先撥動“CLR”開關(guān)對地址和微地址清零，然后每按一次"單步"按鈕,執(zhí)行一條微指令?？蓮膶嶒炏涞闹甘緹艉惋@示LED觀察單步運行的結(jié)果。 6)連續(xù):在連續(xù)運行程序前，先撥動“CLR”開關(guān)對地址和微地址清零，然后按"連續(xù)"按鈕,可連續(xù)執(zhí)行程序?？蓮膶嶒炏涞闹甘緹艉惋@示LED觀察連續(xù)運行的結(jié)果。 7)停止:在連續(xù)運行程序過程中，可按"停止”按鈕暫停程序的執(zhí)行。此時地址