復雜模型機系統(tǒng)設計及運行

1、計算機組成原理課程設計報告報告題目： 復雜模型機系統(tǒng)設計及運行 作者所在系部： 作者所在專業(yè)： 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 指導教師姓名： 完 成 時 間 ： 2013-06-19 北華航天工業(yè)學院教務處制目 錄目錄.1內(nèi)容摘要.2關鍵詞.2課程設計任務書.3第1章 緒論 .41.1 設計地點.41.2 設計目的.41.3 設計內(nèi)容.41.4 實驗環(huán)境.41.5 課程設計要求.4第2章 基礎知識52.1 概述.5 2.1.1 指令系統(tǒng)概述.52.2 實驗微代碼表.8第3章 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)103.1 模型機結(jié)構(gòu).103.2 程序設計原理.10 3.2.1 ALU.10 3.2.2 存儲器

2、.11 3.2.3 控制器.113.3 程序代碼.123.4 系統(tǒng)實現(xiàn)步驟.123.5 實驗內(nèi)容介紹.153.6 實驗結(jié)果.15 3.6.1 測試用例.15 3.6.2 實驗結(jié)果圖示.16第4章 總結(jié)17 參考文獻. 18 評語.19內(nèi)容摘要計算機系統(tǒng)不同于一般的電子設備，它是一個由硬件、軟件組成的復雜的自動化設備。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型中，第0層是硬件內(nèi)核（邏輯線路），第1、2層是指令系統(tǒng)和實現(xiàn)該指令系統(tǒng)所采用的技術(shù)（組合邏輯技術(shù)、微程序控制技術(shù)、PLA控制技術(shù)），第3、4層為系統(tǒng)軟件，第5層為應用軟件分析。計算機組成原理涉及到的是第0、1、2這3層。本次計算機組成原理的課程設計主要是實現(xiàn)

3、一個較完整的模型機，在實驗中了解，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法，運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。以及增強自己的動手能力。課設主要組成原理實驗設備EL-JY-II來完成的，在實驗中利用了實驗設備廠商開發(fā)的工具以及部分源程序代碼。關鍵詞 模型機，微指令，機器指令，微地址，微代碼課程設計任務書課題名稱復雜模型機系統(tǒng)設計完成時間指導教師職稱教師學生姓名班 級總體設計要求和技術(shù)要點掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、

4、存儲器子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。（1）利用實驗設備平臺構(gòu)造完整的模型機；（2）利用運算器74LS181執(zhí)行算術(shù)操作和邏輯操作；（3）運用隨機存儲器RAM以及地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關系，實現(xiàn)運算器和存儲器協(xié)同工作，讀寫數(shù)據(jù)，檢查結(jié)果是否正確；（4）應用微程序控制器，往EEPROM里任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確性；（5）構(gòu)造指令系統(tǒng)，定義至少15條機器指令，實現(xiàn)比較完整的模型機功能，包括算術(shù)/邏輯運算以及輸入輸出處理；（6）完成指定功能的實現(xiàn)，參加成果驗收，撰寫課程設計報告。工作內(nèi)容及時間進度安排總計2周：1. 6月17日：資料查閱、確定選題、系統(tǒng)總體

5、設計2. 6月18日6月21日：熟悉開發(fā)環(huán)境和工具，模塊設計、代碼編制3. 6月24日28日：系統(tǒng)調(diào)試與運行，現(xiàn)場驗收設計成果4. 6月28日：上交設計報告（打印稿及電子稿）課程設計成果1.課程設計硬件系統(tǒng)及配套軟件2.課程設計報告書第1章 緒論本課程設計綜合運用運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出系統(tǒng)、總線等部件和輔助電路完成一個較完整的模型機計算機設計和實現(xiàn)。1.1 設計地點圖書館五樓計算機組成原理實驗室。1.2 設計目的本課程設計綜合運用運算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、總線等部件和輔助電路，完成一個較完整的模型計算機設計和實現(xiàn)（包括硬件和軟件）。通過課程設計對計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基

6、礎知識進行全面的掌握，培養(yǎng)獨立分析、研究、開發(fā)和綜合設計能力。1.3 設計內(nèi)容掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。（1）利用實驗設備平臺構(gòu)造完整的模型機；（2）利用運算器74LS181執(zhí)行算術(shù)操作和邏輯操作；（3）運用隨機存儲器RAM以及地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關系，實現(xiàn)運算器和存儲器協(xié)同工作，讀寫數(shù)據(jù)，檢查結(jié)果是否正確；（4）應用微程序控制器，往EEPROM里任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確性；（5）構(gòu)造指令系統(tǒng)，定義至少1

7、5條機器指令，實現(xiàn)比較完整的模型機功能，包括算術(shù)/邏輯運算以及輸入輸出處理；（6）完成指定功能的實現(xiàn)，參加成果驗收，撰寫課程設計報告。1.4 實驗環(huán)境利用EL-JY-II型計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“基板+擴展板（CPU板）”形式；系統(tǒng)公共部分如數(shù)據(jù)輸入/輸出和顯示、單片機控制、與PC機通訊等電路放置在基板上，微程序控制器、運算器、各種寄存器、譯碼器等電路放置在擴展板上。1.5 課程設計要求要求畫出系統(tǒng)模塊框圖：按從上到下的設計方法，將整個設計依功能劃分成若干模塊；并確定各個模塊的輸出、輸入端口及要完成的功能。檢查模塊邏輯功能是否正確；第2章基礎知識 2.1 概述 2.1.1 指令

8、系統(tǒng)概述本系統(tǒng)共有十四條基本指令，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2-1列出了各條指令的格式，匯編符號和指令功能。表2-1 指令格式表匯編符號指令的格式功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd 1111 rd rd rs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd 對

9、rd 求反rd循環(huán)右移rd循環(huán)左移MOV D , rdMOV rd , D 00 10 00 rd D 00 10 01 rd D rd DD rdMOV rd , DJMP D 00 00 01 rd D 00 00 10 00 DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rd 0100 10 rd 0100 01 rdKIN rdrd DISP2.1.2微代碼設計設計三個控制操作微程序如下：（1）存儲器讀操作（MRD）撥動清零開關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。（2）存儲器寫操作（MWE）撥動清零

10、開關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。（3）啟動程序（RUN）撥動清零開關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。本系統(tǒng)設計的微程序字長共24位，其控制位順序如表2-2所示。表2-2 24位微代碼表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1B F1 F2 F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三個字段的編碼方案如表2-3所示。表2-

11、3 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 0LDRi 0 0 0RAG 0 0 0P1 0 0 1LOAD 0 0 1ALU-G 0 0 1AR 0 1 0LDR2 0 1 0RCG 0 1 0P3 0 1 1自定義 0 1 1自定義 0 1 1自定義 1 0 0LDR1 1 0 0RBG 1 0 0P2 1 0 1LAR 1 0 1PC-G 1 0 1LPC 1 1 0LDIR 1 1 0299-G 1 1 0P4 1 1 1無操作 1 1 1無操作 1 1 1無操作微程序流程圖如圖2-1 所示。 2.2 試驗微代碼表實

12、驗微代碼如表2-4所示。表2-4 使用微代碼表 微地址（8進制） 微地址（2進制）微代碼（16進制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B4624010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041

13、EA320110100041EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103071F7370111113001F9401000000379C141100001010FC142100010011F4145100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011016003C1621100100003C1631100110025F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA7211

14、1010000D3C874111100FF73C975111101016E10第3章 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3.1 模型機結(jié)構(gòu) 圖3-1 模型機結(jié)構(gòu)框圖 圖中運算器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

15、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。在開關方式下，輸入設備由16位電平開關及兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構(gòu)成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態(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)可由鍵盤或上位機輸入，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。3.2 程序設計原理 3.2.1 ALUALU部件是一種能進行多種算術(shù)運算和邏輯運算的組合邏輯電路。它的基本邏輯結(jié)構(gòu)是先行進位加法器。 3.2.2 存儲器靜態(tài)MOS存儲器芯片由

16、存儲器、地址譯碼和控制電路等部分組成。存儲體是存儲單元的集合。地址譯碼器二進制表示的地址轉(zhuǎn)換為譯碼輸入線上的高電位，驅(qū)動相應的讀寫電路?？刂破鞲鶕?jù)CPU給出的讀或?qū)懨睿刂票贿x中的存儲單元讀出或?qū)懭搿?.2.3 控制器CPU的硬件完成的是讀取指令，分析指令后產(chǎn)生相應的控制信號，用于指令的執(zhí)行完成。對指令的讀取和譯碼分析就是控制器的功能?？刂破鹘M成如下：(1). 指令計數(shù)器：存放要執(zhí)行的下一條指令的地址。(2). 指令寄存器：存放現(xiàn)行指令。(3). 指令譯碼器：對指令操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應的控制信號給操作信號形成部件。(4). 脈沖源及啟?？刂齐娐罚好}沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，作為整個

17、機器的時鐘脈沖，啟停線路可以開放或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生于停止，實現(xiàn)對機器的啟動和停機。(5). 時序信號產(chǎn)生部件：以時鐘脈沖為基礎，具體產(chǎn)生不同指令對應的周期、節(jié)拍、工作脈沖等時序信號。(6). 操作控制信號形成部件：綜合時序信號、被控功能部件反饋的狀態(tài)條件信號等，形成不同指令所需要的操作控制信號序列。(7). 中斷機構(gòu)：對異常情況和外來請求處理。(8). 總線控制邏輯：對總線信息傳輸控制。3.3 程序代碼本實驗的機器指令程序代碼如表3-1所示。表3-1 指令輸入表地址（十六進制）機器指令（十六進制） 助記符說明00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08

18、H09 H0A H0B H0C H0D H0E H0F H0048 H00B0 H0082 H0046 H0049 H00A4 H0082H0046 H00F0 H00D5 H00E5H0094 H0082 H0046 H0008 H0000H IN Ax , KIN INC Ax MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx IN Bx , KINSUB Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx ROL Ax NOT Bx ROR Bx AND Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx JMP 0000 H輸入 AxAx+1 AxAx

19、 CxCx LED輸入 BxAx - Bx Ax Ax CxCx LEDAx循環(huán)左移對Bx求反Bx循環(huán)右移Bx + Ax AxAx CxCx LED0000 H PC3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)步驟 (1) 系統(tǒng)在聯(lián)機方式下進行。步驟如下： 連接硬件系統(tǒng)，電路如圖3-2所示。 AO1BO1微控器接口LDRO1LDRO2ALU_GOUTAROUTSTATUSUAJ1G_299OUTWEOWEILDR1LDR2運算器接口ALU_GARS3-S0 M CNG_299輸出顯示W(wǎng)/RD15-D0D_G控制總線W/RW/RT4T3T2T1F4F3F2F1 C1-C6Y1Y21B1AI/O控制 MD15-MD0數(shù)據(jù)總線

20、 AD7-AD0 地址總線 WE MD15-MD0 MA7-MAO主存儲器電路 CE圖3-2 硬件連線圖啟動實驗聯(lián)機軟件，打開實驗課題菜單，選中實驗課題八，打開實驗課題參數(shù)對話窗口。(2) 微指令操作： 寫：在編輯框中輸入微指令程序（格式：兩位八進制微地址 + 空格 + 六位十六進制微代碼），按“保存”按鈕，將微程序代碼保存在一給定文件(*.MSM)中；按“打開”按鈕，打開已有的微程序文件，并顯示在編輯框中；將實驗箱上的K4K3K2K1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，然后按"寫

21、入"按鈕，微程序?qū)懭肟刂拼鎯ζ麟娐?。讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥到寫狀態(tài)即K1 off、K2 off、K3 on、K4 off，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。微指令操作界面如圖3-3所示。圖3-3 微指令操作(3) 機器指令操作。打開實驗課題參數(shù)對話窗口： 寫：在編輯框中輸入實驗用的機器指令程序（格式：兩位十六進制地址+空格+2位或4位十六進制代碼），按“保存”按鈕，將機器指令程序代碼保存在一給定文件(*.ASM)中；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；將實驗箱上的K4K3K2K1撥到運

22、行狀態(tài)即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，將表13中的數(shù)據(jù)以圖4形式寫入，然后按“寫入”按鈕，機器指令寫入存儲器電路。 讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥到運行狀態(tài)即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，在“讀出指令地址”欄中填入兩位十六進制地址，撥動“CLR”開關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。 運行程序單步：在運行狀態(tài)前提下，選擇操作-à單步，然后撥動“CLR”開關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?/p>

23、示燈和顯示LED觀察單步運行的結(jié)果。 連續(xù)：在運行狀態(tài)前提下，選擇操作-à連續(xù)，先撥動“CLR”開關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。 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。此時地址和微地址并不復位，仍可以從暫停處單步或連續(xù)執(zhí)行。機器指令操作界面如圖3-4所示：圖3-4 機器指令操作程序運行過程中，遇到輸入語句時，會出現(xiàn)如圖3-5和圖3-6所示對話框，要求輸入數(shù)據(jù)：圖3-5 彈出窗口提示操作 圖3-6 輸入數(shù)據(jù)3.5 設計內(nèi)容介紹本系統(tǒng)完成計算及驗證實驗結(jié)果。計算公式：Cx(Ax16)*8-Bx /43.6 實驗結(jié)果 3.6 .1 測試用例以下為實驗中使用的輸入數(shù)據(jù)及計算結(jié)果，如表3-2所示：表3-2輸入數(shù)據(jù)及計算結(jié)果實驗數(shù)據(jù)AxBxCx第一組數(shù)據(jù)0010H0000H0040H第二組數(shù)據(jù)0001H0011H001DH3.6.2 實驗結(jié)果圖示(1)輸入Ax數(shù)據(jù)0001H,如圖3-7所示：圖3-7輸入Ax數(shù)據(jù)(2).輸入Bx數(shù)據(jù)0011H，如圖3-8所示：圖3-8輸入Bx數(shù)據(jù)(3) 在輸出顯示燈上第一組數(shù)據(jù)顯示的