《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)課件

1、xxxx 大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)說明書題 目： 實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)指令的設(shè)計(jì)（三）課 程： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)院 （部）： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)工程班 級(jí)： 網(wǎng)絡(luò) 101 班學(xué)生姓名： xxx學(xué) 號(hào)： 1234567890指導(dǎo)教師： xxx完成日期： 2013 年 1 月 17 日2目錄一、課程設(shè)計(jì)題目.4二、課程設(shè)計(jì)目的.4三、課程設(shè)計(jì)方案.4四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容.4（一） 、硬件資源 .41運(yùn)算器模塊.42寄存器堆模塊.43指令部件模塊.44內(nèi)存模塊.55總線緩沖模塊.56微程序控制模塊.57啟停和時(shí)序模塊.58整機(jī)邏輯框圖.5（二） 、設(shè)

2、計(jì)指令 .61、指令操作數(shù)尋址方式及其代碼.62、指令執(zhí)行流程.7（三） 、確定微操作控制信號(hào)及其實(shí)現(xiàn)方法 .71、設(shè)計(jì)微指令格式.72、微程序控制方式.73、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)接線表.84PLD 方程.9（四） 、指令編碼及微程序 .11（五） 、程序調(diào)試 .13五、結(jié)論.16六、參考文獻(xiàn).163山東建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院山東建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）：設(shè)計(jì)題目實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)指令的設(shè)計(jì)（三）已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求1、使用 FD-CES 實(shí)驗(yàn)儀2、主要模塊：運(yùn)算器、寄存器、指令部件、內(nèi)存、總線緩沖、微程序控制、啟停和時(shí)序模塊。3、完成

3、以下 5 條指令的設(shè)計(jì)：MOV A,#DATAMOV R1,#DATASUB A,R1STA ADDRJC ADDR設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟1、運(yùn)算器采用單累加器多寄存器結(jié)構(gòu)，操作數(shù)尋址方式采用直接地址尋址，立即數(shù)尋址，寄存器直接尋址。2、程序、微程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試。3、設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證這 5 條指令的執(zhí)行情況。4、課程設(shè)計(jì)說明書。設(shè)計(jì)工作計(jì)劃與進(jìn)度安排1、調(diào)試工具 4 學(xué)時(shí)2、設(shè)計(jì)語言 ABL-HDL 6 學(xué)時(shí)3、FD-CES 實(shí)驗(yàn)儀功能模塊 10 學(xué)時(shí)4、指令與微程序的設(shè)計(jì) 14 學(xué)時(shí)5、課程設(shè)計(jì)說明書 6 學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)考核要求1 考勤 20%2 課程設(shè)計(jì)說明書 50%。3 成果演示 30%4一、課程設(shè)計(jì)題目

4、一、課程設(shè)計(jì)題目 實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)指令的設(shè)計(jì)（三）二、課程設(shè)計(jì)目的二、課程設(shè)計(jì)目的在學(xué)習(xí)了專業(yè)基礎(chǔ)課計(jì)算機(jī)組成原理 A和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的部分指令，加深對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的認(rèn)識(shí)，初步掌握計(jì)算機(jī)指令的設(shè)計(jì)與使用方法。鞏固對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”概念的理解；加深對(duì)計(jì)算機(jī)組成、結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程的理解和認(rèn)識(shí)；提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的能力。三、課程設(shè)計(jì)方案三、課程設(shè)計(jì)方案基于 FD-CES 實(shí)驗(yàn)箱的硬件模塊平臺(tái)，通過 PC 機(jī)和可編程邏輯（PLD）電路實(shí)驗(yàn)板，完成簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的部分指令的控制信號(hào)線的連接、編碼、微程序的設(shè)計(jì)，在 FD-CES

5、實(shí)驗(yàn)箱的控制臺(tái)上運(yùn)行用所設(shè)計(jì)的指令編寫的程序，驗(yàn)證設(shè)計(jì)指令的正確性。四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）（一） 、硬件資源、硬件資源1運(yùn)算器模塊該模塊（ALU）的構(gòu)成有：累加器 A（74198） 、運(yùn)算器 ALU（74181*2） 、累加器存器 ACT(74377)、暫存器（74373） 、輸出緩沖器 BUFFER(74245)，以及進(jìn)位產(chǎn)生線路、累加器判零線路等構(gòu)成。52寄存器堆模塊寄存器堆模塊由兩片 74670（U12、U13）組成，提供 4 個(gè) 8 位的通用寄存器。它們可以作為運(yùn)算器中的通用寄存器 R0-R3 使用，也可以作為累加器 A0-A3 使用。3指令部件模塊該部件由指令寄存器、

6、程序計(jì)數(shù)器和指令譯碼器三部分組成。各部分的作用如下：指令寄存器：用來存放計(jì)算機(jī)當(dāng)前執(zhí)行的指令碼，其基本組成是操作碼和操作數(shù)址碼。程序計(jì)數(shù)器：也叫作指令地址寄存器，用來存放下一條指令或者下一指令字節(jié)的址碼，加一處于讀數(shù)狀態(tài)，當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令且轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)接收轉(zhuǎn)移地址。指令譯碼器：用來翻譯操作碼，以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。4內(nèi)存模塊 內(nèi)存模塊是由一片 2048*8bit 的靜態(tài) RAM 電路 6116 及其操作控制電路組。塊最高位地址 A1 固定接地，內(nèi)存模塊（MEM）為用戶提供有效的內(nèi)存空間是 1K 節(jié)。停機(jī)時(shí)，可由控制臺(tái)對(duì)其讀寫；運(yùn)行時(shí)，可由實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)對(duì)其讀寫。5總線緩沖模塊本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀有兩組總

7、線：寬 8bit 的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 IDB 和外部數(shù)據(jù)總線ODB，寬 11bit 的內(nèi)部地址總線 IAB 和外部地址總線 OAB，它們將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本功能模塊連接起來?？偩€緩沖模塊（BUS）用于對(duì)總線信息進(jìn)行控制傳送和驅(qū)動(dòng)。該模塊由三態(tài)總線傳輸（兩片 74245、一片 74125）組成。其中一片 74245 用于控制數(shù)據(jù)總線的雙向傳送，另一片 74245 和一片 74125 用于控制地址總線的單項(xiàng)傳送。6微程序控制模塊 該模塊（MPG）主要由 11 位微地址計(jì)數(shù)器 MPC（74163*3） 、2K*24bit 的6CM（6116*3） ，以及 24 位微指令寄存器 MIR（74277*3）組成。

8、 停機(jī)時(shí)，控存可由控制臺(tái)讀或?qū)?；運(yùn)行時(shí)，控存處于讀狀態(tài)。7啟停和時(shí)序模塊 啟停和時(shí)序模塊（）由運(yùn)行觸發(fā)器 RUN（7474） 、脈沖延遲電路（雙單穩(wěn)74123）等構(gòu)成。用于產(chǎn)生 RO、RF、!、MICP 等信號(hào)。8整機(jī)邏輯框圖（見圖一）7 圖一 整機(jī)邏輯框圖8（二）（二） 、設(shè)計(jì)指令、設(shè)計(jì)指令1、指令操作數(shù)尋址方式及其代碼根據(jù) FD-CES 提供的硬件條件，但累加器多寄存器結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)指令的操作數(shù)尋址方式有以下幾種：（1） 直接地址尋址 ll 位操作數(shù)地址由指令第一字節(jié)低 3 位和第二字節(jié) 8 位直接給出。 例： STA addr； (A) addr注：alO=0，addr 為內(nèi)存地址；a

9、10=1，addr 為外設(shè)地址。 （2） 寄存器直接尋址（3） 寄存器間接尋址 （4） 立即數(shù)尋址指令第二字節(jié) 8 位為立即可操作的數(shù)據(jù)。例：MOV A，#data； dataA MOV Ri，#data；dataRi 2、指令執(zhí)行流程根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)邏輯圖設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程。（1） MOV A，#data ; 指令功能為：data A,需執(zhí)行如下操作：操作碼及 Ri 選擇碼d7d6d5d4d3d2d1d0第一字節(jié)第二字節(jié)8 位立即數(shù) data操作碼a100a9a8a7a6a5a4a3a2a1a0第一字節(jié)第二字節(jié)11 位操作數(shù)地址9 (PC) IAB OAB；程序計(jì)數(shù)器 PC 內(nèi)容

10、作訪問內(nèi)存地址 (M) ODB IDB IRl；讀出指令字節(jié)送指令寄存器 IR1(PC)+1 PC；PC 加 1，為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備(PC) IAB OAB；根據(jù) PC 訪內(nèi)存(M) ODB IDB A；取出本指令第二字節(jié)(即 data)送 A (PC)+1 PC；PC 加 1，為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備（2） MOV R1,#data指令功能為：data R1,需執(zhí)行如下操作： (PC) IAB OAB；程序計(jì)數(shù)器 PC 內(nèi)容作訪問內(nèi)存地址 (M) ODB IDB IRl；讀出指令字節(jié)送指令寄存器 IR1(PC)+1 PC；PC 加 1，為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備(PC) IAB OAB；根據(jù) PC

11、訪內(nèi)存(M) ODB IDB R1；取出本指令第二字節(jié)(即 data)送 R1 (PC)+1 PC；PC 加 1，為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備（3） SUB A， Ri指令功能為（A）-（Ri）A，需執(zhí)行的操作： (PC) IAB OAB；程序計(jì)數(shù)器 PC 內(nèi)容作訪問內(nèi)存地址 (M) ODB IDB IRl；內(nèi)存該地址單元讀出指令字節(jié)送指令寄存器 IR1(PC)+1 PC；PC 加 1，為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備(A) ACT；累加器 A 內(nèi)容送累加器暫存器 ACT，為 ALU 準(zhǔn)備好被加數(shù)RCB2, B3CI, GIP+1, CK X0,X1, CA, BRCPCOB1B2, B3P+1, CK PCOB

12、1CI, GIRCB2, B3P+1, CK CC, CG OT, A, B, RR, /Cn, M, S3, S2, S1, S0OB X0, X1, CA PCOB1RCB2, B3CI, GIP+1, CK X0,X1, CA, BRCPCOB1B2, B3P+1, CK PCOB110 (ACT)-(Ri) BUF IDB A； 使暫存器 TMP 輸出高阻，讀 Ri 寄存器內(nèi)容，使 ALU 執(zhí)行加法，結(jié)果經(jīng) BUF 至 DB 最后送人累加器 A Cn+4 CY；據(jù)加法結(jié)果置進(jìn)位標(biāo)志 CY（4） STA addr指令功能為（A）addr，需執(zhí)行的操作： (PC) IAB OAB；程序計(jì)數(shù)

13、器 PC 內(nèi)容作訪問內(nèi)存地址 (M) ODB IDB IIIR2；內(nèi)存該地址單元讀出指令字節(jié)送指令寄存器 IR2(PC)+1 PC；PC 加 1，為取下條指令字節(jié)準(zhǔn)備(IR1) IAB OAB； (ACT) BUF IDB ODB； （三）（三） 、確定微操作控制信號(hào)及其實(shí)現(xiàn)方法、確定微操作控制信號(hào)及其實(shí)現(xiàn)方法1、設(shè)計(jì)微指令格式 微指令采用全水平不編碼直接控制的格式，因?yàn)槲⒅噶铋L(zhǎng) 24 位，所以最多有 24 位微操作控制信號(hào)可由微碼直接實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī) 24 位長(zhǎng)的微指令分成 6 段定義，。2、微程序控制方式微程序控制方式a方法SA, SB, CP CLRCB2, B3P+1, CK OI

14、Cn, M, S3, S2, S1, S0OB B2,B3,WC PCOB1B1 11本實(shí)驗(yàn)入口地址形成采用“按操作碼散轉(zhuǎn)”的方法，即以指令操作碼（8 位）為核心，擴(kuò)展成 11 位的微程序地址即 MD10MD0。具體接線方法如下： MD10MD6 MD5 MD4 MD3 MD2 MD1 MD0 “0” I7 I6 I5 I2 “1”指令操作碼 I7I6I5I2微指令首地址 MD10MD0 0000 003H 0001 007H 0010 00BH 0011 00FH 0100 013H 0101 017H 0110 01BH 0111 01FH 按指令操作碼散轉(zhuǎn)b控存的順序控制方法本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)

15、數(shù)增量的方法來確定控存的下地址。也就是說，每段微程序執(zhí)行過程中 MPC 加 1 計(jì)數(shù)，指向下一條微指令地址。3、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)接線表a)運(yùn)算器模塊 ZC=!(M20&CLK)CP=!(M21&CLK)SA=M16X0=M16SB=M17X1=M17P0=CYP1=A0SR=A0P2=A7SL=A7CA=!CLKS3=M23S2=M22S1=M21S0=M20Cn=M19M=M18CG=M11CC=!CLK12OB=M8OT=M10CT=1b)寄存器堆模塊WR=!(M0&CLK)RR=M1A=I0B=I1 c)指令部件模塊CL=!(M14&CLK)P+1=M6GI=M7

16、CI=!CLKCK=P0CLR=1OI=M15d)內(nèi)存模塊RC=M2#!CLKWC=M3#!CLKe)總線緩沖模塊B1=RFB2=RFB2=RC#(IAB2&IAB0)KA=IAB0PA=IAB1f)啟停和時(shí)序模塊DR=M5RCP=!CLKh)微程序控制模塊MLD=M4MP+1=1MCLK=P0MIG=0MD10=0MD9=1MD8=0MD7=0MD6=0MD5= I7MD4= I6MD3= I5MD2= I2MD1=1MD0=14PLD 方程 MODULE CESBtitle This is an example for how to use PLD BoardDefine Comp

17、uter Input/Output 13Pins:BLOCK1 IAB10 PIN 45; IAB9 PIN 44; IAB8 PIN 43; IAB7 PIN 42; IAB6 PIN 41; IAB5 PIN 40; IAB4 PIN 39; RC PIN 34; WC PIN 32; IDB0 PIN 30; B2 PIN 31; IDB1 PIN 29; IDB2 PIN 28; IDB3 PIN 27; IDB4 PIN 26; I0 PIN 22; I1 PIN 21; I2 PIN 13; I3 PIN 12; PCO PIN 7; PINC PIN 6; LP PIN 5; G

18、I PIN 4; OI PIN 3; BLOCK2 CL PIN 2; RR PIN 128; WR PIN 127; SB PIN 126; SA PIN 125; A PIN 99; B PIN 100; P1 PIN 123; P2 PIN 56; CG PIN 124; CY PIN 110; CT PIN 122; OT PIN 121; ZD PIN 20; CP PIN 120; S3 PIN 119; S2 PIN 118; S1 PIN 117; S0 PIN 109; M PIN 108; CN PIN 107; SR PIN 106; SL PIN 105; X0 PIN

19、 104; X1 PIN 103; A7 PIN 84; A0 PIN 51; OB PIN 102; RO PIN 78; DR PIN 101; CLK PIN 46;14BLOCK3 M23 PIN 98; M22 PIN 96; M21 PIN 95; M20 PIN 94; M19 PIN 93; M18 PIN 92; M17 PIN 91; M16 PIN 90; M15 PIN 89; M14 PIN 88; M13 PIN 87; M12 PIN 86; M11 PIN 85; M10 PIN 77; M9 PIN 76; M8 PIN 75; MD8 PIN 66; MD7

20、 PIN 63; MD6 PIN 62; MD5 PIN 61; MD4 PIN 60; MD3 PIN 59; M7 PIN 74; M6 PIN 73; M5 PIN 72; M4 PIN 71; M3 PIN 70; M2 PIN 69; M1 PIN 68;M0 PIN 67; MD2 PIN 58; MLD PIN 57;BLOCK 4 MIG=0 PA PIN 55; KA PIN 53; PB PIN 54; KB PIN 52;READ NODE;EQUATIONSDefine Connections and Logic:*ALU* CP = !(M21 & CLK);

21、 SA = M16; X0 = M16; X1 = M17; SB = M17; P1 = A0; SR = A0; S3 = M15; S2 = M14; S1 = M13; S0 = M12; CN = M19; M = M18; CG = M11;15OB = M8; OT = M10; CT = 1;*REG* WR = !(M0 & CLK); RR = M1; A = I0; B = I1;*I-PC*CL = !(M22 & CLK); PINC = M6; GI = M7;OI = M23; PCO = !M6; LP = (!M9) & ( !I4 &

22、amp; !I3 & ZD # !I4 & I3 & CY # I4 & !I3 & A0 # I4 & I3);*MEM* RC = M2 # !CLK; WC = M3 # !CLK;*BUS* B2 = M2 # IAB2 & IAB10; KA = IAB0; PA = IAB1;IDB0 = KB;IDB7 = KA;IDB0.OE=READ;IDB7.OE=READ;READ = !(M2#!(IAB10&IAB2);*R-P* DR = M5;*MPG* MLD = M4; MD7 = 0; MD6 = 0; MD5

23、 = I7; MD4 = I6; MD3 = I5; MD2 = I2; END CESB（四）（四） 、指令編碼及微程序、指令編碼及微程序1.指令編碼指令助記符指令功能指令微編碼I7I6I5I4I3I2I1I0節(jié)拍微操作控制信號(hào)控制信號(hào)有效性16條件條件成立PC取指微指令T0(PC)IABOAB(M)ODBIDBIR1(PC)+1PC(MD)MPC 接數(shù)(A)ACTPCO,B1RC,B2,B3,CI,GIP+1,CKMLDCC,CG0,00,0,0,01,0,0MOV A,#datadataA00000100,dataT1(PC)IABOAB(M)ODBIDBA(PC)+1PCPCO,B1R

24、C,B2,B3,X0,X1,CA,P+1,CK0,00,0,0,1,1,1,MOV Ri,#datadataRi001000Ri,dataT1(PC)IABOAB(M)ODBIDBRi(PC)+1PCPCO,B1RC,B2,B3,WR,A,BP+1,CK0,00,0,0,0,I1,I01, SUB A,Ri(A)-(Ri)A010000RiT1(ACT)-(Ri) BUFIDBA置 CYRR,A,BCn,M,S3,S2,S1,S0OB,X0,X1,CASA,SB,CP0,I1,I00,0,0,1,1,00,1,1,1,1,T1(PC)IABOAB(M)ODBIDBIR2(PC)+1PCPCO,

25、B1RC,B2,B3,CLP+1,CK0,00,0,01, STA addr(A)addr01100 a10 a9 a8,a7a0T2(IR1、IR2) IABOAB(ACT) BUFIDBODBOI,B1Cn,M,S3,S2,S1,S0OB,B2,B3,WC0,01,0,0,0,0,00,1,0,0,T1(PC)IABOAB(M)ODBIDBIR2(PC)+1PCPCO,B1RC,B2,B3.CLP+1,CK0,00,0,0,1,JC addraddrPC1000000a9a8,a7a0T2(IR1,IR2)IABOILP012微程序位 23 22 21 20 19 18 17 1615 1

26、4 13 12 11 10 9 87 6 5 4 3 2 1 0信號(hào)S3 S2 S1 S0Cn M X1 X0OI CL CP /CG OTLP OBGI P+1 DR MLDWC RCRR WR有效電 平* * * * * * *011*000001000001指令助記符微地址微指令碼（十六進(jìn)制）取指微指令000H00000000100001110110101000876A00117002MOV A,#data007000000111000111111111010038FFA00800000000100001110110101000876A009006MOV Ri,#data00B00000

27、0001000111111111011008FFB00C00000000100001110110101000876A00D00ESUB A,Ri013011000111000111010111100638EBC01400000000100001110110101000876A015STA addr01B00000000110011111111101000CFFA01C000010000000111010110110080EB601D00000000100001110110101000876A01EJC addr02300000000110011111111101000CFFA024000000

28、000000110110111110000DBE02500000000100001110110101000876A026HALT027000000001000111110011110008F9E02800000000100001110110101000876A（五）（五） 、程序調(diào)試、程序調(diào)試 1 該實(shí)驗(yàn)測(cè)試的指令為： MOV A , #DATA MOV Ri , A SUB A , Ri STA addr JC addr 2 設(shè)計(jì)具體指令執(zhí)行過程為： MOV A，#30 ；30A MOV R1，#20 ；20R1 SUB A，R1 ；（A）-R1A STA 002 ；(A) 002 JC 003 ；PC00318 3 執(zhí)行前內(nèi)存： 地址 指令 指令編碼 002 MOV A，#30 04003 30004 MOV R1，#20 21005 20 006 SUB A，R1 41 007 STA 00C 60008 0C009 JC 00D 8000A 0D00B 00C 4執(zhí)行前控存：微地址 微指令碼000 00876A007 038FFA008 00876A00B 008FFB00C 00876A013 638EBC014 00876A01B 00CFFA01C 080EB601D 00876A023 00CFFA024 0