計算機組成原理課程設計報告時序發(fā)生器

1、計算機組成原理課程設計報告學院：計算機學院專業(yè)：計算機科學與技術1實驗目的 32 實驗原理電路圖 33.機器指令與微程序 54 實驗設備 85 實驗任務 86 實驗結果 107 實驗總結 11一、實驗目的1 掌握時序產生器的組成原理2 掌握微程序控制器的組成原理3 掌握微指令格式的化簡和歸并4將微程序控制器同執(zhí)行部件（整個數(shù)據通路）聯(lián)機，組成一臺計算機5 用微程序控制器控制模型機的數(shù)據通路6通過CPU運行九條機器指令（排除有關中斷的指令）組成的簡單程序， 掌握機器指令與微指令的關系，牢固建立計算機整機概念二、實驗原理電路圖1 時序發(fā)生器TEC-4計算機組成原理實驗的時序電路如圖所示，電路采用2

2、片GAL22V10（U6,U7）,可產生兩級等間隔時序新號 T1-T4和W1-W4其中一個 W由一輪T1-T4 循環(huán)組成，相當于一個微指令周期；而一輪W1-W循環(huán)可供硬聯(lián)線控制器執(zhí)行一 條機器指令。THEK1貳加GL3上QU J y t ,1111il J. 啞R WCJ亂3r D * 0 O 0 0 o O 0 3 W -Fu- tj T1 f .* 1 - - » Ta- I. - s -L Vnx用禺沖訊P1N 用niw w酒XXnr12019ja_ ,17訶IFtT ITw3 L.” HHL_¥_臨戔_L5UE-X亠_l _J£| UEvcc坤to 叩 r

3、siOIQ ro【Q-= 時序信號發(fā)生器 =-本次實驗不涉及硬聯(lián)線控制器，因此時許產生器中的相關內容也可以根據需 要放到硬聯(lián)線控制器實驗中進行。CLR#為復位新號，低電位有效。試驗儀處于任何狀態(tài)下令CLR#=0都會使時序發(fā)生器和微程序控制器復位；CLR#=0寸，則可以正常運行。TJ是停機新號，是控制器的輸出新號之一。連續(xù)運行時，如果控制信號停 機=1,會使機器停機，停止發(fā)送時序脈沖,從而暫停程序。QD是啟動脈沖信號。DP DZ DB是來自控制臺的開關信號。DP表示單拍，當DP=1時，每次只執(zhí) 行一條微指令；DZ表示單指，當DZ=1時，每次只執(zhí)行一條機器指令；當DP, DB DZ都為0時，機器連

4、續(xù)運行。2 數(shù)據通路微程序控制器是根據數(shù)據通路和指令系統(tǒng)來設計的。這里采用的數(shù)據通路是在綜合前面各實驗模塊的基礎上，又增加程序計數(shù)器P（ U18）、地址加法器ALU2（U17）、地址緩沖寄存器 R4（ U25/U26）和中斷地址寄存器IAR （U19）, PC和 ALU2各采用一片GAL22V10兩者配合使用，可完成程序地址的儲存、增1和加偏移量的功能。R4由兩片74HC298組成，帶二選一輸入端。IAR是一片74HC734用 于中斷時保存斷點地址。3 微指令格式與微程序控制器電路根據給定的12條機器指令功能和數(shù)據通路總體圖的控制信號，采用的微指 令格式見下圖。微指令字長共 35位。其中順序控

5、制部分10位（后繼微地址6 位，判別字段4位），操作控制字段25位，各位進行直接控制。微指令格式中， 信號名帶有后綴“ #”的信號為低有效信號，不帶有后綴“ #”的信號為高有效信 號。呈 口 j n 1 is営 u g1 K 5 m y a: u ghs 常眄劉 iQT 哼 D1 1 £ 十丹 *廣r門i工 r1 應 N W W <”5嗣3陽2 31知獰打27屈2肥*般2 21L2dldl&ll 1H51H3J2 111刑斷紗 j飾微創(chuàng)止-=微指令格式=-對應微指令格式，微程序控制器的組成如下圖所是示，控制存儲器采用5片 EEPROM 28C64（U8，U9，U10，U

6、11，U12）。28C64 的輸出是 D0- D7，分 別與引腳11、12、13、15、16、17、18、19相對應，CM0是最低字節(jié)，CM4 是最高字節(jié)。微地址寄存器6位，用一片6D觸發(fā)器74HC174（U1）組成，帶有清 零端。兩級與門、或門構成微地址轉移邏輯，用于產生下一微指令的地址。在每 個T1上升沿時刻，新的微指令地址會打入微地址寄存器中，控制存儲器隨即輸 出相應的微命令代碼。微地址轉移邏輯生成下一地址，等下一個T1上升沿時打入微地址寄存器。跳轉開關JUMPJ1）是一組6個跳線開關。當用短路子將它們連通時，微地址寄存器卩AR從本實驗系統(tǒng)提供的微程序地址譯碼電路得到新的 微程序地址uD

7、卩D5當他們被斷開時，用戶提供自已的新微程序地址uD卩D5這樣用尸能夠使用自己設計的微程序地址譯碼電路。 5片EEPROM的地址 A6（引腳4）直接與控制臺開關SWC連接，當SWC = 1時，微地址大于或者等于 40H,當SWC = 0時，微地址的范圍OOH 3FH。SWC主要用于實現(xiàn)讀寄存器 堆的功能。ICM4 23C64CM3 28C1CM223C64CLF.ifTl4nrhO ./.OTCM12X64蚩二蛙NW經JLMPCMO28C64<3 冨 N =luDO血P3-=微程序控制器的組成=-微地址轉移邏輯的多個輸入信號中，INTQ是中斷請求，本實驗中可以不理會它。SWA、SWB是控

8、制臺的兩個二進制開關信號，實驗臺上線已接好。C是進位信號，IR7 IR4是機器指令代碼，由于本次實驗不連接數(shù)據通路，這些信 號都接到二進制開關K0 KI5上。三、機器指令與微程序為了簡單明了，本實驗儀使用12條機器指令，均為單字長（8位）指令 指令格式如下表所示：指令的高4位提供給微程序控制器，低4位提供給數(shù)據通 路。指令功能與格式名稱助記符功能指令格式IR7 IR6 IR5 IR4IR3 IR2IR1IR0加法ADD Rd, RsRd+Rs->Rd0 0 0 0RS1 RS0RD1 RD0減法SUB Rd, RsRd-Rs->Rd0 0 0 1RS1 RS0RD1 RD0乘法MU

9、L Rd, RsRd*Rs->Rd0 0 1 0RS1 RS0RD1 RD0邏輯與AND Rd, RsRd&Rs->Rd0 0 1 1RS1 RS0RD1 RD0存數(shù)STARd, RsRd->Rs0 1 0 0RS1 RS0RD1 RD0取數(shù)LDA Rd, RsRs->Rd0 1 0 1RS1 RS0RD1 RD0無條件 轉移JMP RsRs->PC1 0 0 0RS1 RS0XX條件 轉移JC D若 C = 1則PC+D->PC1 0 0 1D3 D2D1 D0停機STP暫停運行0 1 1 0X XX X中斷 返回IRET返回中斷1 0 1 0X

10、XX X開中斷INTS允許中斷1 0 1 1X XX X關中斷INTC禁止中斷1 1 0 0X XX X應當指出，用以上12條指令來編寫實際程序是不夠的。通過 CPU執(zhí)行一些 最簡單的程序來掌握微程序控制器的工作原理。上述12條指令的微程序流程設計如下圖所示。每條微指令可按前述的微指 令格式轉換成二進制代碼，然后寫入 5個28C64中。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還設計了以下五個控制臺操作微程序：存儲器寫操作（KWE）:按下復位按鈕CLR#后，微地址寄存器狀態(tài)為全零。此時置SWC = 0、SWB =1、SWA = 0 ,按啟動按鈕后微指令地址轉入 27H,

11、從 而可對RAM連續(xù)進行手動寫入。存儲器讀操作（KRD）:按下復位按鈕CLR#后，置SWC = 0, SWB = 0, SWA=1,按啟動按鈕后微指令地址轉入 17H，從而可對RAM連續(xù)進行讀操作。寫寄存器操作（KLD）:按下復位按鈕CLR#后，置SWC = 0, SWB = 1 , SWA =1,按啟動按鈕后微指令地址轉入 37H,從而可對寄存器堆中的寄存器連續(xù)進行寫操作0此 ffiD rrr 3J ECFr 1M1ao： e'7Ern.i：LLACrY：1可1店con： 卅jjocao：I4.Q.UTFLDT丄丄g 應 h'iUi孫時 N< 1LIF4 UTC引EgU

12、MKLM3-1 J«2 n,T.iir R?priLl： II JR 7JBUIIE |1TGLOO：loop:J2AM墮丄:odd： 吐3:HU: 1100:IHEf 8丨1A INjktl | 圧 TIL3W BUSTLI.H KS： 1BA12 TJ于 業(yè) LHtlTT_ 1國 /KLIN：1121317FP?Jang 二L LIUUH：劉吐LL'EKtew LPSLLDERns? ntHF?Kim inrKiIIFRKLiUMK1I超 茁】匕厳5lZEKISJJU ny.(LI; i_tft 7兀JL= IKH .no；M 口：【衛(wèi)J1lnic 詡幣 UMRIa:-.

13、 JjIR ?c-iir±1衛(wèi)M |運Nd 1ID?UTEmir-=微程序流程圖=-讀寄存器操作（KRR）:按下復位按鈕CLR#后，置SWC = 1，SWB = 0，SWA =0,按啟動按鈕后微指令地址轉入 47H，從而可對寄存器堆中的寄存器連續(xù)進 行讀操作。啟動程序（PR）:按下復位按鈕CLR#后，置SWC = 0, SWB = 0, SWA = 0， 用數(shù)據開關SW7- SW0設置內存中程序的首地址，按啟動按鈕后微指令地址轉 入07H,然后轉到“取指”微指令。在微指令格式的設計過程中，對數(shù)據通路所需的控制信號進行了歸并和化簡。微程序控制器輸出的控制信號遠遠少于數(shù)據通路所需的控制信

14、號。這里的微程序流程圖是沒有經過歸并和化簡的。 有些信號出現(xiàn)的位置完全一樣，這樣的信 號用其中一個信號就可以代表。還有另一些信號，出現(xiàn)的位置基本相同。微程序 流程圖中只是指出了在微指令中必須出現(xiàn)的信號， 并沒有指出出現(xiàn)其他信號行不 行，這就要根據具體情況具體分析。對下列信號進行了歸并和化簡：LDIR（CER）為1時，允許對IR加載，此信號也可用于作為雙端口存儲器右端口選擇CER。LDPC(LDR4) 為I時，允許對程序計數(shù)器PC加載，此信號也可用于作 為 R4 的加載允許信號 LDR4。LDAR1(LDAR2) 為 I 時，允許對地址寄存器 AR1 加載，此信號也可用于 作為對地址寄存器 AR

15、2 加載。LDDR1 (LDDR2)為1時允許對操作數(shù)寄存器 DR1加載。此信號也可用于 作為對操作數(shù)寄存器 DR2 加載。MI(M2)當 M1 = I 時，操作數(shù)寄存器 DR1 從數(shù)據總線 DBUS 接收數(shù)據；當 M1 = 0 時，操作數(shù)寄存器 DR1 從 寄存器堆 RF 接收數(shù)據。此信號也可用于作為操作數(shù)寄存器 DR2 的數(shù)據來源選擇信號。微指令格式可以化簡， 而實驗臺數(shù)據通路的控制信號為什么不進行化簡最主要的原因是前面進行的各個實驗的需要。還有一個原因是考慮到實驗時易于理 解，對某些可以歸并的信號也沒有予以歸并。四、實驗設備1. TEC 4計算機組成原理實驗系統(tǒng)一臺2直流萬用表一只3.

16、邏輯測試筆一支4. 導線若干五、實驗任務常規(guī)型微程序控制器組成實驗1按實驗要求，連接實驗臺的開關 K0 K15、按鈕開關、時鐘信號源和微 程序控制器。2. 熟悉微指令格式的定義，按此定義將控制臺指令微程序的 8 條微指令按 十六進制編碼，列于下表。三種控制臺指令的功能由 SWC， SWB， SWA 三個二 進制開關的狀態(tài)來指定 (KRD = 001B， KWE = 010B， PR = 000B)3單拍(DP)方式執(zhí)行控制臺微程序，讀出微指令，用 P字段和微地址指示 燈跟蹤微指令執(zhí)行情況。4 .用P3和SWC、SWB、SWA的狀態(tài)組合，觀察驗證三種控制臺指令 KRD、 KWE、PR微地址轉移邏

17、輯功能的實現(xiàn)。5. 熟悉05H、10H兩條微指令的功能和P2測試的狀態(tài)條件(IR4 IR7),用 二進制開關設置IR7 IR4的不同狀態(tài)，觀察SUB、LDA、STA、JUMP機器指 令微地址轉移邏輯功能的實現(xiàn)。6. 設置IR7 IR4的不同組合，用單拍方式執(zhí)行機器指令微程序，用微地址 和P字段指示燈跟蹤微程序轉移和執(zhí)行情況。實驗中的具體問題為編寫機器代碼計算 y=x2+3x+1的值。首先編寫出解決該問題的微指令用R0,R1,R2,R3來代替函數(shù)的4個參數(shù)x,x,3,1 。這樣函數(shù)就可以用簡單的 加法和乘法來完成：具體執(zhí)行步驟為：R0*R仁 R0; R2*R1 R2; R0+R2> R0;

18、 RO+RS R0 對應指令編碼如下：地址指令描述機器代碼00 HR0*RS R00010 01 0001 HR2*RS R20010 01 1002 HRO+RSR00000 10 0003 HRO+RSR00000 11 00令x=2,則寄存器中數(shù)據如下表所示寄存器數(shù)據R000000011R100000011R200000011R300000001CPU組成與機器指令執(zhí)行實驗1 對機器指令系統(tǒng)組成的簡單程序進行譯碼。將下表的程序按指令格式手工 匯編成十六進制機器代碼。地址指令機器代碼OOHLDA RO,R2O1O11OOOO1HLDA R1,R3O1O111O1O2HADD RO,R1OO

19、OOO1OOO3HJC +51OO1O1O1O4HAND R2,R3OO11111OO5HSUB R3,R2OOO11O11O6HSTA R3,R2O1OO1O11O7HMUL RO,R1OO1OO1OOO8HSTPO11OXXXXO9HJMP R11OOOO1XX2 按照框圖，參考前面實驗的電路圖完成連線。其中，為把操作數(shù)攢送給通用寄存器組 RF,數(shù)據通路上的 RS1、RSO、RD1、RDO應分別與IR3至IRO連接，WR1、WRO也應連接到IR1、IRO上。開關控制控制臺時序發(fā)生器時序信號一控制信號微程序控制器;斂據通路 指令代碼*條件信號開關控制3. 將表中的程序機器代碼用控制臺操作存入

20、內存中，并根據程序的需要，用數(shù)碼開關SW7-SWO設置通用寄存器R2、R3及其內存相關單元的數(shù)據。（注: 由于設置通用寄存器時會破壞內存單元的數(shù)據， 因此應先設置寄存器的數(shù)據， 再 設置內存數(shù)據。）4用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序，列表記錄通用寄存器堆 RF中四個寄存 器的數(shù)據， 以及由 STA 指令存入 RAM 中的數(shù)據 （程序結束后從 RAM 的相應單 元中讀出） ，與理論值作對比。執(zhí)行時注意觀察微地址指示燈、 IR/DBUS 指示燈、 AR2/AR1 指示燈、微地址指示燈和判別字段指示燈的值（可以觀察到每一條微 指令）。5.以單指（DZ）方式重新執(zhí)行程序一遍，注意觀察IR/DBUS指示燈

21、、AR2/AR1 指示燈的值（可以觀察到每一條機器指令）。列表記錄RF中四個寄存器的數(shù)據， 以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據，與理論分析值作對比。（注：單指方式執(zhí) 行程序時，四個通用寄存器和 RAM 中的原始數(shù)據與第一遍執(zhí)行程序的結果有 關。）6以連續(xù)方式（DB，DP，DZ都設為0）再次執(zhí)行程序。由于程序中有停機 指令STP，程序執(zhí)行到該指令時自動停機。列表記錄 RF中四個寄存器的數(shù)據， 以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據，與理論分析值作對比。（注：程序執(zhí)行前 的原始數(shù)據與第二遍執(zhí)行結果有關。 ）按照要求，執(zhí)行相應的指令，然后跳出程序，讀出結果，觀察結果與標準結 果是否一致。六、實驗結果1.計算 y=x2+3x+1將寫好的二進制代碼輸入到內存（堆）中，控制 KRD、 KWE、 KLD、 KRR、 PR 的值來輸入指令、數(shù)據，并檢驗所輸入的指令和數(shù)據是否正確，調節(jié)PR進行運行程序，當DP置一，其它置零時，按QD則可以進行一步一步的運行程序。觀察 當前正在運行的程序以及每一步程序運行的過程和結果， 運行程序完成后， 通過 讀寄存器中數(shù)據的值檢驗程序運行的結果。經檢驗，用該程序算出的結果與正確結果一致。輸入 x=2，經過該程序的運 行，得出 y=x2+3x+1 的值為 11，證明該程序的程序編寫及