計算機硬件系統(tǒng)設計課程設計

1、課程設計報告課程名稱： 計算機硬件系統(tǒng)設計課程設計 實驗地點： 4702 專業(yè)班級：計Z1002班 學號：2010001419 學生姓名： 張龍 指導教師： 王崢 成績： 2013 年 6 月 24日 至 2013年 7 月 5日目 錄計算機組成原理部分1復雜模型機的設計與實現(xiàn)1一、設計目的1二、實驗設備1三、設計要求1四、設計內(nèi)容6五、程序代碼12計算機接口部分13汽車信號燈控制系統(tǒng)13一、設計目的13二、實驗環(huán)境13三、設計要求13四、設計內(nèi)容14五、程序代碼18總結(jié)與心得24計算機組成原理部分復雜模型機的設計與實現(xiàn) 一、設計目的綜合應用所學計算機組成原理和匯編語言知識，設計并實現(xiàn)較為完整

2、的模型計算機，培養(yǎng)學生獨立分析和設計計算機硬件系統(tǒng)的能力。二、實驗設備1. 硬件環(huán)境：Dais-CMB+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干，PC機。2. 軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)，Dais-CMB+應用軟件。三、設計要求3.1、設計任務1. 熟悉實驗環(huán)境，即實驗中涉及的硬件和軟件，掌握這些環(huán)境工具的功能和使用方法。本實驗中主要是Dais-CMB+軟件及其工作環(huán)境。Dais-CMB+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。連接方法是：用二芯排線把位于實驗裝置左上方運算器的左下側(cè)CYCZ接口與位于實驗裝置紅色撥碼開關右下方的FCFZ接口相連接。在聯(lián)機狀態(tài)下，首先應打開mXj.abs，然后點擊“!

3、”圖標進入鏈接裝載，一旦屏幕自動彈出動態(tài)調(diào)試窗口表示代碼及微代碼下載已成功，已進入windows在線集成調(diào)試環(huán)境。2. 綜合應用所學計算機原理知識，設計并實現(xiàn)較為完整的模型計算機。3. 使用模型計算機指令編制程序完成下列功能之一：（1）乘法運算。（2）除法運算。（3）連加和連減運算。4. 將程序譯成二進制代碼，并將二進制代碼寫入主存。3.2、擬定數(shù)據(jù)格式及指令系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)格式模型機規(guī)定采用定點補碼表示數(shù)據(jù)，且字長為8位，其格式如下：其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-128X127（定點整數(shù)），-1X1（定點小數(shù)）。2.指令格式模型機設計五大類指令共十六條，其中包括算術邏輯指令、I/O指令、

4、訪存指令、轉(zhuǎn)移指令和停機指令。 算術邏輯指令設計9條算術邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：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： 訪存指令和轉(zhuǎn)移指令模型機設計2條訪存指令、即存數(shù)指令（STA）、取數(shù)指令（LDA）；2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移指令（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為：其中，OP-CODE為操作碼，rd為目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D為形式地址，如為位移量，正負均可，M為尋址模式，其定義如下：模型機規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。 I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單

5、字節(jié)指令，其格式如下：其中，addr=01時，選中“INPUT DEVICE”中的開關組作為輸入設備，addr=10時，選中“OUTPUT DEVICE”中的LED作為輸出設備。 停機指令HALT指令，用于實現(xiàn)停機操作，指令格式如下 ：3.指令系統(tǒng)模型機有16條基本指令，其中算術邏輯運算指令9條，訪問內(nèi)存指令2條，程序控制指令2條，輸入輸出指令2條，其它指令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。表1 指令格式4微指令格式微指令字長32位，格式如下所示：A字段B字段說明：DDR1表示LDDR1 DDR2表示LDDR25模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖如圖1所示：圖1 模

6、型機數(shù)據(jù)通路框圖6微程序設計按照系統(tǒng)建議的微指令格式和模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖，分析指令流程，為每條機器指令編制微程序，并和系統(tǒng)自帶的微程序比較（在復位后，輸入“3”，按“裝載”，可將系統(tǒng)微程序裝入）。編制微程序?qū)崿F(xiàn)新指令的功能。四、設計內(nèi)容4.1、基本內(nèi)容1. 試驗箱系統(tǒng)圖2. 程序流程圖3. 分析微指令執(zhí)行序列首先通過代碼在指令流程圖中找到對應項，然后再在系統(tǒng)控存內(nèi)容找出對應的32位指令程序，然后再根據(jù)擬定好的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)對微指令進行分析。表1 系統(tǒng)控存內(nèi)容地址代碼功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR 按B轉(zhuǎn)0300800

7、420RAMDR1040080C038RAMAR按B轉(zhuǎn)05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1按B轉(zhuǎn)0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR20CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD？0E00000080空操作0FA0000408RDDR11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1變反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0D

8、R1DR11400000000空操作1540000280/50DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DR1DR2RD1840300280DR1變反RD19601400D8299帶進位右移1A601800D8299帶進位左移1B60000280299RD1C40200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E40602080/405F2080DR1PC1F00008072BZC 按條件轉(zhuǎn)20200060C0PCAR, PC+12180000280 RSRD22200060A0 PCAR, PC+12380000430RSDR1

9、2420006060PCAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT 微地址不變2D800C0098RS299移位器2E401C02800RD2F800C0058RS299移位器4. 設計內(nèi)容（1）運行幾條指令，按照系統(tǒng)的微指令格式和模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖分析其流程，寫出所分析機器指令的微程序。 （2）增加一條新指令，為其編制微程序。（3）編制程序，完成連加運算。5. 設計思路

10、（1）修改微指令：修改微指令，首先要弄懂其每一位代表什么意思有什么功能，參照74LS181的功能表，我們所修改的是把AND指令修改為異或指令XOR，只需控制74LS181上的M,S0，SI,S2，S3，將算數(shù)運算改為相應的邏輯運算 ，即M17 40 3D 02 80 修改為 M17 40 3E 02 80，然后對照及其軟件驗證其正確性。（2）連加運算設計：先輸入一個數(shù)作為控制連加的次數(shù)，然后每次輸入一個數(shù)作為要加的數(shù)，把結(jié)果放到內(nèi)存的某個空間里，實現(xiàn)連加，直到次數(shù)達到控制值。4.2、運行程序1. 單步運行微程序鍵入數(shù)字鍵00（PC地址從00H開始），然后每按動一次“單步”命令鍵，運行一條微指令

11、。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。2. 單步運行機器程序 鍵入數(shù)字鍵03H（PC地址），然后每按動一次“宏步”命令鍵，運行一條機器指令。對照機器指令程序，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。3. 程序連續(xù)運行與暫停程序鍵入數(shù)字鍵00H（PC地址）按動“運行”命令鍵使模型機進入實時運行狀態(tài)。在實時運行狀態(tài)按“宏單”鍵執(zhí)行的暫停命令，使模型機進入停機狀態(tài)。4.3、運行結(jié)果上圖所示，實現(xiàn)功能為輸入循環(huán)次數(shù)R0的數(shù)值03H。上圖所示，實現(xiàn)功能為P01 B0 ; COM R0上圖所示，實現(xiàn)功能為P02 70 ; INC R0上圖所示，實現(xiàn)功能P06 36 ; ADC R1,R2上圖所示，實

12、現(xiàn)功能為輸出運算結(jié)果R2的值，具體如下圖所示：83H第二次連加運算之后的結(jié)果顯示：86H第三次連加運算之后的結(jié)果顯示：89H程序終止運行。五、程序代碼1. 修改微指令P00 84 ;IN R0P01 85 ;in R1P02 94 ;COM R0,R1P0A C0 ; HALT2. 連加運算計算機接口部分汽車信號燈控制系統(tǒng)一、設計目的綜合應用所學計算機接口和匯編語言原理和知識，設計并實現(xiàn)較為完整的計算機控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學生獨立分析和設計計算機硬件系統(tǒng)的能力二、實驗環(huán)境1硬件環(huán)境：實驗采用北京精儀達盛科技有限公司的CPU掛箱，8086CPU模塊，接口掛箱及相應的擴展模塊。2軟件環(huán)境：8086集成開

13、發(fā)環(huán)境。三、設計要求1、設計并制作出汽車信號燈微機控制系統(tǒng)；2、所需執(zhí)行的操作由相應的開關狀態(tài)反映，所需控制的信號燈有儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左右頭燈和左右尾燈共六類燈，其駕駛操作與燈光信號對應關系如下：(1)左/右轉(zhuǎn)彎(合上左/右開關)：儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈閃爍。(2) 緊急開關合上：所有燈閃爍。(3) 剎車(合上剎車開關)：左右尾燈亮。(4) 左/右轉(zhuǎn)彎剎車：儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈閃爍，右/左尾燈亮。(5) 剎車、合上緊急開關：尾燈亮、儀表板燈、頭燈閃爍。(6) 左/右轉(zhuǎn)彎剎車，并合上緊急開關：右/左尾燈亮，其余燈閃爍。(7) ?？?合上?？块_關)：頭

14、燈、尾燈以30Hz的頻率閃爍。有10種輸入選擇，影響6個燈輸出，對應關系如下表：四、設計內(nèi)容4.1、設計思想本系統(tǒng)中要求設計汽車信號燈控制系統(tǒng)，通過6盞燈的亮滅或者閃來控制10中操作，即：左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、剎車， 緊急開關合上，左轉(zhuǎn)彎剎車，右轉(zhuǎn)彎剎車，緊急剎車，緊急左轉(zhuǎn)剎車，緊急右轉(zhuǎn)剎車，?？?。每一種操作都對應不同燈的顯示。通過8253提供的時鐘信號，8255通過C口接收，然后A口通過開關輸入，B口通過顯示燈輸出。在該實驗中，我們通過8090A/D實現(xiàn)對燈亮度的控制。本實驗中我們所用到的芯片是8255和8253，是系統(tǒng)實現(xiàn)的核心部分，下面對這些芯片做簡要介紹。1)芯片82558255是一個CPU

15、與外設之間提供了TTL電平兼容的接口。8255可以工作在方式0，方式1，方式2三種方式，其中端口A可以工作在這3種不同的方式下，二端口B只能工作在方式0和方式1，端口C配合端口A和端口B工作。本實驗中不8255A端口做輸入，B端口做輸出，C端口取出一位來通過與具有定時功能的8253芯片連接，實現(xiàn)燈閃爍這一效果。2)芯片82538253有6種工作方式，本次實驗設計主要用到方式3，方式3又可稱為方波發(fā)生器。任一通道工作在方式3， 只在計數(shù)值n為偶數(shù)，則可輸出重復周期為n、占空比為1：1的方波。進入工作方式3，OUTi輸出低電平， 裝入計數(shù)值后，OUTi立即跳變?yōu)楦唠娖?。如果當GATE為高電平， 則

16、立即開始減“1”計數(shù)，OUTi保持為高電平，若n為偶數(shù)，則當計數(shù)值減到n/2時，OUTi跳變?yōu)榈碗娖?，一直保持到計?shù)值為“0”，系統(tǒng)才自動重新置入計數(shù)值n，實現(xiàn)循環(huán)計數(shù)。這時OUTi端輸出的周期為nCLKi周期，占空比為1:1的方波序列； 若n為奇數(shù)， 則OUTi端輸出周期為nCLKi周期，占空比為(n+1)/2)/(n-1)/2)的近似方波序列。如果在操作過程中， GATE變?yōu)闊o效，則暫停減“1”計數(shù)過程，直到GATE再次有效，重新從初值n開始減“l(fā)”計數(shù)。如果要求改變輸出方波的速率， 則CPU可在任何時候重新裝入新的計數(shù)初值n，并從下一個計數(shù)操作周期開始改變輸出方波的速率。4.2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

17、圖具體設計電路圖實際接線圖4.3、系統(tǒng)接線8255CSCS0，8253CSCS1；A口接輸入（K1K8）（PA0PA7），B口接輸出（LED1LED6）（PB0PB5）；C口接CLK的輸出：CLK3CLK0，OUT0CLK1，OUT0CLK2，OUT1PC0，OUT2PC1。4.4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)系統(tǒng)圖和題目要求，列出狀態(tài)表：注：輸入狀態(tài)中，0代表低電平無效，1代表高電平有效； 輸出狀態(tài)中，1/0代表燈閃，1代表燈亮，0代表燈滅。4.5、程序流程圖五、程序代碼;常量定義pa8255 equ 04a0hpb8255 equ pa8255+2pc8255 equ pa8255+4con8255 e

18、qu pa8255+6clk0 equ 04b0hclk1 equ clk0+2clk2 equ clk0+4conclk equ clk0+6 ;偽指令assume cs:code code segment public org 100hstart: ;時鐘初始化;mov dx,conclk;控制寄存器mov ax,36h;計數(shù)器0，方式3 out dx,axmov dx,clk0mov ax,7Chout dx,axmov ax,92hout dx,ax;計數(shù)值927Chmov dx,conclkmov ax,76h;計數(shù)器1，方式3out dx,axmov dx,clk1mov ax,0

19、4hout dx,axmov ax,0;計數(shù)值32hout dx,ax mov dx,clk2mov ax,0chout dx,axmov ax,0;計數(shù)值04hout dx,ax;8255初始化;mov dx,con8255 ;控制寄存器地址mov ax,99h;設置為A口輸入，B口輸出，C口輸入out dx,axstart1: mov dx,pa8255;A口地址in ax,dx;輸入cmp al,01h;判斷左轉(zhuǎn)彎jz ZZcmp al,02h;判斷右轉(zhuǎn)彎jz YZcmp al,04h;判斷緊急開關合上jz L3cmp al,08h;判斷剎車jz L4 cmp al,10h;判斷左轉(zhuǎn)彎剎

20、車jz L5cmp al,20h;判斷右轉(zhuǎn)彎剎車jz L6cmp al,40h;判斷緊急剎車jz L7cmp al,80h;判斷緊急左轉(zhuǎn)彎剎車jz L8cmp al,03h;判斷緊急右轉(zhuǎn)彎剎車jz L9cmp al,05h;判斷?？縅Z L10;燈常亮mov ax,0ffhmov dx,pb8255;B口地址out dx,axjmp start1L1:jmp near ptr ZZ ;L2:jmp near ptr YZL3:jmp near ptr JJL4:jmp near ptr STOPL5:jmp near ptr LSTOPL6:jmp near ptr RSTOPL7:jmp n

21、ear ptr JSTOPL8:jmp near ptr JLSTOPL9:jmp near ptr JRSTOPL10:jmp near ptr TING;左轉(zhuǎn)彎ZZ:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a1mov ax,11101010bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a1:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx,axjmp start1;右轉(zhuǎn)彎YZ:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a2mov ax,11010101bmov dx

22、,pb8255out dx,axjmp start1a2:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx,axjmp start1;緊急開關閉合JJ: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a3mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a3:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx,axjmp start1;剎車STOP: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a4mov ax,11111100bmov dx

23、,pb8255out dx,axjmp start1a4:mov dx,pb8255mov ax,11111100bout dx,axjmp start1;左剎車LSTOP: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a5mov ax,11101000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a5:mov dx,pb8255mov ax,11111110bout dx,axjmp start1;右剎車RSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a6mov ax,1101

24、0100bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a6:mov dx,pb8255mov ax,11111101bout dx,axjmp start1;緊急剎車JSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a7mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a7:mov dx,pb8255mov ax,11111100bout dx,axjmp start1;緊急左剎車JLSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz

25、 a8mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a8:mov dx,pb8255mov ax,11111110bout dx,axjmp start1;緊急右剎車JRSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a9mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a9:mov dx,pb8255mov ax,11111101bout dx,axjmp start1;?？縏ING:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a10mov ax,11001100bmov dx,pb8255out dx,ax call delayjmp start1a10:mov dx,pb8255mov ax,0ffho