實驗6-指導(dǎo)書-一個簡單計算機的設(shè)計

實驗六一個簡單計算機的設(shè)計匹配課程代碼及名稱：070023計算機組成原理適用專業(yè)及本工程實驗學(xué)時：計算機科學(xué)與技術(shù)4學(xué)時實驗時間：2023-6-8 實驗類型：提高型一、實驗?zāi)康募耙笳莆沼嬎銠C的根本組成。掌握計算機的設(shè)計和調(diào)試步驟。掌握計算機組成部件的設(shè)計。掌握計算機各部件間的連接。掌握微程序的編制和調(diào)試。掌握簡單計算機的測試方法。二、實驗內(nèi)容通過 前面5個實驗，我們已經(jīng)對數(shù)據(jù)選擇器、移位器、加法器、運算器、存儲器和微程序控制器有了一個比擬透徹的了解。在此根底上，本實驗著手設(shè)計一個簡單的計算機，圖1給出了計算機的設(shè)計與調(diào)試步驟。→擬定指令系統(tǒng)→確定總體結(jié)構(gòu)→邏輯設(shè)計→確定控制方式→編制指令流程→編制微程序→分調(diào)→統(tǒng)調(diào)↑圖1計算機的設(shè)計和調(diào)試步驟1、擬定指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是設(shè)計計算機的依據(jù)，因此擬定指令系統(tǒng)非常重要，不僅涉及根本字長、指令格式、指令種類、尋址方式等內(nèi)容，而且和計算機的總體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根本字長。實驗系統(tǒng)中存儲器3#RAM容量為256×8位，故根本字長只能設(shè)為8位。指令格式。指令格式有單字長指令和雙字長指令兩種，在雙字長指令中，第二個字節(jié)一般定義為操作數(shù)或操作數(shù)地址，指令格式如下列圖2所示。743210操作碼OP源操作數(shù)目的操作數(shù)圖2指令格式指令類型。指令類型有一地址、二地址和零地址指令。操作碼OP共4位，最多可定義16條指令，如MOV、ADD…，數(shù)據(jù)的傳送單位為8位，數(shù)據(jù)的傳送范圍為R→R、R→RAM、RAM→R。尋址方式。因指令字短，操作數(shù)字段僅兩位，為簡化硬件設(shè)計，將源操作數(shù)字段和目的操作數(shù)字段的尋址定義為不同的含義，如下表1所示。表1源操作數(shù)和目的操作數(shù)的尋址方式源操作數(shù)字段尋址方式目的操作數(shù)尋址方式00R000R101(R0)01(R1)10#10#11D11D其中，Ri表示操作數(shù)就在存放器中，即存放器尋址；〔Ri〕表示操作數(shù)地址在存放器中，即存放器間接尋址；#表示指令的第二個字節(jié)為操作數(shù)，即立即數(shù)尋址；而D表示指令的第二個字節(jié)為操作數(shù)的地址，即直接尋址。源操作數(shù)使用R0尋址，而目的操作數(shù)使用R1尋址，其目的就是為了簡化運算器選擇門的設(shè)計和縮短指令長度。2、確定總體結(jié)構(gòu)計算機的總體結(jié)構(gòu)主要包括加法器、選擇器A和B、通用存放器R0和R1、程序計數(shù)器PC、指令存放器IR、地址存放器MAR、存儲器RAM，以及各部件之間的連接線路，如下列圖3所示。存放器的設(shè)置。R0、R1為通用存放器，IR為指令存放器，PC為程序計數(shù)器，MAR為地址存放器，上述存放器均為8位。加法器的設(shè)置。為簡化設(shè)計，采用8位帶串行進位的并行加法器。選擇器的設(shè)置。連入A選擇器的數(shù)據(jù)來源為RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0存放器的數(shù)據(jù)，而連入B選擇器的數(shù)據(jù)來源為PC的數(shù)據(jù)和R1存放器的數(shù)據(jù)。圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路。數(shù)據(jù)通路的設(shè)計在總體結(jié)構(gòu)中是最重要的一個問題。本實驗中的數(shù)據(jù)通路是以總線為根底、以CPU為核心構(gòu)成的，下表2給出了不同操作對應(yīng)的信息傳送路徑。表2信息傳送路徑操作信息傳送路徑取指令MACPIRRAM→選擇器A→∑→BUS→IR送指令地址PBCPMARPC→選擇器B→∑→BUS→MAR指令計數(shù)器PC+1PBc0cppcPC→選擇器B→∑→BUS→PCR0→R1RACPR1R0→選擇器A→∑→BUS→R1R1→RAMRBR1→選擇器B→∑→BUS→RAM3、邏輯設(shè)計確定了計算機的總體結(jié)構(gòu)后，便可開始各部件的邏輯設(shè)計和部件之間的連接，圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)中，虛線框的RAM是1032E之外預(yù)先配置好的，無需設(shè)計。加法器的邏輯設(shè)計。加法器由八個一位全加器構(gòu)成，全加器之間采用簡單的串行進位，如下列圖4所示，其中全加器的邏輯原理圖如圖5所示。圖4八位串行進位加法器邏輯圖圖5一位加法器邏輯圖選擇器的設(shè)計。選擇器A和選擇器B的結(jié)構(gòu)形式一樣，如下列圖6所示，在控制電位EN0和EN1的控制下，分別選擇R0和R1的數(shù)據(jù)通過選擇器，進入加法器。其中，EN0和EN1是互斥的，高電平有效。圖6選擇器邏輯圖存放器的設(shè)計①不帶復(fù)位的存放器。圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)中，R0、R1為通用存放器，可存放操作數(shù)或結(jié)果、中間結(jié)果，每個存放器均由8個D觸發(fā)器構(gòu)成。在CPRi的作用下接收總線的數(shù)據(jù)送入存放器，輸出連入選擇器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。指令存放器IR的結(jié)構(gòu)同通用存放器。圖7不帶復(fù)位的八位存放器邏輯圖②帶復(fù)位的存放器。圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)中，地址存放器MAR是一個帶復(fù)位的存放器，當(dāng)有復(fù)位信號時，MAR清零，其邏輯圖如圖8所示。程序計數(shù)器的設(shè)計。程序計數(shù)器的結(jié)構(gòu)同帶復(fù)位的存放器，如圖8所示，PC+1是通過加法器實現(xiàn)的，有復(fù)位信號時，計數(shù)器PC清零。圖8帶復(fù)位的八位存放器邏輯圖[實驗4]部件之間的連接。由圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)可看出，部件之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式。加法器的輸出通過總線BUS連接到所有存放器和存儲器的輸入端，除指令存放器IR和地址存放器MAR的輸出端外，其他部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器B，計算機各部件的連線圖如圖9所示。圖9計算機系統(tǒng)連線圖4、確定控制方式控制命令確定信息的流向，不同的數(shù)據(jù)通路需要不同的控制命令。圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)中，涉及了許多控制命令，如CPR0、CPMAR、MA、RB、等，這些命令該如何產(chǎn)生呢？通常有兩種方式，即組合邏輯方式和微程序方式，本實驗中采用微程序方式。微程序的執(zhí)行方式采用增量、垂直方式。微程序控制器的結(jié)構(gòu)。實驗3中已講過，微程序控制器主要由控制存儲器ROM2#、ROM1#、微指令存放器μIR15~μIR8、μIR7~μIR0構(gòu)成，而L15~L8和L7~L0那么用于顯示微指令存放器μIR的內(nèi)容。微程序控制器的時序。實驗3中也講過，微程序的時序如圖10所示，每按一次單脈沖鍵P〔實驗系統(tǒng)面板右下角的單脈沖鍵〕便產(chǎn)生一個負脈沖，該脈沖的作用是：①P脈沖的低電平用作控制存儲器的讀命令。②P脈沖的上升沿當(dāng)作CPμIR將讀出的微指令打入微指令存放器μIR。③P脈沖的上升沿使μPC＋1形成下一條微指令的地址。④脈沖的上升沿將形成的后繼地址送微程序計數(shù)器μPC，同時將運算結(jié)果〔總線的數(shù)據(jù)〕送指定的存放器。圖10微程序的時序微指令格式。微指令字長16位，即μIR15~μIR0。①微指令字段定義。下表3所示為微指令字段的定義。表3微指令字段的定義A選擇器控制B選擇器控制μIR15μIR14定義μIR13μIR12定義00備用00備用01RA01PB10MA10RB11備用11備用續(xù)表3微指令字段的定義輸出分配μIR11μIR10μIR9定義μIR11μIR10μIR9定義000備用100CPIR001CPR0101CPMAR010CPR1110備用011CPPC111備用低位進位控制存儲器讀寫控制μIR8定義μIR5μIR4定義0c0=0101c0=101后繼微地址形成方式μIR2μIR1μIR0定義μIR2μIR1μIR0定義000備用111備用001PC+1順序執(zhí)行110備用010JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由IR15~IR8提供101YJP給定高四位，低四位按目的尋址方式轉(zhuǎn)移011QJP高四位按操作碼轉(zhuǎn)移，低四位為0100MJP給定高四位，低四位按源尋址方式轉(zhuǎn)移②微命令形成邏輯。微命令形成邏輯電路如圖11所示。圖11微指令形成邏輯上圖11中的2-4譯碼器和3-8譯碼器的邏輯原理分別如圖12、圖13所示。③后繼微地址產(chǎn)生邏輯。為簡單起見，本實驗只選擇三種后繼微地址生成方式，即增量方式、無條件轉(zhuǎn)移方式、按操作碼轉(zhuǎn)移方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖14所示。μPCEN↑微地址形成部件JPQJP↑↑操作碼IR7~IR4微指令μIR15~μIR8圖14后繼微地址形成邏輯框圖當(dāng)EN=1時，微程序計數(shù)器μPC執(zhí)行加1操作。當(dāng)EN=0時，且JP=1時，無條件轉(zhuǎn)移。當(dāng)EN=0時，且QJP=1時，按操作碼轉(zhuǎn)移。微程序的編寫為便于學(xué)習(xí)和理解，本實驗僅對以下4條指令進行微程序設(shè)計。為簡化微地址形成部件的控制邏輯，將按源操作數(shù)尋址轉(zhuǎn)移和目的操作數(shù)尋址轉(zhuǎn)移并入按操作碼轉(zhuǎn)移方式。這4條指令對應(yīng)的程序、操作碼二進制代碼、微程序入口地址〔十六進制代碼〕如下表4所示。表4四條指令對應(yīng)的程序、操作碼二進制代碼及微程序入口地址程序操作碼二進制代碼微程序入口地址〔十六進制代碼〕取指令入口：00HMOV105#，R0MOV10001MOV1入口：10HMOV201#，R1MOV20010MOV2入口：20HADDR0，R1ADD0011ADD入口：30HMOV3R1〔R0〕MOV30100MOV3入口：40H〔1〕指令執(zhí)行流程。指令流程如下列圖15所示。00↓RAM→IR↓PC+1→PC10↓20↓30↓40↓PC→MARPC→MARR0+R1→R1R0→MAR↓↓↓↓PC+1→PCPC+1→PCPC→MARR1→MAR↓↓↓↓RAM→R0RAM→R1JPPC→MAR↓↓↓PC→MARPC→MARJP↓↓JPJP圖15四條指令的執(zhí)行過程〔2〕編制微程序根據(jù)指令執(zhí)行過程和微指令格式，就可以開始編制微程序。指令流程中每一個流程對應(yīng)一條微指令，結(jié)合圖3計算機的總體結(jié)構(gòu)，寫出這個流程中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)通路的控制命令。如RAM→IR所需的控制命令為MA、、CPIR，并在下表5中相應(yīng)位置填“1〞，不需要的命令填“0〞。另外，每一條微指令都要確定下一條微指令地址的生成方式，四條指令對應(yīng)的全部微程序如表5所示。微操作微地址μIR15μIR14μIR13μIR12μIR11μIR10μIR9μIR8μIR7μIR6μIR5μIR4μIR3μIR2μIR1μIR0十六進制代碼A選擇B選擇輸出分配C0RDWR轉(zhuǎn)移方式ROM2#ROM1#RAM→IR0010001000001000018821PC+1→PC0100010111000000011701QJP10IR8IR7IR6IR500000000001100030PC→MAR1000011010000000011A01PC+1→PC1100010111000000011701RAM→R01210000010001000018221PC→MAR1300011010000000011A01JP1400000000000000100002PC→MAR2000011010000000011A01PC+1→PC2100010111000000011701RAM→R12210000100001000018421PC→MAR2300011010000000011A01JP2400000000000000100002R0+R1→R13001100100000000016401PC→MAR3100011010000000011A01JP3200000000000000100002R0→MAR4001001010000000014A01R1→MAR4100100000000100012011PC→MAR4200011010000000011A01JP4300000000000000100002表5四條指令對應(yīng)的微程序5、分調(diào)將模式開關(guān)置于分調(diào)，1032E系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通路上完全被阻斷，可獨立進行操作。〔1〕1032E系統(tǒng)實驗系統(tǒng)中所有的開關(guān)和發(fā)光二極管〔除L15~L0〕均隨意編程用作數(shù)據(jù)輸入和狀態(tài)顯示。選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中典型部件進行功能測試看是否滿足要求，假設(shè)有錯改之。其中，典型部件有：選擇器A、帶復(fù)位的存放器MAR、不帶復(fù)位的存放器R0和程序計數(shù)器PC。在部件設(shè)計無錯、連線無錯、1032E的管腳定義無錯時，模式開關(guān)置統(tǒng)調(diào)后，將適配生成的下載文件下載到1032E中。單片機系統(tǒng)微程序經(jīng)過檢查無誤后，將模式開關(guān)置分調(diào)，通過鍵盤以十六進制寫入2#ROM和1#ROM的相應(yīng)單元中去。然后再讀出微指令，檢查是否正確，有錯改之。程序通過鍵盤以十六進制代碼從0單元開始寫入3#RAM的相應(yīng)單元中。6、統(tǒng)調(diào)將模式開關(guān)置統(tǒng)調(diào)，實驗系統(tǒng)的開關(guān)和發(fā)光二極管的設(shè)置情況如下：開關(guān)K15~K0無效，不可編程使用。L15~L0用于顯示μIR15~μIR0的狀態(tài)，不能作他用。LED15~LED8用于顯示從存儲器讀出的內(nèi)容和數(shù)據(jù)總線BUS的內(nèi)容，不能他用。LED7~LED0可編程到任意觀測點，以顯示系統(tǒng)運行的狀態(tài)。以上幾點要特別注意，反復(fù)審查，確保無誤。計算機的統(tǒng)調(diào)步驟如下：按復(fù)位鍵RET2①使MAR清零、指令計數(shù)器清零，保證從存儲器0號單元取指令。②使微程序計數(shù)器清零，保證從2#ROM、1#ROM的0#單元取出取指令微程序的第一條微指令。執(zhí)行微程序按復(fù)位鍵后，μPC、PC、MAR均清零。①按一次脈沖鍵產(chǎn)生一個負脈沖〔作為〕，將2#ROM、1#ROM0號單元的16位微指令代碼讀出，用的上升沿將微指令送入μIR15~μIR0，看是否正確。第一條微指令產(chǎn)生的命令是：MA、、CPIR，后繼微地址產(chǎn)生方式為μPC+1，其操作是：讀RAM，單元地址為0，即讀0號單元的內(nèi)容。0號單元的內(nèi)容是一條指令，指令代碼讀出后，在MA的作用下，進入加法器至總線。此時，總線上的內(nèi)容點亮LED15~LED8，查看是否正確?！咀⒁狻吭跊]有按下一次脈沖鍵前，數(shù)據(jù)通路的內(nèi)容一直不變。②再按一次脈沖鍵又產(chǎn)生一負脈沖。該脈沖反相后的上升沿產(chǎn)生CPIR信號，將上條微指令讀出的指令代碼送IR，同時上升沿還將產(chǎn)生μPC+1信號。該負脈沖的低電平用以讀出μPC指示的第2條微指令。其后，所有的操作同上。這樣逐一取出微指令并執(zhí)行微指令就會讀出并執(zhí)行存放在RAM中的程序。三、實驗條件及設(shè)備要求(1)設(shè)備：JYS計算機組成原理實驗系統(tǒng)、聯(lián)想臺式計算機(2)操作系統(tǒng)：WindowsXP(3)軟件：ispLEVER3.0、ispVMSystem17.4四、實驗實施步驟〔一〕一個簡單計算機的層次化設(shè)計要求設(shè)計一個簡單的計算機，主要由加法器、選擇器A和B、通用存放器R0和R1、程序計數(shù)器PC、指令存放器IR、地址存放器MAR、存儲器RAM，以及各部件之間的連接線路構(gòu)成。1、建立新工程啟動ispLEVER，進入工程管理器ispLEVERProjectNavigator，在D盤新建test6文件夾中新建工程computer.syn。2、選擇器件在工程管理器中，雙擊ispLSI5256VE-165LF256項進入器件選擇窗口，選擇ispLSI1032E-70LJ84I，單擊“OK〞返回工程管理器。3、原理圖輸入〔1〕底層原理圖〔八位全加器〕輸入調(diào)用實驗二完成的add1元件符號按上圖4所示完成連線,，生成元件符號add8?！?〕底層原理圖〔2-4譯碼器〕輸入按下列圖16所示完成原理圖輸入，生成元件符號dec24。圖162-4譯碼器邏輯圖〔3〕底層原理圖〔選擇器〕輸入按上圖6所示完成原理圖輸入，生成元件符號mux?！?〕底層原理圖〔不帶復(fù)位的八位存放器〕輸入按上圖7所示完成原理圖輸入，生成元件符號reg1。〔5〕底層原理圖〔帶復(fù)位的八位存放器〕輸入按上圖8所示完成原理圖輸入，生成元件符號reg2?！?〕底層原理圖〔后繼微地址形成電路〕輸入按下列圖17所示完成原理圖輸入，生成元件符號control。〔7〕底層原理圖〔三位二進制同步計數(shù)路〕輸入按下列圖18所示完成原理圖輸入，生成元件符號count8。〔8〕底層原理圖〔微指令計數(shù)器〕輸入調(diào)用〔7〕生成的元件符號count8，按下列圖19所示完成原理圖輸入，生成元件符號counter?！?〕頂層原理圖〔簡單計算機〕輸入調(diào)用上述生成的元件符號add8、mux、dec24、reg1、reg2、control、counter，以及實驗三生成的dec38，按上圖9所示完成頂層原理圖輸入。圖17后繼微地址形成邏輯圖圖18三位二進制同步計數(shù)器邏輯圖圖19微指令計數(shù)器邏輯圖管腳定義將ALU的輸入數(shù)據(jù)a3-a0依次定義在引腳41-38上。CPR0、CPR1、CPR2依次定義在引腳52-50上。LM、DM、RM、C0依次定義在引腳49-46上。P脈沖定義在引腳73上。Q3-Q0依次定義在引腳79-76上。文件編譯、適配和下載