计算机硬件课程设计报告——拓展接口的复杂模型机设计

1、计算机硬件课程设计报告拓展接口的复杂模型机设计学院：计算机科学与工程学院专业：计算机科学与技术班级：组员1：组员2：起止时间：目录一、实验目的3 二、实验内容3三、实验思路3四、实验原理3五、实验步骤10六、实验设计11七、实验心得14一、实验目的经过一系列硬件课程的学习及相关实验后，做一个综合的系统性的设计，这在硬件方面是一个提高，进一步培养实践能力。二、实验内容搭建一台有拓展接口的8位模型机，指令系统要求有10条以上，其中包括运算类指令、传送类指令、控制转移类指令、输入输出指令、停机指令等。三、实验思路1、确定设计目标：确定所设计计算机的功能和用途。2、确定指令系统：确定数据的表示格式、位

2、数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。3、确定总体结构与数据通路：总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构，列出各种信息传送路径以及实现这些传送所需要的微命令。4、设计指令执行流程：数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度。每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需要考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中。5、确定微程序地址：根据后续微地址的形成方法，确定每条微程序地址及分支转移地址。6、根据微指令格式，将微程序流程中的所有微操作进行二进制代码化，写入到控制存储器中的相应单元中。7、组装、调试：在总装

3、调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有功能模块工作正常后，才能保证整机的运行正确。四、实验原理1、指令系统及指令格式（1）数据格式8位。（2）指令格式：指令系统应包括：算术逻辑运算指令、访存指令、控制转移指令、I/O指令、停机指令。 一般指令格式如下：OP-CODE（4位）RS（2位）RD（2位）DATA/ADDR（8位）其中RS、RD可以是R0、R1、R2中任一个，它们的代码分别为00、01、10。DATA为立即数，ADDR为内存地址。（3）指令系统：读写端口指令：PIN PORT，RD POUT RS，PORT访存指令：LOAD ADDR，RD STA RS，ADDR 读取立即数指令

4、：MOV DATA RD算术运算指令：ADD RS，RD SUB RS，RD逻辑运算指令：XOR RS，RD AND RS，RD NOT RD跳转指令：JMP ADDR JZ ADDR停机指令：HALT运行微程序PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-IRRAM-BUSBUS-ARPC-ARPC+1RS-BUSBUS-RAMRAM-BUSBUS-ARPC-ARPC+1RAM-BUSBUS-RDRAM-BUSBUS-RDPC-ARPC+1RS-LDDR1RD-LDDR2LDDR1-LDDR2-RDRS-LDDR1RD-LDDR2LDDR1+LDDR2-RDRS-LDDR1RD-LDDR2LDDR

5、1异或LDDR2-RDRS-LDDR1RD-LDDR2LDDR1与LDDR2-RDP（1）LOADSTAMOVADDSUBXORANDRD-LDDR2LDDR2取非-RDRAM-BUSBUS-PCPC-ARPC+1PC-ARPC+1P（3）测试后续地址20H30H读出地址送PC20H复位YN0101NOTJMPJZ右边接下图左边接上图2、 指令微操作流程3、微指令格式微指令为24位2进制编码，其中24位分配及编码方式如下：（1）第24位至第19位分配方式：242322212019S3S2S1S0MCn 第24位至第19位编码方式方式：（2）第18位至第16位分配方式：181716WEA9A8

6、第18位至第16位编码方式方式：WEA9A8功能000INPUT001RAM读101RAM写110LED,写接口011无010写接口（3） 第15位至第7位分配方式：151413121110987ABC 第15位至第7位编码方式：A字段：151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARB字段：121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-BC字段：987选择000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC（4）第6位至第1位分配方式：

7、654321uA5uA4uA3uA2uA1uA0 第6位至第1位指示下一条微指令的地址。（5）299移位控制表：299-bs1s0m功能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移任意11任意装数4、微程序地址入口的形成P（1）是用来译码指令寄存器的I7、I6、I5、I4 ,用于一般指令,微程序入口址为OP+10HP（2）是用来译码指令寄存器的I3、I2 ,用于不同寻址方式指令，入口地址转OP+20HP（3）是用来译码判断标志位C、Z ,用于条件转移指令,条件成立转OP+30H,条件不成立转OP+20HP（4）是用来译码控制台操作的SWB、SWA

8、,用于手动操作。5、寄存器地址译码电路6、微程序装载格式机器指令格式：$Pxxxx 微指令格式：$Mxxxxxxxx 把它们保存为 *.TXT文件。注：1）程序中字母要大写。2）机器指令地址按顺序，微指令地址可不按顺序。7、模型机的时序8、模型机的数据通路9、模型机组装电路图10、8255接口简介（1）8255芯片简介8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3

9、个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。 1） 与CPU连接部分 根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0D7。由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0A1。此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。2） 与外设接口部分 根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8

10、255可以用24根线与外设连接。3） 控制器 8255将3个通道分为两组，即PA0PA7与PC4PC7组成A组，PB0PB7与PC0PC3组成B组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下： （1） A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。 （2） B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出。（2） 读写端口指令1）读端口指令格式：PIN PORT，RD OP-CODE（4位）RS（2位）00PORT2）写端口指令格式：POUT RS，PORTOP-CODE（4位）00RD（2位）PORT3） 读写端口指令微操作：PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-A

11、R读端口数据送入寄存器PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-AR寄存器数据写入端口数据（3）8255的编程8255的初始化编程较简单，只需要一个控制字就把3个端口设置完成。1） 写入方式控制字。方式控制字决定端口A、B、C的工作方式。2） 经过初始化编程之后，处理器执行读端口指令和写端口指令，对3个数据端口进行读写就可以实现处理器与外设之间的数据交换。五、实验步骤（1）按照给定模型机组装电路图连接电路;（2）连通实验箱与PC机，打开CMP软件，测试实验箱是否正常;（3）设计微指令，画出其微操作流程图，并翻译成相应的微指令格式;（4）设计包含这些微指令的机器指令程序，并翻译成相应机器指令格式;

12、（5）把设计好微指令和机器指令保存为TXT文件，然后装载入CMP;（6）打开复杂模型机，然后用单步机器指令运行程序并调试;（7）检查输出结果是否正确，最后撰写实验报告。六、实验设计1、 设计机器指令在实验设计中，我们定义了12条指令，分别为他们编码，如下表所示：基本指令指令代码PIN0000POUT0001LOAD0010STA0011MOV0100ADD0101SUB0110AND0111XOR1000NOT1001JMP1010JZ10112、 设计微指令ABC微操作000000000110000000000000010101ED8201000000011110110110000010PC

13、-AR,PC+1-PC0200C05002000000001100000001010000RAM-BUS,BUS-IRPIN 1001ED8310000000011110110110000011PC-AR,PC+1-PC0300E00403000000001110000000000100RAM-BUS,BUS-AR04000000010001000000000001读端口数据送入寄存器POUT 1101ED8511000000011110110110000101PC-AR,PC+1-PC0500E00605000000001110000000000110RAM-BUS,BUS-AR060000

14、00110000001000000001寄存器写入端口数据LOAD 1201ED8712000000011110110110000111PC-AR,PC+1-PC0700E00807000000001110000000001000RAM-BUS,BUS-AR08000000001001000000000001RAM-BUS,BUS-RiSTA 1301ED8913000000011110110110001001PC-AR,PC+1-PC0900E00A09000000001110000000001010RAM-BUS,BUS-AR0A0282010A0000001010000010000000

15、01Ri-BUS,BUS-RAMMOV1401ED8B14000000011110110110001011PC-AR,PC+1-PC0B0090010B000000001001000000000001RAM-BUS,BUS-RiADD 1501A20C15000000011010001000001100Ri-LDDR10C01B40D0C000000011011010000001101Ri-LDDR20D959A010D100101011001101000000001LDDR1+LDDR2-RiSUB 1601A20E16000000011010001000001110Ri-LDDR10E01

16、B40F0E000000011011010000001111Ri-LDDR20F619B410F011000011001101101000001LDDR1-LDDR2-RiAND 1701A22017000000011010001000100000Ri-LDDR12001B42120000000011011010000100001Ri-LDDR221159A0121000101011001101000000001LDDR1与LDDR2-RiXOR 1801A22218000000011010001000100010Ri-LDDR12201B423220000000110110100001000

17、11Ri-LDDR223699A0123011010011001101000000001LDDR1+LDDR2-RiNOT1901B42419000000011011010000100100Ri-LDDR224099A0124000010011001101000000001LDDR1+LDDR2-RiJMP1A01EDA51A000000011110110110100101PC-AR,PC+1-PC2500D18125000000001101000110000001RAM-BUS,BUS-PCJZ 1B01ECEF1B000000011110110011101111PC-AR,PC+1-PC2

18、F0180012F000000011000000000000001分支测试失败3F00D1813F000000001101000110000001分值测试成功3、 设计验证程序汇编指令（前一个操作数为源操作数，后一个操作数为目的操作数）MOV 90H,R2 POUT R2,03HPIN 00H,R1MOV 02H,R2ADD R1，R2XOR R1，R2NOT R2LOAD 20H,R0JMP 30HSUB R0，R0JZ 40HAND R0，R2POUT R2,01H4、汇编程序与机器指令程序的转换地址机器指令码（二进制）机器指令码（十六进制）指令0142HMOV 90H,R20290H03

19、18H POUT R2,03H0403H0501HPIN 00H,R10600H0714HPOUT R1，01H0800000001 01H0942H MOV 02H,R20A02H0B56HADD R1，R20C86HXOR R1，R20D92HNOT R20E20HLOAD 20H,R00F20H10A0HJMP 30H1130H3060HSUB R0，R031B0HJZ 40H3240H4001110001072HAND R0，R24118HPOUT R2,01H4201H5、建立联机操作文件为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，

20、可用记事本来建立。源程序如下：23 / 23文档可自由编辑打印$P0401$P0500$P0614$P0701$P0842$P0902$P0A56$P0B86$P0C92$P0D20$P0E20$P0FA0$P1030$P3060$P31B0$P3240$P4072$P4118$P4201$M00018001$M0101ED82$M0200C050$M1001ED83$M0300E004$M04011001$M1101ED85$M0500E006$M06030201$M1201ED87$M0700E008$M08009001$M1301ED89$M0900E00A$M0A028201$M1401ED8B$M0B009001$M1501A20C$M0C01B40D$M0D959A01$M1601A20E$M0E01B40F$M0F619B41$M1701A220$M2001B421$M21159A01$M1801A222$M2201B423$M23699A01$M1901B424$M24099A01$M1A01EDA5$M2500D181$M1B01ECEF$