计算机组成原理课程设计实验报告-基本模型机设计与实现

1、计 算机组 成原理实验报告评语：成绩教师：年月班级：1403011学号：140301124姓名：丁梦鸽地点：eii-312 时间：第3批计算机组成原理与体系结构课程设计基本模型机设计与实现一. 实验目的1. 深入理解基木模型计算机的功能、组成知识；2. 深入学习计算机各类典型指令的执行流程；3. 学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握lpm_rom的配置方法。4. 在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模 型计算机。5. 定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握 微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。6. 通过熟悉较完

2、整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方 法。二. 实验原理1. 在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而木实验将能在微过程控制下白动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控 制将山微过程控制器來完成，cpu从内存中収出一条机器指令到指令执行结朿的一个指令周 期，金部由微指令组成的序列来完成，即-条机器指令对应-个本实验采用五条机器指令：in （输入）、add （二进制加法）、sta （存数）、out （输出）、jmp （无条件转移），其指令格 式如下（最高4位二进制数为操作码）：微程序。2. 指令格式（1）指令格式采用寄存器直接

3、寻址方式，其格式如下:位7654321 0功能op-codersrd其中,op-code为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器,并规定:rs 或 rd选定的寄存器00ro01r110r2助记符机器指令码addr地址码功能说明inooh“input”中的数据一roadd addr1 ohxx 11ro+addr->rosta addr2ohxx hro -> addrout addr3 ohxx haddr -> busjmp addr4 ohxx haddr fpc其中in为单字长（8位二进制），其余为双字长指令,xxh为addr对应的十六进制地 址码。为了向ram中装入

4、程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，述必须设 计三个控制台操作微程序。m carj tsarmemory2drpcwkj11j-bv/rldpcjrozbt-ldrol lcpu丽惋控制軽匚竺ni mj i ilbjhjcso s1 cs2cd1put图64数据通路框图1, 存储 器读操作(krd)：下 载实验程序 后按总清除 按键(clr) 后，控制台 swa、swb 为“00”吋， 可对ram连 续手动读入 操作。2, 存 储器写操作(kwe)：下 载实验程序 后按总清除按键(clr)后，控制台swa、swb为“0 1”时，可对ram连续手动写操作。3、启动程序(rp)：下载实

5、验程序后按总清除按键(clr)后，控制台swa、swb为 “11”时，即可转入到微地址“01”号“取指令”微指令，启动程序运行。根据以上要求设计数据通路框图，如图5-1所swbswa控制台指令00读内存(krd)01写内存(kwe)11启动程序(rp)表61 24位微代码定义:2423222120191817161514131211109 8 7654321s3s2s1somcnwea9a8abcua5ua4ua3ua2ualuao表6-2 a、b、c各字段功能说明:a字段b字段c字段151413选择121110选择987选择000000000001ldri001rs-b001p (1)010

6、lddr1010010011lddr2011011100ldir100100p (4)101load101alu-b101ldar110ldar110pc-b110ldpc24位微代码中各信号的功能(1) ua5-ua0：微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。(2) s3、s2、si、s0：由微程序控制器输出的alu操作选择信号，以控制执行16种算术 操作或16种逻辑操作中的某一种操作。(3) m：微程序控制输岀的alu操作方式选择信号端。m = 0执行算术操作；m = l执行 逻辑操作。(4) cn：微程序控制器输出的进位标志信号，cn = o表示alu运算吋最低位有

7、进位，cn=1则表示无进位。（5）we：微程序控制器输出的ram控制信号。当/ce = o时，如we=0为存储器读：如we = 1为存储器写。（6） a9、a8译码后产生cso、cs1、cs2信号， 分别作为sw_b、ram、led的选通控制信号。（7） a字段（15、14、13）译码后产生 与总线相连接的各单元的输入选通信号（见表6-l）o（8）b字段（12、11. 10）译码后产生与总线札i连接的各单元的输出选通信号。（9）c字段（9、8、7）译码后产生分支判断测试信号p（irp（4闲ldpc信号。系统涉及到的微程序流程见图6-2o当执行“取指令”微指令时，该微指令的判断测 试字段为p（l

8、）测试。山于“収指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此p（l） 的测试结果出现多路分支（见图6-2左图）。用指令寄存器的高4位（ir7-ir4）作为测试条 件，出现5路分支，占用5个固定地址单元。控制台操作为p测试（见图62右图），它以控制台信号swb、swa作为测试条件, 出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就 可以一条微指令占用控制存储器的一个微地址单元，随意填写。注意：微程序流程图上的微 地址为8进制！当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表6-2即为图6-2的微程序流程 图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。表&

9、2二进制微代码表微地址微指令s3s2s 1somc nw ea9a8abcua5-uao0 00 18 1100000000110 0 00 0 010 00 100 0 00 10 0 e d 8 20000000011101101100 0 00 100 20 0 c 0 4 800000000110 00 0 00 0 10 0 10 0 00 30 0 e 0 0 40000000011100 0 00 0 00 0 010 00 40 0 b 0 0 5000000001oil0 0 00 0 00 0 010 10 50 1 a 2 0 60000000110 100 0 10 0

10、 00 0 01100 66 1 9 a 0 10110000110 0 110 10 0 00 0 00 0 10 70 0 e 0 0 d0000000011100 0 00 0 00 0 110 11 00 0 1 0 1 b0000000000 0 10 0 00 0 0oiloil1 10 1 e d 8 30000000111101101100 0 0oil1 20 1 e d 8 70000000111101101100 0 01111 30 1 e d 8 e0000000111101101100 0 11101 40 1 e d 9 60000000111101 1 01 1

11、 00 101101 50 0 b 0 1 70000000010 1 10 0 00 0 00 101111 60 0 e 0 0 f0000000011100 0 00 0 00 0 11111 70 0 b 0 1 5000000001oil0 0 00 0 00 1010 12 00 1 e d 9 20000000111101101100 100 102 10 1 e d 9 40000000111101 1 01 1 00 1010 02 20 1 a 0 1 00000000110 100 0 00 0 00 100 0 02 30 1 8 0 0 10000000110 0 0

12、0 0 00 0 00 0 00 0 12 40 6 2 0 1 10000011000 100 0 00 0 00 100 0 12 50 1 a 2 1 90000000110 100 0 10 0 0oil0 0 12 60 1 a 2 1 a0000000110 100 0 10 0 0oil0 102701a21800000001101000100001100030b99a0110111001100110100000000131e99a0111101001100110100000000132099a010000100110011010000000013301a21c000000011

13、01000100001110034059a01000001011001101000000001指令寄存器(ir)：指令寄存器用來保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先 把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令奇存器。指令划分为操作码和地址码段, 由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试“p(l)”，通过节拍脉 冲t4的控制，以便识别所要求的操作。指令译码器：根据指令中的操作码强置微控制器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的 微程序首地址。实验中lcd液品显示屏可以用來显示模型机cpu中各组成单元的内容。将b100_c.sof 文件下载到实验台后，按系统复位键

14、，lcd液晶显示屏即显示cpu中各组成单元的内容。其 功能说明如下：lcd液晶显示侨功能说明作用名称计算机组成原理名称in输入单元inputdr1暂存器dr1out输出单元output dr2 暂存器dr2alubus算术逻辑单元内部数据总线pcar程序计数器地址寄心器r0r1寄存器r0寄冇器r1ramir程序/数据存储器 指令寄存器r2寄存器r2mc微程序控制器in00out00alu00r000r100r200dr100dr200bus00pc00ar00ram00ir00mc018110图6-4 lcd液晶显示屏rjrrsji3 :if7rdjldri710r1 o ro bro.0 :

15、1 3rx br1 bi 2r2 br2jt3：rd b ldr0:lor x ldr1i 1ldr21 o-moldr0 2n00dsppi16q117.01；"9 3dc7 03r0c7. 0rlt7o12t3rsc7oldr2rstqe7.dr1xss电17ari7.0j押 jld席罕二c(oi7.o1b 叫 100口 biw.cgwifm ram dq dertalt addre$() ineixk q(key2xey1 ho d0fdd01|7.01 ：z絲dr2j?；rlbt：roh 1299克 ©ram :alubt：sw_b74148on1n2necm3ng

16、sn4naon5na1n6na2n7neinaenc006rd”t1：t2t3t4clk1 istep7t1ulka1 vrst 1t3t 4 clocko 扔0018珈 clk1 (=-key7 i>100.c®14 込step(=-key8 bw0.c15 前rst1key4卜叫11云sv6(=-key3 bwo,牡swa& 1櫛otpllp12t41d【70jclkc70jrstq c 7. . qolk*»邨? 273m24 21cfi27 01cfi17 .01wo.枫19)alu181cofzfzcn225dmoj t70】piost2 odp13

17、宰迺二亡5 p13 we*6.训7丿sell)witswasubt2pism?a.尸【4】l】 sci 41jrstqc7 03clk4xwaddress regdc70】clkqc703st1rstloadloadldpc :t2；pc7r busmux ciatarst1rstled bclkoc70j273273rst1：ldr:s£(6 .1：0(6. 1jt3【6clkclrx) qf1):rst1 :svbswaxuxbu 屮.0result61pc.b0】output devtte9 :17.0-0沁匚二硕和jm3i7.03ldri;uurglddr1那4:nlddr2

18、磧15:blddr2:ldrcld 1 rloadlordldarlorrdecodea0?decodebin创rod4r1d(01(7.0 :f卄w唯i7.old(6i(7 .01p(5h7 .0dr1dr2drip.fi：.01dr2|7.0busarbus7.,01 :rs.b rd_b rj_b299-balu.bpc.brst9c7.0】olkrom aclkmicro-cortrolfer52(13rpp12jyc3jp【3jaryc©3lore8 decoaee_4(a9)(as)©cxi yc2jdcoj yc1j!【<)】 qci>.m8|m9

19、|mqzlmi161kvedc 7- - 03m(10mgm12iuas； 01fti ：j.75 insiructicr) reg * se6 ld«oode2_4yc3jch yc2joroj venvc 03ledjham§w b299aluramdecodecpulprl pprl arldpc7.严d(2i(7.0p(101(7.0p(121(7.0ir1(7 .0:p(13i7.0|p(141(7.0w 血i7.000p161(7.0图6-3模熨计算机电路原理图地址（16进制）内容（16进制）助记符说明0000inc口增0110sub减法020a0320and与

20、040b0530or或05oc0740not非080009000a01自定0b00oc02自定0d000e03自定三. 实验步骤（做了两个程序，以下是第一个）1. 微程序的输入：根据表6-2所对应的二进制微代码，编辑lpm.rom配置文件 rom_ll.mif惨考demod_cpu5文件夹中的同名文件），并将其保存在与实验电路bloo_c.bdf 工程所在的文件夹中，与实验电路bloo.c.bdf -同编译后，得到下载文件bloo_c.sofq下载 配置文件bus_c.sof卜载到实验系统。实验板上的时钟clocko选择输入频率为1.5mhz0图6-3 是示例原理图，详见bl00_c.bdfo

21、2. 输入模型机的程序romaddr0000c04800e00400b005619a01099ao101ed87e99a0100ao150000002030000000 i “000000odoood000000000000000000oboooo ooodoooooooo oooooo01a206038201"oooooo ooooooooooooc'noooij ilhuijljij oooooo oooooo oooooo0181111001liii101ed92000000000000oooooo01 ah1i：i oooooo uuijijoo oooooo ooo

22、ooo oooooo门062011 oooooo01ed8201ed8301ed94 oooooouu0000oooooo01ed8es800toooooo000000 _oooooo (ooooooooooooooooooif拿| 60oooooooooooooooooooooooo40ram1 ramc:0000000010oa200b30ob40120034340000000000000000000000000000001900000000000000000000000000000000000000000000000000000032000000000000000000000000000

23、0000000000000000000000000004b000000000000000000000000000000000000000000000000000000640000000000000000000000000000000000000000000000000000007d0000000000000000000000000000000000000000000000000000009600000000000000000000000000000000000000000000000000ooooaf00000000000000000000000000000000000000000000000

24、0000000c800000000000000000000000000000000000000000000000000ooooe1000000000000000000000000000000000000000000000000000000fa0000000000003自动配置lpm_ram如果程序量大，手动输入效率太低，可以在计算机上编译好代码文件，并随同模型cpu 设计文件一同编译进sof下载文件中，直接下载进入fpga。在quartusll环境下,打开工程文件bloo_c.bdf,修改bloo_c.bdf中lpm_ram_dq 的参数，将初始化文件lpm_file设置为：u./5_ram.

25、mir；打开“5_ram.mif（在示例中已有 此文件），根据“实验程序1”，在5_ram.mif屮输入全部机器指令代码（示例屮已经输入）。（2）将工程文件重新编译后，下载到实验台小，即完成lpm_ram的配置。（3）根据以上的方法，复位信号rst （键8） =1；将控制开关swb、swa （键4、键3） 设置为：0、0,按键7,每两个2次单步运行（产牛.2个正脉冲），检验配置进入fpga中的 程序代码。4. eab在系统读写使用在系统eab读写工具对模型cpu中的存放微程序的rom和存放程序与数据的ram 进行观察和改写（图6-3）05. 用嵌入式逻辑分析仪了解cpu运行情况可以利川实验系统

26、上的液晶屏上的数据显示和嵌入式逻辑分析仪同时了解cpu的每一 单步运行情况（图6-4）o注意，图6-4的嵌入式逻辑分析仪设置情况：采用吋钟使用cpu 的工作时钟（clkl=1.5mhz）,釆样深度64位,触发位置：pre.,触发信号用单步控制信 号：step；触发方式：上升沿。左侧的观察信号,datal是alu； data2是ram； p10j是ar； p是ir；百 |cpu5a gl q cpusabdfimtnce managerindex i instance id»j0 rom51?旳5jjglulcbdti 艺|rm5mifi 豹 ramj电.訂 |rea(fy to acquire 勿 xi®心| width| dedthnot running2464not running8256j tag chain con/iguogn ptag re妙hardware |usb-blai/ef (usb-ojdevice|1 ep1c6|0xo20820od)01ed8201ed8301ed94000000000000000000nn0