多位寄存器加法输入输出等实验计算机指令设计

1、沈阳理工大学课程设计专用纸 .29EL-JY-II型计算机组成原理实验系统实 验 指 导 书 (第二版)北京精仪达盛科技有限公司成 绩 评 定 表学生姓名班级学号 专 业计算机科学与技术课程设计题目多位寄存器加法/输入输出等实验计算机指令设计评语组长签字：成绩日期 2016年 7 月 日课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业计算机科学与技术学生姓名班级学号 课程设计题目多寄存器加法输入输出等指令实验计算机设计（第6组）实践教学要求与任务:利用EL-JY-II型计算机组成原理实验仪提供的硬件资源，通过设计（包括整机结构设计、指令设计、微程序设计、微指令设计、调试程序设计等）、组装、调试三个

2、步骤完成一台微程序控制的复杂实验计算机的设计。具体要求如下：1、 掌握实验计算机的整机结构。熟悉实验计算机的组装和调试方法。2、 设计如下几条机器指令的格式，指令格式可以采用单字长或双字长设计。算术加法运算指令：ADD rs，rd （功能rs + rd -> rd）输入输出指令：IN #DATA，rd （功能DATA -> rd）OUT Ri （功能Ri的值 -> LED输出）转移指令： JMP ADDR （功能ADDR -> PC）3、 设计微指令的格式, 编写上述每条机器指令所对应的微程序，并上机调试。4、通过如下程序的编写调试，验收机器指令、微指令、微程序的设计结

3、果。IN #data，R0IN #data，R2ADD R0，R2OUT R2JMP 00H工作计划与进度安排: 第19周：实验室组装与调试,调试，验收，答辩，编写课程设计报告。指导教师： 2016年6月 日专业负责人： 2016年6月 日学院教学副院长： 2016年6月 日目录目录41.实验计算机的设计51.1设计整机逻辑框图并画出逻辑框图51.2指令系统的设计71.2.1数据格式71.2.2指令格式71.2.3指令系统81.3微指令编码的格式设计91.4设计指令的执行流程，画出微程序流程图111.5 确定微程序控制方式131.5.1微程序入口地址形成方法131.5.2微程序顺序控制方法13

4、1.6微程序编码142.实验计算机的组装172.1实验计算机的设计（各种芯片管脚和功能图在附录中列出）172.2实验计算机的组装173.实验计算机的调试213.1调试前的准备213.1.1按照实验指导说明书连接硬件系统213.1.2启动实验软件，打开实验课题菜单，选中实验课题打开实验课题参数对话窗口213.2调试步骤和调试结果213.3 结果分析223.4 设计和调试中遇到的问题和体会243.4.1 出错243.4.2 体会244.附录254.1各种芯片管脚和功能图25参考文献291.实验计算机的设计1.1设计整机逻辑框图并画出逻辑框图（一）模型机的组成：（1）模型机是由运算器，控制器，存储器

5、，输入设备，输出设备五大部分组成。运算器又是有299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，及三个通用寄存器Ax，Bx，Cx等组成。控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的。（2）计算机由基板和CPU板两部分组成：基板：本部分是8位机和16位机的公共部分，包括以下几个部分：数据输入输出、显示及监控，脉冲源及时序电路，数据和地址总线，外设控制电路，单片机控制电路和键盘操作部分，与PC机通讯的接口，主存器

6、和电源，CPLD实验板，自由实验区。CPU板：本板分为8位机和16位机两种，除数据字长分为8位和16位外，都包括以下部分：微程序控制器，运算器，寄存器堆，程序计数器，指令寄存器，指令译码电路，地址寄存器，数据，地址和控制总线。运算器部分：由算术逻辑单元ALU 74LS181（U29、U30）、暂存器74LS273（U27、U28）、三态门74LS244（U31）和进位控制电路GAL芯片（U32）等组成。存储器部分：由静态存储器1片6116（2K×8）构成。其数据线D0D7接到数据总线，地址线A0A7由地址锁存器（74LS273）给出。黄色地址显示灯MA7-MA0与地址总线相连，显示地

7、址总线的内容。数据经三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。（二）本系统的结构组成为：本板分为8位机和16位机两种，除数据字长分别为8位和16位以外，都包括以下几个部分：微程序控制器，运算器，寄存器堆，程序计数器，指令寄存器，指令译码电路，地址寄存器，数据、地址和控制总线。基板:本部分是8位机和16位机的公共部分，包括以下几个部分：数据输入和输出，显示及监控，脉冲源及时序电路，数据和地址总线，外设控制实验电路，单片机控制电路和键盘操作部分，与PC机通讯的接口，主存储器，电源，CPLD实验板(选件)，自由实验区（面包板）。运算器：由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄

8、存器、和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是有控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件.存储器:是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存。微程序控制器:控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令,通常把这种控制命令叫做微命令,而执行部件接受命令后的操作叫做微操作。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备；另一种是数码管，它作为输出设备。 输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到数据总线上，只要开关状态不变，输入的

9、信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号（W/R）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码管显示。整机逻辑框图如图1.1所示: M M S1 S0 数据总线(D_BUS) 74299 LPC 299-G 程序计数器PC ALU-G LOAD PC-G M CN ALU S3S2S1S0 数据暂存器LT1 数据暂存器LT2 LAR 地址寄存器AR 地址总线（ADDR_BUS） LDR1 LDR2 存储器(MEM) READ WRITE 寄存器R0 寄存器R1 寄存器R2 微控器 脉冲源及时序 LR0 R0G LR1 R1G LR2 R2G 指令寄存器IR C-G LDIR 输入设

10、备 W/R 控制门 输出设备 数据 LED-G控制信号 图1.1 整机逻辑框图1.2指令系统的设计1.2.1数据格式本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，其格式如下：76 5 4 3 2 1符号尾 数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1X<11.2.2指令格式 1）算术逻辑指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-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选定寄存器00R001R110R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1.1。2) 访

11、问及转移指令 本机设计有2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式如下：7 65 43 21 000MOP-CODERdD 其中OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=(D)E=(RI)+DE=(PC)+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。3)I/O指令 输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：7 6 5 43 21

12、 0OP-CODEaddrrd其中，addr=01时，选中“数据输入电路”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“输出显示电路”中的数码管作为输出设备。4）停机指令 指令格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODE00001.2.3指令系统 本机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条。输入输出指令2条，其它指令1条。表8-1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。表1.1 指令格式汇编符号指令的格式功 能CLR rdMOV rs，rd ADC rs，rd SBC rs，rd 0111 00 rd 1000 rs rd 1001 rs rd 10

13、10 rs rd 0 rdrs rd rs+rd+cy rdrs-rd-cy rdINC rdAND rs，rdCOM rdRRC rs，rd 1011 rs rd 1100 rs rd 1101 rs rd 1110 rs rd rd+1 rdrsrd rdrd rd cy rs rs rdRLC rs，rd 1111 rs rd cy rs rs rdLDA M，D，rd 00 M 00 rd D E rs STA M，D，rd 00 M 01 rd D rd E JMP M，D 00 M 10 00 BZC M，D 00 M 11 00 当CY=1或Z=1时， E PC IN addr，

14、rdOUT addr，rd 0100 01 rd 0101 10 rd addr rd rd addrHALT 0110 00 00 停机1.3微指令编码的格式设计本系统设计的微指令采用水平型微指令格式，字长共24位，其控制位顺序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0其中前18位为操作控制字段和测试字段。uA5-uA0为6位的下地址字段微地址。微指令中个控制位的含义如下：S3、S2、S1、S0、M、Cn是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令。S3S2S1S0

15、MCn0000000001100101020011110300000104000011WE是写内存的微命令，状态“1”有效。1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、“01”。 状态“00”为无效。F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译码电路74138译码输出8种状态，前7种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。F3字段包含P1- P4四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。F1、F2、F3三个字段的编

16、码方案如表1.2 表1.2 F1,F2,F3三个字段的编码方案表F1字段F2字段F3字段15 14 13选择12 11 10选择9 8 7选择0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 10 1 10 1 11 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P4 其中微命令LDRi表示写寄存器操作。微命令LOAD表示程序计数器PC写操作。微命令LDR2表示数据暂存器LT2写操作。微命令LD

17、R1表示数据暂存器LT1写操作。微命令LAR表示地址寄存器AR写操作。微命令LDIR表示指令寄存器写操作。微命令RAG表示源寄存器读操作。微命令ALU-G表示运算器输出操作。微命令RCG表示目的寄存器读操作。微命令PC-G表示程序计数器PC读操作。微命令LPC表示程序计数器PC选通操作。微命令299-G表示移位寄存器读写操作。微命令RBG表示变址寄存器读操作。1.4设计指令的执行流程，画出微程序流程图每条指令对应的微程序流程图（1） 输入指令INPC->AR,PC+1RAM->D,BUS->LRD_INPUT->D_BUSD_BUS->rdP(1)测试图1.2 I

18、N指令的微程序流程图（2） 输出指令OUTPC->AR,PC+1RAN->D,BUS->LRrd->LEDP(1)测试图1.3 OUT指令的微程序流程图LT1->D_BUS,D_BUS->ARRAN->D,BUS->ARPC->AR,PC+1RAM->D_BUS,D_BUS->LT1PC->AR,PC+1P(2)测试P(1)测试（3） 转移指令JMP图1.4 JMP指令相对寻址的微程序流程图PC->AR PC+1DR->IRM->DRY+X->R0R0->XR2->Y(4) 加法指令AD

19、D图1.5 ADD指令相对寻址的微程序流程图1.5 确定微程序控制方式1.5.1微程序入口地址形成方法采用多路转移方式，根据判别测试条件，通过微地址形成电路使微程序转入相应的微地址入口。本系统有3个判别测试位：P4判别测试位是根据指令译码输入CA1、CA2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的mA0、mA1位产生3路分支转移，使微程序分别转移到写机器指令、读机器指令、和执行机器指令三种状态的微程序的入口。P1判别测试位是根据指令中的前4位操作码IR7、IR6、IR5、IR4的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的mA3、mA2、mA1、mA0位产生16路分支转移，使微程序分别转移到I

20、N指令、ADD指令、MOV指令、OUT指令、RRC指令等16条机器指令执行阶段的微程序的入口。P2判别测试位是根据指令中的2位操作码IR3、IR2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的mA1、mA0位产生4路分支转移，使微程序分别转移到LDA指令、STA指令、BZC指令和JMP指令4条机器指令执行阶段的微程序的入口。1.5.2微程序顺序控制方法微程序顺序控制方式也即微程序执行过程中下一条微指令地址的确定方式。常用的有两种方式：计数增量方式和“下地址场”断定方式。计数增量方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址计数器MPC增量计数，来产生下一条微指令地址。因此，采用这种方式

21、的微指令格式中可以不设置“下地址场”字段，微程序存储在控存的若干个连续单元中。“下地址场”断定方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接接受微指令中“下地址场”字段的信息，来产生下一条微指令地址。因此，采用这种方式的微指令格式中设有“下地址场”字段，一条机器指令所对应的微程序在控存中可以不连续存放。本实验计算机的顺序控制是采用“下地址场”断定方式。无论是在微程序的顺序执行过程中，还是最后一条微指令执行结束之后进入下一条机器指令的取指过程，都是由微指令中“下地址场”字段的微地址，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接来产生下一条微指令地址。微程序控制部件组成结构示

22、意图如图1.6。图1.6 微程序控制部件组成结构示意图1.6微程序编码表1.3微代码在控存中的分布表微地址（八进制）微地址（二进制）微代码（十六进制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD03000011014FC404000100015F2005000101015FC606000110014FC707000111015F2010001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFCE160011100025CF170011119453E52

23、0010000005B4321010001005B4522010010005B4D23010011005B6624010100018FC12501010102F5C126010110007FD6270101113C03C1300110000001C1310110010041EA320110100021EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103001F7370111113001F940100000010FC1411000010379C142100010011F4143100011007EA444100100007FC14510010

24、184492046100110014FE747100111002BE850101009459E951101001944920521010100025EB531010119403FE541011000049ED551011010449EE561011100C49EF571011110049F0601100000C7F31611100019403C1621100100003C1631100110025F56411010004134165110101B803C1661101100C03C167110111287DF870111000000DC171111001187DFA72111010000DC1

25、7311101106F3C874111100FF73C975111101016E10761111100041C12.实验计算机的组装2.1实验计算机的设计（各种芯片管脚和功能图在附录中列出）运算器部分由算术逻辑单元ALU 74LS181（U29、U30）、暂存器74LS273（U27、U28）、三态门74LS244（U31）和进位控制电路GAL芯片（U32）等组成。电路图见图2.1。图2.1 运算器部分电路图2.2实验计算机的组装根据各部分的组成,连线步骤如下:R0G-R2G(寄存器堆电路) R0G-R2G(指令寄存器电路) LR0-LR2(寄存器堆电路) LR0-LR2(指令寄存器电路) I

26、R2-IR7(指令寄存器电路) IR2-IR7(指令寄存器电路) IO0-IO3(指令寄存器电路) IO0-IO3(指令寄存器电路) CA1(指令寄存器电路)E4(控制总线) CA2(指令寄存器电路)E5(控制总线) Y2(I/O控制电路)D-G(输出显示电路) Y1(I/O控制电路)CE(主存储器电路) WR(输出显示电路)W/R(读写控制电路) F1-F4(控制总线)T1-T4(读写控制电路) AD7-AD0(地址总线)MA7-MA0(主存储器电路) WE(主存储器电路)W/R(读写控制电路) ALUJ2(运算器电路) BD7-BD0(数据总线) ALUJ1(运算器电路) BD7-BD0(

27、数据总线) PCJ1(程序计数器电路) BD7-BD0(数据总线) RJ1(寄存器堆电路) BD7-BD0(数据总线) MC16-MC17(微程序控制器电路)1A-1B(I/O控制电路) 299-G(微程序控制器电路) 299-G(运算器电路) MC24-MC19(微程序控制器电路) S3-CN(运算器电路) LDR1(微程序控制器电路)LDR1(运算器电路) LDR2(微程序控制器电路)LDR2(运算器电路) ALU-G(微程序控制器电路)ALU-G(运算器电路) AR(微程序控制器电路)AR(运算器电路) PC-G(微程序控制器电路)PC-G(程序计数器电路) LOAD(微程序控制器电路)

28、LOAD(程序计数器电路) LPC(微程序控制器电路)LPC(程序计数器电路) LRi(微程序控制器电路)LRi(指令译码电路) RAG-RCG(微程序控制器电路)RAG-RCG(指令译码电路) SA5-SA0(微程序控制器电路)SA5-SA0(指令译码电路) P1-P4(微程序控制器电路)P1-P4(指令译码电路) LDIR(微程序控制器电路)LDIR(指令寄存器电路) UAJ1(微程序控制器电路)C1-C6(控制总线) MC18(微程序控制器电路)WE(读写控制电路) LAR(微程序控制器电路)LAR(地址寄存器电路) D0-D7(输出显示电路) BD7-BD0(数据总线) MD7-MD0

29、(主存储器电路)BD7-BD0(数据总线) 按照组装图将各接口处用连接线连接起来，连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。实验计算机接线图如图2.2.图2.2 实验计算机的接线图3.实验计算机的调试3.1调试前的准备3.1.1按照实验指导说明书连接硬件系统。3.1.2启动实验软件，打开实验课题菜单，选中实验课题打开实验课题参数对话窗口。3.2调试步骤和调试结果3.2.1微指令操作 1) 写:在编辑框中输入实验指导书中的微指令程序(格式：两位八进制微地址+空格+六位十六进制微代码),或直接打开随机附

30、带的程序EX6.MSM，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0010”写状态，然后按"写入"按钮,微程序写入控制存储器电路； 2) 读:将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0100”读状态，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按"读出"按钮,则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中； 3)保存:按"保存"按钮,微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中； 4)打开:按"打开"按钮,打开已有的微程序文件,并显示在编辑框中。读写微指令操作时如图3.1图3.1 微指令操作图3.2.2机器指令操作1)写:在编辑框中

31、输入实验指导书中机器指令程序(格式：两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码),或直接打开随机附带的程序EX6.ASM，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按"写入"按钮,机器指令写入存储器电路；注：对于8位机，十六进制代码为2位；对于16位机，十六进制代码可以是2位，也可以是4位。 2)读:将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按"读出"按钮,则相应的指令代码显示在“读出指令代码”栏中； 3)保存:按"保存"按钮,机器指令程序保存在一给定文件(*.ASM)中； 4)打开:按"打开"按钮,打开已有的机器指令程序文件,并显示在编辑框中； 5)单步:在运行状态下运行程序前，先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后每按一次"单步"按钮,执行一条微指令。可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果； 6)连续:在连续运行程序前，先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按"连续"按钮,可连续执行程序。可从实验箱的指示灯和显示LED观