复杂模型机的设计与实现

1、复杂模型机的设计与实现一 课程设计题目：复杂模型机的设计与实现二设计目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。三实验环境1硬件环境：A.Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。B.PC机2软件环境A.操作系统。B.Dais-CMB+应用软件。四设计要求1熟悉Dais-CMB+应用软件的工作环境，掌握各种功能的使用。2拟定数据格式及指令系统:A.数据格式拟采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：76543210符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1X<1。B.指令格式模型机设计四大类指令格式共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、

2、访问及转移指令和停机指令。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： 76543210OP-CODERSrd其中OP-CODE为操作码，RS为原寄存器，rd 为目的寄存器，并规定：RS或rd选定的寄存器000110R0R1R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。访问指令及转移指令:模型机设计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),指令格式为:76 543 21 00M0OP-CODErdD其中,OP-CODE为操作码, 为目的寄存器地址(LDA、STA指令

3、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模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。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 0OP-CODEaddrRd其中，addr =10时，选中“INPUT DEVICE”中的开关作为输入设备，addr =11时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LED作为输出设备。停机指令: 指令格式如下： 7 6 5 43 21 0OP-CODE 0 0 0 0HALT

4、指令，用于实现停机操作。C.指令系统本模型机共有16条指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他指令1条。表6-1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。汇编符号指令格式功能CLR rdMOV rs, rdADC rs, rdSBC rs, rd111000RD0 rdRS rdRS+rd+cy rdRS-rd-cy rd0001RSRD0011RSRD0101RSRDINC rdAND rs, rdCOCOM rdRRC rs, rdRLC rs, rd0111RSRDRd+1 rdRsrd rdRd rdCy rsCy rs1001RSRD1011

5、RSRD1101RSRD1111RSRDLDA M, D, rdSTA M, D, rdJMP M, DBZC M, D0M000RDE rsRd EE PC当CY=1或Z-1时，EPC0M001RD0M010000M01100IN addr,rdOUT addr,rd100001RDAddr rd 101010RDRd addrHALT11000000停机表1 3.总体设计:模型机的数据通路框图参照图1，要求如下：(1) 选用适当软件画出数据通路框图；(2) 写出图中选用芯片的逻辑功能，并标出外引脚；(3) 说明图中各芯片的作用；(4) 列出图中所有微操作信号，说明其功能。 B写出上图中选用

6、芯片的逻辑功能，并标出外引脚；74LS161N芯片介绍：1. 芯片图：2. 逻辑功能：74LS161为异步清零计数器RD LD ET EP CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 1 0 × × D C B A D C B A 1 1 0 × × × × × × 保 持 1 1 × 0 × × × × × 保 持

7、 1 1 1 1 × × × × 计 数74LS161功能表74LS181芯片介绍：1.芯片图：2.逻辑功能：74LS181为算术逻辑单元/函数产生器。181能执行16种算术运算和16种逻辑运算，当工作方式控制端（M）为低点平时执行算术运算，当工作方式控制端（M）为高电平时执行逻辑运算。运算功能由选择端（S0-S3）决定。其功能表如下：74LS273芯片介绍：1.芯片图：2.逻辑功能：SN74LS273是一个8位的高速寄存器，这种触发器由8种D触发器组成，具有共同的时钟和异步活动的低电平控制端。74LS299芯片介绍:1.芯片图：2.逻辑功能：74LS3

8、73芯片介绍：1.芯片图：2.逻辑功能:74LS273为8D触发器，为低电平有效的清除端，当=0时，输出全为0且与其他输入端无关；CP端是时钟信号，当CP由低电平向高电平跳变时刻，D端输入数据传送到Q输出端。74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于单片机的三总线结构中，数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址。6116芯片介绍：1.芯片图2.逻辑功能6116有11条地址线A0A10；8条双向数据线I/O0I/O7；为片选线，低电平有效；写允许线，低电

9、平有效；读允许线，低电平有效。6116的操作方式如下表所示。表： 6116功能表： 方式I/O0I/O7H××未选中高阻LLH读O0O7LHL写I0 I7LLL写I0 I74.设计微程序流程:根据机器指令系统要求，设计微程序流程图并确定微地址。（参考图2）要求：l 拟出各指令的读取与执行流程，及其操作时间表。32 31 302928262524232221201918171615AAR备用A9A8CELOADCNMS0S1S2S3BLDARl 按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转移为联机操作时的十六进制格式文件

10、1413121110987654321LDPCLDIRDDR2DDR1LDRiWEUA0UA1UA2UA3UA4UA5BSWA字段 323130选择000001PC-B010AL-U-B011299-B100RS-B101RD-B110RI-BB字段162选择测试字0001P（1）识别操作码10P（2）判寻址方式11P（3）条件测试说明：DDR1表示LDDR1；DDR2表示LDDR25编写程序:(1)利用PC机编写程序，并记录单步，宏单运行时的微指令显示，微地址显示，数码管显示结果；(2)分析单步运行时数据通路和各部件的运行情况。编写的程序如下：P00 84 ； IN R0P01 85 ； I

11、N R1P02 21 ； ADD 30H ，R1P03 30P04 11 ； MOV R1，R2P05 F2 ； RLC R2P06 E0 ； RL R0P07 22 ； ADD R2 ，R0P08 C0 ； RRC R0P09 60 ； STA 0BH ，R0P0A 0BP0B 80 ； OUT BUS ，0AHP0C 0A P0D A0 ； JMP 00HP0E 00P0F C0 ； HAIT五. 处理程序：1机器程序和与其对应的微控制程序的写入：在联机状态下，首先应打开cmb1.abs（模型机一机器指令及对应微指令编辑文本），然后点击“！”图标进入连接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试窗口表

12、示代码及微代码下载已成功，进入Windows95在线集试调试环境。2运行程序：l 单步运行微程序键入数字键00（PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”命令键，运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。l 单步运行机器程序键入数字键00H（PC地址），然后每按动一次“宏步”命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察微地址显示灯是否和流程一致。l 程序设连续运行与暂停程序键入数字键00H（PC地址），按动“运行”命令键使模型机进入实时运行状态。在实时运行状态按“宏单”键执行的暂停命令，使模型机进入停机状态，参照机器指令及微程序流程图，将实验现象与理论分析比较。

13、3程序装载在联机状态下，首先应打开 （模型机三机器指令及对应微程序编辑文本），然后单击“！”图标进入连接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试框表示代码代码及微代码已下载成功，已进入在线集试调试环境：使用者若打开示图窗后再点击与运行相关的图标，PC以追踪方式动态显示模型机运行轨迹。六程序运行结果记录及分析：七实习总结：通过对计算机组成原理的学习，深刻体会到了计算机的硬件和软件是不可分割的整体，它们统一完成一项重要的任务，同时懂得硬件与软件之间的可以相互替代，但是硬件完成的效率要快一些，而软件完成要比较慢些。这次的微程序的设计运行及调试给了我们很深的影响，表现在我们的动手能力比较差。但是这次的任务比较重

14、，主要是对硬件知识了解的不够透彻不够熟悉，才导致了我们不能很快的完成任务。我们通过上网查资料，找书看各种渠道的方法找关于实验的方面的资料，好比，各种芯片及其个引角的功能，仔细的研究各芯片之间的联系，把所要设计的电路图设计完整。通过这次的实验我们懂得了不少的东西以及心得体会，主要有完成一件任务是要独立的完成，养成一个良好的习惯，学会利用各种的资源来查找资料，（学会学习），还有是在设计当中知道了很多芯片的功能，完成某项功能，如何进行巧妙的设计电路，懂得的算术器，控制器，存储器的结构和运行过程，这对我们来说是一次很大的收获。还有就是在实验当中懂得怎么样把汇编语言换成机器所能执行的机器代码，而不能直接执行人门所能理解的语言，那是不行的，计算机只懂得它所固定格式的代码命令，所以计算机执行的都是固定格式的机器代码，人们看到和编写的只是人们所理解的字符，