复杂模型机系统设计及调用

1、计算机组成原理课程设计报告计算机组成原理课程设计报告报告题目： 复杂模型机系统设计及调试运行 作者所在系部： 计算机与遥感信息工程学院 作者所在专业： 计算机科学与技术 作者所在班级： B12512 作 者 姓 名 ： 张志伟 指导教师姓名： 房好帅 李楠 完 成 时 间 ： 2015年1月9日 北华航天工业学院教务处制目 录内容摘要I课程设计任务书II第1章 绪论11.1 设计地点11.2 设计目的11.3 设计内容11.4 实验的环境和设备21.5设计的意义21.6课程设计的要求2第2章 指令系统概述32.1 模型机结构框图32.2 工作原理42.2.1 数据格式42.2.2 指令格式42

2、.2.3 指令系统5第3章 微代码设计与实验73.1 微代码设计73.2 实验微代码8第4章 运算程序设计10第5章 系统实现115.1 系统设计内容115.2 系统实现11第6章 总 结16参考文献17内容摘要计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。硬件包括中央处理机、存储器和外部设备等；软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统 具有接收和存储信息、按程序快速计算和判断并输出处理结果等功能。本实验利用EL-JY-型计算机组成原理实验系统组建电路，综合运用运算器、控制器等部件，完成一个较完整的模型机设计和实现，并构造一个指令系统使编写机器指令实现不同的具体运算功能，如实现数据的输入、输出

3、、加法、减法、移位、乘法以及赋值等运算的功能。关键词：EL-JY-II 模型机 指令系统 机器指令 微程序 课程设计任务书课题名称复杂模型机系统设计及调试运行完成时间2015.1.9指导教师房好帅、李楠职称 讲师学生姓名张志伟班 级B12512总体设计要求和技术要点掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机

4、总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；（5）构造指令系统，定义至少15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算术运算、逻辑运算、移位运算以及输入/输出处理。（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。工作内容及时间进度安排总计2周：1.12月29日：资料查阅、确定选题、系统总体设计2. 12月30日1月2日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3. 1月5日9日：系统调试与运行，现场验收设计成果4. 1月12日：上交设计报告（打印稿及电子稿）课程设计成果1

5、. 课程设计硬件系统及配套软件2. 课程设计报告书第1章 绪论现代社会计算机的应用将会越来越普遍，了解计算机的组成与体系结构，对使用计算机的人们来说有很大的帮助，能够使他们熟练地掌握和操作计算机。通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。1.1 设计地点教10五楼嵌入式实验室。1.2 设计目的本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）。通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。1.3 设计内

6、容掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；（5）构造指令系统，定义至少15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算术/逻辑运算以及输入输出处理；

7、（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。1.4 实验的环境和设备利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。系统采用“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。系统提供有面包板和CPLD实验板，可自己设计内容。1.5设计的意义掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。通过自己设计机器指令，将

8、所学的知识运用与实践。1.6课程设计的要求要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确。第2章 指令系统概述2.1 模型机结构框图此模型机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。1.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。2.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。3.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

9、。4.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的。LR0 LR1 LR2寄存器Ax Bx CxR0-G R1-G R2-G数据总线（D_BUS）ALU-GALUM CNS3S2S1S0暂存器LT1暂存器LT2LDR1LDR2移位寄存器M S1 S0G-299输入设备DIJ-G微控器脉冲源及时序指令寄存器LDIR图中所有控制信号LPCPC-G程序计数器LOADLAR地址寄存器存储器 6116CEWE输出设备D-GW/RCPU 图 2-1 模型机结构框图图2-1中运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构

10、成。微控器部分控存由U13-U15三片2816构成。除此之外，CPU的其他部分都由EP1K10集成。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H-FFH。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数

11、器均为8位。当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低八位有效。2.2 工作原理2.2.1 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16位，格式如下： 表2-1 补码表示表 1514 13 . 0符 号尾 数其中，第16位为符号位，数值表示范围是：-32768 32767。2.2.2 指令格式（1）算术逻辑指令设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：表2-2 寻址方式表示表7 6 5 43 21 0OP-CODErsrdOP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDS

12、UBINCANDNOTRORROL表2-3 操作码表其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：表2-4 寄存器表rs 或 rd选定寄存器00Ax01Bx10Cx（2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，存数和取数。它们都使用助记符MOV，但操作码不同。转移指令只有一种，及无条件转移（JMP）。指令格式如下： 表2-5 存储器的访问表7 65 43 21 000MOP-CODErdD其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不同，如下表所示：表2-6 操作码表OP-CODE000110指令说明写存储器读存储器转移指令表2-7 寻址

13、模式表寻址模式M有效地址ED定义说明00E=（PC）+1立即数立即寻址10E=D直接地址直接寻址11E=100H+D直接地址扩展直接寻址（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： 表2-8 I/O操作码表7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据输入到“输出显示电路”中的数码管显示。2.2.3 指令系统本系统共有十四条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。表2-1列出

14、了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。表2-1 指令格式表汇编符号指令的格式功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd 1111 rd rdrs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd对rd 求反rd循环右移rd循环左移MOV D , rdMOV rd , D 00 10 00 rd D 00 10 01

15、rd D rd DD rdMOV rd , DJMP D 00 00 01 rd D 00 00 10 00 DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rd 0100 10 rd 0100 01 rdKIN rdrd DISP第3章 微代码设计与实验3.1 微代码设计设计三个控制操作微程序如下：（1）存储器读操作（MRD）拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。（2）存储器写操作（MWE）拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM

16、连续写操作。（3）启动程序（RUN）拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如表3-1所示。 表3-1 24位微代码表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三个字段的编码方案如表3-2所示。表3-2 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 0L

17、DRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定义0 1 1自定义0 1 1自定义1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P41 1 1无操作1 1 1无操作1 1 1无操作微程序流程图如图3-1所示。 图3-1 指令系统流程3.2 实验微代码实验微代码如表3-3所示。表3-3 使用微代码表微地址（8进制）微地址（2进制）微代码（16进制）00000000007F8801000001005

18、B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B4624010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103071F7370

19、111113001F9401000000379C141100001010FC142100010011FC445100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011016003C1621100100003C1631100110029F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E10第4章 运算程序设计本实验所实现的计算公式为：

20、 Cx(Ax*2+1)*2/2-Bx由计算公式可得出如表4-1所示的机器指令代码表：表4-1 指令输入表地址（十六进制）机器指令（十六进制）助记符说明00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08 H09 H0A H0B H0C H0D H0E H0F H10 H11 H0048 H00F0 H00B0 H0081 H0021 H,0020 H0025 H,0020 H0094 H0082 H0046 H0049 H00E0 H0082 H0046 H00A4 H0082 H0046 H0008 H0000 H IN Ax , KIN ROL Ax INC Ax MOV

21、Bx , Ax MOV 0020H , Bx MOV Bx, 0020H ADD Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx IN Bx , KIN ROR Ax MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx SUB Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx JMP 0000 H 输入 AxAx循环左移Ax+1 AxAx BxBx存入内存0020H从内存读出到BxAx + Bx AxAx CxCx LED输入 BxAx循环右移Ax CxCx LEDAx - Bx AxAx CxCx LED0000 H PC 第5章 系统实现5.1 系统设

22、计内容本系统完成计算及验证实验结果。计算公式：Cx(Ax*2+1)*2/2-Bx观察结果值与实验输出值是否相等。5.2 系统实现系统在联机方式下进行。步骤如下：（1） 连接硬件系统，电路如图5-1所示。AO1BO1微控器接口LDRO1LDRO2ALU_GOUTAROUTSTATUSUAJ1G_299OUTWEOWEILDR1LDR2运算器接口ALU_GARS3-S0 M CNG_299输出显示W/RD15-D0D_G控制总线W/RW/RT4T3T2T1F4F3F2F1 C1-C6Y1Y21B1AI/O控制 MD15-MD0数据总线 AD7-AD0 地址总线 WE MD15-MD0 MA7-MA

23、O主存储器电路 CE图5-1 硬件连线图图5-2 硬件连线实物图（2）启动实验联机软件，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。微指令操作： 写：在编辑框中输入微指令程序（格式：两位八进制微地址 + 空格 + 六位十六进制微代码），按“保存”按钮，将微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中；按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序控制电路，K4在24位微代码输入及显示电路上，然后按写入按钮，微程序写入控制存储器电路。读：将实验箱上的K4K

24、3K2K1拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，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。微指令操作界面如图5-3所示。 图5-3 微指令操作打开实验课题参数对话窗口：机器指令操作。 写：在编辑框中输入实验用的机器指令程序（格式：两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码），按“保存”按钮，将机器指令程序代码保存在一给定文件(*.ASM)中；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；将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，拨动“CLR”

25、开关对地址和微地址清零，将表13中的数据以图4形式写入，然后按“写入”按钮，机器指令写入存储器电路。 读：将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，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）运行程序单步：在运行状态前提下，选择操作-单步，然后拨动“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。 连续：在运行状态前提下，选择操作-连续，先拨动“CLR”开关对地址

26、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观察连续运行的结果。 停止：在连续运行程序过程中，可按停止”按钮暂停程序的执行。此时地址和微地址并不复位，仍可以从暂停处单步或连续执行。机器指令操作界面如图5-4所示：图5-4 机器指令操作程序运行过程中，遇到输入语句时，会出现如图5-5和图5-6所示对话框，要求输入数据： 图5-5 输入数据对话框（4） 测试用例以下为实验中使用的输入数据及计算结果：实验数据AxBxCX第一组数据0002H0002H0003H第二组数据0010H0001H0020H第三组数据0005H0004H0007H实验结果如下所示：图5-6第一组数据及结果图5-7 第二组数据及结果 图5-8第三组数据及结果 第6章 总 结在这次课程设计中，基本上了解和掌握了模型