复杂模型机的设计与实现

1、复杂模型机的设计与实现课程设计题目：复杂模型机的设计与实现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。实验环境硬件环境：Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。PC 机软件环境操作系统。Dais-CMB+应用软件。设计要求.熟悉Dais-CMB+应用软件的工作环境，掌握各种功能的使用。.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：-1WX1。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、访 问及转移指令和停机指令。算术逻

2、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:7654321 00M0OP-CODErdD其中,OP-CODE为操作码，为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位 移量（正负均可），

3、M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00E=D直接寻址01E=（D）间接寻址10E= （RI） +DRI变址寻址11E= （PC） +D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 4321 0OP-CODEaddrRd其中，addr =10时，选中“INPUT DEVICE”中的开关作为输入设备，addr 二11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 43210OP-CODE0000HALT指令，用于实现停机操作。C.指令系统本模型

4、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CLRrdMOVrs,rdADCrs,rdSBCrs,rd111000RD0 f rdRS f rdRS+rd+cy frdRS-rd-cy f rd0001RSRD0011RSRD0101RSRDINC rdAND rs, rdCOCOM rdRRC rs,rdRLC rs,rd0111RSRDRd+1 f rdRs Ard f rdRdf rdCy f rsCy f rs1001RSRD1011RSRD1101RSR

5、D1111RSRDLDA M, D, rdSTA 虬 D, rdJMP 虬 DBZC 虬 D0M000RDE f rsRd f EE f PC当CY=1或Z-1时，E fPC0M001RD0M010000M01100IN addr,rdOUT addr,rd100001RDAddr f rd101010RDRd f addrHALT11000000停机总体设计：模型机的数据通路框图参照图1，要求如下：选用适当软件画出数据通路框图；写出图中选用芯片的逻辑功能，并标出外引脚;说明图中各芯片的作用；列出图中所有微操作信号，说明其功能。6116)EOUTPUT6HI-BHPl1图6-1数据通路枢图B.

6、写出上图中选用芯片的逻辑功能，并标出外引脚；74LS161N芯片介绍：1.芯片图：Vcc TC Qo Ch % Q3 CET 匹园同同 同 同|77 同 |T1| |?| |3| |4| |5| |W| 7 BCPPq Pi P2 Ps CEP GND2.逻辑功能：74LS161为异步清零计数器74LS161功能表RD LD ETEP CP D3 D2 D, D0 Q3Q2 Q, Q00 XXX X X X X X 0 0 0 010 XX tD C B AD C B A110X X X X X X 保 持11 X0 X X X X X 保 持1111 t X X X X 计 数74LS181

7、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:低电平作用数招S3输1S.算术运算M = LCL = L 无进位）Cl/H浦进蚪LLLLF甘AF- A M 1F m ALLLHF-ABF * AB tF = ABL1HLsaL bF-ABM!F = ABLLHHFw LF =或】皿的ttftl -0 .LHLLF A 4 B :F m A加M * 8】F = A加 tA+8 加

8、1LHLHF邓-F-怔 A + B；FAH tn (A + BftllLHHLfM利F = AI(BLHHHF = A 十 BF V A r BF -A *B 加 1HLLLF A jUJ i A + B)FA加（A * B i加【HtLH珈F H互加EF nA加B加|HLHLF FBm A + BF t Aft tro (AIH .LHHF=A + B八a*bHHL1.Fjf=a加成F = A如A加1HHLHFF AB 加AF、AB 加 A til!HHHL AB加A加1HHHH!A计算机组成原理课程设计实验报告F趴高电甲作用敬潺S电S.理辑功能M H尊术底算M：Lci1无进值）占L f中进

9、位2LLLLF AF AF =成加lLLLHF1- A + BF = A * 日F =卜 B)加 1LLHLF-ABF A * HF=心BJ加】LLHHh - 04心以的补敏）F= 0LHLLF =诵IF . AWF=A加AB加ILHLH|F=5F- - (A - B i加AWF。a + b）加aB加iLHHLF = A押F -A j$B 11F = A邮LHHHF ABF *4FBHLLf.F A 十 HF A ftjABF-AAHlKilHLLHFa新f = a 加 h imHLHLFMFh r A + B J 加ABF= (A +陶；HLHHFRF AH J( tF - ABHHLLF，

10、IF = A gA *F占A抵A郝障-73芯片介绍:HF =A8 F A + BF = lA 8) UpAUi B加 A卜：A、B 蛆4如i 卜=fA 5加A加1H1.芯片图：HF -AF - AM 1F-AH徭噌平L成电平j 一每靠秽至卜一个更高位74LS273123456789 10CLEAR ID IQ 2D 2Q 3Q 3D 4D 4Q GND2.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:芯片图：Vcc S-I Ds? Qt I/Ot l;a5 l;03 bO-i CP DSon

11、EpTirTri r?rLdhJljJLiJLAJLdLdLAJhJ 四Sq 0E OEj l/Og I/O4 l/Oj I/Oq Qq MR GND逻辑功能FUNCTION TABLEzm*IWPUTfCHJlTRJTSUTPOTSMQOEclFtuwricw S-ELECToumjT CGNTAGLCLKWERE3%e相圳1/0( 皿麟旭皿0*- 5S1 触fli Bs*$L SRLH.LLXMH:S?.:K XX XX XLLLLLLLLWLLLIlLLXXXXKXXlCJ JHeidiH:* JXX 翼X XQaxJQftOiQlXJ旋。的QwHq口口专。口匚口 QgQeo口网口oaQ

12、四CiaQ Qhoqaq qhoShih FlightIHR.HL LrE HK L枇六 nOfin QcnOQhEnOFnQOnl如iL口Cm口EnQn口喝H OGrtJ业口hih tLflHHLHLLLHm7sTl xa0n He汁叱吐 Qn FnH%n QCn Odni En. 口 Fri 加 口 Hrt 、口驴 M椰 LLo3HHHr| X KJ：bd4r-ah占新1 WBrtni 卯r Iwt*!同1四1ll hflll CHt 6 O5 O5 O4 O4 LE2D19W17161I&1141312111 |2| 3| 4| 5| 6| 7| B |9 | 10OEOq Dq D-|

13、 0-| Oj Dj D3O3 GND2.逻辑功能：74LS273为8D触发器，诲为低电平有效的清除端，当诲=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Vcc AsAsWEOEAioCSI/08I/07I/06I/05I/0424 2322

14、212019181716 15 14 136116 f节？ 10 11 12At AgAsA4AsAsAiAoI/OiI/O2I/O3GND2.逻辑功能6116有11条地址线A0A10； 8条双向数据线I/O0I/O7； CE为片选线， 低电平有效；WE写允许线，低电平有效；OE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：CEOEWE方式I/O0I/O7HXX未选中高阻LLH读O0 O7LHL写I0 I7LLL写I0 I7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:拟出各指令的读取与执行流程，及其操作时间表。 按照系统建议

15、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A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 LDDR2运行微程序00（直接）01（间接）10（变址）11（相对）6j041C1CRAM-&US bus FarRAMBUS BUSSRDDR1 -BUS BU$TPCRD -BUS 6USSRDp钏RAM-BUSBU

16、SDRII 04拓3 RAOBUS BUSHXWIPC-ARramhbusBUS-ARPC-AR PC+1PC-AR FC+11 06i 0ARAMBUS BUSDR1RAlHflUSBUS-0R1|07|0BDR2RAM-8US BVSXWI|08|08DRUDR BUSARDR1*DR BUSAR|09i 09DR1+DR2 BUSDR1DRUDR2- BUSW1sue INC AND COM RRC RLCI 10DR1-DR113RS-BUS 6US-DR2RD-BUSBUSDR1DR1d-BUSHDR1RD-BUS BUS-DR1RS-BUS BUS-DR1RD-BUSBUS-DR1

17、|15榔DR1-1-BUS-RDRt-BUS BUS-DR2DR1-BUS BUS-RDJ2BDR1-DR1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 ； IN R1P02 21 ； ADD 30H ， R1 TOC o 1-5 h z P0330P0411；MOVR1， R2P05F2；RLCR2P06E0；RLR0P07 22 ； ADD R2 ， R0P08C0；RRCR0P0960；STA0BH，R0P0A0BP0B80；O

18、UTBUS，0AHP0C0AP0DA0；JMP00HP0E00P0FC0；HAIT处理程序：.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 表示代码及微代码下载已成功，进入Windows95在线集试调试环境。.运行程序：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。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

19、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。程序设连续运行与暂停程序计算机组成原理课程设计实验报告键入数字键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。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。程序运行结果记录及分析：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