复杂模型机设计计算机组成原理课程设计

计算机组成原理课程设计任务书班级：学号：姓名：成绩：电子与信息工程学院计算机科学系目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、设计题目 1\o"CurrentDocument"二、模型机功能概述 1\o"CurrentDocument"三、总体设计 2\o"CurrentDocument"模型机结构： 2\o"CurrentDocument"微程序控制电路 3\o"CurrentDocument"指令译码器电路 5\o"CurrentDocument"四、详细设计 6\o"CurrentDocument"数据格式： 6\o"CurrentDocument"指令格式： 6\o"CurrentDocument"指令系统 7\o"CurrentDocument"设计微代码 8\o"CurrentDocument"五、实验代码： 10\o"CurrentDocument"六、实验步骤： 12\o"CurrentDocument"实验连线： 12\o"CurrentDocument"写微代码： 12\o"CurrentDocument"读微代码及校验微代码： 14\o"CurrentDocument"写机器指令 14\o"CurrentDocument"读机器指令及校验机器指令： 15\o"CurrentDocument"运行程序 15七、测试源程序及结果分析 16八、认识体会 16九、参考文献 16三、总体设计模型机结构：图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构成。微控器部分控存由U13—U15三片2816构成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。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、驱动电路构成，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。图中所有控制信号脉冲源及时序-CE微程序控制电路微程序控制电路电路中，由三片2816作为24位微程序存储器，EP1K10产生控制逻辑。开关K1、K2、K3的不同组合控制微程序的读、写和运行，六个黄色LED为微地址指示灯。微控器原理如下图(除2816、74LS245和74LS374外，其余芯片功能均由EP1K10实现。不详之处请查阅EP1K10的源程序)。以微程序的运行为例：在T2时刻，将MS24—MS1的24位微程序打入微指令寄存器，然后由译码电路对MS24—MS7进行译码，产生地址寄存器、指令寄存器等等电路的控制信号。MS6-MS1指示下一个微地址，在T3时刻，由机器指令译码器产生的强制微地址信号对MS6—MS1微地址的某几位强行置位，形成下一个微地址输出。微控器的外部接口有：uAJ1、LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS、AO1、BO1、WEO、WEI、LARI。在读、写微程序时，uAJ1用于从外部输入微地址；LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS为运算器电路的控制信号，只要将它们接至运算器电路相应的接口上(STATUS接S3-S1MCN)就能实现微程序对运算器的控制。AO1、BO1通常接至底板I/O控制电路的1A1B上，用于外部I/O设备的选通控制。WEO为微控器的读写输出，WEI为外部读写控制电路的输入，控制总线上的WR为外部读写控制电路的输出，其控制电路为：图2控制电路通常将WEO与WEI相连，实现微程序对外部读写的控制。LARI为地址控制器的输入，以下另作介绍。除此以外其他控制信号都已接至相应的控制电路。□mFd5vmtWicywD"1va-i\Kr-iIVO-I*12nSvTlSifA4i5STnJJT1154Vli5T审皿2m2加gIQEKES7*1-1旨IS3…耳sn侍：一《vG\WMN占yg\c芭ES7芭6寸n3.3指令译码器电路指令译码器电路由EP1K10］现，其原理如下图所示。RCG为微程序译码产生的控制信号，T3为时钟，器指令的读、写、运行的控制端，已分别接至控制总线的输出至微控制器电路；LDR2—LDR0输出至寄存器堆电路的其中P1、P2、P3、P4、LRi、RAG、RBG、I7—I0为指令寄存器的输出 IR,CA1、CA2为机E4和E5。SA4-SA0为强制微地址信号，LR，R0B、R1B、R2B输出至寄存器堆电路的 RG。Y10MH.1Y11MB1Y1ZMA2T13MB2YH3HG1MTZ1MG2M■TZZMTZ3MT10NY11MY12MY13MmuTZ1M■TZZMZ：+UECUDEF.3-2微控制器电路四、详细设计4.1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，其格式如下：151413……...0符号尾数其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768WX<32767。4.2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：76543210OP-CODErdrs其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定:OP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROLRs或rd选定寄存器00Ax01Bx10Cx9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表8-2。2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符MOV，但其操作码不同。转移指令只有一种，即无条件转移（JMP）。指令格式如下：7654321000MOP-CODErdD其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不相同，如下表所示：

OP-CODE000110指令说明口存储器口存储器转移指令寻址模式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3)I/O指令输入口 IN□和输出( OUT)指令采用单字节指令，其格式如下：76543210OP-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。将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。4.3指令系统本实验共有14本实验共有14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。输入输出指令入输出指令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。4.4设计微代码设计三个控制操作微程序：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。存储器写操作（MWEW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连续写操作。启动程序（RUN）：拨动开关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。注：CA1、CA2由控制总线的E4、E5给出。键盘操作方式时由监控程序直接对E4、E5赋值，无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2,由开关来控制。本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如下：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA02：2：表2编码方案F1字段F2字段F3字段151413选择121110选择987选择000LDRi000RAG000P1001LOAD001ALU-G001AR010LDR2010RCG010P3011自定义011自定义011自定义

100LDR1100RBG100P2101LAR101PC-G101LPC110LDIR110299-G110P4111无操作111无操作111无操作系统涉及到的微程序流程见图2（图中各方框内为微指令所执行的操作，方框外的标号为该条微指令所处的八进制微地址）。控制操作为P4测试，它以CA1、CA2作为测试条件，出现了写机器指令、读机器指令和运行机器指令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存一个微地址单元随意填写。机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址上的指令传送至指令寄存器，这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行P1测试，根据指令的译码将后续微地址中的某几位强制置位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址，这就是“译码”过程（其原理见图5-4）。然后才顺序执行该段微程序，这是真正的指令执行过程。在所有机器指令的执行过程中，“取指”和“译码”是必不可少的，而且微指令执行的操作也是相同的，这些微指令称为公用微指令，对应于图8-2中01、02、75地址的微指令。75地址为“译码”微指令，该微指令的操作为P（1）测试，测试结果出现多路分支。本实验用指令寄存器的前4位（17-14）作为测试条件，出现12路分支，占用12个固定微地址单元。如I7—14相同，则还需进行P2测试，以指令寄存器的13、I2位作为测试条件，以区分不同的指令，如MOV指令和IN、OUT指表3即为将图2的微程序流程按微程序格式转化而成的二进制微代码表。开始.♦一3立即）10（直接）IBr02|RAH二3立即）10（直接）IBr02|RAH二50诟三元illU101图2的微程序流程五、实验代码：按程序流程图译出适合本实验系统所有机器指令的微代码，加深对较完整的模型机的认识。这里提供以下实验程序：地址（二进制）指令（二进制）助记符说明0000000001001000INAx,KIN “开关输入”-Ax0000000100000101MOVBx,01H01H―►Bx000000100000001100000100000000011001010011110000ADDAx，BxROLAxAx+Bx *Ax* Ax|*00000101000001101101000000100101NOTAxMOVBx,[01H]取反直接寻址00000111000010000000000110000010MOVCx,AxAx *Cx0000100101000110OUTDISP,CxCx-LED0000101000001000JMP00H00H PC0000101100000000其中MOV、JMP为双字长（32位），其余为单字长指令。对于双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数；对于单字长指令只有操作码，没有操作数。上述所有指令的操作码均为低8位有效，高八位默认为0。而操作数8位和16位均可。KIN和DISP分别为本系统专用输入、输出设备。表3为根据本实验程序流程图设计的二进制微代码表：

表3二进制微代码表微地址S3s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六、实验步骤：单片机键盘操作方式实验。在进行单片机键盘控制实验时，必须把K4开关置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。实验连线：实验连线图如图8-3所示。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。写微代码：(1)将开关K1K2K3K4拨到写状态即K1off、K2on、K3off、K4off，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。(2)在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】状态下按【实验选择】键，显示【ES--__】输入08或8,按【确认】键，显示为【ES08】，再按下【确认】键。⑶监控显示为【。11=_】，输入1显示【CtL1_1】，按【确认】。(4)监控显示【U-Addr】，此时输入【000000】6位二进制数表示的微地址，然后按【确认】键，监控指示灯显示【U_CodE】，显示这时输入微代码【007F88］，注意输入微代码的顺序，先右后左。按【确认】键则显示【PULSE】，按【单步】完成一条微代码的输入。(5)监控重新显示【U-Addr】提示输入表4第二条微代码地址。按照上面的方法输入表4微代码，观察微代码与微地址显示灯的对应关系(注意输入微代码的顺序是由右至左)。

表4微代码表微地址（八进制）微地址（二进制）微代码（十六进制）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读微代码及校验微代码：(3)先将开关 K1K2K3K4拨到读状态即 K1off、K2off、K3on、K4off□按口 RESET】按钮对单片机复位，使监控指示灯滚动显示口 CLASSSELECtDODD(4)按【实验选择】口，显示口ES--__】输入08或8,按【确认】口，显示【ES08】。再按【确认】(5)监控显示口 CtL1=_DDDD0 2,按【确认】显示【 U_Addr】，此时输入6位二进制微地址，进入口代码状态。再按【确认】显示【 PULSE】,此时按【单步】口，显示【 U_Addr】,微地址指示灯显示输入的微地址, 微代码显示电路上显示该地址对应的微代码, 至此完成一条微指令的读过程。对照表3表检查微代码是否有错误,如有错误,可按步骤 2重新输入微代码。写机器指令(1)先将K1K2K3K4拨到运行状态即 K1on、K2off、K3on、K4off□按口 RESET】按钮对单片机复位，使监控指示灯滚动显示口 CLASSSELECtDODD(2)按【实验选择】键,显示口 ES--__】输入08或8,按【确认】键,显示口 ES08D,再按【确认】。(3)监控显示【CtL1=_】,按【取消】键,监控指示灯显示【CtL2=_】，输入 1显示口 CtL2_1】表示进入对机器指令操作状态,此时拨动 CLR清零开关(在控制开关电路上, 注意对应的 JUI应短接)对地址寄存器、指令寄存器清零。确定清零后,按【确认】显示闪烁【PULSE】。连续按【单步】键,当微地址显示灯显示“001100”时，按【确认】口，监控指示灯显示【 data】,提示输入机器指令“48”或“ 0048”(两位或 4位十六进制数)，输入后按【确认】 ，显示【 PULSE】,再按【单步】 ,微地址显示灯显示“111100”,数据总线显示灯显示“0000000001001000”至此完成第一条机器指令。(4)再连续按【单步】,微地址显示灯显示“001100”时,按【确认】输入第二条机器指令。依此规律逐条输入表5的机器指令,输完后,可连续按【取消】或【表5RESET】键退出口机器指令状态。机器指令表地址(十六进口)机器指令(十六进口)000102030405060708090A004800050001009400F000D000050082004600080000读机器指令及校验机器指令：在监控指示灯显示【CtL2=_】状态下，输入2,显示【CtL2_2】，表示进入读机器指令状态，按步骤4的方法拨动CLR开关对地址寄存器和指令寄存器进行清零，然后按【确认】键，显示【PULSE】,连续按【单步】键,微地址显示灯显示从“000000”开始,然后按“001000”、“001010”、“111011”方式循环显示。当微地址灯再次显示为“001000”时,输出显示数码管上显示写入的机器指令。读的过程注意微地址显示灯,地址显示灯和数据总线指示灯的对应关系。如果发现机器指令有误,则需重新输入机器指令。注意：机器指令存放在RAM里，掉电丢失，故断电后需重新输入。运行程序在监控指示灯显示【CtL