复杂模型机系统设计及运行

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运行作者所在系部作者所在专业作者所在班级作者姓名指导教师姓名完成时间目录目录1内容摘要2关键词2课程设计任务书3第1章绪论411设计地点412设计目的413设计内容414实验环境415课程设计要求4第2章基础知识521概述5211指令系统概述522实验微代码表8第3章系统设计与实现1031模型机结构1032程序设计原理10321ALU10322存储器11323控制器1133程序代码1234系统实现步骤1235实验内容介绍1536实验结果15361测试用例15362实验结果图示16第4章总结17参考文献18评语19内容摘要计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。计算机系统的层次结构模型中，第0层是硬件内核（逻辑线路），第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件分析。计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的模型机，在实验中了解，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、存储子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。以及增强自己的动手能力。课设主要组成原理实验设备ELJYII来完成的，在实验中利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。关键词模型机，微指令，机器指令，微地址，微代码课程设计任务书课题名称复杂模型机系统设计完成时间指导教师职称教师学生姓名班级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；（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16月17日资料查阅、确定选题、系统总体设计26月18日6月21日熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制36月24日28日系统调试与运行，现场验收设计成果46月28日上交设计报告（打印稿及电子稿）课程设计成果1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机计算机设计和实现。11设计地点图书馆五楼计算机组成原理实验室。12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。13设计内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；（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。14实验环境利用ELJYII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。15课程设计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章基础知识21概述211指令系统概述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21列出了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。表21指令格式表汇编符号指令的格式功能MOVRD,RSADDRD,RSSUBRD,RSINCRDANDRD,RSNOTRDRORRDROLRDRSRDRSRDRDRDRSRDRD1RDRSRDRD对RD求反RD循环右移RD循环左移MOVD,RDMOVRD,DRDDDRDMOVRD,DJMPDDRDDPCINRD,KINOUTDISP,RDKINRDRDDISP1000RSRD1001RSRD1010RSRD1011RDRD1100RSRD1101RDRD1110RDRD1111RDRD010010RD010001RD001000RDD001001RDD000001RDD00001000D212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22所示。表2224位微代码表242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCNWE1A1BF1F2F3UA5UA4UA3UA2UA1UA0F1、F2、F3三个字段的编码方案如表23所示。表23编码方案表F1字段F2字段F3字段151413选择121110选择987选择000LDRI000RAG000P1001LOAD001ALUG001AR010LDR2010RCG010P3011自定义011自定义011自定义100LDR1100RBG100P2101LAR101PCG101LPC110LDIR110299G110P4111无操作111无操作111无操作微程序流程图如图21所示。22试验微代码表实验微代码如表24所示。表24使用微代码表微地址（8进制）微地址（2进制）微代码（16进制）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第3章系统设计与实现31模型机结构图31模型机结构框图图中运算器ALU由U7U10四片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U13U15三片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00HFFH。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DG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DIJG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。注本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为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8位有效。32程序设计原理321ALUALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。它的基本逻辑结构是先行进位加法器。322存储器静态MOS存储器芯片由存储器、地址译码和控制电路等部分组成。存储体是存储单元的集合。地址译码器二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写电路。控制器根据CPU给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。323控制器CPU的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完成。对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。控制器组成如下1指令计数器存放要执行的下一条指令的地址。2指令寄存器存放现行指令。3指令译码器对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成部件。4脉冲源及启停控制电路脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生于停止，实现对机器的启动和停机。5时序信号产生部件以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。6操作控制信号形成部件综合时序信号、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。7中断机构对异常情况和外来请求处理。8总线控制逻辑对总线信息传输控制。33程序代码本实验的机器指令程序代码如表31所示。表31指令输入表地址（十六进制）机器指令（十六进制）助记符说明00H01H02H03H04H05H06H0048H00B0H0082H0046H0049H00A4H0082HINAX,KININCAXMOVCX,AXOUTDISP,CXINBX,KINSUBAX,BXMOVCX,AX输入AXAX1AXAXCXCXLED输入BXAXBXAXAXCX07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH0046H00F0H00D5H00E5H0094H0082H0046H0008H0000HOUTDISP,CXROLAXNOTBXRORBXANDAX,BXMOVCX,AXOUTDISP,CXJMP0000HCXLEDAX循环左移对BX求反BX循环右移BXAXAXAXCXCXLED0000HPC34系统实现步骤1系统在联机方式下进行。步骤如下连接硬件系统，电路如图32所示。图32硬件连线图AO1BO1微控器接口LDRO1LDRO2ALU_GOUTAROUTSTATUSUAJ1G_299OUTWEOWEILDR1LDR2运算器接口ALU_GARS3S0MCNG_299输出显示W/RD15D0D_G控制总线W/RW/RT4T3T2T1F4F3F2F1C1C6Y1Y21B1AI/O控制MD15MD0数据总线AD7AD0地址总线WEMD15MD0MA7MAO主存储器电路CE启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验课题八，打开实验课题参数对话窗口。2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，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K4K3K2K1拨到写状态即K1OFF、K2OFF、K3ON、K4OFF，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33所示。图33微指令操作3机器指令操作。打开实验课题参数对话窗口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K1ON、K2OFF、K3ON、K4OFF，拨动“CLR”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K1ON、K2OFF、K3ON、K4OFF，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。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34所示图34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35和图36所示对话框，要求输入数据图35弹出窗口提示操作图36输入数据35设计内容介绍本系统完成计算及验证实验结果。计算公式CXAX168BX/436实验结果361测试用例以下为实验中使用的输入数据及计算结果，如表32所示表32输入数据及计算结果362实验结果图示1输入AX数据0001H,如图37所示图37输入AX数据2输入BX数据0011H，如图38所示图38输入BX数据3在输出显示灯上第一组数据显示的第一次结果，如图39所示图39第一组数据第一次结果显示4在输出显示灯上第一组数据显示的第二次结果，如图310所示实验数据AXBXCX第一组数据001