计算机硬件系统设计课程设计.doc

课程设计报告课程名称： 计算机硬件系统设计课程设计 实验地点： 4702 专业班级：计Z1002班 学号：2010001419 学生姓名： 张龙 指导教师： 王峥 成绩： 2013 年 6 月 24日 至 2013年 7 月 5日计算机硬件系统设计 课程设计目 录计算机组成原理部分1复杂模型机的设计与实现1一、设计目的1二、实验设备1三、设计要求1四、设计内容6五、程序代码12计算机接口部分13汽车信号灯控制系统13一、设计目的13二、实验环境13三、设计要求13四、设计内容14五、程序代码18总结与心得24计算机组成原理部分复杂模型机的设计与实现 一、设计目的综合应用所学计算机组成原理和汇编语言知识，设计并实现较为完整的模型计算机，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力。二、实验设备1. 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。2. 软件环境：操作系统，Dais-CMB+应用软件。三、设计要求3.1、设计任务1. 熟悉实验环境，即实验中涉及的硬件和软件，掌握这些环境工具的功能和使用方法。本实验中主要是Dais-CMB+软件及其工作环境。Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。连接方法是：用二芯排线把位于实验装置左上方运算器的左下侧CYCZ接口与位于实验装置红色拨码开关右下方的FCFZ接口相连接。在联机状态下，首先应打开mXj.abs，然后点击“!”图标进入链接装载，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，已进入windows在线集成调试环境。2. 综合应用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的模型计算机。3. 使用模型计算机指令编制程序完成下列功能之一：（1）乘法运算。（2）除法运算。（3）连加和连减运算。4. 将程序译成二进制代码，并将二进制代码写入主存。3.2、拟定数据格式及指令系统1.数据格式模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：其中第7位为符号位，数值表示范围是：-128X127（定点整数），-1X1（定点小数）。2.指令格式模型机设计五大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、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：其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定： 访存指令和转移指令模型机设计2条访存指令、即存数指令（STA）、取数指令（LDA）；2条转移指令，即无条件转移指令（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为形式地址，如为位移量，正负均可，M为寻址模式，其定义如下：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：其中，addr=01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LED作为输出设备。 停机指令HALT指令，用于实现停机操作，指令格式如下 ：3.指令系统模型机有16条基本指令，其中算术逻辑运算指令9条，访问内存指令2条，程序控制指令2条，输入输出指令2条，其它指令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 指令格式4微指令格式微指令字长32位，格式如下所示：A字段B字段说明：DDR1表示LDDR1 DDR2表示LDDR25模型计算机数据通路框图模型计算机数据通路框图如图1所示：图1 模型机数据通路框图6微程序设计按照系统建议的微指令格式和模型计算机数据通路框图，分析指令流程，为每条机器指令编制微程序，并和系统自带的微程序比较（在复位后，输入“3”，按“装载”，可将系统微程序装入）。编制微程序实现新指令的功能。四、设计内容4.1、基本内容1. 试验箱系统图2. 程序流程图3. 分析微指令执行序列首先通过代码在指令流程图中找到对应项，然后再在系统控存内容找出对应的32位指令程序，然后再根据拟定好的数据格式和指令系统对微指令进行分析。表1 系统控存内容地址代码功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR 按B转0300800420RAMDR1040080C038RAMAR按B转05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1按B转0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR20CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD？0E00000080空操作0FA0000408RDDR11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1变反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0DR1DR11400000000空操作1540000280/50DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DR1DR2RD1840300280DR1变反RD19601400D8299带进位右移1A601800D8299带进位左移1B60000280299RD1C40200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E40602080/405F2080DR1PC1F00008072BZC 按条件转20200060C0PCAR, PC+12180000280 RSRD22200060A0 PCAR, PC+12380000430RSDR12420006060PCAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT 微地址不变2D800C0098RS299移位器2E401C02800RD2F800C0058RS299移位器4. 设计内容（1）运行几条指令，按照系统的微指令格式和模型计算机数据通路框图分析其流程，写出所分析机器指令的微程序。 （2）增加一条新指令，为其编制微程序。（3）编制程序，完成连加运算。5. 设计思路（1）修改微指令：修改微指令，首先要弄懂其每一位代表什么意思有什么功能，参照74LS181的功能表，我们所修改的是把AND指令修改为异或指令XOR，只需控制74LS181上的M,S0，SI,S2，S3，将算数运算改为相应的逻辑运算 ，即M17 40 3D 02 80 修改为 M17 40 3E 02 80，然后对照及其软件验证其正确性。（2）连加运算设计：先输入一个数作为控制连加的次数，然后每次输入一个数作为要加的数，把结果放到内存的某个空间里，实现连加，直到次数达到控制值。4.2、运行程序1. 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。2. 单步运行机器程序 键入数字键03H（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。3. 程序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。4.3、运行结果上图所示，实现功能为输入循环次数R0的数值03H。上图所示，实现功能为P01 B0 ; COM R0上图所示，实现功能为P02 70 ; INC R0上图所示，实现功能P06 36 ; ADC R1,R2上图所示，实现功能为输出运算结果R2的值，具体如下图所示：83H第二次连加运算之后的结果显示：86H第三次连加运算之后的结果显示：89H程序终止运行。五、程序代码1. 修改微指令P00 84 ;IN R0P01 85 ;in R1P02 94 ;COM R0,R1P0A C0 ; HALT2. 连加运算计算机接口部分汽车信号灯控制系统一、设计目的综合应用所学计算机接口和汇编语言原理和知识，设计并实现较为完整的计算机控制系统，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力二、实验环境1硬件环境：实验采用北京精仪达盛科技有限公司的CPU挂箱，8086CPU模块，接口挂箱及相应的扩展模块。2软件环境：8086集成开发环境。三、设计要求1、设计并制作出汽车信号灯微机控制系统；2、所需执行的操作由相应的开关状态反映，所需控制的信号灯有仪表板左/右转弯灯、左右头灯和左右尾灯共六类灯，其驾驶操作与灯光信号对应关系如下：(1)左/右转弯(合上左/右开关)：仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁。(2) 紧急开关合上：所有灯闪烁。(3) 刹车(合上刹车开关)：左右尾灯亮。(4) 左/右转弯刹车：仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁，右/左尾灯亮。(5) 刹车、合上紧急开关：尾灯亮、仪表板灯、头灯闪烁。(6) 左/右转弯刹车，并合上紧急开关：右/左尾灯亮，其余灯闪烁。(7) 停靠(合上停靠开关)：头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁。有10种输入选择，影响6个灯输出，对应关系如下表：四、设计内容4.1、设计思想本系统中要求设计汽车信号灯控制系统，通过6盏灯的亮灭或者闪来控制10中操作，即：左转弯、右转弯、刹车， 紧急开关合上，左转弯刹车，右转弯刹车，紧急刹车，紧急左转刹车，紧急右转刹车，停靠。每一种操作都对应不同灯的显示。通过8253提供的时钟信号，8255通过C口接收，然后A口通过开关输入，B口通过显示灯输出。在该实验中，我们通过8090A/D实现对灯亮度的控制。本实验中我们所用到的芯片是8255和8253，是系统实现的核心部分，下面对这些芯片做简要介绍。1)芯片82558255是一个CPU与外设之间提供了TTL电平兼容的接口。8255可以工作在方式0，方式1，方式2三种方式，其中端口A可以工作在这3种不同的方式下，二端口B只能工作在方式0和方式1，端口C配合端口A和端口B工作。本实验中不8255A端口做输入，B端口做输出，C端口取出一位来通过与具有定时功能的8253芯片连接，实现灯闪烁这一效果。2)芯片82538253有6种工作方式，本次实验设计主要用到方式3，方式3又可称为方波发生器。任一通道工作在方式3， 只在计数值n为偶数，则可输出重复周期为n、占空比为1：1的方波。进入工作方式3，OUTi输出低电平， 装入计数值后，OUTi立即跳变为高电平。如果当GATE为高电平， 则立即开始减“1”计数，OUTi保持为高电平，若n为偶数，则当计数值减到n/2时，OUTi跳变为低电平，一直保持到计数值为“0”，系统才自动重新置入计数值n，实现循环计数。这时OUTi端输出的周期为nCLKi周期，占空比为1:1的方波序列； 若n为奇数， 则OUTi端输出周期为nCLKi周期，占空比为(n+1)/2)/(n-1)/2)的近似方波序列。如果在操作过程中， GATE变为无效，则暂停减“1”计数过程，直到GATE再次有效，重新从初值n开始减“l”计数。如果要求改变输出方波的速率， 则CPU可在任何时候重新装入新的计数初值n，并从下一个计数操作周期开始改变输出方波的速率。4.2、系统结构图具体设计电路图实际接线图4.3、系统接线8255CSCS0，8253CSCS1；A口接输入（K1K8）（PA0PA7），B口接输出（LED1LED6）（PB0PB5）；C口接CLK的输出：CLK3CLK0，OUT0CLK1，OUT0CLK2，OUT1PC0，OUT2PC1。4.4、状态转换表根据系统图和题目要求，列出状态表：注：输入状态中，0代表低电平无效，1代表高电平有效； 输出状态中，1/0代表灯闪，1代表灯亮，0代表灯灭。4.5、程序流程图五、程序代码;常量定义pa8255 equ 04a0hpb8255 equ pa8255+2pc8255 equ pa8255+4con8255 equ pa8255+6clk0 equ 04b0hclk1 equ clk0+2clk2 equ clk0+4conclk equ clk0+6 ;伪指令assume cs:code code segment public org 100hstart: ;时钟初始化;mov dx,conclk;控制寄存器mov ax,36h;计数器0，方式3 out dx,axmov dx,clk0mov ax,7Chout dx,axmov ax,92hout dx,ax;计数值927Chmov dx,conclkmov ax,76h;计数器1，方式3out dx,axmov dx,clk1mov ax,04hout dx,axmov ax,0;计数值32hout dx,ax mov dx,clk2mov ax,0chout dx,axmov ax,0;计数值04hout dx,ax;8255初始化;mov dx,con8255 ;控制寄存器地址mov ax,99h;设置为A口输入，B口输出，C口输入out dx,axstart1: mov dx,pa8255;A口地址in ax,dx;输入cmp al,01h;判断左转弯jz ZZcmp al,02h;判断右转弯jz YZcmp al,04h;判断紧急开关合上jz L3cmp al,08h;判断刹车jz L4 cmp al,10h;判断左转弯刹车jz L5cmp al,20h;判断右转弯刹车jz L6cmp al,40h;判断紧急刹车jz L7cmp al,80h;判断紧急左转弯刹车jz L8cmp al,03h;判断紧急右转弯刹车jz L9cmp al,05h;判断停靠JZ L10;灯常亮mov ax,0ffhmov dx,pb8255;B口地址out dx,axjmp start1L1:jmp near ptr ZZ ;L2:jmp near ptr YZL3:jmp near ptr JJL4:jmp near ptr STOPL5:jmp near ptr LSTOPL6:jmp near ptr RSTOPL7:jmp near ptr JSTOPL8:jmp near ptr JLSTOPL9:jmp near ptr JRSTOPL10:jmp near ptr TING;左转弯ZZ:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a1mov ax,11101010bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a1:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx,axjmp start1;右转弯YZ:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a2mov ax,11010101bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a2:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx,axjmp start1;紧急开关闭合JJ: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a3mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a3:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx,axjmp start1;刹车STOP: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a4mov ax,11111100bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a4:mov dx,pb8255mov ax,11111100bout dx,axjmp start1;左刹车LSTOP: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a5mov ax,11101000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a5:mov dx,pb8255mov ax,11111110bout dx,axjmp start1;右刹车RSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a6mov ax,11010100bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a6:mov dx,pb8255mov ax,11111101bout dx,axjmp start1;紧急刹车JSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a7mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a7:mov dx,pb8255mov ax,11111100bout dx,axjmp start1;紧急左刹车JLSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a8mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a8:mov dx,pb8255mov ax,11111110bout dx,axjmp start1;紧急右刹车JRSTOP:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a9mov ax,11000000bmov dx,pb8255out dx,axjmp start1a9:mov dx,pb8255mov ax,11111101bout dx,axjmp start1;停靠TING:mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz a10mov ax,11001100bmov dx,pb8255out dx,ax call delayjmp start1a10:mov dx,pb8255mov ax,0ffhout dx