单寄存器加法带进位左移位存数等指令实验计算机设计.doc

目 录1.实验计算机的设计.11.1设计目的11.2设计要求11.3设计设备21.4模型机结构设计21.5指令系统的设计41.6微指令的格式设计及微操作控制部件的组成原理5 1. 6. 1微指令的格式.51.6.2微操作控制信号功能51.6.3微程序的控制方式设计61.6.4微程序控制部件组成原理71.7微程序设计81.7.1微指令流程图81.7.2微程序中各微指令的二进制编码和十六进制编码91.8编写调试程序101.8.1调试程序的微代码101.8.2调试程序的机器代码122.实验计算机的组装.133.实验计算机的调试143.1调试前准备工作143.1.1写入微代码143.1.2读微代码及校验微代码153.1.3写机器指令163.1.4读机器指令及校验机器指令173.1.5运行程序173.2调试步骤和调试结果183.2.1调试步骤操作183.2.2结果显示183.3分析结果是否正确193.4设计困难和心得体会204.参考文献211.计算机的设计1.1设计目的：EL-JY-II型计算机组成原理实验仪提供的硬件资源，通过设计（包括整机结构设计、指令设计、微程序设计、微指令设计、调试程序设计等）、组装、调试三个步骤完成一台微程序控制的简单实验计算机的研制。1.2设计要求：1、 掌握实验计算机的整机结构。熟悉实验计算机的组装和调试方法。2、 设计如下几条机器指令的格式，指令格式可以采用单字长或双字长设计。输入输出指令：IN #DATA，R0 （功能DATA - R0）OUT ADDR （功能（ADDR）- LED输出）算术加法运算指令：ADD R0，ADDR （功能R0+（ADDR）- R0）带进位左移位运算指令：RLC R0 （功能R0的值带进位循环左移一位- R0）存数指令： STA R0，ADDR （功能R0 -ADDR）转移指令： JMP ADDR （功能ADDR - PC）3、 设计微指令的格式, 编写上述每条机器指令所对应的微程序，并上机调试。4、 通过如下程序的编写调试，验收机器指令、微指令、微程序的设计结果。IN #data，R0ADD R0，addr1RLC R0STA R0，addr2OUT addr2JMP 00HAddr1: XXAddr2: XX1.3设计设备：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。1.4模型机结构设计：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R0，R1，R2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。4输入设备是由置数开关SW控制完成的。5.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的数据总线(D_BUS) 74299 LPC299-G 程序计数器PCALU-G LOAD PC-G M CN ALU S3S2S1S0 数据暂存器LT1 数据暂存器LT2 LAR 地址寄存器 地址总线（ADDR_BUS）LDR1 LDR2 存储器(MEM) READ WRITE 寄存器R0 微控器 脉冲源及时序 LDR0 R0-G 指令寄存器 C-G LDIR 输入设备 W/R 控制门 输出设备 数据 D-G 控制信号 图1-1 模型机结构框图 图1.1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。1.5指令系统的设计：指令格式、指令编码、指令助记符、指令功能、操作数的寻址方式如下：1)输入指令:IN #DATA, R0指令功能：#DATA R0指令格式： 表1-17 6 5 43 2 1 000 0 00 0 0 0机器码：000000002)加法指令：ADD ADDR，R0 指令功能： R0+ADDR- R0指令格式： 表1-27 6 5 43 2 1 00 0 0 10 0 0 0ADDR机器码：00010000 0000xxxx3)带进位左位移运算: RLC RO 指令功能：R0的值带进位循环左移一位- R0 指令格式： 表1-37 6 5 43 2 1 01 0 0 00 0 0 0机 器 码： 01110000 4）转移指令：JMP ADDR指令功能：ADDR- PC指令格式： 表1-47 6 5 43 2 1 00 1 0 00 0 0 0 ADDR机器码：01000000 xxxxxxxx5)存数指令：STA ADDR，R0 指令功能： ADDR+R0 - R0指令格式： 表1-57 6 5 43 2 1 00 0 1 00 0 0 0ADDR 机 器 码： 00100000 xxxxxxxx6)输出指令：OUT ADDR，R0 指令功能： ADDR - LED指令格式： 表1-67 6 5 43 2 1 00 0 1 10 0 0 0ADDR机器码： 00110000 xxxxxxxx1.6微指令的格式设计及微操作控制部件的组成原理1.6.1微指令的格式：本系统设计的微指令字长共24位，其控制位顺序如下表1-7： 表1-7微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0其中uA5-uA0为6位后续地址，F1,F2,F3为三个译码字段，分别由三个控制位译出多位，。S3S0为选择运算，M为逻辑算数操作选择，Cn表示有无进位，WE是读写控制，1A和1B控制规则如下：两者均为00时为无操作，01是输出LED选通控制，10是内存RAM选通控制，11是输入电路选通控制。1.6.2微操作控制信号功能：S3、S2、S1、S0、M、CN是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令。WE是写内存的微命令，状态“1”有效。1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、“01”。 状态“00”为无效。F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译码电路74138译码输出8种状态，前7种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。F3字段包含P1- P4四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。、三个字段的编码方案如表1-8： 表1-8译码字段编码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 0LDRi0 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-C1 1 0P4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。其中微命令LDRi表示写寄存器操作；微命令LOAD表示程序计数器PC写操作；微命令LDR2表示数据暂存器LT2写操作；微命令LDR1表示数据暂存器LT1写操作；微命令LAR表示地址寄存器AR写操作；微命令LDIR表示指令寄存器写操作；微命令RAG表示源寄存器读操作；微命令ALU-G表示运算器输出操作；微命令RCG表示目的寄存器读操作；微命令PC-G表示程序计数器PC读操作；微命令LPC表示程序计数器PC选通操作；微命令299-G表示移位寄存器读写操作；微命令RBG表示变址寄存器读操作。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。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。1.6.3微程序的控制方式设计 微程序入口地址形成方法：断定方式与增量方式不同，它不采用PC，微指令地址由微地址寄存器AR提供。在微指令格式中，设置一个下地址字段，用于指明下一条要执行的微指令地址。当一条微指令被取出时，下一条微指令的地址(即下地址字段)送AR。它相当于每条微指令都具有转移微指令的功能。采用这种方法就不必设置专门的转移微指令，但增加了微指令字的长度。 1.6.4微程序控制部件组成原理1 运算器单元（ALU UINT）运算器单元由以下部分构成：两片74LS181构成了并串型8位ALU；两个8位寄存器DR1和DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。ALU的S0S3为运算控制端，Cn为最低进位输入，M为状态控制端。ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由ALU-B控制该三态门。2 寄存器堆单元（REG UNIT）该部分由3片8位寄存器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算结构等。三个寄存器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和RS-B根据机器指令进行选通。3 指令寄存器单元（INS UNIT）指令寄存器单元中指令寄存器（IR）构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。4 时序电路单元（STATE UNIT）用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。5 微控器电路单元（MICROCONTROLLER UNIT）微控器主要用来完成接受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。由输入的W/R信号控制微代码的输出锁存。由程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）实现程序的取指功能。6 逻辑译码单元（LOG UNIT）用来根据机器指令及相应微代码进行译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，及工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。7 主存储器单元（MAIN MEM）用于存储实验中的机器指令。8 输入输出单元（INPUT/OUTPUT DEVICE）输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。微程序控制原理图： 图1-2微程序控制原理图1.7微程序设计 1.7.1微指令流程图 开始 01 PC AR，PC+102RAM D_BUS IR 45 P(1)测试 IN ADD STA OUT JMP RLC 20 21 22 23 24 30D_INPUT R0 PC AR PC AR PC AR PC AR R0 299 01 PC+1 PC+1 PC+1 PC+1 03 07 31 34 43 RAM D_BUS RAM D_BUS RAM D_BUS RAM D_BUS D_BUS AR D_BUS AR D_BUS AR D_BUS PC 左环移 04 17 32 44 RAM D_BUS R0 D_BUS RAM D_BUS 01 299 R0 D_BUS LT2 D_BUS RAM D_BUS LT1 05 33 01 R0 LT1 01 LT1 LED 06 (LT1)+(LT2) R0 01 01 图1-3 微指令流程图 控制开关 00 10 P(4)测试 MWE（10） MRD(00) RUN(11) PC AR,PC+1 11 PC AR,PC+1 10 13(D_INPUT) D_BUS LT1 14 RAM D_BUS LT1 12 01 LT1 RAM 15 LT1 LED 16 图1-4微程序流程图1.7.2微程序中各微指令的二进制编码，十六进制编码下表为根据微程序流程图设计的各指令二进制微代码表（10）IN #DATA，R0 表1-9输入指令代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000100000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111111001011001010 0 0 0 0 0 0 1 01101110000100000100000 0 0 0 0 0 0 1 1000111111000001（2）ADD R0，addr1 表1-10加法指令代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000100000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111111001011001010 0 0 0 0 0 0 1 01101110000100010100010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000110000110 0 0 0 0 0 0 1 01011111110001000001000 0 0 0 0 0 0 1 00101111110001010001010 0 0 0 0 0 0 0 01000001110001100001100 1 1 0 0 0 0 0 0000001111000001（3）RLC R0 表1-11带进位左位移指令代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000100000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111111001011001010 0 0 0 0 0 0 1 01101110000110000110000 0 1 1 0 0 0 0 00000001111000111000110 0 0 1 1 0 0 0 01111101111001001001000 0 0 0 0 0 0 0 0000110111000001（4）STA R0，addr2 表1-12存数指令代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000100000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111111001011001010 0 0 0 0 0 0 1 01101110000100100100100 0 0 0 0 0 0 0 01011011010001110001110 0 0 0 0 0 0 1 01011111110011110011110 0 0 0 0 0 1 1 0111000111000001（5）OUT addr2 表1-13输出指令代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000100000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111111001011001010 0 0 0 0 0 0 1 01101110000100110100110 0 0 0 0 0 0 0 01011011010110010110010 0 0 0 0 0 0 1 01011111110110100110100 0 0 0 0 0 0 1 01001111110110110110110 0 0 0 0 1 1 0 1111001111000001（6）JMP 00H 表1-14转移指令代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5UA00000010 0 0 0 0 0 0 0 01011011010000100000100 0 0 0 0 0 0 1 01101111111001011001010 0 0 0 0 0 0 1 01101110000101000101000 0 0 0 0 0 0 0 01011011010111000111000 0 0 0 0 0 0 0 00011111010000011.8编写调试程序1.8.1调试程序的微代码： 表1-15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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调试程序的机器代码： 表 1-16机器代码表地址（十六进制）指令助记符机器指令（十六进制）00IN #DATA,R00001ADD R0,0AH10020A03RLC,R08004STA R0,0BH20050B06OUT 0BH30070B08JMP 400900H000A01H010B01H012.实验计算机的组装 图2-1组装连线图3.实验计算机的调试3.1调试前准备工作3.1.1写入微代码1)写:在编辑框中输入实验指导书中的微指令程序(格式：两位八进制微地址+空格+六位十六进制微代码),或直接打开随机附带的程序EX8.MSM，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0010”写状态，然后按写入按钮,微程序写入控制存储器电路;2)读:将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0100”读状态，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;3)保存:按保存按钮,微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中;4)打开:按打开按钮,打开已有的微程序文件,并显示在编辑框中 写入机器指令操作代码将开关K1K2K3K4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。在监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态下按【实验选择】键，显示【ES-_ _ 】输入07或7，按【确认】键，显示为【ES07】，表示准备进入实验七程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。再按下【确认】键，显示为【CtL1=_】，表示对微代码进行操作。输入1显示【CtL1_1】，表示写微代码，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。按【确认】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，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入，微地址显示灯（六个黄色指示灯，八进制）全灭，显示刚才输入的微地址，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。同时监控指示灯显示【U_CodE】，显示这时输入微代码【007F88】，该微代码是用6位十六进制数来表示前面的24位二进制数，注意输入微代码的顺序，先右后左，此过程中可按【取消】键来取消上一次输入，重新输入。按【确认】键则显示【PULSE】，按【单步】完成一条微代码的输入，重新显示【U-Addr】提示输入表1-15第二条微代码地址。 图3-1输入代码3.1.2读微代码及校验微代码：先将开关K1K2K3K4拨到读状态即K1 off、K2 off、K3 on、K4 off，在监控指示灯显示【U_Addr】状态下连续按两次【取消】键，退回监控指示灯显示【ES07】状态，也可按【RESET】按钮对单片机复位，使监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态，按【实验选择】键，显示【ES-_ _ 】输入07或7，按【确认】键，显示【ES07】。按【确认】键，显示【CtL1=_】时，输入2，按【确认】显示【U_Addr】 ，此时输入6位二进制微地址，进入读代码状态。再按【确认】显示【PULSE】，此时按【PULSE】键，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7-2表检查微代码是否有错误，如有错误，可按步骤2写微代码重新输入这条微代码的微地址及微代码。1)写:在编辑框中输入实验指导书中机器指令程序(格式：两位十六进制地址+空格+2位或 4位十六进制代码),或直接打开随机附带的程序EX8.ASM，将实验箱上的K4K3K2K1拨至 “0101”运行状态，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按写入按钮,机器指令写 入存储器电路;注：对于8位机，十六进制代码为2位；对于16位机，十六进制代码可以是2位，也可以是4位。 2)读:将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，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)保存:按保存按钮,机器指令程序保存在一给定文件(*.ASM)中。 4)打开: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。 5)单步:在运行状态下运行程序前，先拨动“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。 6)连续:在连续运行程序前，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。 7)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.3.1.3写机器指令先将K1K2K3K4拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，按【RESET】按钮对单片机复位，使监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态，按【实验选择】键，显示【ES-_ _ 】输入07或7，按【确认】键，显示【ES07】，再按【确认】，显示【CtL1=_】,按【取消】键，监控指示灯显示【CtL2=_】，输入1显示【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，清零结果是地址指示灯（8个黄色指示灯，在地址寄存器电路上）全灭，如不清零则会影响机器指令的输入！，清零步骤是使其电平高低高即CLR指示灯状态为亮灭亮。确定清零后，按【确认】显示闪烁的【PULSE】，按【单步】键，微地址显示灯（黄色）显示“001001”时，再按【单步】，微地址显示灯（黄色）显示“001100”，地址指示灯（8个黄色指示灯）显示“000000”，数据总线显示灯（8个绿色指示灯）显示“000001”，此时按【确认】键，监控指示灯显示【CodE_ _】，提示输入机器指令“00”（两位十六进制数）,输入后按【确认】，显示【PULSE】，再按【单步】，微地址显示灯（黄色）显示“001101”，再按【单步】，微地址显示灯（黄色）再次显示“001001”，数据总线显示灯（8个绿色指示灯）显示“000000”，即输入的机器指令。连续按【单步】，微地址显示灯（黄色）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1.16的机器指令，输完后，在显示【PULSE】状态下按【确认】进入显示【CodE_ _】状态，此时按【取消】键可退出写机器指令状态。按【取消】退出写机器指令状态。注意，每当微地址显示灯（黄色）显示“001100”时，地址指示灯和数据总线显示灯均自动加1显示。 图3-2 输入代码3.1.4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（黄色）显示从“000000”开始，然后按“001000”、 “001010” 、“001110”方式循环显示。只有当微地址灯（黄色）显示为“001010”时，数据总线指示灯（绿色）上显示的为写入的机器指令。读的过程注意微地址显示灯，地址显示灯和数据总线指