复杂模型机组成原理.doc

北华航天工业学院课程设计报告摘 要随着科技的日益发展，计算机行业成长迅速，为了更好的使用计算机，了解它的运行过程至关重要。本课程设计利用EL-JY-II型计算机组成原理实验系统以及若干排线，连线设计完成了一个复杂模型机的组成，模拟计算机的运行过程。课程设计中构造了一个指令系统，实现了比较完整的模型机功能。关键词： 计算机 模型机 指令 目 录第1章 绪论11.1设计目的11.2设计意义11.3课程设计的主要内容和要求11.4实验的环境1第2章 系统设计与实现22.1 模型机结构框图22.2 工作原理32.2.1 数据格式32.2.2 指令格式32.2.3 指令系统52.2.4 设计微代码62.2.5 实验微代码82.3 程序代码92.4实验内容介绍102.5 系统实现步骤102.6 测试用例132.7 硬件连线图14第3章 总结15参考文献16第1章 绪论1.1 课程设计的背景和意义1.1.1 课程设计的目的综合运用运算器、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）。1.1.2 课程设计的意义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。1.2 课程设计环境与设备利用EL-JY-II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。1.3 课程设计地点图书馆五楼嵌入式实验室第2章 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。如表2-1所示：表2-1 微指令表汇编符号指令的格式功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd 1111 rd rdrs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd 对rd 求反rd循环右移rd循环左移MOV D , rdMOV rd , D 00 10 00 rd D 00 10 01 rd D rd DD rdMOV rd , DJMP D 00 00 01 rd D 00 00 10 00 DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rd 0100 10 rd 0100 01 rdKIN rdrd DISP第3章 微指令代码3.1 微代码设计3.1.1 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。3.1.2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。3.1.3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3-1所示：表3-1 微代码控制位顺序表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1B F1 F2 F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三个字段的编码方案如表3-2所示：表3-2 编码方案表 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 0LDRi 0 0 0RAG 0 0 0P1 0 0 1LOAD 0 0 1ALU-G 0 0 1AR 0 1 0LDR2 0 1 0RCG 0 1 0P3 0 1 1自定义 0 1 1自定义 0 1 1自定义 1 0 0LDR1 1 0 0RBG 1 0 0P2 1 0 1LAR 1 0 1PC-G 1 0 1LPC 1 1 0LDIR 1 1 0299-G 1 1 0P4 1 1 1无操作 1 1 1无操作 1 1 1无操作微程序流程图如下图所示。图3-1 微程序流程图第4章 实验微代码实验微代码如表4-1所示：表4-1 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5章 程序代码本次课设机器指令如下表5-1所示：表5-1 机器指令地址（十六进制）机器指令（十六进制） 助记符说明00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08 H09 H0A H0048 H0049 H00F0 H00E5 H0094 H00B0 H00D0 H0082 H0046 H0008 H0000 H IN Ax , KIN IN Bx , KIN ROL Ax ROR Bx ADD Ax, BxINC Ax NOT AxMOV Cx , Ax OUT DISP , Cx JMP 0000 H输入 Ax输入 BxAx循环左移Bx循环左移Ax + Bx AxAx + 1 Ax Ax取反Ax CxCx LED 0000 H PC第6章 课程设计内容系统完成计算及验证实验结果：计算公式：CxNOT（2AxBX/2+1）。观察结果值与实验输出值是否相等。第7章 系统实现步骤系统在联机方式下进行。步骤如下：（1） 连接硬件系统，电路如图7-1所示。AO1BO1微控器接口LDRO1LDRO2ALU_GOUTAROUTSTATUSUAJ1G_299OUTWEOWEILDR1LDR2运算器接口ALU_GARS3-S0 M CNG_299输出显示W/RD15-D0D_G控制总线W/RW/RT4T3T2T1F4F3F2F1 C1-C6Y1Y21B1AI/O控制 MD15-MD0数据总线 AD7-AD0 地址总线 WE MD15-MD0 MA7-MAO主存储器电路 CE图7-1 硬件连线图（2）启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验课题，打开实验课题参数对话窗口。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，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K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，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7-2所示。图7-2 微指令操作打开实验课题参数对话窗口：机器指令操作。 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K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，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K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，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）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7-3，7-4所示：总 结通过本次课程设计，我系统的了解了模型机的运行过程。首先把微指令代码写入空存中，再将机器指令写入内存中，从而完成了所设计的计算公式。设计实验中遇到了很多困难，比如实验器材连接不到计算机上，设计的机器指令不能正常的运行，运行的结果和期望值不一样等。对于联机，排除机器问题后，一种是我们操作不当，另一种是选择接口错误；对于机器指令不能正常运行，排除机器问题后，是连线中出了差错，特别是该短接的没有短接，例如GUI的短接等；对于运行