复杂模型机系统设计及运行.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除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 ： 精品文档目 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 .41.1 设计地点.41.2 设计目的.41.3 设计内容.41.4 实验环境.41.5 课程设计要求.4第2章 基础知识52.1 概述.5 2.1.1 指令系统概述.52.2 实验微代码表.8第3章 系统设计与实现103.1 模型机结构.103.2 程序设计原理.10 3.2.1 ALU.10 3.2.2 存储器.11 3.2.3 控制器.113.3 程序代码.123.4 系统实现步骤.123.5 实验内容介绍.153.6 实验结果.15 3.6.1 测试用例.15 3.6.2 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EL-JY-II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：1. 6月17日：资料查阅、确定选题、系统总体设计2. 6月18日6月21日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3. 6月24日28日：系统调试与运行，现场验收设计成果4. 6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。1.1 设计地点图书馆五楼计算机组成原理实验室。1.2 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。1.3 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。1.4 实验环境利用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。1.5 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 2.1 概述 2.1.1 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2-1列出了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。表2-1 指令格式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 rd rs 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 DISP2.1.2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2-2所示。表2-2 24位微代码表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1B F1 F2 F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三个字段的编码方案如表2-3所示。表2-3 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图2-1 所示。 2.2 试验微代码表实验微代码如表2-4所示。表2-4 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3.1 模型机结构 图3-1 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。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。3.2 程序设计原理 3.2.1 ALUALU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。 3.2.2 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。3.2.3 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。3.3 程序代码本实验的机器指令程序代码如表3-1所示。表3-1 指令输入表地址（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 H0B H0C H0D H0E H0F H0048 H00B0 H0082 H0046 H0049 H00A4 H0082H0046 H00F0 H00D5 H00E5H0094 H0082 H0046 H0008 H0000H IN Ax , KIN INC Ax MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx IN Bx , KINSUB Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx ROL Ax NOT Bx ROR Bx AND Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx JMP 0000 H输入 AxAx+1 AxAx CxCx LED输入 BxAx - Bx Ax Ax CxCx LEDAx循环左移对Bx求反Bx循环右移Bx + Ax AxAx CxCx LED0000 H PC3.4 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3-2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3-2 硬件连线图启动实验联机软件，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 off、K3 on、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3-3所示。图3-3 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。 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3-4所示：图3-4 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3-5和图3-6所示对话框，要求输入数据：图3-5 弹出窗口提示操作 图3-6 输入数据3.5 设计内容介绍本系统完成计算及验证实验结果。计算公式：Cx(Ax16)*8-Bx /43.6 实验结果 3.6 .1 测试用例以下为实验中使用的输入数据及计算结果，如表3-2所示：表3-2输入数据及计算结果实验数据AxBxCx第一组数据0010H0000H0040H第二组数据0001H0011H001DH3.6.2 实验结果图示(1)输入Ax数据0001H,如图3-7所示：图3-7输入Ax数据(2).输入Bx数据0011H，如图3-8所示：图3-8输入Bx数据(3) 在输出显示灯上第一