计算机组成原理课程设计报告(复杂模型机)

计算机组成原理计算机组成原理 课程设计报告课程设计报告 复杂模型机的设计与调试 复复 杂杂 模模 型型 机机 的的 设设 计计 与与 实实 现现 一 课程设计目的一 课程设计目的 本课程设计是 计算机组成原理 课程结束以后开设的大型实践性教学环节 通过本 课程设计 加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识 特别是对微程序控制 器的理解 进一步巩固所学的理论知识 并提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力 锻炼计算机硬件的设计能力 调试能力 培养严谨的科学实验作风和良好的工程素质 为 今后的工作打下基础 二 实验设备二 实验设备 ZY15CompSys12BB 计算机组成原理教学实验系统一台 排线若干 三 设计与调试任务三 设计与调试任务 1 按给定的指令格式和指令系统功能要求 用所提供的器件设计一台微程序控制器 控制的模型计算机 2 根据设计图 在通用实验台上进行组装 并调试成功 四 指令格式四 指令格式 模型机设计四大类指令共十六条 其中包括算术逻辑指令 I O 指令 访问存储器及 转移指令和停机指令 A 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 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OP CODE RsRd 其中 OP CODE 为操作码 Rs 为源寄存器 Rd 为目的寄存器 并规定 选中的寄存器 Rs 或 Rd R0R1 R2 寄存器的编码000110 B 访存指令及转移指令 模型机设计 2 条访问指令 即存数 STA 取数 LDA 2 条转移指令 即无条件转移 JMP 结果为零或有进位转移指令 BZC 其格式如下 D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0D7 D0 OP CODEM OP CODE RdD 其中 OP CODE 为操作码 Rd 为目的寄存器 D 为位移量 正负均可 M 为寻址方 式 其定义如下 寻址方式 有效地址 说 明 00 E D直接寻址 01 E D 间接寻址 10 E RI DRI 变址寻址 11 E PC D相对寻址 本模型机规定变址寄存器 RI指定为寄存器 R2 C I O 指令 输入和输出指令采用单字节指令 其格式如下 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OP CODE addrRd 其中 addr 01 时 表示选中 输入单元 中的开关组作为输入设备 addr 10 时 表示选中 输出单元 中的数码管作为输出设备 D 停机指令 这类指令只有 1 条 即停机指令 HALT 用于实现停机操作 指令格式如下 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 0 0 00 0 五 总体设计五 总体设计 1 指令系统 本模型机共有 16 条基本指令 其中 算术逻辑指令 9 条 访问内存指令和程序控制 指令 4 条 输入输出指令 2 条 其他它指令 1 条 表 1 列出了各条指令的格式 汇编符号 指令功能 表表 1 复杂模型机指令系统复杂模型机指令系统 序号 汇编符号 指令格式 功能说明 1 CLR Rd0111 00 Rd 0 Rd 2 MOV RS Rd1000 RS Rd RS Rd 3 ADC RS Rd1001 RS RdRS Rd Cy Rd 4 SBC RS Rd1010 RS RdRS Rd Cy Rd 5 INC Rd 1011 Rd Rd 1 Rd 6 AND RS Rd 1100 RS RdRS Rd Rd 7 COM Rd 1101 00 RdRd Rd 8 RRC RS Rd 1110 RS Rd RS带进位右循环一位 RS Rd 9 RLC RS Rd 1111 RS Rd RS带进位左循环一位 RS Rd 10 LDA M D Rd 00 M 00 Rd DE Rd 11 STA M D Rd 00 M 01 Rd DRd E 12 JMP M D 00 M 10 00 DE PC 13 BZC M D 00 M 11 00 D 当 CY 1 或 ZI 1 时 E PC 14 IN addr Rd 0100 01 Rdaddr Rd 15 OUT addr Rd 0101 10 RdRd addr 16 HALT 0110 00 00 停机 2 微指令格式 表表 2 复杂模型机微指令结构图复杂模型机微指令结构图 微程序242322212019181716151413121110987654321 控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16 A B PuA5uA4uA3uA2uA1uA0 A 字段B 字段P 字段 151413 控制信号121110控制信号987控制信号 000000000 001LDRI001RS G001P1 010LDDR1010RD G010P2 011LDDR2011RI G011P3 100LDIR100299 G100P4 101LOAD101ALU G101AR 110LDAR110PC G110LDPC 其中 uA5 uA0 为 6 位的后续微地址 A B P 为三个译码字段 分别由三个控制位 译码出多位 P 字段中的 P1 P4 是四个测试字位 其功能是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为地址入口 从而实现微程序的顺序 分支 循环运行 具 体来说 P1 测试用于 取指令 微指令 它用下址低四位 uA3 uA0 与指令寄存器高四 位 IR7 IR4 相或得到各路分支 P2 测试用下址低 2 位 uA1 uA0 与指令寄存器的 IR3IR2 相或得到各路分支 P3 测试用于条件转移 它用下址的 uA4 与 ZI CY 相或得到 各路分支 P4 测试用于控制台操作 它用下址低 2 位 uA1 uA0 与 SWB SWA 相或得到各路分支 在上述各测试下址中未用到的位均直接保留 AR 为算术运算是否影响进位及判零标志控 制位 其为零有效 B 字段中的 RS G RD G RI G 分别为源寄存器选通信号 目的寄 存器选通信号及变址寄存器选通信号 其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器 R0 R1 及 R2 的选通译码 三字段中的其他位类似与此 均是某芯片的选通信号 它们的 功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码 3 微程序流程图 本模型机的数据通路如图 1 所示 根据机器指令系统要求 设计微程序流程图及确定 微地址 如图 2 所示 图图 1 复杂模型机的数据通路图复杂模型机的数据通路图 微地址S3 CN RDM17M16ABPuA5 uA0 00011000000100 01011110110110 02001100000001 35001010000000 36001110000010 37001110000010 60001010000000 61001110000010 54011110110110 55011110110110 56001010000000 23011000000000 24000010000000 62001010000000 63011011011000 64011110101000 20011110110110 21011110110110 22011110110110 57011110110110 51000001000000 52110000010000 46011000000000 40011001101000 41011001001000 42011010001000 43011011001000 44011010010000 45011010001000 53011010010000 47011000001000 50011000001000 05001001000000 04101000010001 07011101101110 06011000000011 11011000000000 74011010101010 65001010000000 67011011110000 70011110101000 71011010101010 72011011010000 12011001101101 03011010010000 14011010101101 25011001101000 57011010101000 60011000000101 61011001101101 15011001101000 16011011010000 31011101101110 17011001101101 73011001101000 32011000100000 13011001100000 33011000100000 72011001100000 27110000101000 30101000101000 六 实验步骤六 实验步骤 1 按图 3 连接实验线路 仔细查线无误后 接通电源 2 编程 A 将控制台单元的编程开关 SP06 设置为 WRITE 编程 状态 B 将控制台单元上的 SP03 置为 STEP SP04 置为 RUN 状态 C 用开关单元的二进制模拟开关设置微地址 UA5 UA0 D 在微控制器单元的开关 LM24 LM01 上设置微代码 24 位开关对应 24 位显示 灯 开关量为 1 时灯亮 开关量为 0 时灯灭 E 按动 START 键 启动时序电路 即将微代码写入到 28C16 的相应地址单元中 F 重复 C E 步骤 将表 3 的微代码写入 28C16 中 3 校验 A 将编程开关 SP06 设置为 READ 校验 状态 B 将实验板的 SP03 开关置为 STEP 状态 SP04 开关置为 RUN 状态 C 用二进制开关置好微地址 A5 A0 D 按动 START 键 启动时序电路 读出微代码 观察显示灯 LM24 LM01 的 状态 灯亮为 1 灭为 0 检查读出的微代码是否与写入的相同 如果不同 则将开关置于 WRITE 编程状态 重新执行 2 即可 4 写程序 运行程序 A 将控制台单元上的 SP03 置为 STEP 状态 SP04 置为 RUN 状态 SP05 置为 NORM 状态 SP06 置为 RUN 状态 B 拨动开关单元的总情开关 CLR 1 0 1 微地址寄存器清 0 程序计数器 清 0 然后使开关单元的 SWB SWA 开关设置为 0 1 按动一次 START 微地址 显示灯显示 再按动一次 START 微地址灯显示 此时数据开关的内容置为 要写入的机器指令 按动两次 START 键后 即完成该条指令的写入 若仔细阅读 KWE 的流程 就不难发现 机器指令的首地址总清后为 00H 以后每个循环 PC 自 动加 1 所以 每次按动 START 只有在微地址灯显示 时 才设置内容 直到 所有机器指令写完 C 写完程序后须进行校验 拨动总清开关 CLR 1 0 1 后 微地址清零 PC 程序计数器清零 然后使控制台开关 SWB SWA 为 0 0 按动启动 START 微 地址灯将显示 再按 START 微地址灯显示为 第 3 次按 START 微地址灯 显示为 再按 START 后 此时输出单元的数码管显示为该首地址中的内容 不 断按动 START 以后每个循环 PC 会自动加 1 可检查后续单元内容 每次在微地 址灯显示为 时 是将当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示 4 运行程序 A 单步运行程序 使编程开关 SP06 处于 RUN 状态 SP03 为 STEP 状态 SP04 为 RUN 状态 SP05 为 NORM 状态 开关单元的 SWB SWA 为 1 1 拨动总清开关 CLR 1 0 1 微地址清零 程序计数器清零 程序首址为 00H 单步运行一条微指令 每按动一次 START 键 即单步运行一条微指令 对照微 程序流程图 观察微地址显示灯是否和流程一致 当运行结束后 可检查运行结果是否和理论值一致 B 连续运行程序 使编程开关 SP06 处于 RUN 状态 SP03 为 RUN 状态 SP04 为 RUN 状态 SP05 为 NORM 状态 开关单元的 SWB SWA 为 1 1 拨动 CLR 开关 清微地址及程序计数器 然后按动 START 系统连续运行程序 稍后将 SP04 拨至 STOP 时 系统停机 停机后 可检查运行结果是否和理论值一致 七 测试程序七 测试程序 地址内容助记符说明 0044IN输入 41 0104STA 40H 41 40H 0240 0344IN输入 40 0404STA 41H 40 41H 0541 0608JMP 09H跳到 09H 执行 0709 0860HLAT停机 0910LDA LDA 40H 0A40间址取到 41H 单元数 0B58OUT输出 40 0C46IN输入 20 RI 0D20LDA RI D 变址取 40H 单元数 0E20 0F58OUT输出 41 1030LDA PC D 相对寻址取 41H 单元数 112F 1258OUT输出 40 1344IN输入 81 14F0RLC进位使 CY 灯灭 150CBZC有进位或为 0 时跳到 18H 执行 1618 1760HLAT停机 1800LDA 40H 取 40H 单元数 1940 1A58OUT输出 41 1B44IN输入 80 1C58OUT输出 80 1DB0INC加 1 1E58OUT输出 81 1FD0COM取反 2058OUT输出 7E 2145IN输入 0F 22C1AND 2359OUT输出 0E 2481MOVRS RD 2559OUT输出 7E 2670CLR0 RS 2758OUT输出 0 2844IN输入 81 29F0RLC带进位循环左移 CY 灯灭 2A58OUT输出 3 2B45IN输入 1 2C91ADC带进位加 2D59OUT输出 5 2E44IN输入 81 2FE0RRC带进位循环右移 3058OUT输出 40 CY 灯灭 3145IN输入 1F 32A1SBC带进位减 3359OUT输出 20 八 八 课程设计总结 课程设计总结 这次课程设计前前后后花