090401003蒋佳林解析

1、辽宁工业大学 计算机组成原理 课程设计（论文） 题目：一台模型计算机设计与测试 乘法指令流程 院（系）： 电子与信息工程学院 专业班级： 计算机091班 学 号090401003 学生姓名： 蒋佳林 指导教师： 张军 教师职称： 副教授 起止时间： 2012-01-02 至 2012 01 06 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室：计算机科学与技术 学号 090401003 学生姓名 蒋佳林 专业班级 计算机091班 课程设计 （论文） 题目 一台模型计算机设计与测试 乘法指令流程 利用试验箱中的电路模块组合成为一台简单计算机， 数据通路的控制由微程 序控制器完成

2、，CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周 期，是由微指令组成的序列完成。 课程设计论文 任务 主要设计内容： 1将微程序控制器同执行部件联机，组成一台模型计算机； 2. 用微程序控制器控制模型机数据通路； 3. 通过CPU运行机器指令，编写乘法指令所对应的微程序。 要求： 1、 根据题目和试验箱中的电路模块设计一台简单计算机 ，并画出电路原理图 以及微程序流程图。 2、认真独立完成所规定的设计内容（4000字左右），严禁相互抄袭； 3、撰写、打印设计说明书一份。 指导教师评语及成绩 平时成绩： 论文质量： 答 辩： 总成绩 ： 指导教师签字： 学生签字： 2012 年1月6

3、日 辽宁工业大学计算机组原理 目录 第1章一台模型计算机的设计方案 . 1 1.1弓I言 . 1 1.2总体方案论述 . 1 第2章一台模型计算机的硬件设计 . 3 2.1数据通路的设计 . 3 2.2微程序控制器的设计 . 5 2.3模型机的设计与调试 . 7 第3章微程序设计 . 10 3.1 微程序流程图 . 10 3.2微程序代码的设计与测试 . 10 第4章课程设计总结 . 12 参考文献 . 13辽宁工业大学计算机组原理 1 第1章一台模型计算机的设计方案 1.1引言 本次课程设计用到的电路包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令 寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成

4、为一台简单计算机。 计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制能实现流水控制。控制器有微程 序控制器或者硬布线控制器两种类型，每种类型又有流水和非流水两种方案。寄存器堆 由1片ispLSI1016组成，运算器由1片ispLSI1024组成。实验台上包括了 1片系统编 程芯片ispLSI1032,可用它实现硬件布线控制。 1.2总体方案论述 1.2.1系统组成框图 块 A 羽镖人 和吋 V Kg ST 辽宁工业大学计算机组原理 2 图1系统总体框图辽宁工业大学计算机组原理 3 1.2.2乘法指令流程设计任务 1利用机器指令系统编制简单程序，要求至少使用其中五条指令，对自己编制的简 单程序进行译

5、码，手工汇编成十六进制机器代码。 2参考计算机组成原理课程设计指导书的步骤完成连线，控制器是控制部件，数据 通路是执行部件，时序产生器是时序部件。连线包括控制台、时序部分、数据通路和微 程序控制器之间的连接。 3将上述任务（1）中的程序机器代码用控制台操作存入内存中， 并根据程序的需要， 用数码开关SW SW0设置通用寄存器及内存相关单元的数据。 4用单拍（DP方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器堆 RF中寄存器的数据，以 及RAM中的数据，与理论分析值做作对比。单拍方式执行是注意观察微地址指示灯、 IR/DBUS指示灯、AR2/AR1指示灯和判断字段指示灯的值，以跟踪程序中取指令和执行指 令

6、的详细过程。 5以单指（DZ方式重新执行程序一遍，注意观察 IR/DBUS指示AR2/AR1指示灯的 值。执行结束后，记录RF中四个寄存器的数据，以及 RAM中的数据，与理论分析值作对 比。 6以连续方式（DB DP DZ都设为0）再次执行程序。这种情况相当于计算机正常 运行程序。由于程序中有停机指令 STP程序执行到该指令时自动停机。执行结束后， 记录RF中四个寄存器的数据，以及 RAM中的数据，与理论分析值作对比。辽宁工业大学计算机组原理 4 第2早一台模型计算机的硬件设计 2.1数据通路的设计 D0US 图2数据通路框图 2.1.1 运算器ALU 运算器ALU由一片ispLS1024（U

7、47）组成，在选择端 S2、S1、SO控制下，对数据 A 和B进行加、减、与、直通、乘五种运算，功能如下： 表1操作功能表 选择 操作 S2 S1 SO 0 0 0 A&B 0 0 1 A&A （直通） 0 1 0 A+B 0 1 1 A-B 1 0 0 A （低4位）*B （低4位） 进位C只在加法和运算和减法运算是产生。加运算中， C表示进位；减运算中，C 代表借位。加、减运算产生的进位（借位）在 T4的上升沿送入C寄存器保存。与、乘、 直通操作不影响进位C的状态，即进位C保持不变。当ALU_BUS=时，运算结果送往数 据总线DBUS加、减运算产生的进位（借位） C与控制台

8、的C指示灯相连。 2.1.2存储器 T4 LDDR1 (T3) Ml DB1 mi RS-BUS 控制借号 ffl%lrWRO RDlpRI0 RSlhRSO LDIR(T4) MUX DBUS ALU-财 ALU LDER( (T 曲（T刃 A端口 g 晡 i 口 Hr ER 控制器 控制台 価涵 I数尊端口 LDAR1（T0）YY 肛血 1 ARI INS AR2 LDAR2(T2) LDR4CT2) R KUX4 M 辽宁工业大学计算机组原理 5 双端口存储器由一片IDT7132 （U36及少量附加控制电路组成。IDT7132是2048 字节的双端口静态随机存储器，本机实际使用 256字

9、节。IDT7132两个端口可同时进行 读、写操作。在本机中，左端口的数据连接数据总线 DBUS可进行读、写操作，右端口 数据和指令总线INS连接，输出到指令寄存器IR，作为只读端口使用。存储器IDT7132 有 6 个控制引脚：CEL# LRWOLE# CER# RRWOER# CEL# LRW OLE控制左端口读、 写操作，CER# RRWOER控制右端口读、写操作。CEL#左端口选择引脚，低有效，为 高时禁止左端口操作；LRW为高时，左端口进行读操作，LRW为低时， 左端口进行写操作； OER为低时， 将左端口读出的数据放到数据总线 DBUSho CER# RRWOER控制右端口 读、写操

10、作的方式与 CEL# LRW OER控制左端口读、写操作的方式类似，不过右端口 读出的数据放到指令总线上而不是数据总线上。本机设计中， OER已固定接地，RRW固 定接高电平，CER有 CEF反相产生。当CER=1时，右端口读出数据，并放到指令总线INS 上；当CER=0寸，禁止右端口操作。左端口的 OLE由LRW反相产生，不需单独控制。当 CEL#=0且 LRW=时，左端口进行读操作；当 CER#=（且 LRE=0时，在T3的上升沿开始进 行写操作，将数据总线DBUSh的数据写入存储器。 2.1.3输入与输出 开关寄存器SW_BUSU38）是1片74HC244用于将控制台开关 SW SW0勺

11、数据送 往数据总线DBUS当SW_BUS#=!t，禁止开关SW SW0勺数据送往数据总线 DBUS当 SW_BUS#=0-，允许开关SV SW（的数据送往数据总线DBUS 通过SW SW0俞入数据，把数据输入到 ER中，然后分别RF中的中的R0-R3中， 然后通过选择，分别通过 A、B端口送入DR1和DR2然后送入ALU进行相应的运算，再 把结果通过DBUS送入 RAM1行存储。然后再通过 SW SW0输入数据，通过DBUS送入 RAM中，读取RAM中相应单元的数据，并把指令通过INS送入IR，在送入控制器中，然 后经过一系列的传送通过数据指示灯显示出来。辽宁工业大学计算机组原理 6 2.2微

12、程序控制器的设计 图3微程序控制器 2.2.1机器指令格式 根据下列表的代码格式。产生不同的功能，完成各个任务 表2指令格式表 名称 助记符 功能 指令格式 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0 加法 ADD Rd Rs Rd+Rs-Rd 0 0 0 0 RS1 RS0 RD1 RD0 减法 SUB Rd Rs Rd-Rs-Rd 0 0 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0 乘法 MUL Rd Rs Rd*Rs-Rd 0 0 1 0 :RS1 RS0 RD1 RD0 逻辑与 AND Rd Rs Rd&Rs-Rd 0 0 1 1 RS1 RS0 RD1 RD0 存数 STA

13、Rd, Rs Rd-Rs 0 1 0 0 RS1 RS0 RD1 RD0 取数 LDA Rd, Rs Rs-Rd 0 1 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0 无条件转移指令 JMP Rs Rs-Pc 1 0 0 0 RS1 RS0 X X 条件转移 JC D 若C=1则 PC+D-PC 1 0 0 1 D3 D2 D1 D0 停机 STP 暂停运行 0 1 1 0 X X X X 中断返回 IRET 返回断点 1 0 1 0 X X X X 开中断 INTS 允许中断 1 0 1 1 :X X X X 关中断 INTC 禁止中断 1 1 0 0 X X X X 表3控制台指令格式表 SWC

14、 SWB SWA 工作方式 0 0 PR 启动程序 0 0 1 KRD读双端口存储器 0 1 0 KWE写双端口存储器 辽宁工业大学计算机组原理 7 0 1 1 KLD，加载寄存器存器堆 1 0 0 KRR读寄存器堆 2.2.2 电路设计 使用计算机组成原理实验的电路图，但本次课设加入中断系统。设计一个简单的中 断系统模型，只支持单级中断、单个中断请求，有中断屏蔽功能，旨在说明最基本的原 理。 中断屏蔽控制逻辑分别集成在 2片GAL22V10(TIMER和TIMER2中。其ABEL语言表 达式如下： INTR1:=INTR; INTR1.CLK=CLK1 IE:=CLR&l NTS#C

15、LR&IE&!INTC IE.CLK=MF INTQ=IE&l NTR1 其中CLK1是TIMER1产生的时钟信号，它主要是作为 W W4的时钟脉冲，这里作为 INTR1的时钟信号，INTE的时钟信号是晶振产生的MF。INTS微指令位是INTS机器指令 执行过程中从控制存储读出的，INTC微指令位是INTC机器指令执行过程中从控制存储 器读出的。INTE是中断允许标志，控制台有一个指示灯 IE显示其状态，它为1时，允 许中断，为0时，禁止中断。当INTS=1时，在下一个 MF的上升沿IE变1,当INTC=1 时，在下一个MF的上升沿IE变0 CLR信号实际是控制台产生的

16、复位信号 CLR#当CLR=0 时，在下一个CLK1的上升沿IE变0。当CLR=但INTS=0且INTC=0时，IE保持不变。 INTR是外部中断源， 接控制台按钮INTR。按一次INTR按钮， 产生一个中断请求正 脉冲INTR。INTR1是INTR经时钟CLK1同步后产生的，目的是保持INTR1与实验台的时 序信号同步。INTR脉冲信号的上升沿代表有外部中断请求到达中断控制器。INTQ是中断 屏蔽控制逻辑传递给CPU的中断信号，接到微程序控制器上。当收到 INTR脉冲信号时， 若中断允许位INTE=0,贝U中断被屏蔽，INTQ仍然为0;若INTE=1,则INTQ=1。 为保持中断的断点地址，

17、以便中断返回，设置了一个中断地址寄存器 IAR0第二节 图4中的IAR( U19就是这个中断地址寄存器，它是一片74HC374有LDIAR和IAR_BUS# 两个信号输入端，均连接至微程序控制器。 LDIAR信号的上升沿到达时，来自程序计数 器PC的地址会置入IAR中。IAR_BUS为0时， 保存在IAR中的断点地址会输出到数据总 线DBUSho由于本实验系统只有一个断点寄存器而无堆栈，因此仅支持一级中断而不支 持多级中断。 辽宁工业大学计算机组原理 8 中断向量即中断服务程序的入口地址，在本实验仪中由 8位数码 开关SW SW(提 供。 2.3模型机的设计与调试 2.3.1接线方法 将跳线开

18、关J1用短路子短接。时序发生器的输入 TJI接控制存储器的输出TJo控 制器的输入C接运算器ALU的G控制器的输入IR7、IR6、IR5、IR4依次接指令寄存器 IR 的输出 IR7、IR6、IR5、IR4。 控制器的输出 LDIR(CER、LDPCLDR4、PC_AD、PC_INC M4 LDIAR LDARLDAR2、 AR1_INC M3 LDER IAR_BUS# SW_BUS#RS+BUS# ALU_BUS CEL# LRW WRD LDDR1 (LDDR2、M1(M2、S2 S1、S0依次与数据通路的对应信号连接。指令寄存器 IR的输 出IRO接双端口寄存器堆的 RD0 WR0 I

19、R1接RD1 WR1 IR2接RSQ IR3接RSt共6 条线。 合上电源。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。 2.3.2设置通用寄存器R2 R3的值 1. 令DP=0 DB=0 DZ=0使实验系统处于连续运行状态。 令SWC=0 SWB=1SWA=,1 使实验系统处于寄存器加载工作方式 KLD0按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。 2. 在SW SW(上设置一个存储器地址，该存储器地址供设置通用寄存器使用。将 该地址设置为0FFH按依次 QD按钮，将OFFH写入AR0和ARt 3. 在SW SW0t设置02H,作为通用寄存器 R2的寄存器号。按一次 QD按钮，贝U 将02H写入IR

20、。 4. 在SW SW0设置78H,作为R2的值。按一次QD按钮，将78H写入IR指定的R2 寄存器。 5. 在SW SW0S置03H,作为通用寄存器 R3的寄存器号。按一次 QD按钮，则将 03H写入IR。 6. 在SW SW0设置79H,作为R3的值。按一次QD按钮，将79H写入IR指定的R3 寄存器。 7. 设置R2 R3结束，按CLR按钮，使实验系统恢复到初始状态。 2.3.3存储程序机器代码 本操作中，我们从存储器00H地址开始存5个机器代码：58H, 5DH 24H, 48H, 60Ho 在存储器辽宁工业大学计算机组原理 9 78H地址存入02H;在79H地址存入01Ho 令DP=

21、0 DB=0 DZ=Q使实验系统处于连续运行状态。令 SWC=、SWB=1 SWA=0 使实验系统处于写双端口存储器工作方式 KWE按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。 1. 置SW SW（为00H,按QD按钮，将00H写入AR1 2. 置SW SW（为11H,按0C按钮，将58H写入存储器00H单元。AR1自动力卩1,变 为01H 3. 置SW SW（为22H,按OC按钮，将5DH写入存储器01H单元。AR1自动力卩1,变 为02H 4. 置SW SW（为33H,按OC按钮， 将24H写入存储器02H单元。AR1自动力卩1,变 为03H 5. 置SW SW（为44H,按OC按钮，将48H

22、写入存储器03H单元。AR1自动力卩1,变 为04H 6. 置SW SW（为55H,按OC按钮， 将60H写入存储器04H单元。AR1自动力卩1,变 为05H 7. 按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。 2.3.4执行程序与验证结果 用单指的方式执行程序。 在SW7-SW上设置00H,作为程序启动地址。控制台方式开关 SWCt 0, SWBS 0, SWAS 0,启动程序。DBS 0, DP置0, DZ置1，选择执行方式为单指执行。 1. 按一次QD按钮，执行00H地址的程序，指示灯显示为 00000000。 2. 按一次QD按钮，执行01H地址的程序，指示灯显示为 00000001。

23、3. 按一次QD按钮，执行02H地址的程序，指示灯显示为 00000010。 4. 按一次QD按钮，执行03H地址的程序，指示灯显示为 00000011。 5. 按一次QD按钮，执行04H地址的程序，指示灯显示为 00000100。 6. 按一次QD按钮，执行05H地址的程序，指示灯显示为00000101。程序执行完毕。 7. 在SW7-SW上设置78H,作为存储器地址。控制台方式开关 SW（置 0，SWB置 0， SWA置1,选择读双端口存储器。DB置0，DP置0，DZ置0。将IR/DBUS开关拨到DBUS 位置，按一次QD按钮，AR1加1,指示灯显示为00000010,表示存储器78H地址

24、中的数 据为02Ho辽宁工业大学计算机组原理 10 第3章微程序设计 02 BUS BUSIR r (DR1)+(DR2) OL 图4微程序流程图 3.2微程序代码的设计与测试 3.2.1机器语言程序及其存储器位置、编码和数据初值的设计 程序功能：将存储器78H单元和79H单元中的数据相乘，将所得的积送入到存储器 78H地址所指的内存单元中。 表4程序实现表 地址 指令 机器代码 00H LDA RQ R2 58H 3.1微程序流程图 PCAR PC+1 PC-AR PC+1 E J on PCAR PC+1 PC+1 PCAR PC+1 RAMBUS BUS AEBUS BUS AR RAM

25、BUS BUS RAMBUS BUS PC RAM- -BUS BUS 3DR2 RO5 DR1 R0: BUS BUS GRAM RAM- -BUS BUS A OS P 1 S7A C 辽宁工业大学计算机组原理 11 01H LDA R1, R3 5DH 02H MUL R0 R1 24H 03H STA R0 R2 48H 04H STP 60H 3.2.2程序执行过程及运算结果 首先设置通用寄存器 R2 R3的值，使R2=78H R3=79H然后从OOH地址开始存5 个。 机器代码：11H, 22H, 33H, 44H, 55耳在78H存入02H,用于给R0赋初值；在79H 存入01H

26、,用于给R1赋初值。 用单指的方式执行程序。初值： R0未定，R1未定，R2=78H R3=79H存储器，78H 单元的内容是02H, 79H单元的内容是01Ho 1. LDA R0, R2 执行结果：R2=78H,R0=02H 2. LDA R1, R3 执行结果：R3=79H, R1=01。H 3. MUL R0, R1 执行结果：R0=02H R仁01H 4. STA RQ R2 执行结果：78H=02H。 5. STP 执行结果：无变化辽宁工业大学计算机组原理 12 第4章课程设计总结 乘法指令流程的设计涉及到微程序控制， 数据通路，双端口存储和乘法运算的知识， 让我进一步了解计算机组成原理课程。计算机组成原理是计算机科学与技术专业 的一门核心的专业必修课程。从课程的地位来说，它是先导课与后续课之间的重要衔接 课程。随着计算机技术的飞速发展，必须保证课程教学内容及实现手段的先进性，在实 验中让我感觉到自己对课本上的知识理解还不是很好，还有很多知识点没有掌握，通过 课程设计使我对课本上的知识有了更进一步的理解，同