复杂模型机的设计与实现

1、复杂模型机的设计与实现一.课程设计题目：复杂模型机的设计与实现二设计目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。三实验环境1 硬件环境：A. Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。B. PC 机2 软件环境A. 操作系统。B. Dais-CMB+应用软件。四设计要求1 熟悉Dais-CMB+应用软件的工作环境，掌握各种功能的使用。2 拟定数据格式及指令系统：A.数据格式拟采用定点补码表示数据，且字长为 8位，其格式如下：7符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1 <X<1。B.指令格式模型机设计四大类指令格式共16条，其中包括算术逻辑指

2、令、I/O指令、访 问及转移指令和停机指令。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：76543210OP-CODERSrd其中OP-COD为操作码，RS为原寄存器，rd为目的寄存器，并规定:RS或 rd选定的寄存器00R00110R1R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。访问指令及转移指令：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）,指令格式为:76 543 21 00M0OP-CODEErdD其中,OP-CODE为操作码,为目的寄存器地址（LDA

3、、STA指令使用）。D为位 移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00E=D直接寻址01E= (D)间接寻址10E= (RI) +DRI变址寻址11E= (PC) +D相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2I/O指令：输入（IN、和输出（OUT指令采用单字节指令，其格式如下:7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRd其中，addr =10时，选中“ INPUT DEVICE中的开关作为输入设备，addr =11时，选中“ OUTPUT DEVICE中的LED作为输出设备。停机指令：指令格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODE0 00

4、 0HALT指令，用于实现停机操作。C. 指令系统本模型机共有16条指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制 指令4条，输入输出指令2条，其他指令1条。表6-1列出了各条指令的格式、 汇编符号、指令功能。汇编符号指令格式功能CLR rdMOV rs, rdADC rs, rdSBC rs, rd111000RD0 t rdRS t rdRS+rd+cy t rdRS-rd-cy t rd0001RSRD0011RSRD0101RSRDINC rdAND rs, rdCOCOM rdRRC rs, rdRLC rs, rd0111RSRDRd+1 t rd RsA rd t rdRcT

5、 rdCy t rsCy t rs1001RSRD1011RSRD1101RSRD1111RSRDLDA M, D, rd STA M, D, rd JMP M, DBZC M, D0M000RDE t rsRd t EE t PC当CY=1或Z-1时，Et pc0M001RD0M010000M01100IN addr,rdOUT addr,rd100001RDAddr t rd101010RDRd t addrHALT11000000停机3. 总体设计：模型机的数据通路框图参照图1，要求如下：(1) 选用适当软件画出数据通路框图；(2) 写出图中选用芯片的逻辑功能，并标出外引脚;(3) 说明

6、图中各芯片的作用；(4) 列出图中所有微操作信号，说明其功能。BUSJI BflS3 '-7必9一卅 1):加r(-i?RU-I2?3)KM；巾;：ipccibH)伽LD5R1lXKU-BmmR0(M373)RJ«D-nKU-LDKDLDlilJIL 忧HJr ：.-；i；CS1C52SrpIMPLCPLDTR細-1数据酬框图B.写出上图中选用芯片的逻辑功能，并标出外引脚；74LS161N芯片介绍：1.芯片图：叱E TL Qo 6 Qi Ch CET PE両阿而帀1而而而冏L2CcTI.-.P3DEpcSOr"2.逻辑功能:74LS161为异步清零计数器74LS16

7、1功能表RD LDET EP CPD3 D2 D1 DoQ3 Q2 Q1 Qo0 xlxx xx x x x0 0 0 01 0xx fD C B AD C B A1 10x xx x x x保持1 1x 0 xx x x x保持1 111 fx x x x计数74LS181芯片介绍：1.芯片图:2.逻辑功能：74LS181为算术逻辑单元/函数产生器。181能执行16种算术运算和16种逻辑运 算，当工作方式控制端（M为低点平时执行算术运算，当工作方式控制端（ M 为高电平时执行逻辑运算。运算功能由选择端（S0-S3）决定。其功能表如下:人M = Ls.S,5|头M HH L肯直帯!LLL1.F

8、p匸r- a m iF* AL1HF t ABF h ZB ElF = ABt1HLl; “ A < B卜 AU « IF - X qLI.HHF -i ti - M 17 的诽 tUF » 0LHLL卜F-a MiF A W <A + B DQ ILHLHF = HF = A 骂F - AB tB+B H !LHHF A'tBF = A MB MlFMBJHHHF ? A -+ MF A W(芸tAj>a ihullf 二 AfiF 高加(A + B 'F - A W【A * B MJ tMILHF 'F' i A 加 R

9、F - A WB » tHLHLF i iBF r Aft Ju 1A + AF AA 1ft (A1H LHH卜土冉* BF A » BF * fA * B)M 1HHL!F - UF - A *4'A WA W iHHLH卜d AB貧 aH和矗F AB加人加!MHHLf- = ABF -F AB JDfiA an 1HHHH- AF + AF =5 J K厦4功亚木&睥M -r LAJS,S.試“M MCt , H k *进竝】刊=L 右瞎谅LLLLF A+ A= A t® 1LLLHF - A * HF弋4冉+林、算1L止HLF = A 廿F

10、 w < A * B J EU J.L化HH卩匸df = *c i c a>F LHL1.F » ARF ' A UDABF = A ftJABJX I1_HLHF * IB1 - tA - B ilQA H卜<aanAtfflr i1-H»L.F A .:JRH A« tF = A *BI-HHHF i ABF A1F & ABHLLLF = A * 日F - ABF-A ftA tl tin IHLL卜 A”F 土 A flpH卜亠A anM址丄H1.HLF - BF = A * U J JDAtit- <A * K 卞

11、 * U .临*ULHHF ARPM 1F ADHHLL卜 1F - A MA *f a jbx a； ff|HLHF * A *li卜"i A 4F : (A 1 H Ifi. aj LHHHLF * A Brr « &iMiA卜卫（A呻抽机丸w nHHHHF At * A » 1F A :Hi-离电腎 L算帼T- XiX»*J£ l 牛总福悅74LS273芯片介绍：1.芯片图：抵 8Q 3D 7D 7Q 6Q 6D 5D 5Q CLOCK,I丨丨丨I T丨丨丨120 19 18 17 16 15 14 13 12 1174LS273

12、1123456789 10nI II I II r I rCLUR ID 1Q 2D 20 3Q 3D 4D 4Q GND2.逻辑功能：SN74LS273是一个8位的高速寄存器，这种触发器由8种D触发器组成，具 有共同的时钟和异步活动的低电平控制端。74LS299芯片介绍：1.芯片图：Vcc 5i 片？ Qy I/O; l/0S I/O3 fO CP OSO20 | 1? 1817 1< |1? | 14 131Z1111 II 2 II 3 II 45 | 6 | 7 | 89io|Sq OE OE HO曲"Qj 00j II.1 Uq Qq MIR. GIND2.逻辑功能:

13、FUhiCTlQM TABLEiWlTI.*WTHJTV0UTRJT1CLHruwrim liLET 貂9QWlTUir匚j :scmiii5L 彌亡宀心心t辭X0*%LLLIX$KLLLLLLLLLLLILKILX鸣LLtLIYf LLLHHXXMXMI*XXKKLLHlLL,l%XMQ*a%«G0°r»°caqhqa»0HKL1MOjlh时ocom，5* uga” °I-BImiir頼科MLHLL1M.H甘Qd n0升H8卢HrtII11LL % 町*apo%口和LOQn随l* L#4«HMiLIK.1H%sCQnO&q

14、uot;M*HHHLI1IL%OCa%Q“a”Q(a%LLwi14d囂rMa*b-«.£«I*Am feQA IM此<1 wmll： M Mh EM 44HB 斗(31* WffMIN* HM MFi-: JMI*,HqMttWVijI M 441 OF VMhta1松申 a 4 I ha '峙wf. m i«-i<cipd74LS373芯片介绍：1.芯片图：SN74LS27Vcc 0?0) JV Os O5 Di 创偽 LE1| 30 | 1918 fl71 IBni1312 Jn|11 1 23| 4 J 5LJLlI89 1 1

15、0 1DE 0q Dq D O| Oj D? Dj O3 GND2.逻辑功能：74LS273为8D触发器，CLR为低电平有效的清除端，当CLR =0时，输出全 为0且与其他输入端无关；CP端是时钟信号，当CP由低电平向高电平跳变时刻， D端输入数据传送到Q输出端。74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于单片机的三总线结构中，数 据线与地址线的低8位共用P0 口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信 号区分开。74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存控制信号 ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址 6116芯片介绍:1.芯片图Vcc As 也 WE OE AioCS24 23

16、 22 21 20 19 IS 17 1& 15 14 136116-j f f ° 呂勺 1* l* LfAt At As A4 As Aa Ai Ao I/OiI/QaVQgGND2.逻辑功能6116有11条地址线AOA1O; 8条双向数据线1/001/07 ; CE为片选线， 低电平有效；WE写允许线，低电平有效；0E读允许线，低电平有效。6116的 操作方式如下表所示。表：6116功能表：CE0EWE式TI/O0 I/07HXX未选中高阻LLH读0（07LHL写I0 I7LLL写I0 I74. 设计微程序流程：根据机器指令系统要求，设计微程序流程图并确定微地址。（参考

17、图2）要求: 拟出各指令的读取与执行流程，及其操作时间表。按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转移为联机操作时的十六进制格式文件32 31 302928262524232221201918171615ARA备用A9A8C，ELOADCNMSCS1S2S3BJLDAR1413121110987654321LDPCLDIRDDR2DDR1LDRiWEUA0UA1UA2UA3UA4UA5BSWA字段323130选择000001PC-B010AL-U-B011299-B100RS-B101RD-B110RI-BB字段162选择测试字0001P

18、 (1)识别操作码10P (2)判寻址方式11P (3)条件测试说明：DDR1 表示 LDDR1 ； DDR2 表示 LDDR2121DO AKIIINKFPCKPC-加K->«际如54 w1 dAM-XiL4W-MU；*B4* 03tUB團TH®1C4 04*c®tea2w-w->BL5->*WK*旳i肿1C1C<1壮ALWB7AJMFGZG< ic4ie- 1F=uH-jai5右-Mi!M->4iu4krH伽 M-说-.U L：4 soP IIIMCAN 口COMRRCRlCClftMOVADCsuei2E 'iii

19、Ih"|曲-fi5TtfDf 3F则律"ES-BPm 卿 | |hi->uk耳沁jiHF廉gBS01rec4 if4 its41*f1A01»->nan-iwth ->lrt«miTOC4 ioQI4 u* 1®1BCfil-DFi«i卜0124匕01I H0101014 02DI015编写程序 :（1）利用PC机编写程序，并记录单步，宏单运行时的微指令显示，微地址显 示，数码管显示结果；（2） 分析单步运行时数据通路和各部件的运行情况。编写的程序如下：P00 84； IN R0P01 85； IN R1P02 21

20、； ADD 30H ， R1P03 30P04 11； MOV R1， R2P05 F2 ； RLC R2P06 E0 ； RL R0P07 22 ； ADD R2 ， R0P08 C0 ； RRC R0P09 60； STA 0BH ， R0P0A 0BP0B 80； OUT BUS ， 0AHP0C 0AP0D A0 ； JMP 00HP0E 00P0F C0 ； HAIT五 . 处理程序：1 机器程序和与其对应的微控制程序的写入：在联机状态下，首先应打开cmbl.abs （模型机一机器指令及对应微指令 编辑文本），然后点击“！”图标进入连接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试窗口 表示代码及微

21、代码下载已成功，进入 Win dows95在线集试调试环境。2运行程序：单步运行微程序键入数字键00 （ PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”命令键，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。单步运行机器程序键入数字键00H（PC地址），然后每按动一次“宏步”命令键，运行一条机器 指令。对照机器指令程序，观察微地址显示灯是否和流程一致。程序设连续运行与暂停程序键入数字键00H（ PC地址）,按动“运行”命令键使模型机进入实时运行状态。在实时运行状态按“宏单”键执行的暂停命令，使模型机进入停机状态，参照机 器指令及微程序流程图，将实验现象与理论分析比较。3程序装载在联机状态下，首先应打开 （模型机三机器指令及对应微程序编辑文 本），然后单击“！”图标进入连接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试框表示代码 代码及微代码已下载成功， 已进入在线集试调试环境： 使用者若打开示图窗后再 点击与运行相关的图标，PC以追踪方式动态显示模型机运行轨迹。六 程序运行结果记录及分析：七.实习总结：通过对计算机组成原理的学习，深刻体会到了计算机的硬 件和软件是不可分割的整体，它