计算机硬件系统课程设计

1、计算机硬件系统设计课程设计指导书计算机科学与技术学院计算机科学与技术系二六年目 录1前言12复杂模型机设计23计算机控制系统设计9前 言本指导书用于全日制大学本科计算机专业学生学习完计算机组成原理、汇编语言、计算机接口技术等课程后进行全面综合训练的计算机硬件系统课程设计，目的在于加深对基本知识的理解，巩固所学理论知识，拓宽知识面，进一步掌握计算机及计算机控制系统的设计与实现过程，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力。第一部分 复杂模型机的设计与实现【目的与要求】综合应用所学计算机组成原理和汇编语言知识，设计并实现较为完整的模型计算机，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力。【设计内容

2、】一设计所用实验设备本设计使用Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，PC机一台和一组连接线。二设计原理在完成基本实验线路连接的基础上增加条件测试信号CZ标志的连接，连接方法是：用二芯排线把位于实验装置左上方运算器(左边181)的左下侧CYCZ接口与位于实验装置红色拨码开关右下方的FCFZ接口相连接。若在联机状态下，启动模拟软件后，首先应打开文件mxj3.abs，装入模型机3的实验程序及机器指令对应的微程序，然后点击“!”图标进入链接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试窗口，表示机器代码及微代码下载已成功，进入windows在线集成调试环境，可编辑机器语言程序和微程序，并进行调试和运行。如

3、在脱机装态时，在闪动的“P.”状态下，键入数字键“3”(复杂模型机代号)，然后再键入“装载”命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器实验程序及与其对应的微程序，装载完毕自动返回“P.”等待命令。1.数据格式模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：76 5 4 3 2 1 0符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-128X127（定点整数），-1X<1（定点小数）。2.指令格式模型机设计五大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、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：

4、7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：Rs或 Rd代表选定的寄存器00R001R110R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。 访存指令和转移指令模型机设计2条访存指令、即存数指令（STA）、取数指令（LDA）；2条转移指令，即无条件转移指令（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：76 543 21 00M0OP-CODERDD其中，OP-CODE为操作码，RD为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为形式地址，如为位移量，正负均可，M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址

5、E说明00E=D直接寻址或立即寻址01E=（D）间接寻址10E=（RI）+DRI变址寻址11E=（PC）+D相对寻址模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。 I/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=01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LED作为输出设备。 停机指令HALT指令，用于实现停机操作，指令格式如下 ：7 6 5 43 21 0OP-CODE0 00 03. 指令系统模型机有16条基本指令，其中算术逻辑运算

6、指令9条，访问内存指令2条，程序控制指令2条，输入输出指令2条，其它指令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 指令格式及功能汇编符号指 令 格 式功 能CLR rd111000RD0RD MOV rs, rd0001RSRDRSRD ADC rs, rd0011RSRDRS+RD+cyRD SBC rs, rd0101RSRDRS- RD-cyRD INC rd0111RSRDRD+1RDAND rs, rd1001RSRDRSRDRDCOM rs, rd1011RSRD RD变反RD RRC rs, rd1101RSRDRS带进位右移后送RDRLC rs, rd1111R

7、SRDRS带进位左移后送RDLDA M, D, Rd0M000RDERD STA M, D, Rd0M001RDRDEJMP M,D0M01000EPCBZC M,D0M01100CY=1或Z=1时，EPCIN addr, rd100001RDaddrRDOUT addr, rd101010RDRDaddrHALT11000000停机4微指令格式微指令字长32位，格式如下所示：32 31 30292827262524232221201918171615AARLDR2LDR1A9A8CELOADCNMS0S1S2S3BLDAR1413121110987654321LDPCLDIRDDR2DDR1

8、LDRDWEUA0UA1UA2UA3UA4UA5BSW A字段译码后产生总线接收控制信号，如表2所示。表2 A字段译码后的控制信号323130选择000001PC-BUS010ALU-BUS011299-BUS100RS-BUS101RD-BUS110RI-BUS B字段译码后产生的操作选择控制信号如表3所示。 表3 B字段译码后产生的控制信号16 2选择测试字0001P（1）识别操作码10P（2）判寻址方式11P（3）条件测试微指令中的控制信号说明：第29位AR控制进位，第25、26位控制输入和输出。第17位到第22位控制运算器，第9位和第24位控制存储器，第11、12位控制暂存器，第3位到

9、第8位是下条微指令地址。5 模型计算机实验程序模型计算机的实验程序（mxj3.abs）如下，可供分析参考：地址 代码 助记符$P00 84 IN 01，R0$P01 86 IN 01，R2$P02 38 ADC R2，R0$P03 11 MOV R0，R1$P04 F0 RLC R0，R0$P05 0C BZC $P06 00 $P07 C0 HALT在联机状态，可通过模拟软件在菜单上选择相关命令，单步运行微程序，单步运行机器程序，连续运行程序。如在脱机状态，可按复位键后，按以下方式运行。（1）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。

10、对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。（2）单步运行机器程序 键入数字键00H（PC地址），然后每按动一次“宏单步”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。（3）程序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。6. 模型计算机数据通路框图模型计算机数据通路结构如图1所示，运行程序时可在图中看到指令流、数据流及各寄存器内容的变化。打开调试窗口，可观察到所执行指令及地址，所执行微指令及微地址。图1 模型机数据通路框图7系统控存内容系统控存内容

11、如表4所示，可供分析指令流程时参考。表4 系统控存内容地址代码功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR 按OP和寻址方式转0300800420RAMDR1040080C038RAMAR按OP转05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1按OP转0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR20CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD0E00000080空操作0FA0000

12、408RDDR11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1变反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0DR1DR11400000000空操作1540000280/50000280DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DR1DR2RD1840300280DR1变反RD19601400D8299带进位右移1A601800D8299带进位左移1B60000280299RD1C40200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E406020

13、80/405F2080DR1PC1F00008072BZC20200060C0按OP 转和按寻址转，PCAR, PC+12180000280 RSRD22200060A0 PCAR, PC+12380000430RSDR12420006060PCAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT 微地址不变2D800C0098RS299移位器2E401C02800RD2F800C00

14、58RS299移位器3040140280三设计任务 1运行几条指令，按照系统的微指令格式和模型计算机数据通路框图分析其流程，写出所分析机器指令的微程序。 2.增加一条新指令，为其编制微程序。3. 编制程序，应能完成下列功能之一：（1）乘法运算。（2）除法运算。（3）连加或连减运算。（4）其他功能。将编制的程序翻译成二进制代码程序，并将二进制代码程序替换实验程序，作为一个新文件保存（扩展名用abs），进一步运行程序，参照机器指令及微程序流程图，观察运行过程及结果，将实验现象与理论分析比较。四. 设计总结对设计进行分析和总结，如何解决设计过程中出现的问题，写出本次设计的收获及感想。第二部分 计算机

15、接口部分【目的与要求】综合应用所学计算机接口和汇编语言原理和知识，设计并实现较为完整的计算机控制系统，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力【设计内容】一设计所用实验设备硬件环境：设计采用北京精仪达盛科技有限公司的CPU挂箱，8086CPU模块（或8051CPU模块），接口挂箱及相应的扩展模块，PC机一台。软件环境：8086集成开发环境或8051集成开发环境。二设计原理利用实验系统提供的硬件环境设计一个模拟的计算机控制系统，用开关和显示灯作为模拟对象。下面的示例给出一个通过开关控制LED灯按一定规律亮或灭的设计原理。1. 设计示例接线设计示例接线如图1所示。图1 系统接线图系统接线：825

16、5接CS0；8253接CS1；A口接输入，B口接输出，C口接clk的输出；CLK3CLK0；OUT0CLK1；OUT0CLK2；OUT1PC0；OUT2PC1。在此硬件连接基础上实现如下功能：通过拔键开关输入1、2或其它，实现输出的慢闪、快闪和常亮三种方式工作。2. 示例程序流程图相应的示例程序流程图如图2所示：图2 示例程序流程图3.示例程序示例程序如下：;硬件课程设计示例程序;文件名称：example01.ASM;功能说明：通过拔键开关输入1，2或其它，实现输出的慢闪、快闪和常亮三种方式工作;目标器件：微机接口实验平台;当前版本：1.0;接线方式：; 8255接CS0;8253接CS1;

17、A口接输入，B口接输出，C口接clk的输出; CLK3->CLK0;OUT0->CLK1;OUT0->CLK2;OUT1->PC0;OUT2->PC1;常量定义pa8255 equ 04a0hpb8255 equ pa8255+2pc8255 equ pa8255+4con8255 equ pa8255+6clk0 equ 04b0hclk1 equ clk0+2clk2 equ clk0+4conclk equ clk0+6;伪指令assume cs:code code segment public org 100hstart: ;时钟初始化;mov dx,co

18、nclk;控制寄存器mov ax,36h;计数器0，方式3out dx,axmov dx,clk0mov ax,7Chout dx,axmov ax,92hout dx,ax;计数值927Chmov dx,conclkmov ax,76h;计数器1，方式3out dx,axmov dx,clk1mov ax,04hout dx,axmov ax,0;计数值32hout dx,axmov dx,conclkmov ax,0b6h;计数器2，方式3out dx,axmov dx,clk2mov ax,0chout dx,axmov ax,0;计数值04hout dx,ax;8255初始化;mov

19、dx,con8255;控制寄存器地址mov ax,99h;设置为A口输入，B口输出，C口输入out dx,axstart1: mov dx,pa8255;A口地址in ax,dx;输入cmp al,01hjz L1cmp al,02hjz L3;灯常亮mov ax,0aahmov dx,pb8255;B口地址out dx,axcall delayjmp start1L1:jmp near ptr LOne ;相对寻址近转移示例L3:jmp near ptr LThree;灯闪亮1LOne: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz LTwomov

20、ax,0ffh mov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;输出jmp start1LTwo:;变量的使用mov al,cs:var1mov cs:var1+1,almov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;输出jmp start1;灯闪亮2LThree: mov dx,pc8255LFour:mov ax,050h mov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;输出jmp start1 ;子程序delay: mov cx, 2710h;time delaydelay1: nop noploop delay1ret ;下面放着变量定义var1 db 55h,

21、?code endsend start三设计任务在上述示例程序的基础上，按照示例程序的方法，讨论课程设计的实现方案，构建相应的硬件系统，并在硬件系统上设计实现相应的程序，完成如下题目之一。1汽车信号灯控制系统设计并制作出汽车信号灯微机控制系统；所需执行的操作由相应的开关状态反映，所需控制的信号灯有仪表板左/右转弯灯、左右头灯和左右尾灯共六类灯，其驾驶操作与灯光信号对应关系如下：（1）左/右转弯(合上左/右开关)：仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁。（2）紧急开关合上：所有灯闪烁。（3）刹车(合上刹车开关)：左右尾灯亮。（4）左/右转弯刹车：仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯

22、闪烁，右/左尾灯亮。（5）刹车、合上紧急开关：尾灯亮、仪表板灯、头灯闪烁。（6） 左/右转弯刹车，并合上紧急开关：右/左尾灯亮，其余灯闪烁。（7） 停靠(合上停靠开关)：头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁。（8）有10种输入选择，影响6个灯输出，对应关系如表1所示：表1 操作和灯的对应关系驾驶操作头灯仪表灯尾灯左右左右左右左转弯闪灭闪灭闪灭右转弯灭闪灭闪灭闪紧急开关合上闪闪闪闪闪闪刹车灭灭灭灭亮亮左转弯刹车闪灭闪灭闪亮右转弯刹车灭闪灭闪亮闪紧急刹车闪闪闪闪亮亮紧急左转刹车闪闪闪闪闪亮紧急右转刹车闪闪闪闪亮闪停靠闪闪灭灭闪闪2. 家用电风扇控制系统（1）设计并制作一个家用风扇控制器。控制器面板为：按钮三个，分别为风速、类型和停止，LED指示灯六个，指示风速强、中、弱，类型为睡眠、自然和正常。（2）电扇处于停转状态