毕业设计-基于模型机设计与实现

基于模型机设计与实现论文院系：戚墅堰计算机08本专业班级：学号：学生姓名：仲倩囡指导教师：王俊2010年9月24日摘要随着科技的开展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化的生活阶段。本次论文设计课题是基于模型机的设计与实现，它正表达了这一点。利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程及实验中所学到的实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写指令的应用程序，用微程序控制器实现一系列的指令功能，最终到达将理论与实践相联系。该设计完成了各指令的格式及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序，实现特定指令的功能。首先向存储器〔RAM〕中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行。另外，还需设计三个控制台操作微程序：存储器读操作〔READ〕，存储器写操作〔WRITE〕，运行程序(RUN)。以上各微指令设计完毕后，连接线路在ZY15CompSys12BB计算机组成原理教学实验箱运行程序，并将实验结果显示输出。这一设计的实现不仅使我对各种微指令有了熟练的掌握，更对以后的学习、工作带来深远的影响。关键词：微指令，机器指令，READ，WRITE,RUN，ZY15CompSys12BB目录TOC\o"2-3"\h\z\t"标题1,1"摘要I1设计背景12设计目标23概要设计23．1设计目的23．2设计仪器23．3设计内容24详细设计94．1系统需求分析94．2系统目标94．3功能分析94．4详细步骤9总结13参考文献〔资料〕14设计背景通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，尝试设计六条机器指令，并编写相应的微程序，完成由根本单元电路构成一台根本模型机，再经过调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的正常工作控制信号。在设计根本模型机的实验过程中，个别部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本毕业设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一条微程序。本毕业设计要求实现六条机器指令：IN〔输入)，与AND〔逻辑乘〕，STA〔存数〕，OUT〔输出〕，或OR〔逻辑加〕，异或XOR〔逻辑异〕的输入，输出。重点主要在逻辑运算的设计中。设计目标在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的根底上，将第一局部中的各单元组成系统，构造一台根本模型计算机。本次毕业设计主要是为其定义六条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。用微程序控制器实现以下指令功能，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，自拟编写加ADD,减SUB,循环左移RLC的应用程序。全部微指令设计完毕后，编写二进制代码，即使每条指令代码化。连接线路在ZY15CompSys12BB计算机组成原理教学实验箱上运行，并显示输出实验结果。概要设计3．1设计目的1.在掌握部件单元电路实验的根底上，进一步将其组成系统构造一台稍微复杂的模型计算机；2.为其定义六条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念3．2设计仪器TDX—CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线假设干；PC机一台。3．3设计内容部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能，这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。本实验采用六条机器指令：IN，OUT，STA，加ADD，减SUB，循环左移RLC其指格式如下：为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB，SWA为“00”时，按START微动开关,可对RAM连续手动读操作。存储器写操作:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA置为”01”时,按START微动开关可对RAM进行连续手动写入.启动程序:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA置为“11”时,按START微动开关,既可转入到第01号“取址”微指令,启动程序运行.上述三条控制台指令用两个开关SWBSWA的状态来设置,其定义如下：SWBSWA控制台指令001011读内存〔KRD〕写内存〔KWE〕启动程序〔RP〕表3-1读写变化根据以上要素设计数据通路框图,如图3-1：图3-1数据通路框图微代码定义如表3-2所示：微程序2423222120-19181716151413控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0表3-2微代码的定义A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000.000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC表3-3A，B，当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P1测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1测试结果出现多路分支。本次毕业设计用指令存放器的前4位〔I7-I4〕作为测试条件，出现6路分支，占用6个固定微地址单元。控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWB，SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。当全部微程序设计完毕之后，应将每条微指令代码化：PC->ARPC->ARPC+1RAM->BUSBUS->IRP1SW->R0R0->299PC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1RAM->BUSBUS->DR2R0->DR1DR1+DR2->R0DR1->LEDRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARR0->BUSBUS->RAMRAM->BUSBUS->DR1RAM->BUSBUS->DR2DR1->LEDDR1->LEDDR1->LEDR0->DR1DR1-DR2->R0R0->DR1带进位循环右移299-G->R0R0->DR1010210INADDSTAOUTSUBRLC10111213141501030716313504261732360501253337063425013701012501控制台0020P4P4WRITE〔01〕READ(00)RUN(11)212023PC—>ARPC—>ARPC+1PC—>ARPC+1RAM—>BUSBUS—>DR1RAMRAM—>BUSBUS—>DR1RAM—>BUSBUS—>DR12422013027DR1—DR1—>RAMDR1—>RAM图3-1微程序流程图微地址S3~CNRDM17MABPuA5~uA00000000001100000010001000001000000011110110110000010020000000011000000010010000300000000111000000000010004000000001011000000000101050000000110100010000001100610010101100110100000000107000000001110000000010110100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001100115001100011000001000011101160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000101000001000000001270000011100001010000100003000000110100010100001000131000000001110000000000100320000000010110000000001013300000001101000100000011034011000011001101000011111350001100110001000000111103600000001100110000001111137000000011010001000010101表3-4二进制微代码表下面介绍指令存放器〔IR〕：指令存放器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把他从内存取到缓冲存放器中，然后再传送至指令存放器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试[P(1)]，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器：”〔实验板上标有“INSDECODE”的芯片〕根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备〔INPUTDEVICE〕；另一种是数码块，它作为输出设备〔OUTDEVICE〕。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号〔W/E〕有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。详细设计4．1系统需求分析一台计算机所能执行的各种指令集合称为指令系统或指令集。一台特定的计算机只能执行自己指令系统中的指令。因此，指令系统就是计算机的机器语言。指令系统表征着计算机的根本功能和使用属性，它是计算机系统设计中的核心问题。指令系统的设计主要括指令功能、操作类型的设计，寻址方式和指令格式的设计。计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系，指令系统反映了计算机的主要属性，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。指令是计算机执行某种操作的命令，而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。4．2系统目标在根本模型机的根底上改良并实现IN,OUT,STA,加ADD,减SUB,循环左移RLC六条指令。4．3功能分析该系统实现的功能是对输入的数据可以和内存中的数据进行连续的加、减及循环左移运算，并对其结果进行存储，显示等功能，从而得到一个简易的复杂模型机所实现的功能。4．4详细步骤(1)按图4-1连接实验线路。B7BUSUNIT|||B0W/RUNITT4T3T2T1WETS4TS3￠TS2TS1STATEUNITH24SIGNALUNITB7S3|||AUJ3|||B0CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITB7LDR0||RO-B|B0REGUNITB7LDAR|LOAD||PC-BB0LDPCADDRESSUNITM24|M18|SE6||M19||SE1LDDR1LDDR2P(1)P(4)ALU-BLDIPLDR1RS-BLDARLOADPC-BM16LDPCM17MICRO-CONTROLLERSWBSWASE6|||SE1I7|P(1)|P(4)|LOGUNITI2SWITCHUNITSWBSWAI7|||I2INTUNITLDIRINPUTDEVICED7|||D0SW-BA8A9Y0EXUNITY1D7||Y2|D0D7LED-B|||W/RD0OUTPUTDEVICEA7|||A0W/RD7|||D0MAINMEMCEAD7D7||||||AD0D0W/REXTBUSB7BUSUNIT|||B0W/RUNITT4T3T2T1WETS4TS3￠TS2TS1STATEUNITH24SIGNALUNITB7S3|||AUJ3|||B0CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITB7LDR0||RO-B|B0REGUNITB7LDAR|LOAD||PC-BB0LDPCADDRESSUNITM24|M18|SE6||M19||SE1LDDR1LDDR2P(1)P(4)ALU-BLDIPLDR1RS-BLDARLOADPC-BM16LDPCM17MICRO-CONTROLLERSWBSWASE6|||SE1I7|P(1)|P(4)|LOGUNITI2SWITCHUNITSWBSWAI7|||I2INTUNITLDIRINPUTDEVICED7|||D0SW-BA8A9Y0EXUNITY1D7||Y2|D0D7LED-B|||W/RD0OUTPUTDEVICEA7|||A0W/RD7|||D0MAINMEMCEAD7D7||||||AD0D0W/REXTBUS4-1实验线路图(2)写程序联机读/写程序按照规定格式，将机器指令及表5－2微指令二进制表成十六进制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代码微将表5－2中的24位微代码按从左到右分成3个8位，将此三个8位二进制代码化为相应的十六进制数即可。程序$P0000

$P0110

$P020A

$P0320

$P040B

$P0530

$P060B

$P0740

$P080A

$P0950

$P0A01微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E016$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED99$M0D31821D$M0E00E00F$M0F00A$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M16028201$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A$M1C$M1D19881E$M1E01981F$M1F01A(3)运行程序①.单步运行程序A使编程开关处于”RUN’的状态,STEP为”STE