復(fù)雜試驗(yàn)計(jì)算機(jī)組成及加法,右移指令程序設(shè)計(jì)

1、 沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙 No19課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 院信息學(xué)院專 業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名付磊班級(jí)學(xué)號(hào) 1003050424課程設(shè)計(jì)題目復(fù)雜試驗(yàn)計(jì)算機(jī)組成及加法，右移指令程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):利用EL-JY-II型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀提供的硬件資源，通過(guò)設(shè)計(jì)（包括整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、指令設(shè)計(jì)、微程序設(shè)計(jì)、微指令設(shè)計(jì)、調(diào)試程序設(shè)計(jì)等）、組裝、調(diào)試三個(gè)步驟完成一臺(tái)微程序控制的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。具體要求如下：1、 掌握實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)。熟悉實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的組裝和調(diào)試方法。2、 設(shè)計(jì)如下幾條機(jī)器指令的格式，指令格式可以采用單字長(zhǎng)或雙字長(zhǎng)設(shè)計(jì)。算術(shù)加法運(yùn)算指令：ADD rs，rd （功能rs

2、+ rd -> rd）輸入輸出指令：IN #DATA，rd （功能DATA -> rd） OUT Ri （功能Ri的值 -> LED輸出）右移位運(yùn)算指令：RRC rs，rd（功能rs的值帶進(jìn)位循環(huán)右移一位-> rd）轉(zhuǎn)移指令： JMP ADDR （功能ADDR -> PC）3、 設(shè)計(jì)微指令的格式, 編寫上述每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試。4、通過(guò)如下程序的編寫調(diào)試，驗(yàn)收機(jī)器指令、微指令、微程序的設(shè)計(jì)結(jié)果。IN #data，R0IN #data R1IN #data，R2ADD R0，R1ADD R1,R2RRC R2, R1OUT R0JMP 00H工作計(jì)

3、劃與進(jìn)度安排: 第19周：布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱資料，分組設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室組裝與調(diào)試。 第20周：調(diào)試，驗(yàn)收，答辯，編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。指導(dǎo)教師： 2012年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人： 2012年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)： 2012年 月 日沈陽(yáng)理工大學(xué)目 錄1實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)1 1.1 整機(jī)邏輯框圖1 1.2指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 1.3微指令的格式設(shè)計(jì)及微操作控制部件的組成原理3 1.3.1微指令編碼的格式設(shè)計(jì)31.3.2 微操作控制信號(hào)設(shè)計(jì)41.3.3 微程序順序控制方式設(shè)計(jì)6 1.4微程序設(shè)計(jì)10 1.4.1 每條指令對(duì)應(yīng)的微程序流程圖101.4.2 每段微程序中各微指令的二進(jìn)制編碼、16進(jìn)制編碼131.

4、4.3 每段微程序在控存中的存放位置14 1.5 編寫調(diào)試程序163 調(diào)試部分18 3.1調(diào)試前準(zhǔn)備18 3.2程序調(diào)試過(guò)程19 3.3 結(jié)果分析204 心得體會(huì)205 參考文獻(xiàn)201實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)1.1 整機(jī)邏輯框圖圖 1.1邏輯框圖1.2指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)共有14條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令8條，訪問(wèn)內(nèi)存指令和程序控制指令4條。輸入輸出指令2條。表8-1列出了各條指令的格式、匯編符號(hào)和指令功能。 表1.1 匯編符號(hào)指令的格式功 能MOV rd，rs ADD rd，rs SUB rd，rs 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd rs rd rs+rd rdr

5、d-rs rdINC rdAND rd，rsNOT rdROR rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd rd+1 rdrsrd rdrd rd rd ROL rd 1111 rd rd rd MOV D，rd 00 10 00 rd D rd D MOV rd, D 00 10 01 rd D D rd MOV rd, D 00 00 01 rd D D rd JMP D 00 00 10 00 DIN rd, KINOUT DISP，rd 0100 10 rd 0100 01 rd KIN rd rd DISP1.3微指令的格式設(shè)計(jì)及微操

6、作控制部件的組成原理1.3.1微指令編碼的格式設(shè)計(jì) 1、 數(shù)據(jù)格式：本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長(zhǎng)為16位，其格式如下：1514 13. 0符號(hào)尾 數(shù)其中第16位為符號(hào)位，數(shù)值表示范圍是：-32768X<32767。2、 指令格式：1）算術(shù)邏輯指令 設(shè)計(jì)9條單字長(zhǎng)算術(shù)邏輯指令，尋址方式采用寄存器直接尋址。其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODErsrd其中OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：OP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROL

7、 Rs或rd選定寄存器00Ax01Bx10Cx 9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見(jiàn)表8-2。 2）存儲(chǔ)器訪問(wèn)及轉(zhuǎn)移指令 存儲(chǔ)器的訪問(wèn)有兩種，即存數(shù)和取數(shù)。它們都使用助記符MOV，但其操作碼不同。轉(zhuǎn)移指令只有一種，即無(wú)條件轉(zhuǎn)移（JMP）。指令格式如下： 7 65 43 21 000MOP-CODErdD其中OP-CODE為操作碼，rd為寄存器。M為尋址模式，D隨M的不同其定義也不相同，如下表所示：OP-CODE000110指令說(shuō)明寫存儲(chǔ)器讀存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)移指令尋址模式M有效地址ED定義說(shuō) 明00E=（PC）+1立即數(shù)立即尋址10E=D直接地址直接尋址11E=100H +D直接地址擴(kuò)展直接尋址 注

8、：擴(kuò)展直接尋址用于面包板上擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的尋址。3）I/O指令 輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，當(dāng)OP-CODE=0100且addr=10時(shí)，從“數(shù)據(jù)輸入電路”中的開(kāi)關(guān)組輸入數(shù)據(jù)；當(dāng)OP-CODE=0100且addr=01時(shí)，將數(shù)據(jù)送到“輸出顯示電路”中的數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微程序字長(zhǎng)共24位，其控制位順序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0、三個(gè)字段的編碼方案如表8

9、2： F1字段F2字段F3字段15 14 13選擇12 11 10選擇9 8 7選擇0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定義0 1 1自定義0 1 1自定義1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P 41 1 1無(wú)操作1 1 1無(wú)操作1 1 1無(wú)操作1.3.2 微操作控制信號(hào)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)三個(gè)控制操作微程序：存儲(chǔ)器讀操作（MRD）：撥動(dòng)清零開(kāi)關(guān)CLR對(duì)地址、指令寄存器清零

10、后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“00”時(shí)，按“單步”鍵，可對(duì)RAM連續(xù)讀操作。 存儲(chǔ)器寫操作（MWE）：撥動(dòng)清零開(kāi)關(guān)CLR對(duì)地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“10”時(shí)，按“單步”鍵，可對(duì)RAM連續(xù)寫操作。啟動(dòng)程序（RUN）：撥動(dòng)開(kāi)關(guān)CLR對(duì)地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“11”時(shí)，按“單步”鍵，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取指”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。注：CA1、CA2由控制總線的E4、E5給出。鍵盤操作方式時(shí)由監(jiān)控程序直接對(duì)E4、E5賦值，無(wú)需接線。開(kāi)關(guān)方式時(shí)可將E4、E5接至控制開(kāi)關(guān)CA1、CA2，由開(kāi)關(guān)來(lái)控制。表 1.2指令助記符控制信號(hào)取指微指令PCO

11、,BIRC,B2,B3,CI,GIP+1,CKMLDADD rd，rsLDR1，LDR2，LT1，LT2SUB rd，rsLDR1，LDR2，LT1，LT2AND A,AiOB,CC,CGRR,A,B,CT,OT,Cn,M,S3,S2,S1,S0,X0,X1,CA,SA,SB,CPOR A,AiOB,CC,CGRR,A,B,CT,OT,Cn,M,S3,S2,S1,S0,X0,X1,CA,SA,SB,CPXOR A,AiOB,CC,CGRR,A,B,CT,OT,Cn,M,S3,S2,S1,S0,X0,X1,CA,SA,SB,CPNOT AOB,CT,OT,Cn,M,S3,S2,S1,S0,X0,

12、X1,CADEC AiA,B,RR,CT,OTCn,M,S3,S2,S1,S0X0,X1,CAOB,A,B,WRINC AiA,B,RR,CT,OTCn,M,S3,S2,S1,S0X0,X1,CAOB,A,B,WRMOV Ai,AjA,B,RR,CT,OT,Cn,M,S3,S2,S1,S0X0,X1,CAOB,A,B,WRNOT AiA,B,RR,CT,OTCn,M,S3,S2,S1,S0X0,X1,CAOB,A,B,WR1.3.3 微程序順序控制方式設(shè)計(jì)微程序控制部件組成原理三片EEPROM2816構(gòu)成24位控制存儲(chǔ)器，兩片8D觸發(fā)器74LS273和一片4D觸發(fā)器74LS175構(gòu)成18位微命

13、令寄存器，三片3線-8線譯碼器74LS138對(duì)微命令進(jìn)行譯碼。三片 2D觸發(fā)器 74LS74構(gòu)成6位微地址寄存器，它們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測(cè)試的情況下，T2時(shí)刻打入微地址器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng)T4時(shí)刻進(jìn)行測(cè)試判別時(shí)，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過(guò)強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。SA5SA0 為微控制器電路微地址鎖存器的強(qiáng)置端輸出。在該電路中有一組開(kāi)關(guān)K1，K2，K3，K4，它們可以設(shè)成三種狀態(tài)：寫入，讀出和運(yùn)行。當(dāng)處于“寫入”狀態(tài)時(shí)，可以根據(jù)微地址和微指令二進(jìn)制代碼寫入到2816中。當(dāng)處于“讀出”狀態(tài)時(shí)，可以將寫入的二進(jìn)制代碼讀出，從而可以對(duì)寫入控存的

14、二進(jìn)制代碼的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)處于“運(yùn)行”狀態(tài)時(shí)，只要給出微程序的入口微地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動(dòng)執(zhí)行微程序。圖 1.2 程序控制部件組成微程序入口地址形成方法 由于每條機(jī)器指令都需要取指操作，所以將取指操作編制成一段公用微程序，通常安排在控存的0號(hào)或特定單元開(kāi)始的一段控存空間內(nèi)。 每一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)著一段微程序，其入口就是初始微地址。首先由“取指令”微程序取出一條機(jī)器指令到IR中，然后根據(jù)機(jī)器指令操作碼轉(zhuǎn)換成該指令對(duì)應(yīng)的微程序入口地址。這是一種多分支(或多路轉(zhuǎn)移)的情況，常用三種方式形成微程序入口地址。 （1）一級(jí)功能轉(zhuǎn)移 如果機(jī)器指令操作碼字段的位數(shù)和位置固定，可以直接使操作碼與入口地

15、址碼的部分位相對(duì)應(yīng)。例如，某計(jì)算機(jī)有16條機(jī)器指令，指令操作碼用4位二進(jìn)制數(shù)表示，分別為0000、0001、1111。現(xiàn)以字母Q表示操作碼，令微程序的入口地址為Q11B，例如000011B為MOV指令的入口地址，000111B為ADD指令的入口地址，001011B為SUB指令的入口地址。 （2）二級(jí)功能轉(zhuǎn)移 若各類指令的操作碼的位數(shù)和位置不固定時(shí)，需采用分級(jí)轉(zhuǎn)移，第一次先按指令類型標(biāo)志轉(zhuǎn)移，以區(qū)分出指令屬于哪一類，如單操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令等。在每一類機(jī)器指令中的操作碼的位數(shù)和位置應(yīng)當(dāng)是固定的，第二次即可按操作碼區(qū)分出具體是哪條指令，以便轉(zhuǎn)移到相應(yīng)微程序入口。 （3）通過(guò)PLA電路實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)

16、移 可編程邏輯陣列PLA實(shí)質(zhì)上是一種譯碼-編碼陣列，具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，PLA的輸入是機(jī)器操作碼和其他判別條件，PLA的輸出就是相應(yīng)微程序的入口地址，這種方法對(duì)于變長(zhǎng)度、變位置的操作碼的處理更為有效而且轉(zhuǎn)移速度較快?？卮娴南碌刂反_定方法 （1）計(jì)數(shù)增量方式這種方式的特點(diǎn)是微程序控制部件中的微地址中的微地址產(chǎn)生線路主要是微地址計(jì)數(shù)器MPC。MPC的初值由微程序首址形成線路根據(jù)指令操作碼編碼形成。在微程序執(zhí)行過(guò)程中該計(jì)數(shù)器增量計(jì)數(shù)，產(chǎn)生下一條微指令地址。這使得微指令格式中可以不設(shè)置“下地址場(chǎng)”?？s短了微指令長(zhǎng)度，也使微程序控制部件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。但微程序必須存放在控存若干連續(xù)單元中。 微操作控制信

17、號(hào)微指令寄存器MIR 控存CM 微程序計(jì)數(shù)器MPC 微程序首址形成電路微指令令微地址微程序首址形成器 指令操作碼圖 1.3 計(jì)數(shù)增量方式 （2）斷定方式 微指令中設(shè)有“下地址場(chǎng)”，它指出下條微指令的地址，這使一條指令的微程序中的微指令在控存中不一定要連續(xù)存放。在微程序執(zhí)行過(guò)程中，微程序控制部件中的微地址形成電路直接接受微指令下地址場(chǎng)信息來(lái)產(chǎn)生下條微指令地址，微程序的首址也由此微地址形成線路根據(jù)指令操作碼產(chǎn)生。 圖1.4 斷定方式控制場(chǎng) 下地址場(chǎng) 微指令寄存器MIR 控存CM 微地址形成電路指令操作碼狀態(tài)條件微地址微指令 1.4微程序設(shè)計(jì) 1.4.1 每條指令對(duì)應(yīng)的微程序流程圖 控制開(kāi)關(guān) 00

18、P(4)測(cè)試 MWE（01） MRD(00) RUN(11) PC AR,PC+1 11 PC AR,PC+1 10 13 (D_INPUT) D_BUS LT1 14 RAM D_BUS LT1 12 01 LT1 RAM 74 LT1 LED 73 圖1.5 微程序流程圖圖1.6 微程序流程圖 表1.3 據(jù)本實(shí)驗(yàn)程序流程圖設(shè)計(jì)的二進(jìn)制微代碼表1.4.2 每段微程序中各微指令的二進(jìn)制編碼、16進(jìn)制編碼微地址S3S2S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5-UA00000000000000001111111100010000000010000000001011011010000

19、10000010000000010 110111111111101000110000000010 101111111100101000111000000010 101111 111100101001000000000000 101 101 101001010001001000000000 101101 101001100001010000000010 100111111111011001011000000000111111111000001001100000000011 100111111111100010000000000000101101 101100101010010000000000

20、101101101000111010011000000000 101 101 101000110010100000000000111111100010101010101000000101111 010111000001010111000000011 000111111000001011000000000000 000 000111000001011001000000000100 000111101010011010000000000 100 000111101100011011000000000 100 000111110010011100000000000 100 0001111100110

21、11101000000000 100 000111110110011110001100000 111 000111110111011111001100000 000 000111111001100000000000110111100111000001100001000000010 000111111000001100010000000010 001 111 101000001100101000000000111 111 1001000001010100000000000100101111010111010111001010000000011110000011011000000000000101

22、00111101101101101011000000000 001111000001110010000000000000001111000001110011000000000010010111110101110101101110000000001111000001110110000011000000001111000001110111001000000111110111111000111000000000000000110111000001111001000100000111110111111010111010000000000000110111000001111011000001101111

23、001111001000111100111111110111001111001001111101000000010110111000010000表1.4 二進(jìn)制代碼表1.4.3 每段微程序在控存中的存放位置微地址（八進(jìn)制）微地址（二進(jìn)制）微代碼（十六進(jìn)制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD03000011014FC404000100015F2005000101015FC606000110014FC707000111015F2010001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400

24、110001CFFCE160011100025CF170011119453E520010000005B4321010001005B4522010010005B4D23010011005B6624010100018FC12501010102F5C126010110007FD6270101113C03C1300110000001C1310110010041EA320110100021EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103001F7370111113001F940100000010F/p>

25、79C142100010011F4143100011007EA444100100007FC14510010184492046100110014FE747100111002BE850101009459E951101001944920521010100025EB531010119403FE541011000049ED551011010449EE561011100C49EF571011110049F0601100000C7F31611100019403C1621100100003C1631100110025F56411010004134165110101B803C1661101100C03C1671

26、10111287DF870111000000DC171111001187DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E10761111100041C11.5 編寫調(diào)試程序設(shè)計(jì)如下幾條機(jī)器指令的格式，指令格式可以采用單字長(zhǎng)或雙字長(zhǎng)設(shè)計(jì)。算術(shù)加法運(yùn)算指令：ADD rs，rd （功能rs + rd -> rd）輸入輸出指令：IN #DATA，rd （功能DATA -> rd）OUT Ri （功能Ri的值 -> LED輸出）右移位運(yùn)算指令：RRC rs，rd（功能rs的值帶進(jìn)位循環(huán)右移一位-> rd）轉(zhuǎn)移指令：

27、 JMP ADDR （功能ADDR -> PC）通過(guò)如下程序的編寫調(diào)試，驗(yàn)收機(jī)器指令、微指令、微程序的設(shè)計(jì)結(jié)果。IN #data，R0IN #data R1IN #data，R2ADD R0，R1ADD R1,R2RRC R2, R1OUT R0JMP 00H實(shí)驗(yàn)程序：地址 指令 助記符00000001 01000100 IN R000000010 01000101 IN R100000011 01000110 IN R200000100 10010001 ADC R0,R100000101 10010010 ADC R1,R200000110 11101000 RRC R2,R1000

28、00111 01011010 OUT00001000 00001100 JMP00001001 00100000 HACT2 設(shè)計(jì)組裝實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)接線表 圖2.1 實(shí)驗(yàn)接線表3 調(diào)試部分3.1調(diào)試前準(zhǔn)備1 按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說(shuō)明書(shū)連接硬件系統(tǒng) 2 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)軟件，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)課題菜單，選中實(shí)驗(yàn)課題打開(kāi)實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)對(duì)話窗口：微指令操作: 1)寫:在編輯框中輸入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中的微指令程序(格式：兩位八進(jìn)制微地址+空格+六位十六進(jìn)制微代碼),或直接打開(kāi)隨機(jī)附帶的程序EX8.MSM，將實(shí)驗(yàn)箱上的K4K3K2K1撥至“0010”寫狀態(tài)，然后按"寫入"按鈕,微程序?qū)懭肟刂拼鎯?chǔ)器電路; 2)讀:將實(shí)驗(yàn)箱

29、上的K4K3K2K1撥至“0100”讀狀態(tài)，在“讀出微地址”欄中填入兩位八進(jìn)制地址，按"讀出"按鈕,則相應(yīng)的微代碼顯示在“讀出微代碼”欄中; 3)保存:按"保存"按鈕,微程序代碼保存在一給定文件(*.MSM)中; 4)打開(kāi):按"打開(kāi)"按鈕,打開(kāi)已有的微程序文件,并顯示在編輯框中 機(jī)器指令操作： 1)寫:在編輯框中輸入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中機(jī)器指令程序(格式：兩位十六進(jìn)制地址+空格+2位或 4位十六進(jìn)制代碼),或直接打開(kāi)隨機(jī)附帶的程序EX8.ASM，將實(shí)驗(yàn)箱上的K4K3K2K1撥至 “0101”運(yùn)行狀態(tài)，撥動(dòng)“CLR”開(kāi)關(guān)對(duì)地址和微地址清零，然后按"寫入"按鈕,機(jī)器指令寫 入存儲(chǔ)器電路;注：對(duì)于8位機(jī)，十六進(jìn)制代碼為2位；對(duì)于16位機(jī)，十六進(jìn)制代碼可以是2位，也可以是4位。 2)讀:將實(shí)驗(yàn)箱上的K4K3K2K1撥至“0101”運(yùn)行狀態(tài)，在“讀出指令地址”欄中填入兩位十六進(jìn)制地址，撥動(dòng)“CLR”開(kāi)關(guān)對(duì)地址和微地址清零，然后按"讀出"