計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告時(shí)序發(fā)生器

1、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院：計(jì)算機(jī)學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?32 實(shí)驗(yàn)原理電路圖 33.機(jī)器指令與微程序 54 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 85 實(shí)驗(yàn)任務(wù) 86 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 107 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握時(shí)序產(chǎn)生器的組成原理2 掌握微程序控制器的組成原理3 掌握微指令格式的化簡(jiǎn)和歸并4將微程序控制器同執(zhí)行部件（整個(gè)數(shù)據(jù)通路）聯(lián)機(jī)，組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)5 用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路6通過CPU運(yùn)行九條機(jī)器指令（排除有關(guān)中斷的指令）組成的簡(jiǎn)單程序， 掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系，牢固建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念二、實(shí)驗(yàn)原理電路圖1 時(shí)序發(fā)生器TEC-4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的時(shí)序電路如圖所示，電路采用2

2、片GAL22V10（U6,U7）,可產(chǎn)生兩級(jí)等間隔時(shí)序新號(hào) T1-T4和W1-W4其中一個(gè) W由一輪T1-T4 循環(huán)組成，相當(dāng)于一個(gè)微指令周期；而一輪W1-W循環(huán)可供硬聯(lián)線控制器執(zhí)行一 條機(jī)器指令。THEK1貳加GL3上QU J y t ,1111il J. 啞R WCJ亂3r D * 0 O 0 0 o O 0 3 W -Fu- tj T1 f .* 1 - - » Ta- I. - s -L Vnx用禺沖訊P1N 用niw w酒XXnr12019ja_ ,17訶IFtT ITw3 L.” HHL_¥_臨戔_L5UE-X亠_l _J£| UEvcc坤to 叩 r

3、siOIQ ro【Q-= 時(shí)序信號(hào)發(fā)生器 =-本次實(shí)驗(yàn)不涉及硬聯(lián)線控制器，因此時(shí)許產(chǎn)生器中的相關(guān)內(nèi)容也可以根據(jù)需 要放到硬聯(lián)線控制器實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。CLR#為復(fù)位新號(hào)，低電位有效。試驗(yàn)儀處于任何狀態(tài)下令CLR#=0都會(huì)使時(shí)序發(fā)生器和微程序控制器復(fù)位；CLR#=0寸，則可以正常運(yùn)行。TJ是停機(jī)新號(hào)，是控制器的輸出新號(hào)之一。連續(xù)運(yùn)行時(shí)，如果控制信號(hào)停 機(jī)=1,會(huì)使機(jī)器停機(jī)，停止發(fā)送時(shí)序脈沖,從而暫停程序。QD是啟動(dòng)脈沖信號(hào)。DP DZ DB是來自控制臺(tái)的開關(guān)信號(hào)。DP表示單拍，當(dāng)DP=1時(shí)，每次只執(zhí) 行一條微指令；DZ表示單指，當(dāng)DZ=1時(shí)，每次只執(zhí)行一條機(jī)器指令；當(dāng)DP, DB DZ都為0時(shí)，機(jī)器連

4、續(xù)運(yùn)行。2 數(shù)據(jù)通路微程序控制器是根據(jù)數(shù)據(jù)通路和指令系統(tǒng)來設(shè)計(jì)的。這里采用的數(shù)據(jù)通路是在綜合前面各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的基礎(chǔ)上，又增加程序計(jì)數(shù)器P（ U18）、地址加法器ALU2（U17）、地址緩沖寄存器 R4（ U25/U26）和中斷地址寄存器IAR （U19）, PC和 ALU2各采用一片GAL22V10兩者配合使用，可完成程序地址的儲(chǔ)存、增1和加偏移量的功能。R4由兩片74HC298組成，帶二選一輸入端。IAR是一片74HC734用 于中斷時(shí)保存斷點(diǎn)地址。3 微指令格式與微程序控制器電路根據(jù)給定的12條機(jī)器指令功能和數(shù)據(jù)通路總體圖的控制信號(hào)，采用的微指 令格式見下圖。微指令字長(zhǎng)共 35位。其中順序控

5、制部分10位（后繼微地址6 位，判別字段4位），操作控制字段25位，各位進(jìn)行直接控制。微指令格式中， 信號(hào)名帶有后綴“ #”的信號(hào)為低有效信號(hào)，不帶有后綴“ #”的信號(hào)為高有效信 號(hào)。呈 口 j n 1 is営 u g1 K 5 m y a: u ghs 常眄劉 iQT 哼 D1 1 £ 十丹 *廣r門i工 r1 應(yīng) N W W <”5嗣3陽(yáng)2 31知獰打27屈2肥*般2 21L2dldl&ll 1H51H3J2 111刑斷紗 j飾微創(chuàng)止-=微指令格式=-對(duì)應(yīng)微指令格式，微程序控制器的組成如下圖所是示，控制存儲(chǔ)器采用5片 EEPROM 28C64（U8，U9，U10，U

6、11，U12）。28C64 的輸出是 D0- D7，分 別與引腳11、12、13、15、16、17、18、19相對(duì)應(yīng)，CM0是最低字節(jié)，CM4 是最高字節(jié)。微地址寄存器6位，用一片6D觸發(fā)器74HC174（U1）組成，帶有清 零端。兩級(jí)與門、或門構(gòu)成微地址轉(zhuǎn)移邏輯，用于產(chǎn)生下一微指令的地址。在每 個(gè)T1上升沿時(shí)刻，新的微指令地址會(huì)打入微地址寄存器中，控制存儲(chǔ)器隨即輸 出相應(yīng)的微命令代碼。微地址轉(zhuǎn)移邏輯生成下一地址，等下一個(gè)T1上升沿時(shí)打入微地址寄存器。跳轉(zhuǎn)開關(guān)JUMPJ1）是一組6個(gè)跳線開關(guān)。當(dāng)用短路子將它們連通時(shí)，微地址寄存器卩AR從本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的微程序地址譯碼電路得到新的 微程序地址uD

7、卩D5當(dāng)他們被斷開時(shí)，用戶提供自已的新微程序地址uD卩D5這樣用尸能夠使用自己設(shè)計(jì)的微程序地址譯碼電路。 5片EEPROM的地址 A6（引腳4）直接與控制臺(tái)開關(guān)SWC連接，當(dāng)SWC = 1時(shí)，微地址大于或者等于 40H,當(dāng)SWC = 0時(shí)，微地址的范圍OOH 3FH。SWC主要用于實(shí)現(xiàn)讀寄存器 堆的功能。ICM4 23C64CM3 28C1CM223C64CLF.ifTl4nrhO ./.OTCM12X64蚩二蛙NW經(jīng)JLMPCMO28C64<3 冨 N =luDO血P3-=微程序控制器的組成=-微地址轉(zhuǎn)移邏輯的多個(gè)輸入信號(hào)中，INTQ是中斷請(qǐng)求，本實(shí)驗(yàn)中可以不理會(huì)它。SWA、SWB是控

8、制臺(tái)的兩個(gè)二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上線已接好。C是進(jìn)位信號(hào)，IR7 IR4是機(jī)器指令代碼，由于本次實(shí)驗(yàn)不連接數(shù)據(jù)通路，這些信 號(hào)都接到二進(jìn)制開關(guān)K0 KI5上。三、機(jī)器指令與微程序?yàn)榱撕?jiǎn)單明了，本實(shí)驗(yàn)儀使用12條機(jī)器指令，均為單字長(zhǎng)（8位）指令 指令格式如下表所示：指令的高4位提供給微程序控制器，低4位提供給數(shù)據(jù)通 路。指令功能與格式名稱助記符功能指令格式IR7 IR6 IR5 IR4IR3 IR2IR1IR0加法ADD Rd, RsRd+Rs->Rd0 0 0 0RS1 RS0RD1 RD0減法SUB Rd, RsRd-Rs->Rd0 0 0 1RS1 RS0RD1 RD0乘法MU

9、L Rd, RsRd*Rs->Rd0 0 1 0RS1 RS0RD1 RD0邏輯與AND Rd, RsRd&Rs->Rd0 0 1 1RS1 RS0RD1 RD0存數(shù)STARd, RsRd->Rs0 1 0 0RS1 RS0RD1 RD0取數(shù)LDA Rd, RsRs->Rd0 1 0 1RS1 RS0RD1 RD0無條件 轉(zhuǎn)移JMP RsRs->PC1 0 0 0RS1 RS0XX條件 轉(zhuǎn)移JC D若 C = 1則PC+D->PC1 0 0 1D3 D2D1 D0停機(jī)STP暫停運(yùn)行0 1 1 0X XX X中斷 返回IRET返回中斷1 0 1 0X

10、XX X開中斷INTS允許中斷1 0 1 1X XX X關(guān)中斷INTC禁止中斷1 1 0 0X XX X應(yīng)當(dāng)指出，用以上12條指令來編寫實(shí)際程序是不夠的。通過 CPU執(zhí)行一些 最簡(jiǎn)單的程序來掌握微程序控制器的工作原理。上述12條指令的微程序流程設(shè)計(jì)如下圖所示。每條微指令可按前述的微指 令格式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，然后寫入 5個(gè)28C64中。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還設(shè)計(jì)了以下五個(gè)控制臺(tái)操作微程序：存儲(chǔ)器寫操作（KWE）:按下復(fù)位按鈕CLR#后，微地址寄存器狀態(tài)為全零。此時(shí)置SWC = 0、SWB =1、SWA = 0 ,按啟動(dòng)按鈕后微指令地址轉(zhuǎn)入 27H,

11、從 而可對(duì)RAM連續(xù)進(jìn)行手動(dòng)寫入。存儲(chǔ)器讀操作（KRD）:按下復(fù)位按鈕CLR#后，置SWC = 0, SWB = 0, SWA=1,按啟動(dòng)按鈕后微指令地址轉(zhuǎn)入 17H，從而可對(duì)RAM連續(xù)進(jìn)行讀操作。寫寄存器操作（KLD）:按下復(fù)位按鈕CLR#后，置SWC = 0, SWB = 1 , SWA =1,按啟動(dòng)按鈕后微指令地址轉(zhuǎn)入 37H,從而可對(duì)寄存器堆中的寄存器連續(xù)進(jìn)行寫操作0此 ffiD rrr 3J ECFr 1M1ao： e'7Ern.i：LLACrY：1可1店con： 卅jjocao：I4.Q.UTFLDT丄丄g 應(yīng) h'iUi孫時(shí) N< 1LIF4 UTC引EgU

12、MKLM3-1 J«2 n,T.iir R?priLl： II JR 7JBUIIE |1TGLOO：loop:J2AM墮丄:odd： 吐3:HU: 1100:IHEf 8丨1A INjktl | 圧 TIL3W BUSTLI.H KS： 1BA12 TJ于 業(yè) LHtlTT_ 1國(guó) /KLIN：1121317FP?Jang 二L LIUUH：劉吐LL'EKtew LPSLLDERns? ntHF?Kim inrKiIIFRKLiUMK1I超 茁】匕厳5lZEKISJJU ny.(LI; i_tft 7兀JL= IKH .no；M 口：【衛(wèi)J1lnic 詡幣 UMRIa:-.

13、 JjIR ?c-iir±1衛(wèi)M |運(yùn)Nd 1ID?UTEmir-=微程序流程圖=-讀寄存器操作（KRR）:按下復(fù)位按鈕CLR#后，置SWC = 1，SWB = 0，SWA =0,按啟動(dòng)按鈕后微指令地址轉(zhuǎn)入 47H，從而可對(duì)寄存器堆中的寄存器連續(xù)進(jìn) 行讀操作。啟動(dòng)程序（PR）:按下復(fù)位按鈕CLR#后，置SWC = 0, SWB = 0, SWA = 0， 用數(shù)據(jù)開關(guān)SW7- SW0設(shè)置內(nèi)存中程序的首地址，按啟動(dòng)按鈕后微指令地址轉(zhuǎn) 入07H,然后轉(zhuǎn)到“取指”微指令。在微指令格式的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)數(shù)據(jù)通路所需的控制信號(hào)進(jìn)行了歸并和化簡(jiǎn)。微程序控制器輸出的控制信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于數(shù)據(jù)通路所需的控制信

14、號(hào)。這里的微程序流程圖是沒有經(jīng)過歸并和化簡(jiǎn)的。 有些信號(hào)出現(xiàn)的位置完全一樣，這樣的信 號(hào)用其中一個(gè)信號(hào)就可以代表。還有另一些信號(hào)，出現(xiàn)的位置基本相同。微程序 流程圖中只是指出了在微指令中必須出現(xiàn)的信號(hào)， 并沒有指出出現(xiàn)其他信號(hào)行不 行，這就要根據(jù)具體情況具體分析。對(duì)下列信號(hào)進(jìn)行了歸并和化簡(jiǎn)：LDIR（CER）為1時(shí)，允許對(duì)IR加載，此信號(hào)也可用于作為雙端口存儲(chǔ)器右端口選擇CER。LDPC(LDR4) 為I時(shí)，允許對(duì)程序計(jì)數(shù)器PC加載，此信號(hào)也可用于作 為 R4 的加載允許信號(hào) LDR4。LDAR1(LDAR2) 為 I 時(shí)，允許對(duì)地址寄存器 AR1 加載，此信號(hào)也可用于 作為對(duì)地址寄存器 AR

15、2 加載。LDDR1 (LDDR2)為1時(shí)允許對(duì)操作數(shù)寄存器 DR1加載。此信號(hào)也可用于 作為對(duì)操作數(shù)寄存器 DR2 加載。MI(M2)當(dāng) M1 = I 時(shí)，操作數(shù)寄存器 DR1 從數(shù)據(jù)總線 DBUS 接收數(shù)據(jù)；當(dāng) M1 = 0 時(shí)，操作數(shù)寄存器 DR1 從 寄存器堆 RF 接收數(shù)據(jù)。此信號(hào)也可用于作為操作數(shù)寄存器 DR2 的數(shù)據(jù)來源選擇信號(hào)。微指令格式可以化簡(jiǎn)， 而實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)通路的控制信號(hào)為什么不進(jìn)行化簡(jiǎn)最主要的原因是前面進(jìn)行的各個(gè)實(shí)驗(yàn)的需要。還有一個(gè)原因是考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)易于理 解，對(duì)某些可以歸并的信號(hào)也沒有予以歸并。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. TEC 4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)2直流萬用表一只3.

16、邏輯測(cè)試筆一支4. 導(dǎo)線若干五、實(shí)驗(yàn)任務(wù)常規(guī)型微程序控制器組成實(shí)驗(yàn)1按實(shí)驗(yàn)要求，連接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開關(guān) K0 K15、按鈕開關(guān)、時(shí)鐘信號(hào)源和微 程序控制器。2. 熟悉微指令格式的定義，按此定義將控制臺(tái)指令微程序的 8 條微指令按 十六進(jìn)制編碼，列于下表。三種控制臺(tái)指令的功能由 SWC， SWB， SWA 三個(gè)二 進(jìn)制開關(guān)的狀態(tài)來指定 (KRD = 001B， KWE = 010B， PR = 000B)3單拍(DP)方式執(zhí)行控制臺(tái)微程序，讀出微指令，用 P字段和微地址指示 燈跟蹤微指令執(zhí)行情況。4 .用P3和SWC、SWB、SWA的狀態(tài)組合，觀察驗(yàn)證三種控制臺(tái)指令 KRD、 KWE、PR微地址轉(zhuǎn)移邏

17、輯功能的實(shí)現(xiàn)。5. 熟悉05H、10H兩條微指令的功能和P2測(cè)試的狀態(tài)條件(IR4 IR7),用 二進(jìn)制開關(guān)設(shè)置IR7 IR4的不同狀態(tài)，觀察SUB、LDA、STA、JUMP機(jī)器指 令微地址轉(zhuǎn)移邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。6. 設(shè)置IR7 IR4的不同組合，用單拍方式執(zhí)行機(jī)器指令微程序，用微地址 和P字段指示燈跟蹤微程序轉(zhuǎn)移和執(zhí)行情況。實(shí)驗(yàn)中的具體問題為編寫機(jī)器代碼計(jì)算 y=x2+3x+1的值。首先編寫出解決該問題的微指令用R0,R1,R2,R3來代替函數(shù)的4個(gè)參數(shù)x,x,3,1 。這樣函數(shù)就可以用簡(jiǎn)單的 加法和乘法來完成：具體執(zhí)行步驟為：R0*R仁 R0; R2*R1 R2; R0+R2> R0;

18、 RO+RS R0 對(duì)應(yīng)指令編碼如下：地址指令描述機(jī)器代碼00 HR0*RS R00010 01 0001 HR2*RS R20010 01 1002 HRO+RSR00000 10 0003 HRO+RSR00000 11 00令x=2,則寄存器中數(shù)據(jù)如下表所示寄存器數(shù)據(jù)R000000011R100000011R200000011R300000001CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)1 對(duì)機(jī)器指令系統(tǒng)組成的簡(jiǎn)單程序進(jìn)行譯碼。將下表的程序按指令格式手工 匯編成十六進(jìn)制機(jī)器代碼。地址指令機(jī)器代碼OOHLDA RO,R2O1O11OOOO1HLDA R1,R3O1O111O1O2HADD RO,R1OO

19、OOO1OOO3HJC +51OO1O1O1O4HAND R2,R3OO11111OO5HSUB R3,R2OOO11O11O6HSTA R3,R2O1OO1O11O7HMUL RO,R1OO1OO1OOO8HSTPO11OXXXXO9HJMP R11OOOO1XX2 按照框圖，參考前面實(shí)驗(yàn)的電路圖完成連線。其中，為把操作數(shù)攢送給通用寄存器組 RF,數(shù)據(jù)通路上的 RS1、RSO、RD1、RDO應(yīng)分別與IR3至IRO連接，WR1、WRO也應(yīng)連接到IR1、IRO上。開關(guān)控制控制臺(tái)時(shí)序發(fā)生器時(shí)序信號(hào)一控制信號(hào)微程序控制器;斂據(jù)通路 指令代碼*條件信號(hào)開關(guān)控制3. 將表中的程序機(jī)器代碼用控制臺(tái)操作存入

20、內(nèi)存中，并根據(jù)程序的需要，用數(shù)碼開關(guān)SW7-SWO設(shè)置通用寄存器R2、R3及其內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。（注: 由于設(shè)置通用寄存器時(shí)會(huì)破壞內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)， 因此應(yīng)先設(shè)置寄存器的數(shù)據(jù)， 再 設(shè)置內(nèi)存數(shù)據(jù)。）4用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序，列表記錄通用寄存器堆 RF中四個(gè)寄存 器的數(shù)據(jù)， 以及由 STA 指令存入 RAM 中的數(shù)據(jù) （程序結(jié)束后從 RAM 的相應(yīng)單 元中讀出） ，與理論值作對(duì)比。執(zhí)行時(shí)注意觀察微地址指示燈、 IR/DBUS 指示燈、 AR2/AR1 指示燈、微地址指示燈和判別字段指示燈的值（可以觀察到每一條微 指令）。5.以單指（DZ）方式重新執(zhí)行程序一遍，注意觀察IR/DBUS指示燈

21、、AR2/AR1 指示燈的值（可以觀察到每一條機(jī)器指令）。列表記錄RF中四個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)， 以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論分析值作對(duì)比。（注：?jiǎn)沃阜绞綀?zhí) 行程序時(shí)，四個(gè)通用寄存器和 RAM 中的原始數(shù)據(jù)與第一遍執(zhí)行程序的結(jié)果有 關(guān)。）6以連續(xù)方式（DB，DP，DZ都設(shè)為0）再次執(zhí)行程序。由于程序中有停機(jī) 指令STP，程序執(zhí)行到該指令時(shí)自動(dòng)停機(jī)。列表記錄 RF中四個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)， 以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論分析值作對(duì)比。（注：程序執(zhí)行前 的原始數(shù)據(jù)與第二遍執(zhí)行結(jié)果有關(guān)。 ）按照要求，執(zhí)行相應(yīng)的指令，然后跳出程序，讀出結(jié)果，觀察結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié) 果是否一致。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.計(jì)算 y=x2+3x+1將寫好的二進(jìn)制代碼輸入到內(nèi)存（堆）中，控制 KRD、 KWE、 KLD、 KRR、 PR 的值來輸入指令、數(shù)據(jù)，并檢驗(yàn)所輸入的指令和數(shù)據(jù)是否正確，調(diào)節(jié)PR進(jìn)行運(yùn)行程序，當(dāng)DP置一，其它置零時(shí)，按QD則可以進(jìn)行一步一步的運(yùn)行程序。觀察 當(dāng)前正在運(yùn)行的程序以及每一步程序運(yùn)行的過程和結(jié)果， 運(yùn)行程序完成后， 通過 讀寄存器中數(shù)據(jù)的值檢驗(yàn)程序運(yùn)行的結(jié)果。經(jīng)檢驗(yàn)，用該程序算出的結(jié)果與正確結(jié)果一致。輸入 x=2，經(jīng)過該程序的運(yùn) 行，得出 y=x2+3x+1 的值為 11，證明該程序的程序編寫及