機組課程設計報告

1、 計算機組成原理 課程設計報告學 院： 班 級： 學 號： 姓 名： 指導老師： 2013年1月5日目錄一、實驗目的3二、實驗設備3三、實驗原理31. 微程序控制電路32、微指令格式43、三條機器指令54、微程序流程圖6四、實驗步驟71、連接實驗線路72、根據(jù)指令系統(tǒng)編寫程序83、運行程序9五、心得體會10一、實驗目的1. 掌握微程序控制器的組成原理。2. 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。3. 在“微程序控制器的組成與微程序設計實驗”的基礎上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。4. 根據(jù)定義的五條機器指令，編寫相應的微程序，并運行，形成整機概念。2、 實驗設備 E

2、L-JY-II型計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套，排線若干。3、 實驗原理 1.微程序控制電路 圖中運算器ALU由U7U10四片74LS181構(gòu)成，暫存器1由U3、U4兩片74LS273構(gòu)成，暫存器2由U5、U6兩片74LS273構(gòu)成。微控器部分控存由U13U15三片2816構(gòu)成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理見系統(tǒng)介紹部分）。存儲器部分由兩片6116構(gòu)成16位存儲器，地址總線只有低八位有效，因而其存儲空間為00HFFH。輸出設備由底板上的四個LED數(shù)碼管及其譯碼、驅(qū)動電路構(gòu)成，當D-G和W/R均為低電平時將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。在開關方式下，輸入設備由16位電平開關

3、及兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構(gòu)成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機方式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或上位機輸入，然后由監(jiān)控程序直接送上數(shù)據(jù)總線，因而外加的數(shù)據(jù)輸入電路可以不用注：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線為16位，指令、地址和程序計數(shù)器均為8位。當數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入指令寄存器、地址寄存器和程序計數(shù)器時，只有低8位有效。 圖1.微程序控制電路2、 微指令格式 本系統(tǒng)設計的微程序字長共24位，其控制位順序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA

4、0 、三個字段的編碼方案如表1： 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無操作1 1 1無操作1 1 1無操作 表1系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖8-2（圖中各方框內(nèi)為微指令所執(zhí)行的操作，方框外的標號為該條

5、微指令所處的八進制微地址）?？刂撇僮鳛镻4測試，它以CA1、CA2作為測試條件，出現(xiàn)了寫機器指令、讀機器指令和運行機器指令3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。機器指令的執(zhí)行過程如下：首先將指令在外存儲器的地址送上地址總線，然后將該地址上的指令傳送至指令寄存器，這就是“取指”過程。之后必須對操作碼進行P1測試，根據(jù)指令的譯碼將后續(xù)微地址中的某幾位強制置位，使下一條微指令指向相應的微程序首地址，這就是“譯碼”過程。然后才順序執(zhí)行該段微程序，這是真正的指令執(zhí)行過程。在所有機器指令的執(zhí)行過程中，“取指”和“譯碼”是必不

6、可少的，而且微指令執(zhí)行的操作也是相同的，這些微指令稱為公用微指令，對應于圖1中01、02、75地址的微指令。75地址為“譯碼”微指令，該微指令的操作為P（1）測試，測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本實驗用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測試條件，出現(xiàn)12路分支，占用12個固定微地址單元。如I7I4相同，則還需進行P2測試，以指令寄存器的I3、I2位作為測試條件，以區(qū)分不同的指令，如MOV指令和IN、OUT指令。三條機器指令 其指令格式如下：助記符 機器指令碼說明THADD0000 0000 1001 0100二進制三個數(shù)的加法，Ax+Bx+CxAxNOTEO0000 0000 1010 0

7、100二進制兩個數(shù)異或非，Ax BxAxEXCOR0000 0000 1100 0100二進制兩個數(shù)異或， Ax BxAx 表2 在機器指令的執(zhí)行過程中，從CPU從內(nèi)存取出一條機器指令到執(zhí)行結(jié)束為一個指令周期，指令由微指令組成的序列來完成，一條機器指令對應一段微程序。另外，讀、寫機器指令也分別由相應的微程序段來完成。 為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，必須設計三個控制操作微程序。存儲器讀操作（MRD）：撥動清零開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“00”時，按“單步”鍵，可對RAM連續(xù)讀操作。 存儲器寫操作（MWE）：撥動清零開關CL

8、R對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“10”時，按“單步”鍵，可對RAM連續(xù)寫操作。啟動程序（RUN）：撥動開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“11”時，按“單步”鍵，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取指”微指令，啟動程序運行。注：CA1、CA2由控制總線的E4、E5給出。鍵盤操作方式時由監(jiān)控程序直接對E4、E5賦值，無需接線。開關方式時可將E4、E5接至控制開關CA1、CA2，由開關來控制4. 微程序流程圖 控制開關 00 P(4)測試 MWE（01） MRD(00) RUN(11) PC AR,PC+1 11 PC AR,PC+1 10 13 (D_I

9、NPUT) D_BUS LT1 14 RAM D_BUS LT1 12 01 LT1 RAM 74 LT1 LED 73 開始 圖2微程序流程圖根據(jù)本實驗程序流程圖設計的二進制微代碼表：微地址S3S2S1 S0 M CN WE 1A 1B F1F2F3UA5-UA000000000000000011111111000100000000100101101101000010000010000000010 11011111111110100100000 101 101 10100101000100100 101101 101001100001010000000010 1001111111110110

10、010110011111111100000100110011 10011111111110001000000101101 101100101010100000000000111111100010101010101000000101111 00011100000101011111 00011111100000101100100100 00011110101001101000 100 00011110110001110000 100 000111110011100001000000010 0001111110000011000100 001 111 101000001100101000000000

11、111 111 100100000101010000101001111010111010110010000111110100010100000000000001001011110100110100110010100000000111100000110110000010100111101101101101100110000000 001111000001110011000101001111101011101010110100000000011110000011110110000011011110011110010001111001111111101110011110010011111010000

12、00010110111000010000 表3 二進制微代碼表四、實驗步驟1、連接實驗線路實驗連線圖如圖8-3所示。連線時應按如下方法：對于橫排座，應使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。在圖83接線圖上更改如下接線：斷開控制總線C1C6和F4F1上的接線數(shù)據(jù)輸入電路DIJ1 接 數(shù)據(jù)總線BD7-BD0數(shù)據(jù)輸入電路DIJ2 接 數(shù)據(jù)總線BD15-BD8數(shù)據(jù)輸入電路DIJ-G 接 I/O控制電路Y3微控器接口UAJ1 接 控制開關電路UA5-UA0脈沖源及時序電路fin 接 脈沖源及時序電路f/8脈沖源及時序電路T4T1 接 控制總線T4-

13、T1控制開關電路CA1 接 控制總線E4控制開關電路CA2 接 控制總線E52、 根據(jù)指令系統(tǒng)編寫程序地址 機器指令 助記符00H 0000 0100 37H>Ax01H 0011 0111 02H 0000 0101 45H>Bx03H 0100 010104H 1010 0100 Ax Bx>Ax05H 0100 0100 Ax>DISP06H 0100 1000 a>Ax07H 0100 1001 b>Bx08H 0100 1010 c>Cx09H 1001 0100 a+b+c>DISP0AH 0100 0100 Ax>DISP0B

14、H 0100 1000 d>Ax0CH 0100 1001 e>Bx0DH 1100 0100 Ax Bx>Ax0EH 0100 0100 Ax>DISP0FH 0000 1000 JMP>00H10H 0000 0000 表4 3運行程序：1).寫微代碼 ：首先將微程序控制電路上的開關K1K2K3撥到寫入狀態(tài)，即K1 off、K2 on、K3 off，然后將24位微代碼輸入及顯示電路上的開關K4撥到on狀態(tài)。置控制開關UA5 UA0=“000000”，輸入微地址“000000”， 置24位微代碼開關MS24-MS1為：“00”，輸入24位二進制微代碼,即“007

15、F88”，按【單步】，微地址燈顯示“000 000”，寫入微代碼。保持K1K2K3K4狀態(tài)不變，寫入表3的所有微代碼。2).讀微代碼并驗證結(jié)果：將微程序控制電路上的開關K1K2K3撥到讀出狀態(tài)，即K1 off、K2 off、K3 on，然后將24位微代碼輸入及顯示電路上的開關K4撥到off狀態(tài)。置控制開關UA5 UA0=“000000”，輸入微地址“000000”， 按【單步】，微地址燈顯示“000 000”，24位微代碼顯示“00”，即第一條微代碼。保持K1K2K3K4狀態(tài)不變，改變UA5 UA0微地址的值，讀出相應的微代碼，并和表3的微代碼比較，驗證是否正確。如發(fā)現(xiàn)有誤，則需重新輸入該微地

16、址相應的微代碼。3).寫機器指令將微程序控制電路上的開關K1K2K3撥到運行狀態(tài)，即K1 on、K2 off、K3 on，然后將24位微代碼輸入及顯示電路上的開關K4撥到off狀態(tài)。撥動控制開關電路上的清零開關CLR，對地址寄存器、指令寄存器清零。確定清零后，把控制開關、置為“10”，按動一次【單步】按鈕，微地址顯示燈顯示“001001”，再按動一次【單步】，微地址燈顯示 “001100”，此時通過數(shù)據(jù)輸入電路的開關輸入要寫入的機器指令，置D15-D0=“0 1000”，按【單步】，即完成本實驗的第一條機器。再按【單步】，微地址顯示燈（黃色）顯示“111100”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示“01000

17、”，即輸入的機器指令。再連續(xù)按【單步】，微地址顯示燈（黃色）顯示“001100”時，按上面的方法通過數(shù)據(jù)輸入電路的開關輸入第二條機器指令指令“0 0101”，直至寫完表4的所有二進制機器指令。注意，每當微地址顯示燈顯示“001100”時，地址指示燈自動加1顯示。4).讀機器指令及校驗機器指令：撥動控制開關電路上的清零開關CLR，對地址寄存器、指令寄存器清零，清零結(jié)果是微地址指示燈（6個黃色指示燈）和地址指示燈（8個黃色指示燈，在地址寄存器電路上）全滅，置、開關置為“00”， 連續(xù)按【單步】鍵，微地址顯示燈（黃色）顯示從“000000”開始，然后按“001000”、 “001010” 、“111

18、011”方式循環(huán)顯示。當微地址燈再次顯示為“001000”時，輸出顯示數(shù)碼管上顯示寫入的機器指令。讀的過程注意微地址顯示燈，地址顯示燈和數(shù)據(jù)總線指示燈的對應關系。如果發(fā)現(xiàn)機器指令有誤，則需重新輸入機器指令。機器指令存放在RAM里，掉電丟失，故斷電后需重新輸入。5).運行程序?qū)⑽⒊绦蚩刂齐娐飞系拈_關K1K2K3撥到運行狀態(tài)，即K1 on、K2 off、K3 on，然后將24位微代碼輸入及顯示電路上的開關K4撥到off狀態(tài)。撥動控制開關電路上的清零開關CLR，對地址寄存器、指令寄存器清零，清零結(jié)果是微地址指示燈和地址指示燈全滅，使程序的入口地址位00H，置、開關置為“11”連續(xù)按【單步】，當微地址顯示燈顯示“010 100”時，通過數(shù)據(jù)輸入電路輸入二進制數(shù)據(jù)， 再連續(xù)按【單步】來運行程序。實驗結(jié)果參照鍵盤實驗的結(jié)果。00H05H是邏輯異或非運算，對0037H0045H進行邏輯非運算結(jié)果為FF8DH與計算結(jié)果相符。060AH是三個數(shù)相加運算。0B0EH是邏輯異或運算。5 心得體會通過這次的計組課程設計，自己對計算機CPU又有了更深入的了解。知道了機器指令與