復(fù)雜模型機方案說明書

1、個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用*實踐教案*計算機與通信學(xué)院2018年春季學(xué)期計算機組成原理課程設(shè)計題 目：模型機設(shè)計-8專業(yè)班級：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：成 績：刖百本次課程設(shè)計主要講授單處理機系統(tǒng)的組成和工作原理，包括運算器、存儲 器、控制器和輸入輸出系統(tǒng)，其中控制器的設(shè)計是課程的重點和難點。為了能融 會貫通各知識點，增強對計算機系統(tǒng)各模塊協(xié)同工作的認識，充分理解數(shù)據(jù)通 路，掌握控制器的設(shè)計技術(shù)，課程設(shè)計也側(cè)重于控制器的設(shè)計。開設(shè)這門課可以為理解、應(yīng)用和開發(fā)程序提供技術(shù)和方法支持，為后續(xù)課程 的學(xué)習(xí)提供重要思想和方法基礎(chǔ)，同時對于自己邏輯思維培養(yǎng)和程序設(shè)計思想體 系的建立有著重要的影響。學(xué)好計

2、算機組成原理僅僅通過課堂教案或自學(xué)獲 取理論知識是遠遠不夠的，還必須加強實踐，親自實踐。在大學(xué)學(xué)習(xí)時，知識是 通過一門門獨立的課程傳授的，而實際問題之能夠順利地得到解決，不但需要多 方面的知識，而且還需要善于對這些知識綜合地加以運用。這次課設(shè)正是給我們 了一次自己動腦動手的機會。目錄摘要1正文2第一章設(shè)計目的及原理2第二章模型機的邏輯結(jié)構(gòu)及框圖2第三章詳細設(shè)計33.1 運算器的物理結(jié)構(gòu)33.2 存儲器系統(tǒng)的組成與說明53.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計與指令分析53.4 微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)與功能83.5 微程序的設(shè)計與實現(xiàn)93.6 微程序與監(jiān)控程序12第四章系統(tǒng)調(diào)試報告14設(shè)計總結(jié)16參考文獻17致謝

3、18摘要本次課程設(shè)計主要綜合所學(xué)習(xí)的計算機組成原理的知識，設(shè)計一套復(fù)雜模型 計算機。并設(shè)計一些簡單的程序進行驗證。本系統(tǒng)主要由以下模塊組成：運算 器、存儲系統(tǒng)、微程序控制器模塊、指令系統(tǒng)模塊、微程序控制器模塊等組成。應(yīng)用存儲系統(tǒng)說明輸入輸出時序，使用模型機的器件組成有片間串行進位8位算數(shù)邏輯運算的功能。該系統(tǒng)在基本模型機的基礎(chǔ)上改進并實現(xiàn)輸入、二進制加法、存數(shù)、輸出以及無條件轉(zhuǎn)移等指令的功能。對于微指令，可將其轉(zhuǎn)化為格式化 的“二進制代碼表”，然后通過手動輸入或是聯(lián)機存入的方法，將微指令存入機 器，實現(xiàn)相應(yīng)的操作。終通過模型機的設(shè)計和調(diào)試，連貫運用計算機組成原理課 程學(xué)到的知識，建立計算機整機

4、概念。關(guān)鍵詞：模塊；微指令；機器指令；基本模型機；建立整機第一章 設(shè)計目的及原理設(shè)計目的：根據(jù)計算機組成原理課程所學(xué)知識，設(shè)計、開發(fā)一套簡單的模型 計算機。通過對一個簡單計算機的設(shè)計，以達到對計算機的基本組成、部件的功 能與設(shè)計、微程序控制器的設(shè)計、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程有更深的 了解，加深對理論課程的理解。通過模型機的設(shè)計和調(diào)試，連貫運用計算機組成 原理課程學(xué)到的知識，建立計算機整機概念，加深計算機時間和空間概念的理 解。設(shè)計原理：部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，如 運算器實驗中對74LS181芯片的控制，存儲器中對存儲器芯片的控制信號，以及 幾個實驗中對輸入

5、設(shè)備的控制。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器 來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由 微指令組成的序列來完成,即一條機器指令對應(yīng)一段微程序。第二章模型機的邏輯結(jié)構(gòu)及框圖本次課設(shè)模型機的運算器模塊主要由運算器、暫存器、輸出緩沖器以及進位 控制和判零標(biāo)志控制電路等構(gòu)成。本系統(tǒng)具有本機現(xiàn)場直接編程功能，且由于選 用E2ROM 2816芯片為控制存儲器，因此，具有掉電保護功能。課設(shè)的復(fù)雜模型機指令譯碼邏輯圖如圖2.1 ,邏輯結(jié)構(gòu)如圖2.2圖2.1復(fù)雜模型機指令譯碼邏輯圖nH三片圖2.2邏輯結(jié)構(gòu)圖第三章詳細設(shè)計3.1 運算器的物理結(jié)構(gòu)運算器模塊由運算器 <

6、; 兩片74LS181）、暫存器 < 兩片74LS273、輸出緩 沖器<74LS245）以及進位控制和判零標(biāo)志控制電路等構(gòu)成。運算器模塊的工作原理：該模塊中算術(shù)運算是由74LS181<U31 U30構(gòu)成，它是運算器的核心。它可以對兩個8位的二進制數(shù)進行多種算術(shù)或邏輯運算。兩個參加運算的數(shù)分別來自于暫存器U29和U30,運算結(jié)果直接輸出到輸出緩沖器U33,由輸出緩沖器發(fā)送到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，以便進行移位操作或參加下 一次運算。暫存器U29和U30采用8位鎖存器74LS273。輸出緩沖器U33采 用三態(tài)傳輸器件74LS245,由ALUB'信號來控制，ALUB為“0”電平時

7、，U33開 通，由于U33的方向控制DIR接高電平；當(dāng)ALUB'為“1”電平時U33不通， 其輸出呈高阻。299B'為移位寄存器U34的允許輸出信號，AR為算術(shù)運算時是否 影響進位及判零標(biāo)志控制位，低電平有效。ZID是ALU結(jié)果為零標(biāo)志信號，由ALU輸出的8位數(shù)據(jù)輸入到 U50中，經(jīng)8輸入或非門產(chǎn)生。再看判零電路， ALU在算術(shù)運算時，M=Q且移位寄存器不在工作，則 299B'=1 ,影響判零電路 的控制位AR=0因此UN3A俞出腳3為“1”電平，當(dāng)時鐘脈沖 T4正跳時UN5A 的時鐘CLK電平產(chǎn)生正跳，此時ZID狀態(tài)被存入觸發(fā)器74LS74<UN5A,觸發(fā)器 的

8、輸出QZI就是ALU結(jié)果的零標(biāo)志位。圖3.1運算器的物理結(jié)構(gòu)圖3.2 存儲器系統(tǒng)的組成與說明1 .指令寄存器模塊指令寄存器模塊中指令寄存器 74LS273<U36的輸出部分以排針形式引出到 IJ1 ,部分內(nèi)部已連好，構(gòu)成實驗計算機機時用它作為指令譯碼電路的輸入，實 現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)控制。2 .主存儲器單元電路主存儲器數(shù)據(jù)總線掛在擴展數(shù)據(jù)總線EXD0EXD7上；它的地址總線由地址寄存器單元電路中的地址寄存器 74LS273<U37）給出，地址值由8個LED燈 LAD0LAD7顯示，高電平亮，低電平滅；它的讀信號直接接地；它的寫信號和 片選信號由寫入方式確定。該存儲器中機器指令的讀寫分手動和

9、自動兩種方式。手動方式下，寫信號由 W/R提供，片選信號由CE'提供；自動方式下，寫信號 由控制CPU提供，片選信號由控制CPU提供。3 .移位寄存器模塊移位寄存器采用74LS299U34）,它具有并行接數(shù)、邏輯左移、邏輯右移、 保持等功能，具體由S0、S1、M、DS0、DS7決定。T4是它的工作脈沖，正跳變 有效。3.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計與指令分析1、數(shù)據(jù)格式復(fù)雜模型機采用7位定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長 8位，第7位為符號 位。2、指令格式模型機設(shè)計四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、存數(shù)指令、取數(shù)指令、轉(zhuǎn)移指令和停機指令等。算術(shù)邏輯指令設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字

10、節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其 格式如下：表3-1算數(shù)邏輯指令格式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。9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能。訪問指令及轉(zhuǎn)移指令模型機設(shè)計2條訪問指令：即存數(shù)STA取數(shù)LDA 2條轉(zhuǎn)移指令：即無條件 轉(zhuǎn)移JMP有進位*$移指令BZC指令格式為：表3-2訪問指令及轉(zhuǎn)移指令7 65 43 21 00 0MOP-CODERDD其中，OP CODE為操作碼，RD為目的寄存器地址LDA、STA指令使用）。D 為位移量正負均可），M為尋址模式，本模型機規(guī)定變址 RI指定為寄存器R20I / O指令輸入

11、IN和輸出OUT旨令采用單字節(jié)指令，其格式如下:表3-3 I/O 指令76543210OP-CODEaddrRD其中，addr=01時，選中輸入數(shù)據(jù)開關(guān)組 KD3KD7作為輸入設(shè)備，addr=10 時，選中2位數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。本模型機共有16條基本指令。其中，算術(shù)邏輯指令 9條，訪問內(nèi)存指令和 程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其他它指令1條。表3.4列出了各條指 令的格式、匯編符號、指令功能。表3-4復(fù)雜指令系統(tǒng)序號匯編符號指令格式功能說明1CLR Rd0111 00 R d0 - Rd2MOV RRd1000 RS RdR- Rd3ADC R,Rd1001 Rs RdR+Rd+Cy

12、- Rd4SBC R,Rd1010 Rs RdRRdCy 一 Rd5INC Rd1011 - R dR+1-Rd6AND R,Rd1100 RS RdRsA RdfRd7COM R1101 00 R dR-Rd8RRC FS,Rd1110 Rs RdRs帶進位右循環(huán)一位R一 Rd9RLC R,Rd1111 Rs RdR帶進位左循環(huán)一位R Rd10LDA M,D, R d00 M 00 R d, DRd11STA M,D, R d00 M 01 Rd, DR-E12JMP M,D00 M 10 00 , DPC13BZC M,D00 M 11 00 , D當(dāng) CY=1 或 ZI=1 時，E 一1

13、4IN addr, R d0100 01RdaddPC Rd15OUT addr, R d0101 10 RdRd 一addr16HALT0110 00 00停機4、微指令格式表3-5 24位微指令格式242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEB1B0ABCA5A4A3A2A1A0表3-6 A、R C字段解讀A字段B字段C字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100

14、299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0為6位的后續(xù)微地址，A B、C為三個譯碼字段，分別由三個 控制位譯碼出多位。P字段中的P1P4是四個測試字位，其功能是根據(jù)機器指令 及相應(yīng)微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的為地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順 序、分支、循環(huán)運行。具體來說，P1測試用于“取指令”微指令，它用下址低四 位uA3uA0與指令寄存器高四位IR7IR4）相或得到各路分支；P2測試用下址 低2位uA1uA0與指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3測試用于條件 轉(zhuǎn)移，它用下址的uA4與（ZI +CY相或得

15、到各路分支；P4測試用于控制臺操作， 它用下址低2位uA1uA0與SWB SWAf或得到各路分支。在上述各測試下址中未用到的位均直接保留。AR為算術(shù)運算是否影響進位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS_G RD_G RI_G分別為源寄存器選 通信號，目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機器指令來 進行三個工作寄存器 R。R1及R2的選通譯碼。它們的功能都是根據(jù)機器指令來 進行相應(yīng)芯片的選通譯碼。3.4 微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)與功能下圖是微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖。它由控制存儲器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯幾部分組成。微地址 寄存器和微命令寄存器兩者的總長度即為

16、一條微指令的長度，二者合在一起稱為 微指令寄存器_jirLTLrLrLrI 4 1 馬 1 % 1 I 1 1 I微地址 寄存器邑制 存儲器 (ROM)狀態(tài)條件址移輯 地轉(zhuǎn)邏機器周期P字段控制字段做命令寄存器圖3.2微程序控制器的結(jié)構(gòu)框圖1 .控制存儲器ROM中存放微程序，也就是全部的微指令。ROM的容量取決于微指令的總數(shù)。假如控制器需要128條微指令，則微地址寄存器長度為 7位。ROM勺字長取 決于微指令長度。如果微指令為 32位，則ROM勺字長就是32位。實際應(yīng)用中 ROMT采用EPRO喊E2PROM EAROM用戶寫入和修改微程序比較方便。2 .微命令寄存器微命令寄存器暫存由控制存儲器中

17、讀出的當(dāng)前微指令中控制字段與測試判別 字段信息，可由8D寄存器組成。3 .微地址寄存器微地址寄存器暫存由控制存儲器讀出的當(dāng)前微指令的下址字段信息。它可由 帶R、Sd強置端的D觸發(fā)器組成。其中時鐘端和 D端配合用做ROM勺讀出打入， 用SD進行下址修改。4 .地址轉(zhuǎn)移邏輯微指令由ROM賣出后直接給出下一條微指令的地址，這個地址就放在微地址 寄存器中。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時通過地址轉(zhuǎn)移邏輯去修改微地址寄存器內(nèi)容，并 按修改好的微地址讀出下條微指令。地址轉(zhuǎn)移邏輯是一個組合邏輯電路，其輸入 是當(dāng)前微指令的判別測試字段 P、執(zhí)行部件反饋的“狀態(tài)條件”及時間因素 T4o5 .控制時序信號上圖中標(biāo)明了一個基本機

18、器周期中的控制時序信號。例如用上一周期的T4時間按微地址寄存器內(nèi)容從 ROMfr讀一條微指令，經(jīng)過一段時間后被讀出，用當(dāng)前周期的Ti時間打入到微指令寄存器。T2、T3時間用來控制執(zhí)行部件進行操作。 T4 時間修改微地址寄存器內(nèi)容并讀出下一條微指令。3.5 微程序的設(shè)計與實現(xiàn)用規(guī)整的存儲邏輯代替不規(guī)則的硬接線邏輯來實現(xiàn)計算機控制器功能的技 術(shù)。每一條指令啟動一申微指令，這用微指令稱為微程序。微程序存放在控制存 儲器中，修改控制存儲器內(nèi)容可以改變計算機的指令。圖中，從存儲器中取一條機器指令送入指令寄存器，寄存器的輸出接微程序 控制器，由后者控制微程序的執(zhí)行。通常，機器指令的操作碼通過微程序控制器

19、給出執(zhí)行這條機器指令微程序段的首址，從控制存儲器中取出此微程序段的第一 條微指令存入微指令寄存器。一條微指令包含若干個微碼域。各個微碼域通過一 定的譯碼控制各相應(yīng)功能執(zhí)行部件，在微指令周期內(nèi)完成相應(yīng)的各個微操作。微 指令周期也稱為微周期。微指令中一部分信息微碼域）也可反饋到微程序控制器，協(xié)同微指令執(zhí)行后產(chǎn)生的狀態(tài)信息和機器指令中除操作碼以外的其他信息， 通過微程序控制器去選取下一條微指令，從而控制微程序的流程相繼執(zhí)行這一段 微程序而完成一條相應(yīng)機器指令所要求的功能。把設(shè)計編制的各微程序段適當(dāng)組 合起來可形成一個微程序整體，控制器的功能就反映在這一整體中，所以微程序3.3控制的物理結(jié)構(gòu)很規(guī)整，而

20、其功能設(shè)計方法又很靈活。微 程 序 運 行 流 程off JI mS.LWC 一生1意二asqlxL +圖3.3微程序流程圖表3-7微指令2進制碼表微地址S3CNWEB1 B0ABCuA5uA000000001011000000100001000010000010111101101100000100200000100110000000101000003000001001010000000000100040000010011100000101000000500000100111000000000011006000001001010000000000111070000010011100000101

21、0000008000001011110110110001010090000010111101101100011000A0000010010100000001110110B0000010110000000000000010C0000010000100000001111000D0000010010100000000011100E0000010110110110000011110F100101011110101000100101100000010111101101100000111100000101111011011000010112000001011110110110001101130000010

22、111101101101001101400000100000100000000000115000001110000010000000001160000010110000000001001101700111101100110100000000118000001011001001000000001190000010110100010001010101A0000010110110010001011001B0000010110100010001100101C0000010110100010001100111D0000010110100010001101101E001101011000001000110

23、1111F001101011000001000111001200000010P0100100000010000012100000110100001000100000122000001011101101110000001 123000001011000000011100100240000010110000000001 00000125100101011010101010100000260000010010100000001001112700000101101111000010100028100101011110101000101001291001010110101010101000002A000

24、0010110110100001010112B1001010110011011010000012C 一0000010110100100001011012D0000010110101011011011102E0000110110101010001011112F00000101101010100011000030000011011000000111：100001 31100101011001101100100001320000010110011010000000013300000101101100100011011134000001011101101110000001351011110110011

25、0110010000136000011011001101000100000113700101101100010000011101038000001011001100000000001390001110110001000001110103A000001011001100000:00000113B0000111100001010000010003C000001101000101000001001在實驗中必須結(jié)合本系統(tǒng)的各電路圖，學(xué)會分析微指令24位代碼中各位的作用。微指令控制字段各位247位）的作用分析如下：2419 S3、S2、S1、S0、M Cn 16種算術(shù)運算及帶進位情況、16種邏輯 運算選

26、擇位；18 WE外部寫操作位， WE=0無寫操作，WE=1有寫操作；17、16 B1、B0外部選擇00選輸入裝置；01選主存；10選輸出；11無操作。3.6 微程序與監(jiān)控程序$ M00 088105$ M01 82ED05 $ M02 50C004 $ M03 A0E004$ M04 05B004$ M05 06A205 $ M06 019A65 $ M07 0FE004$ M08 8AED05$M09 8CED05$ M0A 0EA004$ M0B 018005$ M10 011004$ M11 83ED05$ M12 87ED05$ M1399ED05$ M149CED05$ M15 1D

27、A004$ M16 1FA207$ M17 218235$ M18 238235$ M19 018005$ M1A 019A39$ M1B 010000$ M1C 418005$ M1D 018005$ M1E 018005$ M1F 20882D$ M20 228805$ M21 24881D$ M22 14841D$ M23 019805$ M24 25E004$ M25 26A007$ M26 010A07$ M27 81D104設(shè)計復(fù)雜模型機的監(jiān)控軟件，詳細如下：地址 內(nèi)容 助記符說明0000IN輸入 20110SUB0DHR0-0DH->R0030D0460 DEC R0-1-

28、>R00530OUT輸出 R00600IN輸入 30770RL循環(huán)左移0820STA0EHR0->0EH090E0A 30 OUT0EH輸出0EH的內(nèi)容0B0E0C40JMP 00H 00H->PC0D00監(jiān)控程序$P00 00$P01 10$P02 0A$P03 20$P04 0B$P05 30$P06 0B$P07 40$P08 00$P0A 01 第四章系統(tǒng)調(diào)試報告地址內(nèi)容助記符說明0044IN輸入410104STA40H41->40H02400344IN輸入400404STA41H40->41H05410608JMP 09H跳到09H執(zhí)行07090860H

29、LAT停機0910LDA LDA40H0A40問址取到41H 單 tW0B58OUT輸出400C46IN輸入20->RI0D20LDARI+D變址取40H單元數(shù)0E200F58OUT輸出411030LDAPC+D相對尋址取41H單tW112F1258OUT輸出401344IN輸入8114F0RLC進位使CY火火150CBZC何進位或為0時跳到18H執(zhí)行16181760HLAT停機1800LDA40H取40H單元數(shù)19401A58OUT輸出411B44IN輸入801C58OUT輸出801DB0INC加11E58OUT輸出811FD0COM取反2058OUT輸出7E2145IN輸入0F22C1AND2359OUT輸出0E2481MOVRS->RD2559OUT輸出7E2670CLR0->RS2758OUT輸出02844IN輸入8129F0RLC帶進位循環(huán)左移,CY燈滅2A58OUT輸出32B45IN輸入12C91ADC帶進位加2D59OUT輸出52E44IN輸入812FE0RRC帶進位循環(huán)右移3058OUT輸出40,CY燈滅3145IN輸