計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系二六年目 錄1前言12復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)23計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9前 言本指導(dǎo)書(shū)用于全日制大學(xué)本科計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)等課程后進(jìn)行全面綜合訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，目的在于加深對(duì)基本知識(shí)的理解，鞏固所學(xué)理論知識(shí)，拓寬知識(shí)面，進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的能力。第一部分 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【目的與要求】綜合應(yīng)用所學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理和匯編語(yǔ)言知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較為完整的模型計(jì)算機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的能力。【設(shè)計(jì)內(nèi)容

2、】一設(shè)計(jì)所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備本設(shè)計(jì)使用Dais-CMB+計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)，PC機(jī)一臺(tái)和一組連接線。二設(shè)計(jì)原理在完成基本實(shí)驗(yàn)線路連接的基礎(chǔ)上增加條件測(cè)試信號(hào)CZ標(biāo)志的連接，連接方法是：用二芯排線把位于實(shí)驗(yàn)裝置左上方運(yùn)算器(左邊181)的左下側(cè)CYCZ接口與位于實(shí)驗(yàn)裝置紅色撥碼開(kāi)關(guān)右下方的FCFZ接口相連接。若在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，啟動(dòng)模擬軟件后，首先應(yīng)打開(kāi)文件mxj3.abs，裝入模型機(jī)3的實(shí)驗(yàn)程序及機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序，然后點(diǎn)擊“!”圖標(biāo)進(jìn)入鏈接裝載，一旦屏幕自動(dòng)彈出動(dòng)態(tài)調(diào)試窗口，表示機(jī)器代碼及微代碼下載已成功，進(jìn)入windows在線集成調(diào)試環(huán)境，可編輯機(jī)器語(yǔ)言程序和微程序，并進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。如

3、在脫機(jī)裝態(tài)時(shí)，在閃動(dòng)的“P.”狀態(tài)下，鍵入數(shù)字鍵“3”(復(fù)雜模型機(jī)代號(hào))，然后再鍵入“裝載”命令鍵，實(shí)驗(yàn)裝置自動(dòng)裝載由數(shù)字鍵定義的模型機(jī)機(jī)器實(shí)驗(yàn)程序及與其對(duì)應(yīng)的微程序，裝載完畢自動(dòng)返回“P.”等待命令。1.數(shù)據(jù)格式模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示數(shù)據(jù)，且字長(zhǎng)為8位，其格式如下：76 5 4 3 2 1 0符號(hào)尾數(shù)其中第7位為符號(hào)位，數(shù)值表示范圍是：-128X127（定點(diǎn)整數(shù)），-1X<1（定點(diǎn)小數(shù)）。2.指令格式模型機(jī)設(shè)計(jì)五大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪存指令、轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。 算術(shù)邏輯指令設(shè)計(jì)9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：

4、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：Rs或 Rd代表選定的寄存器00R001R110R29條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見(jiàn)表1。 訪存指令和轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)設(shè)計(jì)2條訪存指令、即存數(shù)指令（STA）、取數(shù)指令（LDA）；2條轉(zhuǎn)移指令，即無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令（JMP）、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為：76 543 21 00M0OP-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為形式地址，如為位移量，正負(fù)均可，M為尋址模式，其定義如下：尋址模式M有效地址

5、E說(shuō)明00E=D直接尋址或立即尋址01E=（D）間接尋址10E=（RI）+DRI變址尋址11E=（PC）+D相對(duì)尋址模型機(jī)規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。 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，addr=01時(shí)，選中“INPUT DEVICE”中的開(kāi)關(guān)作為輸入設(shè)備，addr=10時(shí)，選中“OUTPUT DEVICE”中的LED作為輸出設(shè)備。 停機(jī)指令HALT指令，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作，指令格式如下 ：7 6 5 43 21 0OP-CODE0 00 03. 指令系統(tǒng)模型機(jī)有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯運(yùn)算

6、指令9條，訪問(wèn)內(nèi)存指令2條，程序控制指令2條，輸入輸出指令2條，其它指令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號(hào)、指令功能。表1 指令格式及功能匯編符號(hào)指 令 格 式功 能CLR rd111000RD0RD MOV rs, rd0001RSRDRSRD ADC rs, rd0011RSRDRS+RD+cyRD SBC rs, rd0101RSRDRS- RD-cyRD INC rd0111RSRDRD+1RDAND rs, rd1001RSRDRSRDRDCOM rs, rd1011RSRD RD變反RD RRC rs, rd1101RSRDRS帶進(jìn)位右移后送RDRLC rs, rd1111R

7、SRDRS帶進(jìn)位左移后送RDLDA M, D, Rd0M000RDERD STA M, D, Rd0M001RDRDEJMP M,D0M01000EPCBZC M,D0M01100CY=1或Z=1時(shí)，EPCIN addr, rd100001RDaddrRDOUT addr, rd101010RDRDaddrHALT11000000停機(jī)4微指令格式微指令字長(zhǎng)32位，格式如下所示：32 31 30292827262524232221201918171615AARLDR2LDR1A9A8CELOADCNMS0S1S2S3BLDAR1413121110987654321LDPCLDIRDDR2DDR1

8、LDRDWEUA0UA1UA2UA3UA4UA5BSW A字段譯碼后產(chǎn)生總線接收控制信號(hào)，如表2所示。表2 A字段譯碼后的控制信號(hào)323130選擇000001PC-BUS010ALU-BUS011299-BUS100RS-BUS101RD-BUS110RI-BUS B字段譯碼后產(chǎn)生的操作選擇控制信號(hào)如表3所示。 表3 B字段譯碼后產(chǎn)生的控制信號(hào)16 2選擇測(cè)試字0001P（1）識(shí)別操作碼10P（2）判尋址方式11P（3）條件測(cè)試微指令中的控制信號(hào)說(shuō)明：第29位AR控制進(jìn)位，第25、26位控制輸入和輸出。第17位到第22位控制運(yùn)算器，第9位和第24位控制存儲(chǔ)器，第11、12位控制暫存器，第3位到

9、第8位是下條微指令地址。5 模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)程序模型計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)程序（mxj3.abs）如下，可供分析參考：地址 代碼 助記符$P00 84 IN 01，R0$P01 86 IN 01，R2$P02 38 ADC R2，R0$P03 11 MOV R0，R1$P04 F0 RLC R0，R0$P05 0C BZC $P06 00 $P07 C0 HALT在聯(lián)機(jī)狀態(tài)，可通過(guò)模擬軟件在菜單上選擇相關(guān)命令，單步運(yùn)行微程序，單步運(yùn)行機(jī)器程序，連續(xù)運(yùn)行程序。如在脫機(jī)狀態(tài)，可按復(fù)位鍵后，按以下方式運(yùn)行。（1）單步運(yùn)行微程序鍵入數(shù)字鍵00（PC地址從00H開(kāi)始），然后每按動(dòng)一次“單步”命令鍵，運(yùn)行一條微指令。

10、對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。（2）單步運(yùn)行機(jī)器程序 鍵入數(shù)字鍵00H（PC地址），然后每按動(dòng)一次“宏單步”命令鍵，運(yùn)行一條機(jī)器指令。對(duì)照機(jī)器指令程序，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。（3）程序連續(xù)運(yùn)行與暫停程序鍵入數(shù)字鍵00H（PC地址）按動(dòng)“運(yùn)行”命令鍵使模型機(jī)進(jìn)入實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)按“宏單”鍵執(zhí)行的暫停命令，使模型機(jī)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。6. 模型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖模型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖1所示，運(yùn)行程序時(shí)可在圖中看到指令流、數(shù)據(jù)流及各寄存器內(nèi)容的變化。打開(kāi)調(diào)試窗口，可觀察到所執(zhí)行指令及地址，所執(zhí)行微指令及微地址。圖1 模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖7系統(tǒng)控存內(nèi)容系統(tǒng)控存內(nèi)容

11、如表4所示，可供分析指令流程時(shí)參考。表4 系統(tǒng)控存內(nèi)容地址代碼功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR 按OP和尋址方式轉(zhuǎn)0300800420RAMDR1040080C038RAMAR按OP轉(zhuǎn)05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1按OP轉(zhuǎn)0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR20CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD0E00000080空操作0FA0000

12、408RDDR11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1變反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0DR1DR11400000000空操作1540000280/50000280DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DR1DR2RD1840300280DR1變反RD19601400D8299帶進(jìn)位右移1A601800D8299帶進(jìn)位左移1B60000280299RD1C40200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E406020

13、80/405F2080DR1PC1F00008072BZC20200060C0按OP 轉(zhuǎn)和按尋址轉(zhuǎn)，PCAR, PC+12180000280 RSRD22200060A0 PCAR, PC+12380000430RSDR12420006060PCAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT 微地址不變2D800C0098RS299移位器2E401C02800RD2F800C00

14、58RS299移位器3040140280三設(shè)計(jì)任務(wù) 1運(yùn)行幾條指令，按照系統(tǒng)的微指令格式和模型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖分析其流程，寫(xiě)出所分析機(jī)器指令的微程序。 2.增加一條新指令，為其編制微程序。3. 編制程序，應(yīng)能完成下列功能之一：（1）乘法運(yùn)算。（2）除法運(yùn)算。（3）連加或連減運(yùn)算。（4）其他功能。將編制的程序翻譯成二進(jìn)制代碼程序，并將二進(jìn)制代碼程序替換實(shí)驗(yàn)程序，作為一個(gè)新文件保存（擴(kuò)展名用abs），進(jìn)一步運(yùn)行程序，參照機(jī)器指令及微程序流程圖，觀察運(yùn)行過(guò)程及結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論分析比較。四. 設(shè)計(jì)總結(jié)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和總結(jié)，如何解決設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，寫(xiě)出本次設(shè)計(jì)的收獲及感想。第二部分 計(jì)算機(jī)

15、接口部分【目的與要求】綜合應(yīng)用所學(xué)計(jì)算機(jī)接口和匯編語(yǔ)言原理和知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較為完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的能力【設(shè)計(jì)內(nèi)容】一設(shè)計(jì)所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件環(huán)境：設(shè)計(jì)采用北京精儀達(dá)盛科技有限公司的CPU掛箱，8086CPU模塊（或8051CPU模塊），接口掛箱及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，PC機(jī)一臺(tái)。軟件環(huán)境：8086集成開(kāi)發(fā)環(huán)境或8051集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。二設(shè)計(jì)原理利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的硬件環(huán)境設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用開(kāi)關(guān)和顯示燈作為模擬對(duì)象。下面的示例給出一個(gè)通過(guò)開(kāi)關(guān)控制LED燈按一定規(guī)律亮或滅的設(shè)計(jì)原理。1. 設(shè)計(jì)示例接線設(shè)計(jì)示例接線如圖1所示。圖1 系統(tǒng)接線圖系統(tǒng)接線：825

16、5接CS0；8253接CS1；A口接輸入，B口接輸出，C口接clk的輸出；CLK3CLK0；OUT0CLK1；OUT0CLK2；OUT1PC0；OUT2PC1。在此硬件連接基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)如下功能：通過(guò)拔鍵開(kāi)關(guān)輸入1、2或其它，實(shí)現(xiàn)輸出的慢閃、快閃和常亮三種方式工作。2. 示例程序流程圖相應(yīng)的示例程序流程圖如圖2所示：圖2 示例程序流程圖3.示例程序示例程序如下：;硬件課程設(shè)計(jì)示例程序;文件名稱：example01.ASM;功能說(shuō)明：通過(guò)拔鍵開(kāi)關(guān)輸入1，2或其它，實(shí)現(xiàn)輸出的慢閃、快閃和常亮三種方式工作;目標(biāo)器件：微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái);當(dāng)前版本：1.0;接線方式：; 8255接CS0;8253接CS1;

17、A口接輸入，B口接輸出，C口接clk的輸出; CLK3->CLK0;OUT0->CLK1;OUT0->CLK2;OUT1->PC0;OUT2->PC1;常量定義pa8255 equ 04a0hpb8255 equ pa8255+2pc8255 equ pa8255+4con8255 equ pa8255+6clk0 equ 04b0hclk1 equ clk0+2clk2 equ clk0+4conclk equ clk0+6;偽指令assume cs:code code segment public org 100hstart: ;時(shí)鐘初始化;mov dx,co

18、nclk;控制寄存器mov ax,36h;計(jì)數(shù)器0，方式3out dx,axmov dx,clk0mov ax,7Chout dx,axmov ax,92hout dx,ax;計(jì)數(shù)值927Chmov dx,conclkmov ax,76h;計(jì)數(shù)器1，方式3out dx,axmov dx,clk1mov ax,04hout dx,axmov ax,0;計(jì)數(shù)值32hout dx,axmov dx,conclkmov ax,0b6h;計(jì)數(shù)器2，方式3out dx,axmov dx,clk2mov ax,0chout dx,axmov ax,0;計(jì)數(shù)值04hout dx,ax;8255初始化;mov

19、dx,con8255;控制寄存器地址mov ax,99h;設(shè)置為A口輸入，B口輸出，C口輸入out dx,axstart1: mov dx,pa8255;A口地址in ax,dx;輸入cmp al,01hjz L1cmp al,02hjz L3;燈常亮mov ax,0aahmov dx,pb8255;B口地址out dx,axcall delayjmp start1L1:jmp near ptr LOne ;相對(duì)尋址近轉(zhuǎn)移示例L3:jmp near ptr LThree;燈閃亮1LOne: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz LTwomov

20、ax,0ffh mov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;輸出jmp start1LTwo:;變量的使用mov al,cs:var1mov cs:var1+1,almov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;輸出jmp start1;燈閃亮2LThree: mov dx,pc8255LFour:mov ax,050h mov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;輸出jmp start1 ;子程序delay: mov cx, 2710h;time delaydelay1: nop noploop delay1ret ;下面放著變量定義var1 db 55h,

21、?code endsend start三設(shè)計(jì)任務(wù)在上述示例程序的基礎(chǔ)上，按照示例程序的方法，討論課程設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，構(gòu)建相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，并在硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的程序，完成如下題目之一。1汽車信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并制作出汽車信號(hào)燈微機(jī)控制系統(tǒng)；所需執(zhí)行的操作由相應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)反映，所需控制的信號(hào)燈有儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左右頭燈和左右尾燈共六類燈，其駕駛操作與燈光信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：（1）左/右轉(zhuǎn)彎(合上左/右開(kāi)關(guān))：儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈閃爍。（2）緊急開(kāi)關(guān)合上：所有燈閃爍。（3）剎車(合上剎車開(kāi)關(guān))：左右尾燈亮。（4）左/右轉(zhuǎn)彎剎車：儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈

22、閃爍，右/左尾燈亮。（5）剎車、合上緊急開(kāi)關(guān)：尾燈亮、儀表板燈、頭燈閃爍。（6） 左/右轉(zhuǎn)彎剎車，并合上緊急開(kāi)關(guān)：右/左尾燈亮，其余燈閃爍。（7） ?？?合上?？块_(kāi)關(guān))：頭燈、尾燈以30Hz的頻率閃爍。（8）有10種輸入選擇，影響6個(gè)燈輸出，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：表1 操作和燈的對(duì)應(yīng)關(guān)系駕駛操作頭燈儀表燈尾燈左右左右左右左轉(zhuǎn)彎閃滅閃滅閃滅右轉(zhuǎn)彎滅閃滅閃滅閃緊急開(kāi)關(guān)合上閃閃閃閃閃閃剎車滅滅滅滅亮亮左轉(zhuǎn)彎剎車閃滅閃滅閃亮右轉(zhuǎn)彎剎車滅閃滅閃亮閃緊急剎車閃閃閃閃亮亮緊急左轉(zhuǎn)剎車閃閃閃閃閃亮緊急右轉(zhuǎn)剎車閃閃閃閃亮閃?？块W閃滅滅閃閃2. 家用電風(fēng)扇控制系統(tǒng)（1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)家用風(fēng)扇控制器?？刂破髅姘鍨椋喊粹o三個(gè)，分別為風(fēng)速、類型和停止，LED指示燈六個(gè)，指示風(fēng)速?gòu)?qiáng)、中、弱，類型為睡眠、自然和正常。（2）電扇處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)