8位模型機課程設(shè)計

xxxxx課程設(shè)計報告學院機電信息學院課程課程設(shè)計專業(yè)計算機科學與技術(shù)班級xxxxx姓名xxxxxxx x學號xxxxxxxxxx指導教師xxxxxx日期201x年x月x日課程設(shè)計目的課程課程設(shè)計目的課程通過課程設(shè)計加深對計算機結(jié)構(gòu)及原理的理解。培養(yǎng)綜合分析、設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試計算機應(yīng)用系統(tǒng)的能力。掌握使用Protues工具軟件基本操作。培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。設(shè)計要求課程設(shè)計要求課程設(shè)計一臺8位模型機。要求包括五大部分。綜合應(yīng)用所學知識，補充新知識。先分段完成各部分電路的設(shè)計與仿真，然后綜合完成整體設(shè)計。撰寫課程設(shè)計報告。裝訂按照學校的統(tǒng)一要求完成。設(shè)計所有電路圖盡可能畫在同一張圖中，同時注意信號的流向。設(shè)計注意總體電路圖的緊湊和協(xié)調(diào)，要求布局合理，排列均勻。注意要嚴格遵守學習紀律，遵守作息時間。注意要愛護公物，搞好環(huán)境衛(wèi)生。事項課程課程設(shè)計內(nèi)容輸入/輸出設(shè)備的設(shè)計與仿真。運算器的設(shè)計與仿真。存儲器的設(shè)計與仿真。微控制器的設(shè)計與仿真?；灸Ｐ蜋C的設(shè)計與仿真。

課程設(shè)計簡要操作步驟畫出電路原理圖。設(shè)置仿真環(huán)境。調(diào)試與仿真?？偨Y(jié)。課程設(shè)計心得體會通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)計算機組成原理方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次思考與檢查終于找出了問題所在，這也暴露出前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手，是我們掌握的知識不再是紙上談兵。課程設(shè)計評語及成績評語成績指導教師（簽名）日期：目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"概述 0\o"CurrentDocument"總體設(shè)計 0詳細設(shè)計 23.1運算器 23.2存儲器 33.3微控制器 53.4基本模型機設(shè)計與實現(xiàn) 8總結(jié) 10\o"CurrentDocument"參考文獻 118位模型機的設(shè)計與仿真1.概述在掌握部件單元電路設(shè)計與仿真的基礎(chǔ)上，進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺8位模型機。字長是8位純整型，包含基本的五大件：運算器、存儲器、控制器、I/O設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1-1所示.CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備運算器 控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備內(nèi)存儲器外存儲器

圖1-1模型機結(jié)構(gòu)框圖這基本的五大件通過數(shù)據(jù)總線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和控制。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，而綜合實驗將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。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)一個微程序。2.總體設(shè)計模型機主要由運算器、控制器、存儲器、數(shù)據(jù)總線、輸入輸出和時序產(chǎn)生器組成，模型機的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1模型機結(jié)構(gòu)圖在圖2-1中T1、T2、T3和T4等控制信號都是由時序產(chǎn)生器生產(chǎn)，時序產(chǎn)生器由時序電路實現(xiàn)如圖2-2所示，時序產(chǎn)生器一個周期中產(chǎn)生四個脈沖信號T1~T4,這四個脈沖信號用于控制組件的執(zhí)行順序，組件在這些信號的控制下有序的執(zhí)行，一個周期中完成一條微指令的執(zhí)行。圖2-2時序產(chǎn)生器模型機的工作過程可以歸納如下：控制器把PC中的指令地址送往地址寄存器AR，并發(fā)出讀命令。存儲器按給定的地址讀出指令，經(jīng)由存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR送往控制器，保存在指令寄存器IR中。指令譯碼器ID對指令寄存器IR中的指令進行譯碼，分析指令的操作性質(zhì)，并由控制電路向存儲器、運算器等有關(guān)部件發(fā)出指令所需要的微命令。當需要由存儲器向運算器提供數(shù)據(jù)時，控制器根據(jù)指令的地址部分，形成數(shù)據(jù)所在的存儲單元地址，并送往地址寄存器AR，然后向存儲器發(fā)出讀命令，從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)由存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR送往運算器。當需要由運算器向存儲器寫入數(shù)據(jù)時，控制器根據(jù)指令的地址部分，形成數(shù)據(jù)所在的存儲單元地址，并送往存儲器地址寄存器AR，再將欲寫的數(shù)據(jù)存入存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR，最后向存儲器發(fā)出寫命令，MDR中的數(shù)據(jù)即被寫入由MAR指示地址的存儲單元中。一條指令執(zhí)行完畢后，控制器就要接著執(zhí)行下一條指令。為了把下一條指令從存儲器中取出，通常控制器把PC的內(nèi)容加上一個數(shù)值，形成下一條指令的地址，但在遇到“轉(zhuǎn)移”指令時，控制器則把“轉(zhuǎn)移地址”送入PC?？刂破鞑粩嘀貜蜕鲜鲞^程的(1)到(5)，每重復一次，就執(zhí)行了一條指令，直到整個程序執(zhí)行完畢。3.詳細設(shè)計3.1運算器運算器(arithmeticunit)是計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部件。運算器的基本操作包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作，亦稱算術(shù)邏輯部件(ALU)。計算機運行時，運算器的操作和操作種類由控制器決定。運算器處理的數(shù)據(jù)來自存儲器；處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。本次8位模型機實驗中，運算器是由兩片74LS181芯片構(gòu)成。74LS181是一個四位的ALU單元，它是由一個四位全加器以及進位電路構(gòu)成。正邏輯74LS181的邏輯圖3-1所示.圖3-1運算器原理圖74LS181運算功能發(fā)生器能進行16種算術(shù)運算和邏輯運算。功能表如下：設(shè)計步驟：按圖3-2連接實驗電路，并檢查無誤。圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標明(其它實驗相同)。圖3-2實驗接線圖將時序與操作臺單元的開關(guān)KK2置為，單拍’檔，開關(guān)KK1、KK3置為，運行’檔。(3)打開電源開關(guān)，如果聽到有‘嘀’報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排除。然后按動CON單元的CLR按鈕，將運算器的A、B和FC、FZ清零。用輸入開關(guān)向暫存器A置數(shù)。撥動CON單元的SD27-SD20數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進制數(shù)01100101(或其它數(shù)值)，數(shù)據(jù)顯示亮為‘1’，滅為‘0’。置LDA=1，LDB=0，連續(xù)按動時序單元的ST按鈕，產(chǎn)生一個T4上沿，則將二進制數(shù)01100101置入暫存器A中，暫存器A的值通過ALU單元的A7-A0八位LED燈顯示。用輸入開關(guān)向暫存器B置數(shù)。撥動CON單元的SD27…②置入暫存器B中，暫存器B的值通過ALU單元的B7-B0八位LED燈顯示。改變運算器的功能設(shè)置，觀察運算器的輸出。置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表1-1-1置S3、S2、S1、S0和Cn的數(shù)值，并觀察數(shù)據(jù)總線LED顯示燈顯示的結(jié)果。如置S3、S2、S1、S0為0010，運算器作邏輯與運算，置S3、S2、S1、S0為1001，運算器作加法運算。如果實驗箱和PC聯(lián)機操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果(軟件使用說明請看附錄一)，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機軟件的【實驗】一【運算器實驗】”，打開運算器實驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖3-3所示。進行上面的手動操作，每按動一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當前運算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】一【單節(jié)拍】”，其作用相當于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)KK2置為‘單拍’檔后按動了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當前運算器所做的操作。重復上述操作，然后改變A、B的值，驗證FC、FZ的鎖存功能。圖3-3數(shù)據(jù)通路圖3.2存儲器存儲器的主要功能是存儲程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。存儲器是具有'記憶〃功能的設(shè)備，它采用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來存儲信息。這些器件也被稱為記憶元件。在計算機中采用只有兩個數(shù)碼”0〃和〃1〃的二進制來表示數(shù)據(jù)。本次實驗所采用的半導體靜態(tài)存儲器電路原理如圖3-4所示。實驗中的靜態(tài)存儲器由一片6116（2k*8）構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，地址總線由地址鎖存器（74LS273）給出，地址燈AD0'AD7與地址線相連，顯示地址內(nèi)容。數(shù)據(jù)開關(guān)經(jīng)三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。圖3-4存儲器電路原理圖因為地址寄存器為8位，接入6116的地址為A7~A0，而高三位A8~A10接地，所以其實際容量為256字節(jié)。6116有三個控制線：CE（片選線）、OE（讀線）、CE（寫線）。當片選線有效（CE=0）時，OE=0時進行讀操作，WE=0時進行寫操作，其寫時間與T3脈沖寬度一致。操作時將T3脈沖接至實驗板上時序電路模塊的TS3相應(yīng)插孔中，其脈沖寬度可調(diào)，其他電平控制信號由“SWITCHUNIT”單元的二進制開關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。設(shè)計步驟：實驗接線如下:⑴MBUS連BUS2；⑵EXJ1連BUS3；⑶跳線器J22的T3連TS3；⑷跳線器J16的SP連H23；⑸跳線器SWB、CE、WE、LDAR撥在左邊（手動位置）。連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。形成時鐘脈沖信號T3,方法如下：在時序電路模塊中有兩個二進制開關(guān)“運行控制sws=r運行方式”。將“運行控制=1開關(guān)置為“運行”狀態(tài)=“運行方式”開關(guān)置為）“連續(xù)00狀態(tài)時數(shù)據(jù)按動置數(shù)運行*開關(guān)"態(tài)：3有連續(xù)的方波信號輸出，此時調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實驗要求的脈沖信號；"本實驗中“運行方式”開關(guān)置為“單步”狀態(tài)，每按動一次“啟動運行”開關(guān)，貝VT3輸出一個正單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。 CE=03?具體操作:步驟圖示如下： SWB=0 T4=AR=0給存儲器的=000曲址單元中寫入數(shù)據(jù)理0具體操作步驟、如下3土頊數(shù)據(jù)置入存儲器RAM如果要對其它地址單元寫入內(nèi)容，方法同上，只是輸入的地址和內(nèi)容不同。

具體操作步驟如下:渺=0

LDAR=1

具體操作步驟如下:渺=0

LDAR=1

「 —~1T3=*開輸入三態(tài)門 +數(shù)據(jù)置入地址寄存器SWB=1 CE=14.結(jié)果分嶄曲=00000000［數(shù)據(jù)開關(guān)置數(shù)〕SWB=01）根據(jù)存儲器的讀寫原理，填寫表3-1。表3-1戳器的讀寫信號配合控制信號Ar=0「讀內(nèi)容寫地從存儲器讀出寫內(nèi)容SWB開關(guān)101010LDAR?開關(guān)1010CE開關(guān)？1010WE開關(guān)?0102）記錄向存儲器寫入數(shù)據(jù)的操作過程。按照前面介紹的實驗步驟向存儲器地址為00H，01H，02H，03H，04H，05H的單元分別寫入數(shù)據(jù)：55H，33H，44H，66H，08H，F(xiàn)0H。3） 寫出讀出存儲器單元內(nèi)容的操作過程并記錄以下地址單元讀出的內(nèi)容。表3-2存儲器單元內(nèi)容讀出記錄4） 根據(jù)電路圖分析向存儲器置數(shù)和從存儲器讀數(shù)的工作原理。地址內(nèi)容地址內(nèi)容000000000101010100000100000010000000000100110011000001010000001001000100000010000000000000000011011001100000100100000000存儲器是計算機用來保存程序與數(shù)據(jù)的主要部件。存儲器可以分為易失性和飛易失性存儲器，易失性存儲器中的數(shù)據(jù)在關(guān)電后就不復存在，非易失性存儲器的數(shù)據(jù)在關(guān)電后不會丟失。易失性存儲器又可以分為動態(tài)存儲器和靜態(tài)存儲器，動態(tài)存儲器保存信息的時間只有2ms，工作時需要不斷更新，既不斷刷新數(shù)據(jù)靜態(tài)存儲器只有不斷電，信息是不會丟失的。3.3微控制器控制器(ControlUnit)是整個CPU的指揮控制中心，由寄存器IR，程序計數(shù)器PC和操作控制器OC三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。有兩種由于設(shè)計方法不同因而結(jié)構(gòu)也不同的控制器：硬布線控制器和微程序控制器。在本次課設(shè)中我們采用的是微程序控制器。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經(jīng)過30多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個領(lǐng)域。微控制器的電路圖如下圖3-5.圖3-5微控制器電路原理圖設(shè)計步驟：(1)將全部微程序按微指令格式變成二進制代碼，可得到表3-3的二進制代碼表。微地址S3S2S1S0MCNWEA9A81ABCUA5—UA000000000011000000100010000010000000111101101100000100200000000110000000100100003000000001110000000000100040000000010110000000001010500000001101000100000011006100101011001101000000001070000000011100000000011011000000000000100000000000111000000011110110110000011120000000111101101100001111300000001111011011000111014000000011110110110010110150000001010000010000000011600000000111000000000111117000000001010000000010101200000000111101101100101002100000001111011011001010022000000001010000000010111230000000110000000000000012400000000001000000001100025000001110000101000000001260000000011010001100000012700000111000010100001000030000001101000101000010001表3-3（2）按圖3-6連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。圖3-6微控制器實驗接線圖（3）觀察微程序控制器的工作原理：將微程序輸入控制存儲器中.將編程開關(guān)MJ20置為PROM（編程）狀態(tài)。.將實驗板上“STATEUNIT”中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。.用二進制模擬開關(guān)uA0~~uA5輸入當前微地址MA5——MA0。.在MK24~~MK1開關(guān)上置微指令代碼，24位開關(guān)對應(yīng)24位顯示燈，開關(guān)量為“0”時燈亮，開關(guān)量為“l(fā)”時燈滅。.啟動時序電路（按動啟動按鈕“START”），即將微代碼寫入到E2PROM2816的相應(yīng)地址對應(yīng)的單元中。.重復③一⑥步驟，將表1的微指令代碼寫入E2PROM2816中。校驗.將編程開關(guān)MJ20設(shè)置為READ（校驗）狀態(tài)。.將實驗板的“STEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)，“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。.用二進制模擬開關(guān)uA0~~uA5置好微地址MA5——MA0。.按動“START”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MD24——MD1的狀態(tài)（燈亮為“0”，滅為“l(fā)”），檢查讀出的微代碼是否與寫入的相同。如果不同，則將開關(guān)置于PROM編程狀態(tài)，重新輸入微指令代碼即可。單步運行.將編程開關(guān)MJ20置于“RUN（運行）”狀態(tài)。.實驗板的“STEP”及“STOP”開關(guān)保持原狀。.操作CLR開關(guān)使CLR信號l-0-1,此時微地址寄存器MA5一MA0清零，從而確定本機的運行入口微地址為000000（二進制）。.按動“START”鍵，啟動時序電路，則每按動一次啟動鍵，讀出一條微指令，此時實驗臺上的微地址顯示燈和微命令顯示燈將顯示所讀出的一條微指令。連續(xù)運行.將編程開關(guān)MJ20置為“RUN（運行）”狀態(tài)。.將實驗板的單步開關(guān)“STEP”置為“EXEC”狀態(tài)。.撥動CLR開關(guān)使CLR從1-0-1，此時微地址寄存器清“0”，從而給出取指微指令的入口地址為000000（二進制）。.按動“START”鍵，啟動時序電路，則可連續(xù)讀出微指令。3.4基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)在實驗1到實驗3中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的。而本次課設(shè)主要是設(shè)計模型機在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。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。本實驗采用五條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN 00000000ADDaddr 0001 0000IN 00000000ADDaddr 0001 0000R0STAaddr 0010 0000OUTaddr 0011 0000JMPaddr 0100 0000XXXXXXXX二進制加法R0+[addr]->XXXXXXXX存數(shù)RO->[addr]XXXXXXXX輸出[addr]->LEDXXXXXXXX無條件轉(zhuǎn)移addr->PC其中IN為單字長（8位）指令，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應(yīng)的二進制地址碼。圖3-7模型機數(shù)據(jù)通路圖根據(jù)模型機的數(shù)據(jù)通路圖（如圖3-7所示）和指令的要求定義微代碼如下:表1微代碼定義微程序24~21201918171615~1312~109~76~1控制信號S3~S0MCNRDM17M16ABPuA5~uA0表2A、B、P字段A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表中UA5-UA0為6位后續(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P（1）?P（4）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)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B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R0、R1及R2的選通譯碼。A字段中的LDRI為從輸入設(shè)備組件中讀入數(shù)據(jù)使能控制信號。系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖3-4-2所示，這里“取指”是公用微指令，為了能確定不同機器指令有各自不同的微程序轉(zhuǎn)向，我們在這里以指令寄存器的前4位(IR7?IR4)作為測試條件，引入了P(1)指令測試字段，如此，對于五條機器指令，就可以有五路P(1)測試分支，對于每一指令分別予以微程序解釋。由圖3-4-2微程序流程圖中可以看到，在執(zhí)行機器指令I(lǐng)N的時候要執(zhí)行三條微指令：01、02和10，每個微指令需要一個CPU周期來執(zhí)行，所以執(zhí)行一條機器指令I(lǐng)N需要三個CPU周期。圖3-8微程序流程圖當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化.圖3-6即為將如圖3-8的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的二進制微代碼表。設(shè)計步驟：單步運行程序使編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。撥動總清開關(guān)CLR(0-1)，微地址清零，PC計數(shù)器清零，程序首地址為00H。單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。當運行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元(0B)中的結(jié)果是否和理論值一致。連續(xù)運行程序使“STATEUNIT”中的STEP開關(guān)置于“EXEC”狀態(tài)，STOP開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。撥動CLR開關(guān)，清微地址及PC計數(shù)器，按動START，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將STOP撥