复杂模型机系统设计及运行.docx
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复杂模型机系统设计及运行
《计算机组成原理》
课程设计报告
报告题目:
复杂模型机系统设计及运行
作者所在系部:
作者所在专业:
作者所在班级:
作者姓名:
指导教师姓名:
完成时间:
2013-06-19
北华航天工业学院教务处制
目录
目录……………………………………………………………………………………..1
内容摘要………………………………………………………………………………..2
关键词…………………………………………………………………………………..2
课程设计任务书………………………………………………………………………..3
第1章绪论…………………………………………………………………………..4
1.1设计地点………………………………………………………………….4
1.2设计目的………………………………………………………………….4
1.3设计内容………………………………………………………………….4
1.4实验环境………………………………………………………………….4
1.5课程设计要求…………………………………………………………….4
第2章基础知识………………………………………………………………………5
2.1概述……………………………………………………………………….5
2.1.1指令系统概述……………………………………………………..5
2.2实验微代码表…………………………………………………………….8
第3章系统设计与实现………………………………………………………………10
3.1模型机结构……………………………………………………………….10
3.2程序设计原理…………………………………………………………….10
3.2.1ALU……………………………………………...…………………10
3.2.2存储器…………………………………………………..…………11
3.2.3控制器…………………………………………………..…………11
3.3程序代码……………………………………………………….…………12
3.4系统实现步骤………………………………………………….…………12
3.5实验内容介绍…………………………………………………….………15
3.6实验结果……………………………………………………….…………15
3.6.1测试用例………………………………………………….….……15
3.6.2实验结果图示……………………………………….……….……16
第4章总结……………………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………………….18
评语……………………………………………………………………………………..19
内容摘要
计算机系统不同于一般的电子设备,它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。
计算机系统的层次结构模型中,第0层是硬件内核(逻辑线路),第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术(组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术),第3、4层为系统软件,第5层为应用软件分析。
计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。
本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的模型机,在实验中了解,熟悉完整的单台计算机基本组成原理,掌握计算机中数据表示方法、运算方法,运算器的组成、控制器的实现、存储子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。
以及增强自己的动手能力。
课设主要组成原理实验设备EL-JY-II来完成的,在实验中利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。
关键词
模型机,微指令,机器指令,微地址,微代码
课程设计任务书
课题名称
复杂模型机系统设计
完成时间
指导教师
职称
教师
学生姓名
班级
总体设计要求和技术要点
掌握计算机五大功能部件的组成及功能,熟悉完整的单台计算机基本组成原理,掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。
(1)利用实验设备平台构造完整的模型机;
(2)利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作;
(3)运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系,实现运算器和存储器协同工作,读写数据,检查结果是否正确;
(4)应用微程序控制器,往EEPROM里任意写24位微代码,读出微代码并验证其正确性;
(5)构造指令系统,定义至少15条机器指令,实现比较完整的模型机功能,包括算术/逻辑运算以及输入输出处理;
(6)完成指定功能的实现,参加成果验收,撰写课程设计报告。
工作内容及时间进度安排
总计2周:
1.6月17日:
资料查阅、确定选题、系统总体设计
2.6月18日-6月21日:
熟悉开发环境和工具,模块设计、代码编制
3.6月24日-28日:
系统调试与运行,现场验收设计成果
4.6月28日:
上交设计报告(打印稿及电子稿)
课程设计成果
1.课程设计硬件系统及配套软件
2.课程设计报告书
第1章绪论
本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入/输出系统、总线等部件和辅助电路完成一个较完整的模型机计算机设计和实现。
1.1设计地点
图书馆五楼计算机组成原理实验室。
1.2设计目的
本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路,完成一个较完整的模型计算机设计和实现(包括硬件和软件)。
通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握,培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。
1.3设计内容
掌握计算机五大功能部件的组成及功能,熟悉完整的单台计算机基本组成原理,掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。
(1)利用实验设备平台构造完整的模型机;
(2)利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作;
(3)运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系,实现运算器和存储器协同工作,读写数据,检查结果是否正确;
(4)应用微程序控制器,往EEPROM里任意写24位微代码,读出微代码并验证其正确性;
(5)构造指令系统,定义至少15条机器指令,实现比较完整的模型机功能,包括算术/逻辑运算以及输入输出处理;
(6)完成指定功能的实现,参加成果验收,撰写课程设计报告。
1.4实验环境
利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。
系统采用“基板+扩展板(CPU板)”形式;系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上,微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。
1.5课程设计要求
要求画出系统模块框图:
按从上到下的设计方法,将整个设计依功能划分成若干模块;并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。
检查模块逻辑功能是否正确;
第2章基础知识
2.1概述
2.1.1指令系统概述
本系统共有十四条基本指令,其中算术逻辑指令8条,访问内存指令和程序控制指令4条,输入输出指令2条。
表2-1列出了各条指令的格式,汇编符号和指令功能。
表2-1指令格式表
汇编符号
指令的格式
功能
MOVrd,rs
ADDrd,rs
SUBrd,rs
INCrd
ANDrd,rs
NOTrd
RORrd
ROLrd
rs→rd
rs+rd→rd
rd-rs→rd
rd+1→rd
rs∧rd→rd
对rd求反
rd循环右移
rd循环左移
MOV[D],rd
MOVrd,[D]
rd→[D]
[D]→rd
MOVrd,D
JMPD
D→rd
D→PC
INrd,KIN
OUTDISP,rd
KIN→rd
rd→DISP
2.1.2微代码设计
设计三个控制操作微程序如下:
(1)存储器读操作(MRD)
拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后,指令译码输入CA1、CA2为“00”时,按“单步”键,可对RAM连续读操作。
(2)存储器写操作(MWE)
拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后,指令译码输入CA1、CA2为“10”时,按“单步”键,可对RAM连续写操作。
(3)启动程序(RUN)
拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后,指令译码输入CA1、CA2为“11”时,按“单步”键,即可转入到第01号“取指”微指令,启动程序运行。
本系统设计的微程序字长共24位,其控制位顺序如表2-2所示。
表2-224位微代码表
24
23
22
21
20
19
18
17
16
151413
121110
987
6
5
4
3
2
1
S3
S2
S1
S0
M
Cn
WE
1A
1B
F1
F2
F3
uA5
uA4
uA3
uA2
uA1
uA0
F1、F2、F3三个字段的编码方案如表2-3所示。
表2-3编码方案表
F1字段
F2字段
F3字段
151413
选择
121110
选择
987
选择
000
LDRi
000
RAG
000
P1
001
LOAD
001
ALU-G
001
AR
010
LDR2
010
RCG
010
P3
011
自定义
011
自定义
011
自定义
100
LDR1
100
RBG
100
P2
101
LAR
101
PC-G
101
LPC
110
LDIR
110
299-G
110
P4
111
无操作
111
无操作
111
无操作
微程序流程图如图2-1所示。
2.2试验微代码表
实验微代码如表2-4所示。
表2-4使用微代码表
微地址(8进制)
微地址(2进制)
微代码(16进制)
00
000000
007F88
01
000001
005B42
02
000010
016FFD
06
000110
015FE5
07
000111
015FE5
10
001000
005B4A
11
001001
005B4C
12
001010
014FFB
13
001011
007FC1
14
001100
01CFFC
20
010000
005B65
22
010010
005B47
23
010011
005B46
24
010100
007F15
25
010101
02F5C1
27
010111
018FC1
30
011000
0001C1
31
011001
0041EA
32
011010
0041EC
33
011011
0041F2
34
011100
0041F3
35
011101
0041F6
36
011110
3071F7
37
011111
3001F9
40
100000
0379C1
41
100001
010FC1
42
100010
011F41
45
100101
007F20
52
101010
0029EB
53
101011
9403C1
54
101100
0029ED
55
101101
6003C1
62
110010
0003C1
63
110011
0025F5
65
110101
B803C1
66
110110
0C03C1
67
110111
207DF8
70
111000
000DC1
71
111001
107DFA
72
111010
000DC1
73
111011
06F3C8
74
111100
FF73C9
75
111101
016E10
第3章系统设计与实现
3.1模型机结构
图3-1模型机结构框图
图中运算器ALU由U7—U10四片74LS181构成,暂存器1由U3、U4两片74LS273构成,暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。
微控器部分控存由U13—U15三片2816构成。
除此之外,CPU的其它部分都由EP1K10集成(其原理见系统介绍部分)。
存储器部分由两片6116构成16位存储器,地址总线只有低八位有效,因而其存储空间为00H—FFH。
输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成,当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。
在开关方式下,输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成,当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。
在键盘方式或联机方式下,数据可由键盘或上位机输入,然后由监控程序直接送上数据总线,因而外加的数据输入电路可以不用。
注:
本系统的数据总线为16位,指令、地址和程序计数器均为8位。
当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时,只有低8位有效。
3.2程序设计原理
3.2.1ALU
ALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。
它的基本逻辑结构是先行进位加法器。
3.2.2存储器
静态MOS存储器芯片由存储器、地址译码和控制电路等部分组成。
存储体是存储单元的集合。
地址译码器二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位,驱动相应的读写电路。
控制器根据CPU给出的读或写命令,控制被选中的存储单元读出或写入。
3.2.3控制器
CPU的硬件完成的是读取指令,分析指令后产生相应的控制信号,用于指令的执行完成。
对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。
控制器组成如下:
(1).指令计数器:
存放要执行的下一条指令的地址。
(2).指令寄存器:
存放现行指令。
(3).指令译码器:
对指令操作码进行分析解释,产生相应的控制信号给操作信号形成部件。
(4).脉冲源及启停控制电路:
脉冲源产生一定频率的脉冲信号,作为整个机器的时钟脉冲,启停线路可以开放或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生于停止,实现对机器的启动和停机。
(5).时序信号产生部件:
以时钟脉冲为基础,具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。
(6).操作控制信号形成部件:
综合时序信号、被控功能部件反馈的状态条件信号等,形成不同指令所需要的操作控制信号序列。
(7).中断机构:
对异常情况和外来请求处理。
(8).总线控制逻辑:
对总线信息传输控制。
3.3程序代码
本实验的机器指令程序代码如表3-1所示。
表3-1指令输入表
地址(十六进制)
机器指令(十六进制)
助记符
说明
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
0048H
00B0H
0082H
0046H
0049H
00A4H
0082H
0046H
00F0H
00D5H
00E5H
0094H
0082H
0046H
0008H
0000H
INAx,KIN
INCAx
MOVCx,Ax
OUTDISP,Cx
INBx,KIN
SUBAx,Bx
MOVCx,Ax
OUTDISP,Cx
ROLAx
NOTBx
RORBx
ANDAx,Bx
MOVCx,Ax
OUTDISP,Cx
JMP0000H
输入Ax
Ax+1→Ax
Ax→Cx
Cx→LED
输入Bx
Ax-Bx→Ax
Ax→Cx
Cx→LED
Ax循环左移
对Bx求反
Bx循环右移
Bx+Ax→Ax
Ax→Cx
Cx→LED
0000H→PC
3.4系统实现步骤
(1)系统在联机方式下进行。
步骤如下:
连接硬件系统,电路如图3-2所示。
图3-2硬件连线图
启动实验联机软件,打开实验课题菜单,选中实验课题八,打开实验课题参数对话窗口。
(2)微指令操作:
写:
在编辑框中输入微指令程序(格式:
两位八进制微地址+空格+六位十六进制微代码),按“保存”按钮,将微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中;按“打开”按钮,打开已有的微程序文件,并显示在编辑框中;将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1off、K2on、K3off、K4off,其中K1、K2、K3在微程序控制电路,K4在24位微代码输入及显示电路上,然后按"写入"按钮,微程序写入控制存储器电路。
读:
将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1off、K2off、K3on、K4off,在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址,按“读出”按钮,则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中。
微指令操作界面如图3-3所示。
图3-3微指令操作
(3)机器指令操作。
打开实验课题参数对话窗口:
写:
在编辑框中输入实验用的机器指令程序(格式:
两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码),按“保存”按钮,将机器指令程序代码保存在一给定文件(*.ASM)中;按“打开”按钮,打开已有的机器指令程序文件,并显示在编辑框中;将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1on、K2off、K3on、K4off,拨动“CLR”开关对地址和微地址清零,将表13中的数据以图4形式写入,然后按“写入”按钮,机器指令写入存储器电路。
读:
将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1on、K2off、K3on、K4off,在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址,拨动“CLR”开关对地址和微地址清零,然后按“读出”按钮,则相应的指令代码显示在“读出指令代码”栏中。
运行程序
单步:
在运行状态前提下,选择操作-单步,然后拨动“CLR”开关对地址和微地址清零,然后每按一次"单步"按钮,执行一条微指令。
可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果。
连续:
在运行状态前提下,选择操作-连续,先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零,然后按"连续"按钮,可连续执行程序。
可从实验箱的指示灯和显示LED观察连续运行的结果。
停止:
在连续运行程序过程中,可按"停止”按钮暂停程序的执行。
此时地址和微地址并不复位,仍可以从暂停处单步或连续执行。
机器指令操作界面如图3-4所示:
图3-4机器指令操作
程序运行过程中,遇到输入语句时,会出现如图3-5和图3-6所示对话框,要求输入数据:
图3-5弹出窗口提示操作
图3-6输入数据
3.5设计内容介绍
本系统完成计算及验证实验结果。
计算公式:
Cx=[(Ax+16)*8]-Bx/4
3.6实验结果
3.6.1测试用例
以下为实验中使用的输入数据及计算结果,如表3-2所示:
表3-2输入数据及计算结果
实验数据
Ax
Bx
Cx
第一组数据
0010H
0000H
0040H
第二组数据
0001H
0011H
001DH
3.6.2实验结果图示
(1)输入Ax数据0001H,如图3-7所示:
图3-7输入Ax数据
(2).输入Bx数据0011H,如图3-8所示:
图3-8输入Bx数据
(3)在输出显示灯上第一组数据显示的第一次结果,如图3-9所示:
图3-9第一组数据第一次结果显示
(4)在输出显示灯上第一组数据显示的第二次结果,如图3-10所示:
图3-10第一组数据第二次显示结果
第4章总结
通过本次课程设计,了解了微程序控制器的组成、微程序控制器的原理,学会设计简单的微程序,熟悉了基本电路及其功能。
此次课程设计最关键的步是连接实验电路图以及对机器指令与微程序之间的的关系,在实验刚开始时,还不太明白实验的内容到底是什么,最后通过反复的对实验指导书的阅读,最后终于弄明白了微代码和机器指令的关系以及如何设计机器指令。
在设计程序初期,我们在设计指令时用到了许多复杂的运算,如:
与、求反。
但是经过大量的实验,发现有的结果不正确,通过其他小组了解到,他们也遇到了同样的情况。
因此我们又改了设计的机器指令,经过三次设计后,我们最终得到了正确的答案和机器指令,虽然说设计的程序相对简单,但是我们意识到了我们设计的程序没有错,只是因为机器的各方面原因导致了计算结果上的一些差异。
总的来说,在这次课程设计当中我们收获颇丰,不但了解了模型机的原理,也知道了实验最重要的是实践,很多理论上能实现的东西,在实验过程中会遇到各种问题,所以提高动手能力和排查错误的能力是非常重要的,只有做到理论与实践相结合,才能得到完美的结局。
以上就是我在本次课程设计中的收获。
参考文献
[1]季福坤.计算机组织与系统结构.中国水利水电出版社,2010
[2]唐硕飞.计算机组成原理.高等教育出版社,2002
[3]白中英.计算机组织与结构.科学出版社,2003
[4]蒋本珊.计算机组成原理.清华大学出版社,2004
[5]黄钦胜.计算机组成原理.电子工业出版社,2003
[6]杨小龙.计算机组织与系统结构实验教程.西安电子科技大学出版社,2004
指导教师评语及设计成绩
评语
课程设计成绩:
指导教师:
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