计算机组成原理课设(多寄存器减法、右移位、输入输出、转移指令实验计算机设计).doc

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1、计算机组成原理课设(多寄存器减法、右移位、输入输出、转移指令实验计算机设计) 沈阳理工大学课程设计专用纸 目录 1课设目的 . 1 2课设内容 . 1 3课设计算机的设计 . 1设计整机逻辑框图 . 1指令系统的设计 . 3微指令的格式设计及微操作控制部件的组成原理 . 6微程序设计 . 9编写调试程序 . 12编写实验程序 . 14 4实验计算机的组装 . 15 5、实验计算机的调试 . 18调试前准备 . 18 5.2程序调试过程 . 18调试结果 . 19出错和故障分析 . 21出错分析 . 21故障分析查找 . 21确认是否属故障 . 22正确判断故障原因 . 22 6心得体会 . 2

2、2 7参考文献 . 22 沈阳理工大学课程设计专用纸 1课设目的 （1）组成一个复杂的计算机整机系统模型机，输入程序并运行； （2）了解微程序控制器是如何控制模型机运行的，掌握整机动态工作过程; （3）定义几条机器指令，编写相应微程序并具体上机调试. （4）完成多寄存器算术减法右移位输入输出转移指令实验计算机设计。 2课设内容 利用EL-JY-II型计算机组成原理实验仪提供的硬件资源，通过设计（包括整机结构设计、指令设计、微程序设计、微指令设计、调试程序设计等）、组装、调试三个步骤完成台微程序控制的简单实验计算机的研制。 完成多寄存器算术减法右移位输入输出转移指令实验计算机设计。 3课设计算机

3、的设计设计整机逻辑框图 本系统的结构组成为： 1基板:本部分是8位机和16位机的公共部分，包括以下几个部分：数据输入和输出，显示及监控，脉冲源及时序电路，数据和地址总线，外设控制课设电路，单片机控制电路和键盘操作部分，与PC机通讯的接口，主存储器，电源，CPLD课设板(选件)，自由课设区（面包板）。 2CPU板：本板分为8位机和16位机两种，除数据字长分别为8位和16位以外，都包括以下几个部分：微程序控制器，运算器，寄存器堆，程序计数器，指令寄存器，指令译码电路，地址寄存器，数据、地址和控制总线。 运算器：由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器、和状态条件寄存器组成，它是数据加工

4、处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是有控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件. 存储器:是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存。 微程序控制器:控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令,通常把这种控制命令叫做微命令,而执行部件接受命令后的操作叫做微操作。 1 沈阳理工大学课程设计专用纸 地址寄存器：用来保存当前CPU所访问的内存单元地址。 程序计数器：CPU能确定下一条指令的地址来保证程序能够连续地执行下去 指令寄存器：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。

5、当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P1，通过节拍脉冲的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。 输入设备：能把人们用文字或语言所能表达的问题直接到计算机内部处理。 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。 本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备；另一种是数码管，它作为输出设备。输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到数据总线上

6、，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号（W/R）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码管显示。整机逻辑框图如图所示: 2 沈阳理工大学课程设计专用纸 ） 控制信号 图3.1 模型及结构框图指令系统的设计 (1)算术逻辑指令 3 沈阳理工大学课程设计专用纸 算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址其格式如表所示： 表3.1 算术逻辑指令格式 其中OP_CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定如表所示： 表3.2 选定寄存器 (2)访问及转移指令 本机设计有2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），1条转移指令，即

7、无条转移（JMP）、指令格式表所示 表3.3 访存及转移指令格式 其中OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义见表所示 表3.4 寻址模式 本机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。 (3)I/O指令 输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如表： 表3.5 I/O指令格式 4 沈阳理工大学课程设计专用纸 其中，addr=01时，选中“数据输入电路”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“输出显示电路”中的数码管作为输出设备。 各指令系统主要功能参如表所示： 表3.6 各指令系统主要功能 算术运算指

8、令：SUB R0，R2 指令功能：rs-rdrd 指令格式如表所示： 表3.7 SUB指令格式 机器码：10100010 RRC R2，R0 指令功能：rs的值带进位循环右移一位rd 指令格式如表所示 表3.8 RRC指令格式 机器码：1110100 输入输出指令：IN #DATA R0 5 沈阳理工大学课程设计专用纸 IN #DATA R2 指令功能：DATArd 指令格式如表所示： 表3.9 IN指令格式 机器码： IN #DATA R0 01000100 IN #DATA R2 01000110 OUT #DATA R0 指令功能：Ri的值LED输出 指令格式如表所示 表3.10 OUT

9、指令格式 机器码：01011000 转移指令：JMP 00H 指令功能：ADDRPC 指令格式如表所示 表3.11 JMP指令格式 机器码：00001000微指令的格式设计及微操作控制部件的组成原理 系统设计的微指令采用水平型微指令格式，字长共24位，其控制位顺序如表所示： 表3.12 控制位的顺序 沈阳理工大学课程设计专用纸 其中前18位为操作控制字段和测试字段。uA5-uA0为6位的下地址字段微地址。微指令中个控制位的含义如下： S3、S2、S1、S0、M、Cn是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令，如图所示 表3.13 控制运算器的逻辑和算术的微命令 WE是写内存的微命令，状态“1”有效。

10、 1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、“01”。 状态“00”为无效。 F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译码电路74138译码输出8种状态，前7种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。F3字段包含P1- P4四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。 F1、F2、F3三个字段的编码方案如表所示 表3.14 F1,F2,F3三个字段的编码方案表 7 沈阳理工大学课程设计专用纸 其中微命令LDRi表

11、示写寄存器操作。 微命令LOAD表示程序计数器PC写操作。 微命令LDR2表示数据暂存器LT2写操作。 微命令LDR1表示数据暂存器LT1写操作。 微命令LAR表示地址寄存器AR写操作。 微命令LDIR表示指令寄存器写操作。 微命令RAG表示源寄存器读操作。 微命令ALU-G表示运算器输出操作。 微命令RCG表示目的寄存器读操作。 微命令PC-G表示程序计数器PC读操作。 微命令LPC表示程序计数器PC选通操作。 微命令299-G表示移位寄存器读写操作。 微命令RBG表示变址寄存器读操作。 确定微程序控制方式 微程序入口地址形成方法 采用多路转移方式，根据判别测试条件，通过微地址形成电路使微程

12、序转入相应的微地址入口。 本系统有3个判别测试位：P4判别测试位是根据指令译码输入CA1、CA2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的?A0、?A1位产生3路分支转移，使微程序分别转移到写机器指令、读机器指令、和执行机器指令三种状态的微程序的入口。 P1判别测试位是根据指令中的前4位操作码IR7、IR6、IR5、IR4的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的?A3、?A2、?A1、?A0位产生16路分支转移，使微程序分别转移到IN指令、ADD指令、MOV指令、OUT指令、RRC指令等16条机器指令执行阶段的微程序的入口。 P2判别测试位是根据指令中的2位操作码IR3、IR2的状态为测

13、试条件，通过修改下地址字段微地址的?A1、?A0位产生4路分支转移，使微程序分别转移到LDA指令、STA指令、BZC指令和JMP指令4条机器指令执行阶段的微程序的入口。 微程序顺序控制方法 微程序顺序控制方式也即微程序执行过程中下一条微指令地址的确定方式。常用的有两种方式：计数增量方式和“下地址场”断定方式。 8 沈阳理工大学课程设计专用纸 计数增量方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址计数器MPC增量计数，来产生下一条微指令地址。因此，采用这种方式的微指令格式中可以不设置“下地址场”字段，微程序存储在控存的若干个连续单元中。 “下地址场”断定方式是指微程序在执行过程中，通过

14、微程序控制部件中的微地址形成电路，直接接受微指令中“下地址场”字段的信息，来产生下一条微指令地址。因此，采用这种方式的微指令格式中设有“下地址场”字段，一条机器指令所对应的微程序在控存中可以不连续存放。 本实验计算机的顺序控制是采用“下地址场”断定方式。无论是在微程序的顺序执行过程中，还是最后一条微指令执行结束之后进入下一条机器指令的取指过程，都是由微指令中“下地址场”字段的微地址，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接来产生下一条微指令地址。微程序控制部件组成结构示意图如图所示。 图3.2 微程序控制部件组成结构示意图微程序设计 画出每条机器指令所对应的微程序流程图，并标出每条微指令中所

15、使用的微操作命令 输入指令IN的程序流程图如图所示： 9 沈阳理工大学课程设计专用纸 图3.3 IN指令的程序流程图 输出指令OUT的程序流程图如图所示： 图3.4 OUT指令的程序流程图 转移指令JMP得逞醋溜程序图如图所示： 10 沈阳理工大学课程设计专用纸 图3.5 JMP的程序流程图 算术运算指令RRC的程序流程如图所示 图3.6 RRC的程序流程图 11 沈阳理工大学课程设计专用纸 算术运算指令SUB的程序流程图如图所示 图3.7 SUB的程序流程图编写调试程序 根据指令执行流程和微指令格式，编写各指令对应的微程序中每条微指令的编码（分别写出2进制和16进制编码） IN指令的编码如表

16、所示： 表3.15 IN指令的编码 12 沈阳理工大学课程设计专用纸 OUT指令的编码如表所示： 表3.16 OUT指令的编码 SUB指令的编码如表所示： 表3.17 SUB的编码 RRC指令的编码如表所示; 表3.18 RRC的编码 13 沈阳理工大学课程设计专用纸 JMP指令的编码如表所示： 表3.19 JMP指令的编码编写实验程序 使用各指令编写一段实验程序（用汇编语言写出程序、及程序中每条指令的机器码,即16进制编码和在内存中的存放地址）。 直接寻址方式程序的编写：，如表所示： 表3.20 直接寻址方式程序 14 沈阳理工大学课程设计专用纸 4实验计算机的组装 根据各部分的组成,连线步

17、骤: R0G-R2G(寄存器堆电路) R0G-R2G(指令寄存器电路) LR0-LR2(寄存器堆电路) LR0-LR2(指令寄存器电路) IR2-IR7(指令寄存器电路) IR2-IR7(指令寄存器电路) IO0-IO3(指令寄存器电路) IO0-IO3(指令寄存器电路) CA1(指令寄存器电路)E4(控制总线) CA2(指令寄存器电路)E5(控制总线) Y2(I/O控制电路)D-G(输出显示电路) Y1(I/O控制电路)CE(主存储器电路) WR(输出显示电路)W/R(读写控制电路) F1-F4(控制总线)T1-T4(读写控制电路) AD7-AD0(地址总线)MA7-MA0(主存储器电路)

18、WE(主存储器电路)W/R(读写控制电路) ALUJ2(运算器电路) BD7-BD0(数据总线) ALUJ1(运算器电路) BD7-BD0(数据总线) PCJ1(程序计数器电路) BD7-BD0(数据总线) RJ1(寄存器堆电路) BD7-BD0(数据总线) MC16-MC17(微程序控制器电路)1A-1B(I/O控制电路) 299-G(微程序控制器电路) 299-G(运算器电路) MC24-MC19(微程序控制器电路) S3-CN(运算器电路) 15 沈阳理工大学课程设计专用纸 LDR1(微程序控制器电路)LDR1(运算器电路) LDR2(微程序控制器电路)LDR2(运算器电路) ALU-G

19、(微程序控制器电路)ALU-G(运算器电路) AR(微程序控制器电路)AR(运算器电路) PC-G(微程序控制器电路)PC-G(程序计数器电路) LOAD(微程序控制器电路)LOAD(程序计数器电路) LPC(微程序控制器电路)LPC(程序计数器电路) LRi(微程序控制器电路)LRi(指令译码电路) RAG-RCG(微程序控制器电路)RAG-RCG(指令译码电路) SA5-SA0(微程序控制器电路)SA5-SA0(指令译码电路) P1-P4(微程序控制器电路)P1-P4(指令译码电路) LDIR(微程序控制器电路)LDIR(指令寄存器电路) UAJ1(微程序控制器电路)C1-C6(控制总线)

20、 MC18(微程序控制器电路)WE(读写控制电路) LAR(微程序控制器电路)LAR(地址寄存器电路) D0-D7(输出显示电路) BD7-BD0(数据总线) MD7-MD0(主存储器电路)BD7-BD0(数据总线) 按照组装图将各接口处用连接线连接起来，连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。实验计算机接线图如图2所示. 16 沈阳理工大学课程设计专用纸 图4 实验计算机的接线图 17 沈阳理工大学课程设计专用纸 5、实验计算机的调试调试前准备 首先，连接硬件系统，电路图如图所示。 其次，启动实验联机软件

21、，打开实验课题菜单，选中实验课题，打开实验课题参数对话窗口。程序调试过程 1微指令操作： 写（W）：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K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，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（R）：读微指令，开关读状态即K1 off、K2 off、K3 on、K4 off，

22、验证正确。 微指令操作界面如图所示： 图5.1 微指令操作 图5.1 微指令操作界面 2机器指令操作 汇编程序机器码（P60）两位16进制，输入到机器指令操作窗口，保存文件。 18 沈阳理工大学课程设计专用纸 写入机器指令（W）：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K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零。 读机器指令（R

23、）：将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，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。 3可以执行（E）调试结果 单步：在运行状态前提下，选择操作单步，点击弹出窗口如图，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，点击弹出窗口如图，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

24、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所示： 图5.2 机器指令操作 程序运行过程中，遇到输入语句时，会出现如图所示对话框 19 沈阳理工大学课程设计专用纸 图5.3 弹出窗口提示操作 输入数据框图如图5.4 图所示： 图5.4 输入第一个数据 图5.5 输入第二个数据 测试数据及结果如图： LED管显示 FF22H 20 沈阳理工大学课程设计专用纸 图5.6 电路板上输出结果 如图和图所示： 输入的数据是77H和33H。 IN #data，R0 R0=7

25、7H IN #data，R2 R2=33H SUB R0，R2 R0=R0-R2=77H-33H=44H RRC R2, R0 R2=R0>>1=44H>>1=22H OUT R0 JMP 00H 输出如图中的FF22H出错和故障分析出错分析 （1）组装错误, 如：EJ_JY_II型计算机组成原理实验系统出故障或 接错线 （2）器件设备错误，如： 所用器件性能不良 接线本身有断裂 （3）操作错误，如： K1，K2，K3，K4开关设置不当 M/CM开关设置不当 当最后显示结果时，操作清零出现错误 （4）接触不良，如： 接线连接时位于插孔插紧 与PC机没有连接号故障分析查找

26、 出现故障后切忌盲目无效操作和测试，要有的放矢。故障能否及时被排除，关键在于实验者是否真正熟悉自己设计的实验计算机方案，特别是指令执行流程。 21 沈阳理工大学课程设计专用纸确认是否属故障 单拍运行时，若M/CM置左，则显示器P9P9P7显示OAB信息，P6用于显示ODB信息。若某条指令的某拍显示ODB信息为FF，则有可能表示全1，也有可能是数据总线浮空，而这两者都有可能是正常或异常。判断的主要依据是指令执行流程。所以实验者无比真正熟悉自己设计的实验计算机方案，特别是指令流程。所以实验者无比真正熟悉自己设计的实验计算机方案，特别是指令执行流程和调试程序，才能确认是否出现故障。正确判断故障原因

27、故障原因多种多样，但通常只要以指令流程为主导，用万用表仔细测量有关的微操作控制信号及数据信息，由表及里、有此及彼地分析推理，总能找出故障之症结所在。 6心得体会 在这次课程设计中，我主要承担任务是一位全加器设计；在设计过程中，通过整体设计方案，根据课程任务设计书的要求，把我们组的课程设计报告认真的完成。这次的课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。巩固和加深了对计算机加法器的并行进位和串行进位的理解，提高综合运用所学知识解决问题的能力。培养了我们选用参考书，查阅手册及文献资料的能力。培养独立思考，深入研究，分析问题、解决问题的能力。通过MAX+Plus II软件的使用，让我们对其中的原理能清楚的掌握。这次的课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很非常重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在整个设计过程中，构思是很花费时间的。当然，有时用错了方法，总是实现不了。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 7参考文献 1.计算机组成原理 白中英（主编） 2.计算机组成原理实验指导书 杨雨彤（主编） 22