计算机组成原理专业课程设计二.doc
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1、目 录实验简介 实验原理 2 设计原理 3 实验设备 3 设计人员 3实验手记 4实验成果 演示程序 6 验收程序 7实验心得 沈镭 8 贾慧颖 9 李佳媛 10附录 程序流程图 11 译码表 12 数据通路总图 13 源代码和接线图 14 指令相应表 18 硬布线构造方框图 18 计算机构成原理设计文档文档撰写:沈镭 贾慧颖 李佳媛 图片绘制:李佳媛 沈镭 贾慧颖版面设计:沈镭 李佳媛 贾慧颖 封面设计:沈镭制作日期:-7-10实 验 简 介硬布线控制器是一种由门电路和触发器构成复杂树形逻辑网络构成逻辑电路,是初期设计计算机一种办法,这种办法是把控制部件看做为产生专门固定期序控制信号逻辑电路
2、,而此逻辑电路以使用元件至少和获得最高操作速度为设计目的。一旦控制部件构成后,除非重新设计和物理上对它重新布线,否则要想增长心控制功能是不也许。硬布线控制器是计算机中最复杂逻辑部件之一,当执行不同机器指令时,通过激活一系列彼此很不相似控制信号来实现对指令解释,其成果使得控制器设计和调试非常复杂且代价很大,因而被微程序控制器所取代,但随着新一代机器及VLSI技术发展,硬布线逻辑设计又得到了注重。N实验原理n本次实验重点就在于硬布线控制器设计,由于硬布线控制器大某些线路连线都在ispLSI1032芯片内部,因而设计方案优劣重要取决于设计思路和质量。1. 控制器设计思路硬布线控制器可以实现它控制功能
3、,核心在于它组合逻辑译码电路。译码电路任务是将一系列关于指令、时序等输入信号,转换为一种个控制信号,输入到各执行部件中。依照硬布线控制器基本原理,针对每个信号S,可以列出它译码函数S = f(Im,Mi,Tk,Bj)其中是机器指令Im机器指令操作译码输出信号,Mi是节拍信号发生器节拍电位信号,Tk是时序信号发生器时序脉冲信号,Bj是状态条件判断信号。在TEC4计算机构成原理实验系统中,由于时序脉冲信号Tk(T1-T4)已经直接输送给数据通路,因此译码电路不需Tk作为输入。又由于指令系统比较简朴,操作码只有4位,不需要专门操作码译码器,因而Im直接就是操作码,即指令寄存器IR4-IR7信号。Mi
4、就是时序模块节拍电位信号W1-W4。Bj涉及: 来自数据通路中运算器ALU进位信号C; 来自控制台开关信号SWC,SWB,SWA; 其她信号。每个控制信号函数式都是上述输入信号逻辑表达式,因而可以用各种组合逻辑构造电路网络,实现这些表达式逻辑功能。理论上,只要所有控制信号都设计出译码函数,这个硬布线控制器方案也就得到了,2. 控制设计流程设计硬布线控制器设计流程就是解决Im,Mi,Bj如何起作用问题,可以使用流程图办法。硬布线控制器以节拍为时间单位,一拍是从时序T1上升沿到T4下降沿一段时间。在流程图中一种执行框就代表一拍。但相较于微程序设计,尚有某些需要考虑因素。执行一条机器指令节拍数执行一
5、条机器指令所需要微指令数目在硬布线控制器中相称于机器指令所需节拍数。决定执行一条指令需要节拍数要依照所有指令而定,在本实验中,由于选用4拍对大多数指令就够了,因此节拍发生器产生4个节拍信号(W1-W4)。对于需要节拍少指令,在设计控制流程,对于所需节拍较少指令流程恰当位置使SKIP控制信号有效,那么对于节拍可以跳过,提高性能。对于需要节拍多指令,可以有两种办法,一是修改时序电路,采用变节拍方式实现,二是将一条机器指令执行化为占用两条或更多机器指令节拍,可以用FLAG进行标志,FLAG可以以为使上述其他信号。控制台操作问题机器指令执行流程设计出来后,还要有控制台操作。这某些属于机器指令系统,而又
6、要完毕机器指令那样以不超过4拍时间来执行,以便与机器指令执行方式统一起来。不同于微程序通过微程序地址记住处在控制台状态还是程序运营状态,在硬布线控制器中就要设立一种或几种标志来记录当前状态。依照这个标志可以区别控制台初始状态、控制台读内存、控制台写内存、程序运营状态。3. 硬布线控制器使用ISP技术,则控制器电路设计完全是在开发软件上进行,只要在计算机上面画出电路原理图,编写好必要程序,软件会自动完毕控制器内部联线控制,无需自己去接线。设计出硬布线控制流程图后,就可以据此设计出译码逻辑电路。先依照流程图列出译码表,作为逻辑设计根据。依照译码表可以写出每个控制信号逻辑表达式,这个表达式就是它所在
7、行各乘积项相加。在编写译码表过程中要注意综合和化简,可以考虑增长冗余项将相似信号合并为一种信号。N设计原理n采用数据通路和微程序控制器方案相似。(见附录)硬联线控制器模型机所使用时序信号比微程序控制器要多某些,除了原有时序信号T1至T4外,还需要节拍信号,一拍等于一种T1至T4循环。实验仪提供节拍信号有4个:W1至W4。N实验设备n(1) TEC-4计算机构成原理实验系统一台(2) 双踪示波器一台(3) 直流万用表一只(4) 逻辑测试笔一支(5) 集成电路若干片,取决于设计方案集成电路建议使用ISP芯片(一片ispLSI1032)。采用ISP器件,则需要一台PC机运营设计自动化软件(例如isp
8、EXPERT)作设计、编程和下载使用。数据格式和指令系统采用与模型计算机相似指令系统,即12条机器指令。同样考虑到复杂度和时间问题,普通应减少难度,采用该指令系统子集;去掉中断指令后3条机器指令,只保存9条指令。N实验人员n指引教师:白中英教师,张杰教师实验员:沈镭 计算机学院01级10班12号 010990贾慧颖 计算机学院01级10班22号 011000李佳媛 计算机学院01级10班23号 011001实 验 手 记 预备篇在开始几天里,咱们并没有急着开始着手于上机等工作,而是把更多时间放到了对整个实验理解上,咱们从咱们已经做过微程序控制器实验入手,试着找出两个实验不同与相通点,并从图书馆
9、里借来了某些有关书籍,对硬布线控制器有了更进一步理解。在第三天,在教师协助下,咱们有幸得到了一本00级学长关于这个实验设计文档,这份文档给了咱们莫大协助,虽然通过前几天学习,咱们对硬布线控制器原理和构造有了比较深刻结识,但是咱们对诸多关于实验方面问题依然感到不是非常清晰。这份文档做为一种成功范例给了咱们诸多启示,也让咱们对这个实验有了更多感性结识,而其中学长经验也让咱们后来实验设计和调试避免了不少错误。 设计篇从6月27日至7月2日,咱们把大量时间花在了实验流程设计和编码工作上。仔细阅读了学长们设计流程图后,咱们以为,学长们所设计采用8拍流程图有某些挥霍,能不能做出一种只用4拍流程图来实现硬布
10、线控制器功能呢?咱们把这个想法反映给了教师,教师非常支持咱们想法,她勉励咱们进行大胆尝试。咱们开始着手于将8拍压缩微4拍工作,KRR,KRD,KWE,KRR四个指令由于原本就只有4拍,因此咱们不久就将她们成功变成了4拍,剩余KLD和PR两个指令,都是本来有5拍指令,是咱们改造工作难点。这两条指令状况又不相似,其中PR是在其机器指令某些,ADD,SUB,MUL,AND,LDA五条指令中,最后必要有一拍来执行WRD.而WRD是写寄存器,咱们不能把它和上一拍进行合并,因此咱们将它放到了PR第一拍,并加入了一种控制判断位,来判断与否应当执行这条指令(如图)。对于KLD,咱们想了好久,咱们参照了微程序控
11、制器图,发现其中使用了循环,而咱们是不能使用循环;咱们又想到了并拍,咱们已TJ信号为标志来考虑并拍,发现没有可以并起来拍节,在这里咱们遇到了本次实验第一种问题,咱们向教师谋求了协助,在教师提示下,咱们发当前咱们考虑并拍也许性时候犯了一种错误,咱们以为两拍之间如果有TJ信号就不能并拍,但是TJ信号其实是用来在SW-BUS#之前让咱们向总线输入,因此只要保证两个SW-BUS#之间有一种TJ信号就可以了,咱们发现CERLDIR这拍和下面SW-BUS#LDER并不冲突,因此咱们将这两拍合并,并将TJ信号放到了前面一拍中,从而对KLD实现了4拍。(如图)在完毕了流程图后(见附录),咱们依照流程图写出了译
12、码表(见附录),并依照译码表写出了ABEL语言源程序(见附录)。从而完毕了设计阶段工作,应当说,虽然咱们在设计阶段耗费了大量时间,但是这给咱们背面上机实验带来了很大以便。 实现篇 正如前文所说,由于咱们在设计上做了大量工作,给咱们调试工作带来了诸多以便,咱们从7月3日上午开始进入实验室调试,至7月4日中午,调试完毕,验收通过。 但是,在调试工作中,咱们还是遇到了不少问题,在这里,咱们不对调试过程做过多简介,重要谈一谈咱们在调试过程中遇到问题。 咱们将程序输入后,一方面对控制台某些程序进行了验证,在对每一种接口进行了检测,确认对的后,咱们通过了控制台验证。 可是进入了机器指令执行后,咱们发现了一
13、种非常奇怪问题,就是咱们程序在持续执行时候,总是不断从地址00H开始执行,咱们对流程图进行了分析后,发现一种设计上漏洞,由于咱们是使用4拍实现,因此咱们在进入PR后,每次执行完一种机器指令,都将回到PR第一拍,此时总线将再度打开,接受程序开始地址输入,这时一开始输入地址将再次作为程序地址进入总线,对于这个问题,咱们再次在该拍之前加入了一种控制位,该控制位在程序第一次进入时为1,此时执行该拍,而如果程序是从机器指令返回话,将该控制位置为0,此时程序将跳过该拍。(如图)对于这个语言实现,由于程序开始前是处在第4拍,因此不能简朴用译码表来写出表达式,而必要使该控制位在第4拍状况也发生变化,因此咱们采
14、用了在第3拍强制置1,然后以SR_SW自身做为变量控制第4拍翻转办法,程序如下:SR_SW := !SWC&!SWB&!SWA&(W3#W4&!SR_SW);在解决了这个问题之后,咱们再次运营程序,发现依然没有得到正常答案,咱们对程序再次进行了检查,发现了某些编码上错误,并进行了改正。但是咱们依然没有得到对的成果。咱们采用了逐条语句调试办法,即只输入一种指令并执行,在第一条指令咱们就没有得到对的成果,于是咱们对每一种接口进行了测试,发现了问题之所在。由于每一次程序开始前,用来表达机器指令IR7,IR6,IR5,IR4自动被置为0000,而这和机器中ADD指令正好相似,咱们所写判断程序就以为这是
15、ADD指令,而在程序一开始就执行了WRD,导致了寄存器混乱。对于这个问题,咱们发现不能象解决控制SW_BUS#那样来解决,也许是灵光一显吧,咱们发当前CLR按钮上也有一种接口,咱们试着从CLR接口上接出一条线,使控制位变量与之有关,即接受到CLR信号时,将该控制位直接置0,以跳过WRD。程序如下:SR_W :=!(!SWC&!SWB&!SWA&!IR7&IR6&!IR5&!IR4&W4 #!SWC&!SWB&!SWA&IR7&!IR6&!IR5&!IR4&W4 #!SWC&!SWB&!SWA&IR7&!IR6&!IR5&IR4&W4 #!SWC&!SWB&!SWA&!IR7&IR6&IR5&!
16、IR4&W4)&!CLR;通过验证,咱们想法时对的,再次写入后,咱们成功得到了对的成果。并且单步执行也顺利通过。实验成果N演示程序n为了使程序更加容易验证,咱们沿用了在做微程序实验时用程序如下。地址指令机器代码00HLDA R0,R258H01HLDA R1,R35DH02HADD R0,R104H03HJC +595H04HAND R2,R33EH05HSUB R3,R21BH06HSTA R3,R24BH07HMUL R0,R124H08HSTP60H09HJMP R184H指令执行过程中,每条指令执行完毕之后寄存器和存储器内容列在下表中: 地址指令功能寄存器内容 内存单元R0R1R2R3
17、 00HLDA R0,R2R2R024H60H61H60H-24H61H-83H 01HLDA R1,R3R3R024H83H60H61H60H-24H61H-83H 02HADD R0,R1R0+R1R0A7H83H60H61H60H-24H61H-83H 03HJC +5C=1PC+5PCA7H83H60H61H60H-24H61H-83H 04HAND R2,R3R2&R3R2A7H83H60H61H60H-24H61H-83H 05HSUB R3,R2R3-R2R3A7H83H60H01H60H-24H61H-83H 06HSTA R3,R2R3R2A7H83H60H01H60H-01
18、H61H-83H 07HMUL R0,R1R0*R1R015H83H60H01H60H-01H61H-83H 08HSTP暂停运营15H83H60H01H60H-01H61H-83H 09HJMP R1R1PC15H83H60H01H60H-01H61H-83H运算成果:寄存器 R015 R183 R260 R301 内存单元 60H中存01H 61H中存83HN验收程序n地址指令机器代码00HLDA R0,R258H01HLDA R1,R35DH02HADD R0,R104H03HJC +595H04HAND R1,R031H05HSUB R0,R3 1CH06HMUL R0,R124H07
19、HSTA R0,R144H08HSTP60H09HJMP R184H指令执行过程中,每条指令执行完毕之后寄存器和存储器内容列在下表中: 地址指令功能寄存器内容 内存单元R0R1R2R3 00HLDA R0,R2R2R024H83H60H61H60H-24H61H-83H 01HLDA R1,R3R3R024H83H60H61H60H-24H61H-83H 02HADD R0,R1R0+R1R0A7H83H60H61H60H-24H61H-83H 03HJC +5C=1PC+5PCA7H83H60H61H60H-24H61H-83H 04HAND R1,R0R1&R0R1A7H83H60H61H
20、60H-24H61H-83H 05HSUB R0,R3 R0-R3R346H83H60H61H60H-24H61H-83H 06HMUL R0,R1R0*R1R012H83H60H61H60H-24H61H-83H 07HSTA R0,R1R0R112H83H60H61H60H-24H61H-83H83H-12H 08HSTP暂停运营12H83H60H61H60H-24H61H-83H83H-12H 09HJMP R1R1PC12H83H60H61H60H-24H61H-83H83H-12H运算成果:寄存器 R012H R183H R260H R361H 内存单元 60H中存24H 61H中存
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