复杂模型机的设计的数据通路图完整版.docx
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复杂模型机的设计的数据通路图完整版
计算机组成原理
课程设计实验报告
设计题目
复杂模型机的设计与实现
专业班级
计算机科学与技术1004
指导教师
日期
2013.01.10
开发小组成员
组员:
岂亚娟1008030415
杨娜1008030418
吴兴欢1008030401
刘甜1008030402
复杂模型机的设计与实现
一、课程设计目的
综合运用所学计算机原理实验知识,设计并实现较为完整的计算机。
二、设计要求
1、确定设计目标
参考实验指导书上复杂模型机设计的过程,运用其微指令格式,独立设计指令系统。
并用该指令系统中的指令编一完成简单运算的程序(有数据输入和输出的)。
并进行调试运行。
2、确定指令系统
确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。
3、总体结构与数据通路
总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。
在此基础上,就可以拟出各种信息传送路径,以及实现这些传送所需要的微命令。
对于部件设置,比如要确定运算器部件采用什么结构,控制器采用微程序控制。
综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求,设计合理的数据通路结构,采用何种方案的内总线及外总线。
数据通路不同,执行指令所需要的操作就不同,计算机的结构也就不一样。
4、设计指令执行流程
数据通路确定后,就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。
根据指令的复杂程度,每条指令所需要的机器周期数。
对于微程序控制的计算机,根据总线结构,需考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中,哪些微操作不能安排在同一条微指令中。
5、确定微程序地址
根据后续微地址的形成方法,确定每条微程序地址及分支转移地址。
6、根据微指令格式,将微程序流程中的所有微指令代码化,转化成相应的二进制代码,写入到控制存储器中的相应单元中。
7、组装、调试
在总调试前,先按功能模块进行组装和分调,因为只有各功能模块工作正常后,才能保证整机的运行正确。
当所有功能模块都调试正常后,进入总调试。
连接所有模块,用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图,当全部微程序流程图检查完后,若运行结果正确,则在内存中装入一段机器指令,进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。
三、数据格式以及指令格式
1、数据格式
模型机规定采用定点补码表示法表示数据,且字长为8位,其格式如下:
7
654321
符号
尾数
2、指令格式
模型机设计四大类指令共十六条,其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问存储器及转移指令和停机指令。
(1)算术逻辑指令
设计9条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,其格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
Rs
Rd
其中,OP-CODE为操作码,Rs为源寄存器,Rd为目的寄存器,并规定:
选中的寄存器(Rs或Rd)
R0
R1
R2
寄存器的编码
00
01
10
(2)访存指令及转移指令
模型机设计2条访问指令,即存数(STA)、取数(LDA)、2条转移指令,即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)。
其格式如下:
76
54
32
10
OP-CODE
M
OP-CODE
Rd
D
其中,OP-CODE为操作码,Rd为目的寄存器,D为位移量(正负均可),M为寻址方式,其定义如下:
寻址方式
有效地址
说明
00
E=D
直接寻址
01
E=(D)
间接寻址
10
E=(RI)+D
RI变址寻址
11
E=(PC)+D
相对寻址
本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。
(3)I/O指令
输入和输出指令采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
addr
RD
其中,addr=01时,表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备,addr=10时,表示选中“输出单元”中的数码块作为输出设备。
(4)停机指令
这类指令只有1条,即停机指令HALT,用于实现停机操作,指令格式如下:
7654
32
10
0110
00
00
3、指令系统
(1)本模型机共有16条基本指令。
其中,算术逻辑指令7条,访问内存指令和程序控制指令4条,输入输出指令2条,其他它指令1条。
表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
表1复杂模型机指令系统
序号
汇编符号
指令格式
功能说明
1
CLRRd
011100Rd
0→Rd
2
MOVRS,Rd
1000RSRd
RS→Rd
3
ADCRS,Rd
1001RSRd
RS+Rd+Cy→Rd
4
SBCRS,Rd
1010RSRd
RS-Rd-Cy→Rd
5
INCRd
1011--Rd
Rd+1→Rd
6
ANDRS,Rd
1100RSRd
RS∧Rd →Rd
7
COMRd
110100Rd
Rd →Rd
8
RRCRS,Rd
1110RSRd
RS带进位右循环一位,RS→Rd
9
RLCRS,Rd
1111RSRd
RS带进位左循环一位,RS→Rd
10
LDAM,D,Rd
00M00Rd,D
E→Rd
11
STAM,D,Rd
00M01Rd,D
Rd→E
12
JMPM,D
00M1000,D
E→PC
13
BZCM,D
00M1100,D
当CY=1或ZI=1时,E→PC
14
INaddr,Rd
010001Rd
addr→Rd
15
OUTaddr,Rd
010110Rd
Rd→addr
16
HALT
01100000
停机
(2)微指令格式
表2复杂模型机微指令结构图
微程序
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
控制信号
S3
S2
S1
S0
M
CN
WE
A9
A8
A
B
C
uA5
uA4
uA3
uA2
uA1
uA
0
A字段
B字段
C字段
15
14
13
控制信号
12
11
10
控制信号
9
8
7
控制信号
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
LDRI
0
0
1
RS_B
0
0
1
P1
0
1
0
LDDR1
0
1
0
RD_B
0
1
0
P2
0
1
1
LDDR2
0
1
1
RI_B
0
1
1
P3
1
0
0
LDIR
1
0
0
299_B
1
0
0
P4
1
0
1
LOAD
1
0
1
ALU_B
1
0
1
AR
1
1
0
LDAR
1
1
0
PC_B
1
1
0
LDPC
其中uA5~uA0为6位的后继微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。
C字段中的P1~P4是四个测试字位,其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的为地址入口,从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。
具体来说,P1测试用于“取指令”微指令,它用下址低四位(uA3~uA0)与指令寄存器高四位(IR7~IR4)相或得到各路分支;P2测试用下址低2位(uA1~uA0)与指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支;P3测试用于条件转移,它用下址的uA4与(ZI+CY)相或得到各路分支;
P4测试用于控制台操作,它用下址低2位(uA1~uA0)与SWB、SWA相或得到各路分支。
在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位,其为零有效。
B字段中的RS_B、RD_B、RI_B分别为源寄存器选通信号,目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号,其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。
三字段中的其他位类似与此,均是某芯片的选通信号,它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。
(3)微程序流程图
本模型机的数据通路如图1所示。
根据机器指令系统要求,设计微程序流程图及确定微地址,如图2所示.
工作时序波形图如图3所示
指令译码器及逻辑表达式如图4所示
寄存器译码器如图5所示
图3时序波形图
如图4指令译码器
SE1=I4•T4•P1+I2•T4•P2+P4•T4•SWA
SE2=I5•T4•P1+I3•T4•P2+P4•T4•SWB
SE3=I6•T4•P1
SE4=I7•T4•P1
SE5=P3•T4•(FC+FZ)
图5寄存器译码器
图1复杂模型机的设计的数据通路图
图2微程序流程图
微地址
S3~CN
WE
A9A8
A
B
C
uA5~uA0
00
000000
0
11
000
000
100
001000
01
000000
0
11
110
110
110
000010
02
000000
0
01
100
000
001
010000
20
000000
0
11
110
110
110
000011
03
000000
0
01
010
000
000
000100
04
000000
0
01
110
000
010
100000
40
000000
0
01
110
110
110
000101
05
000000
0
01
110
000
000
000110
06
000000
0
01
010
000
000
000111
07
000000
0
01
110
000
010
100000
22
000000
0
11
110
110
110
001101
15
000000
0
01
010
000
000
001110
16
100101
0
11
110
101
000
100101
45
100101
0
11
010
101
010
100000
23
000000
0
11
110
110
110
100110
46
000000
0
01
010
000
000
100111
47
000000
0
11
011
110
000
101000
50
100101
0
11
110
101
000
101001
51
100101
0
11
010
101
010
100000
24
000000
0
11
001
000
000
000001
25
000000
1
10
000
010
000
000001
26
000000
0
11
000
000
000
010110
27
001111
0
11
001
101
000
000001
30
000000
0
11
001
001
000
000001
31
000000
0
11
010
001
000
101010
52
000000
0
11
011
010
000
101011
53
100101
0
11
011
001
000
101100
32
000000
0
11
010
010
000
001101
54
000000
0
11
010
010
000
101101
55
011001
0
11
010
101
101
101110
56
000011
0
11
001
101
000
000001
62
000000
0
11
001
101
000
000001
34
000000
0
11
010
001
000
110011
63
000000
0
11
011
010
000
110101
65
101110
0
11
001
101
101
000001
41
000000
1
01
000
010
000
000001
42
000001
0
11
101
101
110
000001
43
000000
0
11
000
000
011
100100
44
000000
0
11
000
000
000
000001
64
000001
0
11
101
101
110
000001
11
000000
0
11
110
110
110
001100
14
000000
0
00
010
000
000
111100
74
000001
1
01
000
101
000
001001
10
000000
0
11
110
110
110
001010
12
000000
0
01
010
000
000
111011
73
000001
1
10
000
101
000
001000
13
000000
0
11
000
000
000
000001
35
000000
0
11
010
001
000
110110
37
001100
0
11
000
001
000
111001
36
001100
0
11
000
001
000
110111
66
000011
0
11
001
101
000
000001
67
001010
0
11
000
100
000
111000
70
000000
0
11
001
100
000
000001
71
000110
0
11
000
100
000
111010
72
000000
0
11
001
100
000
000001
图3实验线路图
(4)实验的接线图为:
图4实验接线图
四、实验步骤
1、按图3连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。
2、编程
A.将控制台单元的编程开关SP06设置为WRITE(编程)状态。
B.将控制台单元上的SP03置为STEP,SP04置为RUN状态。
C.用开关单元的二进制模拟开关设置微地址UA5~UA0。
D.在微控制器单元的开关LM24~LM01上设置微代码,24位开关对应24位显示灯,开关量为1时灯亮,开关量为0时灯灭。
E.按动START键,启动时序电路,即将微代码写入到28C16的相应地址单元中。
F.重复C~E步骤,将表3的微代码写入28C16中。
3、校验
A.将编程开关SP06设置为READ(校验)状态。
B.将实验板的SP03开关置为STEP状态,SP04开关置为RUN状态。
C.用二进制开关置好微地址μA5~μA0。
D.按动START键,启动时序电路,读出微代码.观察显示灯LM24~LM01的状态(灯亮为“1”,灭为“0”),检查读出的微代码是否与写入的相同。
如果不同,则将开关置于WRITE编程状态,重新执行
(2)即可
4、写程序/运行程序
A.将控制台单元上的SP03置为STEP状态,SP04置为RUN状态,SP05置为NORM状态,SP06置为RUN状态。
B.拨动开关单元的总情开关CLR(1→0→1),微地址寄存器清0,程序计数器清0。
然后使开关单元的SWB、SWA开关设置为“01”,按动一次START,微地址显示灯显示“001001”,再按动一次START,微地址灯显示“001100”,此时数据开关的内容置为要写入的机器指令,按动两次START键后,即完成该条指令的写入。
若仔细阅读KWE的流程,就不难发现,机器指令的首地址总清后为00H,以后每个循环PC自动加1,所以,每次按动START,只有在微地址灯显示“001100”时,才设置内容,直到所有机器指令写完。
C.写完程序后须进行校验。
拨动总清开关CLR(1→0→1)后,微地址清零。
PC程序计数器清零,然后使控制台开关SWB,SWA为“00”,按动启动START,微地址灯将显示“001000”;再按START,微地址灯显示为“001010”;第3次按START,微地址灯显示为“111011”;再按START后,此时输出单元的数码管显示为该首地址中的内容。
不断按动START,以后每个循环PC会自动加1,可检查后续单元内容。
每次在微地址灯显示为“001000”时,是将当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示。
5、运行程序。
(1)单步运行程序
①使编程开关SP06处于RUN状态,SP03为STEP状态,SP04为RUN状态,SP05为NORM状态,开关单元的SWB,SWA为“11”。
②拨动总清开关CLR(1→0→1),微地址清零,程序计数器清零,程序首址为00H。
③单步运行一条微指令,每按动一次START键,即单步运行一条微指令。
对照微程序流程图,观察微地址显示灯是否和流程一致。
④当运行结束后,可检查运行结果是否和理论值一致。
(2)连续运行程序
①使编程开关SP06处于RUN状态,SP03为RUN状态,SP04为RUN状态,SP05为NORM状态,开关单元的SWB,SWA为“11”。
②拨动CLR开关,清微地址及程序计数器,然后按动START,系统连续运行程序,稍后将SP04拨至“STOP”时,系统停机。
③停机后,可检查运行结果是否和理论值一致。
提示:
1.联机运行能测试新功能,只限复杂模型机。
2.装在指令集微指令后就需运行(做其他可能会覆盖代码)。
3.需要有运行程序方法
4.SWA,SWB必须为11状态。
五、系统测试
实验程序如下:
采用机器指令:
IN,ADD,STA,OUT,JMP,LDA,RLC,BZC,HLAT,MOV,
COM,RRC,CLR,ADC,SBC
地址内容助记符说明
0044IN01,R0输入02
01BOINCR0
0281MOVR0,R1
0372CLRR2
05E4RLCR1,R2
0696RRCR1,R0
07A8ADCR1.R2
08D2SBCR2,R0
09C2ANDR0,R2
0A00LAD00,19,R0
0B19(19)=09
0C11LDA01,1A,R1
0D1A(1A)=20,(20)=03
0E22LDA10,1B,R2
0F1B(1B)=18
1058OUT10,R0
1108JMP60H
1260HALT停机
微程序
$M00018108
$M0101ED82
$M0200C050
$M0300A004
$M0400E0A0
$M0500E006
$M0600A007
$M0700E0A0
$M0801ED8A
$M0901ED8C
$M0A00A03B
$M0B018001
$M0C00203C
$M0D00A00E
$M0E01B60F
$M2205DB81
$M230180E4
$M24018001
$M2595AAA0
$M2600A027
$M2701BC28
$M2895EA29
$M2995AAA0
$M2A01B42B
$M2B959B41
$M2C01A42D
$M2D65AB6E
$M2E0D9A01
$M2F01AA30
$M0D00A00E
$M0E01B60F
$M0F95EA25
$M1001ED83
$M1101ED85
$M1201ED8D
$M1301EDA6
$M14001001
$M15030401
$M16018016
$M173D9A01
$M18019201
$M1901A22A
$M1A01B22C
$M1B01A232
$M1C01A233
$M1D01A236
$M1E318237
$M1F318239
$M20009001
$M21028401
$M2205DB81
$M230180E4
$M24018001
$M2595AAA0
$M2600A027
$M2701BC28
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六、结束语
这次课程设计本来的要求是要花上两周的时间来设计及完成,如果要认认真真的完成者实验,在了对设计题目的理解和分析之上就要花很长的时间。
因为刚开始接触题目的时候比较茫然,不知道改如何下手,但是仔细的分析之后,对实验的基本要求还是有了一定的理解,本来这次的实验要很认真的完成的。
在设计过程中,我们是以四人一组搭档实验的,但是在试验的过程,一开始我们以为是按实验指导书的要求去做,觉得很简单,但是就是指导书的简单实验我们也犯下了一些小错误,是接线方面的小错误,好在改完后可以顺利的按照实验书上要求的运行。
通过本课程设计,加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识,特别是对微程序控制器的理解,进一步巩固所学的理论知识,并提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力;锻炼计算机硬件的设计能力、调试能力;培养严谨的科学实验作风和良好的工程素质,为今后的工作打下基础。
在以后的学习中,我们还应该不断的完善自己的知识体系结构,注意理论与实践的结合,学以致用。
开发的同时,和同学们之间的相互探讨也使我获益匪浅。
短