硬件课程设计报告讲解.docx

1、硬件课程设计报告讲解课程设计报告课程名称： 计算机硬件系统设计课程设计 实验地点： 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 成绩： 2013 年 6 月 24日 至 2013年 7 月 5日计算机组成原理部分复杂模型机的设计与实现 一、设计目的综合应用所学计算机组成原理和汇编语言知识，设计并实现较为完整的模型计算机，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力。二、实验设备1. 硬件环境：Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干，PC机。2. 软件环境：操作系统，Dais-CMB+应用软件。三、设计要求3.1、设计任务1. 熟悉实验环境，即实验中涉及的硬件和软件，掌握这些环

2、境工具的功能和使用方法。本实验中主要是Dais-CMB+软件及其工作环境。Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。连接方法是：用二芯排线把位于实验装置左上方运算器的左下侧CYCZ接口与位于实验装置红色拨码开关右下方的FCFZ接口相连接。在联机状态下，首先应打开mXj.abs，然后点击“!”图标进入链接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试窗口表示代码及微代码下载已成功，已进入windows在线集成调试环境。2. 综合应用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的模型计算机。3. 使用模型计算机指令编制程序完成下列功能之一：（1）乘法运算。（2）除法运算。（3）连加和连减运算。4. 将

3、程序译成二进制代码，并将二进制代码写入主存。3.2、拟定数据格式及指令系统1.数据格式模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：其中第7位为符号位，数值表示范围是：-128X127（定点整数），-1X1（定点小数）。2.指令格式模型机设计五大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、转移指令和停机指令。 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：其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定： 访存指令和转移指令模型机设计2条访存指令、即存数指令（STA）、取数指令（LDA）；2条转移指令，

4、即无条件转移指令（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为形式地址，如为位移量，正负均可，M为寻址模式，其定义如下：模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。 I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：其中，addr=01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LED作为输出设备。 停机指令HALT指令，用于实现停机操作，指令格式如下 ：3.指令系统模型机有16条基本指令，其中算术逻辑运算指令

5、9条，访问内存指令2条，程序控制指令2条，输入输出指令2条，其它指令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 指令格式4微指令格式微指令字长32位，格式如下所示：A字段B字段说明：DDR1表示LDDR1 DDR2表示LDDR25模型计算机数据通路框图模型计算机数据通路框图如图1所示：图1 模型机数据通路框图6微程序设计按照系统建议的微指令格式和模型计算机数据通路框图，分析指令流程，为每条机器指令编制微程序，并和系统自带的微程序比较（在复位后，输入“3”，按“装载”，可将系统微程序装入）。编制微程序实现新指令的功能。四、设计内容4.1、基本内容1. 试验箱系统图2. 程序流程图3

6、. 分析微指令执行序列首先通过代码在指令流程图中找到对应项，然后再在系统控存内容找出对应的32位指令程序，然后再根据拟定好的数据格式和指令系统对微指令进行分析。表1 系统控存内容地址代码功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR 按B转0300800420RAMDR1040080C038RAMAR按B转05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1按B转0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR2

7、0CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD？0E00000080空操作0FA0000408RDDR11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1变反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0DR1DR11400000000空操作1540000280/50DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DR1DR2RD1840300280DR1变反RD19601400D8299带进位右移1A601800D8299带进位左移1B60000280299RD1C40

8、200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E40602080/405F2080DR1PC1F00008072BZC 按条件转20200060C0PCAR, PC+12180000280 RSRD22200060A0 PCAR, PC+12380000430RSDR12420006060PCAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT 微

9、地址不变2D800C0098RS299移位器2E401C02800RD2F800C0058RS299移位器4. 设计内容（1）运行几条指令，按照系统的微指令格式和模型计算机数据通路框图分析其流程，写出所分析机器指令的微程序。 （2）增加一条新指令，为其编制微程序。（3）编制程序，完成连加运算。5. 设计思路（1）修改微指令：修改微指令，首先要弄懂其每一位代表什么意思有什么功能，参照74LS181的功能表，我们所修改的是把AND指令修改为异或指令XOR，只需控制74LS181上的M,S0，SI,S2，S3，将算数运算改为相应的逻辑运算 ，即M17 40 3D 02 80 修改为 M17 40 3

10、E 02 80，然后对照及其软件验证其正确性。（2）连加运算设计：先输入一个数作为控制连加的次数，然后每次输入一个数作为要加的数，把结果放到内存的某个空间里，实现连加，直到次数达到控制值。4.2、运行程序1. 单步运行微程序键入数字键00（PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”命令键，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。2. 单步运行机器程序 键入数字键03H（PC地址），然后每按动一次“宏步”命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察微地址显示灯是否和流程一致。3. 程序连续运行与暂停程序键入数字键00H（PC地址）按动“运行”命令键使模型机进入实

11、时运行状态。在实时运行状态按“宏单”键执行的暂停命令，使模型机进入停机状态。4.3、运行结果上图所示，实现功能为输入循环次数R0的数值03H。上图所示，实现功能为P01 B0 ; COM R0上图所示，实现功能为P02 70 ; INC R0上图所示，实现功能P06 36 ; ADC R1,R2上图所示，实现功能为输出运算结果R2的值，具体如下图所示：83H第二次连加运算之后的结果显示：86H第三次连加运算之后的结果显示：89H程序终止运行。五、程序代码1. 修改微指令P00 84 ;IN R0P01 85 ;in R1P02 94 ;COM R0,R1P0A C0 ; HALT2. 连加运算

12、计算机接口部分汽车信号灯控制系统一、设计目的综合应用所学计算机接口和汇编语言原理和知识，设计并实现较为完整的计算机控制系统，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力二、实验环境1硬件环境：实验采用北京精仪达盛科技有限公司的CPU挂箱，8086CPU模块，接口挂箱及相应的扩展模块。2软件环境：8086集成开发环境。三、设计要求1、设计并制作出汽车信号灯微机控制系统；2、所需执行的操作由相应的开关状态反映，所需控制的信号灯有仪表板左/右转弯灯、左右头灯和左右尾灯共六类灯，其驾驶操作与灯光信号对应关系如下：(1)左/右转弯(合上左/右开关)：仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁。(2)

13、紧急开关合上：所有灯闪烁。(3) 刹车(合上刹车开关)：左右尾灯亮。(4) 左/右转弯刹车：仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁，右/左尾灯亮。(5) 刹车、合上紧急开关：尾灯亮、仪表板灯、头灯闪烁。(6) 左/右转弯刹车，并合上紧急开关：右/左尾灯亮，其余灯闪烁。(7) 停靠(合上停靠开关)：头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁。有10种输入选择，影响6个灯输出，对应关系如下表：四、设计内容4.1、设计思想本系统中要求设计汽车信号灯控制系统，通过6盏灯的亮灭或者闪来控制10中操作，即：左转弯、右转弯、刹车， 紧急开关合上，左转弯刹车，右转弯刹车，紧急刹车，紧急左转刹车，紧急右转刹车，停靠

14、。每一种操作都对应不同灯的显示。通过8253提供的时钟信号，8255通过C口接收，然后A口通过开关输入，B口通过显示灯输出。在该实验中，我们通过8090A/D实现对灯亮度的控制。本实验中我们所用到的芯片是8255和8253，是系统实现的核心部分，下面对这些芯片做简要介绍。1)芯片82558255是一个CPU与外设之间提供了TTL电平兼容的接口。8255可以工作在方式0，方式1，方式2三种方式，其中端口A可以工作在这3种不同的方式下，二端口B只能工作在方式0和方式1，端口C配合端口A和端口B工作。本实验中不8255A端口做输入，B端口做输出，C端口取出一位来通过与具有定时功能的8253芯片连接，

15、实现灯闪烁这一效果。2)芯片82538253有6种工作方式，本次实验设计主要用到方式3，方式3又可称为方波发生器。任一通道工作在方式3， 只在计数值n为偶数，则可输出重复周期为n、占空比为1：1的方波。进入工作方式3，OUTi输出低电平， 装入计数值后，OUTi立即跳变为高电平。如果当GATE为高电平， 则立即开始减“1”计数，OUTi保持为高电平，若n为偶数，则当计数值减到n/2时，OUTi跳变为低电平，一直保持到计数值为“0”，系统才自动重新置入计数值n，实现循环计数。这时OUTi端输出的周期为nCLKi周期，占空比为1:1的方波序列； 若n为奇数， 则OUTi端输出周期为nCLKi周期，

16、占空比为(n+1)/2)/(n-1)/2)的近似方波序列。如果在操作过程中， GATE变为无效，则暂停减“1”计数过程，直到GATE再次有效，重新从初值n开始减“l”计数。如果要求改变输出方波的速率， 则CPU可在任何时候重新装入新的计数初值n，并从下一个计数操作周期开始改变输出方波的速率。4.2、系统结构图具体设计电路图实际接线图4.3、系统接线8255CSCS0，8253CSCS1；A口接输入（K1K8）（PA0PA7），B口接输出（LED1LED6）（PB0PB5）；C口接CLK的输出：CLK3CLK0，OUT0CLK1，OUT0CLK2，OUT1PC0，OUT2PC1。4.4、状态转换

17、表根据系统图和题目要求，列出状态表：注：输入状态中，0代表低电平无效，1代表高电平有效； 输出状态中，1/0代表灯闪，1代表灯亮，0代表灯灭。4.5、程序流程图五、程序代码;常量定义pa8255 equ 04a0hpb8255 equ pa8255+2pc8255 equ pa8255+4con8255 equ pa8255+6clk0 equ 04b0hclk1 equ clk0+2clk2 equ clk0+4conclk equ clk0+6 ;伪指令assume cs:code code segment public org 100hstart: ;时钟初始化; mov dx,conc

18、lk ;控制寄存器 mov ax,36h ;计数器0，方式3 out dx,ax mov dx,clk0 mov ax,7Ch out dx,ax mov ax,92h out dx,ax ;计数值927Ch mov dx,conclk mov ax,76h ;计数器1，方式3 out dx,ax mov dx,clk1 mov ax,04h out dx,ax mov ax,0 ;计数值32h out dx,ax mov dx,clk2 mov ax,0ch out dx,ax mov ax,0 ;计数值04h out dx,ax;8255初始化; mov dx,con8255 ;控制寄存器

19、地址 mov ax,99h ;设置为A口输入，B口输出，C口输入 out dx,ax start1: mov dx,pa8255 ;A口地址 in ax,dx ;输入 cmp al,01h ;判断左转弯 jz ZZ cmp al,02h ;判断右转弯 jz YZ cmp al,04h ;判断紧急开关合上 jz L3 cmp al,08h ;判断刹车 jz L4 cmp al,10h ;判断左转弯刹车 jz L5 cmp al,20h ;判断右转弯刹车 jz L6 cmp al,40h ;判断紧急刹车 jz L7 cmp al,80h ;判断紧急左转弯刹车 jz L8 cmp al,03h ;判

20、断紧急右转弯刹车 jz L9 cmp al,05h ;判断停靠 JZ L10;灯常亮 mov ax,0ffh mov dx,pb8255 ;B口地址 out dx,ax jmp start1L1:jmp near ptr ZZ ;L2:jmp near ptr YZL3:jmp near ptr JJL4:jmp near ptr STOPL5:jmp near ptr LSTOPL6:jmp near ptr RSTOPL7:jmp near ptr JSTOPL8:jmp near ptr JLSTOPL9:jmp near ptr JRSTOPL10:jmp near ptr TING;

21、左转弯ZZ: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a1 mov ax,11101010b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a1: mov dx,pb8255 mov ax,0ffh out dx,ax jmp start1;右转弯YZ: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a2 mov ax,11010101b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a2: mov dx,pb8255 mov ax,0ffh o

22、ut dx,ax jmp start1;紧急开关闭合JJ: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a3 mov ax,11000000b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a3: mov dx,pb8255 mov ax,0ffh out dx,ax jmp start1;刹车STOP: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a4 mov ax,11111100b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a4: mov

23、 dx,pb8255 mov ax,11111100b out dx,ax jmp start1;左刹车LSTOP: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a5 mov ax,11101000b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a5: mov dx,pb8255 mov ax,11111110b out dx,ax jmp start1;右刹车RSTOP: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a6 mov ax,11010100b mov d

24、x,pb8255 out dx,ax jmp start1a6: mov dx,pb8255 mov ax,11111101b out dx,ax jmp start1;紧急刹车JSTOP: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a7 mov ax,11000000b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a7: mov dx,pb8255 mov ax,11111100b out dx,ax jmp start1;紧急左刹车JLSTOP: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h

25、 cmp al,01h jz a8 mov ax,11000000b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a8: mov dx,pb8255 mov ax,11111110b out dx,ax jmp start1;紧急右刹车JRSTOP: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a9 mov ax,11000000b mov dx,pb8255 out dx,ax jmp start1a9: mov dx,pb8255 mov ax,11111101b out dx,ax jmp start1;停靠TI

26、NG: mov dx,pc8255 in ax,dx and al,01h cmp al,01h jz a10 mov ax,11001100b mov dx,pb8255 out dx,ax call delay jmp start1a10: mov dx,pb8255 mov ax,0ffh out dx,ax jmp start1;子程序delay: mov cx, 5000h ;time delay delay1: nop nop loop delay1 ret ;下面放着变量定义 code endsend start总结与心得硬件课程设计历时两周时间，综合了计算机组成原理和接口技术相

27、关的学科知识和技能。在实验设计期间，小组成员能够团队协作，共同攻克难关。最终课程设计顺利完成，为大三最后的时刻。画上了一个圆满的句号。组成原理部分，由于是上学期学过，忘掉不少。这次实验时候，预先一起复习了一下相关的知识点。在理论有所了解的基础上，再进行实验的实际操作。借助软件平台和已经连接好电路的试验箱，首先验证了实验所附带的第三个程序代码的显示结果。在此基础上，进行修改微指令的任务。但在设计连加运算时候，碰到了阻碍。对汇编语言的陌生，也是一个不小的阻扰。分工合作，两人研究汇编语言修改指令代码，一人设计总体程序架构。后来又请教老师同学，参观或“偷师”别人的经验。最终能够成功实现连加运算的结果输

28、出。接口技术部分，刚好有这学期的知识储备，直接开始设计工作。参照实验指导书上的例题，小组内进行了探讨，分析了一下相关的设计要点。起初，在灯亮灯灭的问题上有点小纠结，经过不断的代码调试，最后算是成功了。能实现两个动作，灯亮和灯灭，还不能实现灯闪的条件。后来，在组长的深入分析之后，对程序代码做了一个小小的改动，调试发现灯闪也可以实现。然后给小组讲解之后，一起分工修改各人负责部分代码。终于整个汽车信号灯系统能够正常运作。通过这次课程设计，既是对旧知识的回顾和复习，又是一种对新知识的自主学习和探索。课程设计的目的并不在于上交一份报告，而是对这种学习能力和解决问题能力的培养。课程设计也是对理论知识的进一步消化和吸收，因为只有实践才是检验知识的唯一道路。