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一台模型计算机设计与测试毕业设计(论文)word格式.doc

上传人:微传9988 文档编号:2481281 上传时间:2018-09-18 格式:DOC 页数:16 大小:111KB
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1、辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)辽 宁 工 业 大 学计算机组成原理 课程设计(论文)题目: 一台模型计算机设计与测试 院(系): 电子与信息工程学院 专业班级: 计算机 062 班 学 号: 学生姓名: 侯文强 指导教师: 焦殿科 教师职称: 副教授 起止时间: 09.6.29-09.7.3 2院(系): 电子与信息工程学院 教研室:计算机科学与技术学 号 学生姓名 侯文强 专业班级 计算机 062 班课程设计(论 文)题 目一台模型计算机设计与测试乘法指令流程课程设计(论文)任务1.将微程序控制器同执行部件(整个数据通路)联机,组成一台模型计算机2.用微程序控制

2、器控制模型机数据通路3.通过 CPU 运行机器命令组成的简单程序,掌握机器指令与微指令的关系,牢固建立计算机的整机概念4.在实验箱上连线,并实现所写程序段的功能。用单拍(DP)方式、单指(DZ)连续方式各执行一遍程序。并将结果进行比较,分析。指导教师评语及成绩成绩: 指导教师签字: 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)目 录第 1 章 课程设计简介 .11.1 课题介绍 .11.2 乘法指令流程 .11.3 课程设计设备 .11.4 乘法指令流程设计任务 .1第 2 章 数据通路设计 .32.1 运算器 ALU 32.2 存储器 .32.3 输入与输出 3第

3、3 章 微程序控制器设计 .53.1 机器指令格式 53.2 电路设计 .6第 4 章 机器语言程序设计 .84.1 机器语言程序及其存储器位置、编码和数据初值的设计 .84.2 程序执行过程及运算结果 8第 5 章 指令流程测试与调试 .95.1 接线方法 95.2 设置通用寄存器 R2、R3 的值 .95.3 存储程序机器代码 95.4 执行程序与验证结果 .10第 6 章 总结 11参考文献 .12辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)1第 1 章 课程设计简介1.1 课题介绍将微程序控制器同执行部件(整个数据通路)连机,组成一台模型计算机用微程序控制器控制模型机数

4、据通路;通过 CPU 运行九条机器指令(排除中断指令)组成的简单程序,掌握机器指令与微指令的关系,牢固建立计算机的整机概念。1.2 乘法指令流程本次课程设计用到的电路包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等,将几个模块组合成为一台简单计算机。计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制能实现流水控制。控制器有微程序控制器或者硬布线控制器两种类型,每种类型又有流水和非流水两种方案。寄存器堆由 1片 ispLSI1016 组成,运算器由 1 片 ispLSI1024 组成。实验台上包括了 1 片系统编程芯片 ispLSI1032,可用它实现硬件布线控制1.3 课程设

5、计设备(1)TEC4 计算机组成原理实验系统一台(2)双踪示波器一台(3)直流万能表一只(4)逻辑测试笔一只1.4 乘法指令流程设计任务1 利用机器指令系统编制简单程序,要求至少使用其中五条指令,对自己编制的简单程序进行译码,手工汇编成十六进制机器代码。学生根据老师指定完成不同的子标题,即程序中必须包含子标题类型的指令。2 按图,参考组成原理实验的电路图完成连线,控制器是控制部件,数据通路是执行部件,时序产生器是时序部件。连线包括控制台、时序部分、数据通路和微程序控制器之间的连接。其中,为把操作数传给通用寄存器组 RF,数据通路上的 RS1、RS0、RD1、RD0 应分别与 IR3 至 IR0

6、 连接,WR1、WR0 也应该接到 IR1、IR0 上。3 将上述任务(1)中的程序机器代码用控制台操作存入内存中,并根据程序的需要,用数码开关 SW7SW0 设置通用寄存器及内存相关单元的数据。4 用单拍(DP)方式执行一遍程序,列表记录通用寄存器堆 RF 中寄存器的数据,以及RAM 中的数据,与理论分析值做作对比。单拍方式执行是注意观察微地址指示灯、IR/DBUS 指示灯、AR2/AR1 指示灯和判断字段指示灯的值,以跟踪程序中取指令和执行指令的详细过程。5 以单指(DZ)方式重新执行程序一遍,注意观察 IR/DBUS 指示 AR2/AR1 指示灯的值。执行结束后,记录 RF 中四个寄存器

7、的数据,以及 RAM 中的数据,与理论分析值作对比。26 以连续方式(DB、DP、DZ 都设为 0)再次执行程序。这种情况相当于计算机正常运行程序。由于程序中有停机指令 STP,程序执行到该指令时自动停机。执行结束后,记录 RF中四个寄存器的数据,以及 RAM 中的数据,与理论分析值作对比。辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)3第 2 章 数据通路设计2.1 运算器 ALU运算器 ALU 由一片 ispLS1024(U47)组成,在选择端 S2、S1、S0 控制下,对数据 A 和 B 进行加、减、与、直通、乘五种运算,功能如下:操作功能表选择S2 S1 SO操作0 0

8、0 A&B0 0 1 A&A(直通)0 1 0 A+B0 1 1 A-B1 0 0 A(低 4 位)*B(低 4 位)进位 C 只在加法和运算和减法运算是产生。加运算中,C 表示进位;减运算中,C 代表借位。加、减运算产生的进位(借位)在 T4 的上升沿送入 C 寄存器保存。与、乘、直通操作不影响进位 C 的状态,即进位 C 保持不变。当 ALU_BUS=1 时,运算结果送往数据总线DBUS。加、减运算产生的进位(借位)C 与控制台的 C 指示灯相连。2.2 存储器双端口存储器由一片 IDT7132(U36)及少量附加控制电路组成。IDT7132 是 2048 字节的双端口静态随机存储器,本机

9、实际使用 256 字节。IDT7132 两个端口可同时进行读、写操作。在本机中,左端口的数据连接数据总线 DBUS,可进行读、写操作,右端口数据和指令总线 INS 连接,输出到指令寄存器 IR,作为只读端口使用。存储器 IDT7132 有 6 个控制引脚:CEL#、LRW、OLE#、CER#、RRW、OER#。CEL#、LRW、OLE#控制左端口读、写操作,CER#、RRW、OER#控制右端口读、写操作。CEL#为左端口选择引脚,低有效,为高时禁止左端口操作;LRW 为高时,左端口进行读操作,LRW 为低时,左端口进行写操作;OER#为低时,将左端口读出的数据放到数据总线 DBUS 上。CER

10、#、RRW、OER#控制右端口读、写操作的方式与 CEL#、LRW、OER#控制左端口读、写操作的方式类似,不过右端口读出的数据放到指令总线上而不是数据总线上。本机设计中,OER#已固定接地,RRW 固定接高电平,CER#有 CER 反相产生。当 CER=1 时,右端口读出数据,并放到指令总线 INS 上;当 CER=0时,禁止右端口操作。左端口的 OLE#由 LRW 反相产生,不需单独控制。当 CEL#=0 且LRW=1 时,左端口进行读操作;当 CER#=0 且 LRE=0 时,在 T3 的上升沿开始进行写操作,将数据总线 DBUS 上的数据写入存储器。 2.3 输入与输出开关寄存器 SW

11、_BUS(U38)是 1 片 74HC244,用于将控制台开关 SW7SW0 的数据送往数据总线 DBUS。当 SW_BUS#=1 时,禁止开关 SW7SW0 的数据送往数据总线 DBUS;当4SW_BUS#=0 时,允许开关 SWSW0 的数据送往数据总线 DBUS。通过 SW7SW0 输入数据,把数据输入到 ER 中,然后分别 RF 中的中的 R0R3 中,然后通过选择,分别通过 A、B 端口送入 DR1 和 DR2。然后送入 ALU 进行相应的运算,再把结果通过 DBUS 送入 RAM 进行存储。然后再通过 SW7SW0 输入数据,通过 DBUS 送入 RAM 中,读取 RAM 中相应单

12、元的数据,并把指令通过 INS 送入 IR,在送入控制器中,然后经过一系列的传送通过数据指示灯显示出来。辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)5第 3 章 微程序控制器设计3.1 机器指令格式根据下列表的代码格式。产生不同的功能,完成各个任务。指令格式表指令格式 名称 助记符 功能R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0加法 ADD Rd,Rs Rd+Rs-Rd 0 0 0 0 RS1 RS0 RD1 RD0减法 SUB Rd,Rs Rd-Rs-Rd 0 0 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0乘法 MUL Rd,Rs Rd*Rs-Rd 0 0 1 0 RS1 R

13、S0 RD1 RD0逻辑与 AND Rd,Rs Rd&Rs-Rd 0 0 1 1 RS1 RS0 RD1 RD0存数 STA Rd,Rs Rd-Rs 0 1 0 0 RS1 RS0 RD1 RD0取数 LDA Rd,Rs Rs-Rd 0 1 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0无条件转移指令 JMP Rs Rs-Pc 1 0 0 0 RS1 RS0 X X条件转移 JC D 若 C=1 则PC+D-PC1 0 0 1 D3 D2 D1 D0停机 STP 暂停运行 0 1 1 0 X X X X中断返回 IRET 返回断点 1 0 1 0 X X X X开中断 INTS 允许中断 1 0 1

14、1 X X X X关中断 INTC 禁止中断 1 1 0 0 X X X X控制台指令格式表SWC SWB SWA 工作方式0 0 0 PR, 启动程序0 0 1 KRD,读双端口存储器0 1 0 KWE,写双端口存储器0 1 1 KLD,加载寄存器存器堆1 0 0 KRR,读寄存器堆6微程序控制器组成原理图3.2 电路设计使用计算机组成原理实验的电路图,但本次课设加入中断系统。设计一个简单的中断系统模型,只支持单级中断、单个中断请求,有中断屏蔽功能,旨在说明最基本的原理。中断屏蔽控制逻辑分别集成在 2 片 GAL22V10(TIMER1 和 TIMER2)中。其 ABEL 语言表达式如下:I

15、NTR1:=INTR;INTR1.CLK=CLK1;IE:=CLR&INTS#CLR&IE&!INTC;IE.CLK=MF;INTQ=IE&INTR1;其中 CLK1 是 TIMER1 产生的时钟信号,它主要是作为 W1W4 的时钟脉冲,这里作为INTR1 的时钟信号,INTE 的时钟信号是晶振产生的 MF。INTS 微指令位是 INTS 机器指令执行过程中从控制存储读出的,INTC 微指令位是 INTC 机器指令执行过程中从控制存储器读出的。INTE 是中断允许标志,控制台有一个指示灯 IE 显示其状态,它为 1 时,允许中断,为 0 时,禁止中断。当 INTS=1 时,在下一个 MF 的上

16、升沿 IE 变 1,当 INTC=1 时,在下一个 MF 的上升沿 IE 变 0。CLR 信号实际是控制台产生的复位信号 CLR#。当 CLR=0 时,在下一个 CLK1 的上升沿 IE 变 0。当 CLR=1 且 INTS=0 且 INTC=0 时,IE 保持不变。INTR 是外部中断源,接控制台按钮 INTR。按一次 INTR 按钮,产生一个中断请求正脉冲INTR。INTR1 是 INTR 经时钟 CLK1 同步后产生的,目的是保持 INTR1 与实验台的时序信号同步。INTR 脉冲信号的上升沿代表有外部中断请求到达中断控制器。INTQ 是中断屏蔽控制逻辑传递给 CPU 的中断信号,接到微

17、程序控制器上。当收到 INTR 脉冲信号时,若中断允许位 INTE=0,则中断被屏蔽,INTQ 仍然为 0;若 INTE=1,则 INTQ=1。为保持中断的断点地址,以便中断返回,设置了一个中断地址寄存器 IAR。第二节图 4 中的 IAR(U19)就是这个中断地址寄存器,它是一片 74HC374,有 LDIAR 和 IAR_BUS#两个信号输入端,均连接至微程序控制器。LDIAR 信号的上升沿到达时,来自程序计数器 PC的地址会置入 IAR 中。IAR_BUS#为 0 时,保存在 IAR 中的断点地址会输出到数据总线控制存储器OP微地址寄存器地址转移逻辑P 字段 控制字段 辽 宁 工 业 大

18、 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)7DBUS 上。由于本实验系统只有一个断点寄存器而无堆栈,因此仅支持一级中断而不支持多级中断。中断向量即中断服务程序的入口地址,在本实验仪中由 8 位数码 开关 SW7SW0 提供。8第 4 章 机器语言程序设计4.1 机器语言程序及其存储器位置、编码和数据初值的设计程序功能:将存储器 78H 单元和 79H 单元中的数据相乘,将所得的积送入到存储器78H 地址所指的内存单元中。程序实现表:地址 指令 机器代码00H LDA R0,R2 58H01H LDA R1,R3 5DH02H MUL R0,R1 24H03H STA R0,R2 48H04H

19、STP 60H4.2 程序执行过程及运算结果首先设置通用寄存器 R2、R3 的值,使 R2=78H,R3=79H。然后从 00H 地址开始存 5 个机器代码:11H,22H,33H,44H,55H。在 78H 存入 02H,用于给 R0 赋初值;在 79H存入 01H,用于给 R1 赋初值。用单指的方式执行程序。初值:R0 未定,R1 未定,R2=78H,R3=79H。存储器,78H 单元的内容是 02H,79H 单元的内容是 01H。1.LDA R0,R2执行结果: R2=78H,R0=02H。2.LDA R1,R3执行结果: R3=79H,R1=01。H3.MUL R0,R1执行结果:R0

20、=02H,R1=01H。4STA R0,R2执行结果:78H=02H。5STP执行结果: 无变化辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)9第 5 章 指令流程测试与调试5.1 接线方法将跳线开关 J1 用短路子短接。时序发生器的输入 TJI 接控制存储器的输出 TJ。控制器的输入 C 接运算器 ALU 的 C。控制器的输入 IR7、IR6、IR5、IR4 依次接指令寄存器 IR 的输出 IR7、IR6、IR5、IR4。控制器的输出 LDIR(CER) 、LDPC(LDR4) 、PC_ADD、PC_INC、M4、LDIAR、LDAR1(LDAR2) 、AR1_INC、M3、L

21、DER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS+BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2) 、M1(M2) 、S2、S1、S0 依次与数据通路的对应信号连接。指令寄存器 IR 的输出 IRO 接双端口寄存器堆的 RD0、WR0,IR1 接 RD1、WR1,IR2 接 RS0,IR3 接 RS1。共 6条线。合上电源。按 CLR#按钮,使实验系统处于初始状态。5.2 设置通用寄存器 R2、R3 的值1令 DP=0,DB=0,DZ=0,使实验系统处于连续运行状态。令 SWC=0、SWB=1、SWA=1,使实验系统处于寄存器加载工作方式 KLD。按 CLR#按钮,使

22、实验系统处于初始状态。2在 SW7SW0 上设置一个存储器地址,该存储器地址供设置通用寄存器使用。将该地址设置为 0FFH。按依次 QD 按钮,将 0FFH 写入 AR0 和 AR1。3在 SW7SW0 上设置 02H,作为通用寄存器 R2 的寄存器号。按一次 QD 按钮,则将 02H写入 IR。4在 SW7SW0 设置 78H,作为 R2 的值。按一次 QD 按钮,将 78H 写入 IR 指定的 R2 寄存器。5在 SW7SW0 设置 03H,作为通用寄存器 R3 的寄存器号。按一次 QD 按钮,则将 03H 写入 IR。6在 SW7SW0 设置 79H,作为 R3 的值。按一次 QD 按钮

23、,将 79H 写入 IR 指定的 R3 寄存器。7设置 R2、R3 结束,按 CLR#按钮,使实验系统恢复到初始状态。5.3 存储程序机器代码本操作中,我们从存储器 00H 地址开始存 5 个机器代码:58H,5DH,24H,48H,60H。在存储器 78H 地址存入 02H;在 79H 地址存入 01H。令 DP=0,DB=0,DZ=0,使实验系统处于连续运行状态。令 SWC=0、SWB=1、SWA=0,使实验系统处于写双端口存储器工作方式 KWE。按 CLR#按钮,使实验系统处于初始状态。1.置 SW7SW0 为 00H,按 QD 按钮,将 00H 写入 AR1。2.置 SW7SW0 为

24、11H,按 OQ 按钮,将 58H 写入存储器 00H 单元。AR1 自动加 1,变为01H。3.置 SW7SW0 为 22H,按 OQ 按钮,将 5DH 写入存储器 01H 单元。AR1 自动加 1,变为02H。4.置 SW7SW0 为 33H,按 OQ 按钮,将 24H 写入存储器 02H 单元。AR1 自动加 1,变为1003H。5.置 SW7SW0 为 44H,按 OQ 按钮,将 48H 写入存储器 03H 单元。AR1 自动加 1,变为04H。6.置 SW7SW0 为 55H,按 OQ 按钮,将 60H 写入存储器 04H 单元。AR1 自动加 1,变为05H。7按 CLR#按钮,使

25、实验系统恢复到初始状态。5.4 执行程序与验证结果用单指的方式执行程序。在 SW7-SW0 上设置 00H,作为程序启动地址。控制台方式开关 SWC 置 0,SWB 置 0,SWA置 0,启动程序。DB 置 0,DP 置 0,DZ 置 1,选择执行方式为单指执行。1.按一次 QD 按钮,执行 00H 地址的程序,指示灯显示为。2.按一次 QD 按钮,执行 01H 地址的程序,指示灯显示为。3.按一次 QD 按钮,执行 02H 地址的程序,指示灯显示为。4.按一次 QD 按钮,执行 03H 地址的程序,指示灯显示为。5.按一次 QD 按钮,执行 04H 地址的程序,指示灯显示为。6.按一次 QD

26、 按钮,执行 05H 地址的程序,指示灯显示为。程序执行完毕。 7.在 SW7-SW0 上设置 78H,作为存储器地址。控制台方式开关 SWC 置 0,SWB 置 0,SWA置 1,选择读双端口存储器。DB 置 0,DP 置 0,DZ 置 0。将 IR/DBUS 开关拨到 DBUS 位置,按一次 QD 按钮,AR1 加 1,指示灯显示为,表示存储器 78H 地址中的数据为 02H辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书(论 文)11第 6 章 总结 乘法指令流程的设计涉及到微程序控制,数据通路,双端口存储和乘法运算的知识,让我进一步了解计算机组成原理课程。 计算机组成原理是计算机科学

27、与技术专业的一门核心的专业必修课程。从课程的地位来说,它是先导课与后续课之间的重要衔接课程。随着计算机技术的飞速发展,必须保证课程教学内容及实现手段的先进性,在实验中让我感觉到自己对课本上的知识理解还不是很好,还有很多知识点没有掌握,通过课程设计使我对课本上的知识有了更进一步的理解,同时也锻炼了我的动手能力。通过与同学的交流和查找资料使遇到的困难解决了,结合本课程内容多、难度大的特定,采取理论与实践相结合的方法,有效地巩固了学习效果,进一步加深了对计算机组成结构和工作机理的认识,提高了的实际动手能力与创新设计能力。在课程实验的基础上提出深度更广、综合性更强的设计题目,给出设计要求和设计思路,自

28、行设计和调试,独立完成课程设计,加深对计算机的组成原理和指令在计算机中运行过程的理解。设计一个简单计算机模型的方案、通过微指令、微程序的设计实现计算机的基本功能、不断调试最终达到设计要求的全过程,从而系统地掌握计算机中的运算器、寄存器、译码电路、存储器、和存储微指令的控制存储器等硬件组成的相关知识,实现知识融会贯通的目的。通过这次设计使我相信,只要自己在每一次实践中仔细思考,亲自动手,可以使自己对课本的知识有更进一步的理解。对计算机的组成有了进一步的认识和了解。总结课程设计的全过程,写出微程序控制器的基本原理、设计的方案及其有关内容,总结还可以包括 : 课程设计过程的收获、解决问题过程的思考、

29、程序调试能力的思考、对计算机组成原理这门课程的思考、在课程设计过程中对计算机组成原理课程的认识等内容。课程设计的时间虽然很短,但让我学会了很多东西,锻炼我的细心,耐心和恒心。理论结合实际,验证了书上的理论,更重要的是使自己增强了实践的能力,为以后的学习奠定了基础。12参考文献1 白中英.计算机组成原理.北京:科学出版社,2002 年 1 月2 旷海兰.计算机组成原理学习指导训练.北京:中国水利水电出版社,2004 年 3 月3 王成.计算机组成原理实验指导书与习题集.北京:清华大学出版社,2000 年 6 月4 张代远.计算机组成原理教程.北京:清华大学出版社,2005 年 5 月5 朱家铿.计算机组成原理.沈阳:东北大学出版社,2000 年 2 月6 王爱英.计算机组织与结构.北京:清华大学出版社,1998 年 4 月7 唐塑飞.计算机组成原理.北京: 高等教育出版社,2000 年 6 月8 张新荣.计算机组成原理. 天津:天津大学出版社, 2006 年 6 月

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