计算机组成原理课程设计报告时间.doc
计算机原理课程设计报告学院 计算机学院 计算机科学与技术专业 13目 录1实验目的 32实验原理电路图 333机器指令和微程序 54实验设备 85实验任务 86实验结果 107实验总结 11.实验目的1掌握时间生成器的组成原理2掌握微程序控制器的组成原理3掌握微指令格式的简化和合并4将微程序控制器与执行部件（整个数据通路）联机，通过计算机5用微程序控制器控制模型机的数据通路6CPU操作由九个机器指令（排除相关中断指令）组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机整机概念2。实验原理电路图1时序发生器TEC-计算机组成原理实验的时序电路如图所示，电路采用2片GAL22V10(U6,U7),可产生两级间隔时间序新号T1-T4和W1-W4。一个W由一轮T1-T4循环组成相当于微指令周期；一轮W1-W硬联线控制器可以执行机器指令。一个W由一轮T1-T4循环组成相当于微指令周期；一轮W1-W硬联线控制器可以执行机器指令。- 时序信号发生器 -本实验不涉及硬联线控制器，因此时间生成器中的相关内容也可根据需要放入硬联线控制器实验中。CLR低电位有效复位新号。试验仪在任何状态下命令CLR0，都会使时序发生器和微程序控制器复位；CLR0时，可正常运行。TJ是停机新号，是控制器的输出新号之一。如果控制信号停如果控制信号停止1，机器将停止发送时间脉冲，从而暂停程序。QD是脉冲信号的启动。DP，DZ，DB是控制台的开关信号。DP表示单拍，当DP1时，每次只执行一条微指令；DZ表示单指，当DZ1.每次只执行一个机器指令；当DP，DB，DZ机器在0点连续运行。根据数据通路和指令系统设计数据通路微程序控制器。这里使用的数据通路是在综合前面的实验模块的基础上增加程序计数器PC(U18)地址加法器ALU2(U17)地址缓冲寄存器R4(U25/U26)和中断地址寄存器IAR(U19)，PC和ALU2各采用一片GAL22V两者结合使用，可完成程序地址的存储、增加1和增加偏移功能。R4由两片74HC带二选一输入端的298组成。IAR是一片74HC中断时保存断点地址734。根据给定的12个机器指令功能和数据通路总体图的控制信号，采用微指令格式和微程序控制器电路。共有35个微指令字。顺序控制部分10位(后继微地址6位，字段4位)，操作控制字段25位，直接控制。在微指令格式中，带后缀的信号为低有效信号，无后缀的信号为高有效信号。- 微指令格式 -微程序控制器的组成如下图所示，控制存储器采用5片EEPROM 28C64U8，U9，U10，U11，U12。28C64的输出是D0D与引脚11、12、13、15、16、17、18、19相对应，CM0是最低字节，CM四是最高字节。微地址寄存器6位，一片6位D触发器74HC174U1组成，带清零端。用于生成下一个微指令的地址，两级与门或门构成微地址转移逻辑。在每个T当上升时，新的微指令地址将进入微地址寄存器，控制存储器立即输出相应的微命令代码。微地址转移逻辑生成下一个地址，等待下一个地址T沿着微地址寄存器上升。跳转开关JUMPJ一组6个跳线开关。微地址寄存器用短路子连接时AR从本实验系统提供的微程序地址译码电路中获得新的微程序地址D0D5。当它们断开时，用户提供自己的新微程序地址D0D5。这样，用户就可以使用自己设计的微程序地址译码电路。5片EEPROM的地址A6引脚4直接与控制台开关SWC连接，当SWC 1.微地址大于或等于40H，当SWC 0时，微地址的范围为00H3FH。SWC主要用于实现读寄存器堆的功能。 - 由微程序控制器组成 -在微地址转移逻辑的多个输入信号中，INTQ本实验可以忽略中断请求。SWA、SWB是控制台的两个二进制开关信号，实验台已上线。C是进位信号，IR7IR4是机器指令代码。由于本实验不连接数据通路，这些信号接收到二进制开关K0Kl5上。三、机器指令和微程序 为了简单明了，本实验仪使用了12个机器指令，均为8个单词长指令。指令格式如下表所示，微程序控制器提供高4位，数据通路提供低4位。指令功能及格式名 称助记符功 能指 令 格 式IR7 IR6IR5 IR4IR3 IR2 IR1 IR0加法ADD Rd, RsRdRs-Rd 0 0 0 0RS1 RS0 RD1 RD0减法SUB Rd, RsRd-Rs-Rd 0 0 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0乘法MUL Rd, RsRd*Rs-Rd 0 0 1 0 RS1 RS0 RD1 RD0逻辑与AND Rd, RsRdRs-Rd 0 0 1 1 RS1 RS0 RD1 RD0存数STA Rd, RsRd-Rs 0 1 0 0 RS1 RS0 RD1 RD0取数LDA Rd, RsRs-Rd 0 1 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0无条件转移JMP RsRs-PC 1 0 0 0 RS1 RS0 X X条件转移JC D若 C 1 则 PCD-PC 1 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返回中断 1 0 1 0 X X X X开中断INTS允许中断 1 0 1 1 X X X X关中断INTC禁止中断 1 1 0 0 X X X X应当指出，用以上12个指令编写实际程序是不够的。通过CPU掌握微程序控制器的工作原理，执行一些最简单的程序。通过CPU掌握微程序控制器的工作原理，执行一些最简单的程序。上述12个指令的微程序流程设计如下图所示。每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入5个28C64中。为了向RAM将程序和数据放入中，检查写入是否正确，并启动程序执行，并设计以下五个控制台操作微程序存储器KWE按复位按钮CLR之后，微地址寄存器状态为全零。此时置SWC 0、SWB 1、SWA 0.按下启动按钮后，将微指令地址转移到27H，从而可对RAM手动连续写入。存储器读取操作KRD按复位按钮CLR后，置SWC 0，SWB 0，SWA 1.按下启动按钮后，将微指令地址转移到17H，从而可对RAM连续阅读操作。编写寄存器操作KLD按复位按钮CLR后，置SWC 0，SWB 1，SWA 1.按下启动按钮后，将微指令地址转移到37H，因此，寄存器堆中的寄存器可以连续编写。- 读寄存器操作图KRR按复位按钮CLR后，置SWC 1，SWB 0，SWA 0.按下启动按钮后，指令地址转移到47H，从而连续读取寄存器堆中的寄存器。启动程序PR按复位按钮CLR后，置SWC 0，SWB 0，SWA 用数据开关SW7SW0在内存中设置程序的第一个地址，按下启动按钮后将微指令地址转换为07H，然后转到取指微指令。在设计微指令格式时，数据通道所需的控制信号被合并和简化。微程序控制器输出的控制信号远低于数据通道所需的控制信号。这里的微程序流程图没有合并和简化。有些信号的位置完全相同，可以用其中一个信号代表。还有其他信号，位置基本相同。微程序流程图只指出微指令中必须出现的信号，不指出其他信号是否可以，需要根据具体情况进行分析。对下列信号进行了归并和化简LDIRCER 1时，允许对IR该信号也可用作双端口存储器右端口的选择CER。LDPCLDR4 为l时，允许程序计数器PC该信号也可用于加载R加载允许信号LDR4。LDAR1LDAR2 当为l时，允许地址寄存器AR1也可用作地址寄存器AR2加载。LDDR1LDDR2 1时允许操作数字寄存器DR1加载。该信号也可用作操作数寄存器DR2加载。MlM2 当M1 l操作数字寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据；当M1 0操作数字寄存器DR1从 寄存器堆RF接收数据。该信号也可用作操作数寄存器DR选择2的数据源信号。 微指令格式可以化简，而实验台数据通路的控制信号为什么不进行化简最主要的原因是前面进行的各个实验的需要。另一个原因是，考虑到实验中易于理解，一些可以合并的信号没有合并。四、实验设备1TEC4计算机组成原理实验系统2直流万用表3逻辑测试笔4导线5，实验任务常规微程序控制器组成实验1根据实验要求，连接实验台开关K0K按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。2熟悉微指令格式的定义，将控制台指令微程序的8个微指令按下表编码。三个控制台指令的功能由三个控制台指令组成SWC，SWB，SWA指定三个二进制开关的状态KRD 001B，KWE 010B，PR 000B。3单拍DP执行控制台微程序，读取微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况。4用P3和SWC、SWB、SWA状态组合，观察和验证三个控制台指令KRD、KWE、PR实现微地址转移逻辑功能。5熟悉05H、10H两个微指令的功能和P2.测试状态条件IR4IR7.设置二进制开关IR7IR观察4的不同状态SUB、LDA、STA、JUMP实现机器指令微地址转移的逻辑功能。6设置IR7IR机器指令微程序由单拍执行，微地址和P字段指示灯用于跟踪微程序的转移和执行。实验中的具体问题是编写机器代码计算yx23x1的值。首先，用微指令编写解决问题的微指令R0,R1,R2,R3代替函数的4个参数x,x,3,1。这样，函数就可以用简单的加法和乘法来完成具体的执行步骤R0*R1R0； R2*R1R2； ROR2R0； ROR3R对应的指令编码如下地址指令 HR0*R1R00010 01 0001 HR2*R1R20010 01 1002 HROR2R00000 10 0003 HROR3R00000 11 00令x2，,寄存器中的数据如下表所示R000000011R100000011R200000011R300000001CPU组成和机器指令执行实验1翻译机器指令系统组成的简单程序。手动将下表程序汇编成16进制机器代码。地址指令机器代码000HLDA R0,R20101100001HLDA R1,R30101110102HADD R0,R10000010003HJC 51001010104HAND R2,R30011111005HSUB R3,R20001101106HSTA R3,R20100101107HMUL R0,R10010010008HSTP0110XXXX09HJMP R1100001XX根据框图，参考前面实验的电路图完成连接。其中，为了将操作数量存储给通用寄存器组RF，在数据通道上RS1、RS0、RD1、RD0应分别与IR3至IR0连接，WR1、WR0也应连接到IR1、IR0上。其中，为了将操作数量存储给通用寄存器组RF，在数据通道上RS1、RS0、RD1、RD0应分别与IR3至IR0连接，WR1、WR0也应连接到IR1、IR0.3将表中的程序机代码存储在控制台中，并根据程序的需要使用数字开关SW7-SW0设置通用寄存器R2、R3及其内存相关单元的数据。(注意设置通用寄存器时会损坏内存单元的数据，所以在设置内存数据之前，应先设置寄存器数据。)4用单拍(DP)执行一次程序，列表记录通用寄存器堆RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM数据(程序结束后从RAM的相应单元中读出)，与理论值作对比。执行时注意观察微地址指示灯，IR/DBUS指示灯、AR2/AR1.指示灯、微地址指示灯和字段指示灯的值(每个微指示器都可以观察到)。5 以单指(DZ)重新执行程序，注意观察IR/DBUS指示灯、AR2/AR1指示灯的值(每个机器指令都可以观察到)。列表记录RF中四寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。(注单指方式执行程序时，四个通用寄存器和RAM中的原始数据与第一遍执行程序的结果有关。)6以连续方式(DB，DP，DZ都设为0)再次执行程序。由于程序中有停机指令STP，程序执行到该指令时自动停机。列表记录RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。(注程序执行前的原始数据与第二遍执行结果有关。)按照要求，执行相应的指令，然后跳出程序，读出结果，观察结果与标准结果是否一致。六、实验结果1计算yx23x1 将写好的二进制代码输入到内存(堆)中，控制KRD、KWE、KLD、KRR、PR的值来输入指令、数据，并检验所输入的指令和数据是否正确，调节PR进行运行程序，当DP置一，其它置零时，按QD则可以进行一步一步的运行程序。观察当前正在运行的程序以及每一步程序运行的过程和结果，运行程序完成后，通过读寄存器中数据的值检验程序运行的结果。 经检验，用该程序算出的结果与正确结果一致。输入x2，经过该程序的运行，得出yx23x1的值为11，证明该程序的程序编写及操作步骤正确，该试验成功。2CPU组成与机器指令执行实验将写好的二进制代码输入到内存(堆)中，控制KRD、KWE、KLD、KRR、PR的值来输入编写好的程序，然后可以读出程序或者数据，检验所输入的指令和数据是否正确。调节PR进行运行程序，当DP置1，其它置零时，按QD则可以进行一步一步的运行程序，观察每一步程序运行的过程和结果，运行程序完成后，通过读内存中数据的值检验程序运行的是否正确。通过观察实验结果，发现该程序的执行结果与预期的正确结果一致，所以此实验程序及操作均正确。七、实验总结 通过本次课程设计实验，更加深入地了解了课本上的知识，对书本上的知识在实际中的应用有了更加形象的认识。 本次实验中，自己编写机器指令，亲自动手连线，实际操作面板开关，这使我们近距离了解了机器指令在计算机中的运行过程，将平时的理论知识和实验中的操作结合起来。这让我增强了自己的动手能力，熟练地掌握了每个实验步骤的操作，并能独立完成一个实验的操作。 在实验之前，应该了解实验原理、实验步骤、实验任务以及注意事项，这样可以使思路更加清晰，使实验操作更具条理性，即使出错，也能很快地找出错误并解决错误。在实验过程中，尤其是输入机器指令比较多的时候，应当加倍细心，防止因输入指令错误而带来实验结果的错误。这更是培养了我们的耐心和对细节的操作能力。 此次课程设计实验中遇到了很多平时课堂中和试题中不会出现的问题，我们通过查阅资料、相互讨论、请教老师等方法解决了这些问题。在解决这些问题过程中，培养了我们对思维的掌控能力、解决问题的能力和团队协作能力，对以后更加深入地学习后续课程打下了坚实的基础。