計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)計(jì)報(bào)告——拓展接口的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)計(jì)報(bào)告拓展接口的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)學(xué)院：計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班級：組員1：組員2：起止時(shí)間：目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3三、實(shí)驗(yàn)思路3四、實(shí)驗(yàn)原理3五、實(shí)驗(yàn)步驟10六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)11七、實(shí)驗(yàn)心得14一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕?jīng)過一系列硬件課程的學(xué)習(xí)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)后，做一個(gè)綜合的系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，這在硬件方面是一個(gè)提高，進(jìn)一步培養(yǎng)實(shí)踐能力。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容搭建一臺有拓展接口的8位模型機(jī)，指令系統(tǒng)要求有10條以上，其中包括運(yùn)算類指令、傳送類指令、控制轉(zhuǎn)移類指令、輸入輸出指令、停機(jī)指令等。三、實(shí)驗(yàn)思路1、確定設(shè)計(jì)目標(biāo)：確定所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的功能和用途。2、確定指令系統(tǒng)：確定數(shù)據(jù)的表示格式、位

2、數(shù)、指令的編碼、類型、需要設(shè)計(jì)哪些指令及使用的尋址方式。3、確定總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路：總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含確定各部件設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，列出各種信息傳送路徑以及實(shí)現(xiàn)這些傳送所需要的微命令。4、設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程：數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程。根據(jù)指令的復(fù)雜程度。每條指令所需要的機(jī)器周期數(shù)。對于微程序控制的計(jì)算機(jī)，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需要考慮哪些微操作可以安排在同一個(gè)微指令中。5、確定微程序地址：根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。6、根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微操作進(jìn)行二進(jìn)制代碼化，寫入到控制存儲器中的相應(yīng)單元中。7、組裝、調(diào)試：在總裝

3、調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥泄δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的運(yùn)行正確。四、實(shí)驗(yàn)原理1、指令系統(tǒng)及指令格式（1）數(shù)據(jù)格式8位。（2）指令格式：指令系統(tǒng)應(yīng)包括：算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、訪存指令、控制轉(zhuǎn)移指令、I/O指令、停機(jī)指令。 一般指令格式如下：OP-CODE（4位）RS（2位）RD（2位）DATA/ADDR（8位）其中RS、RD可以是R0、R1、R2中任一個(gè)，它們的代碼分別為00、01、10。DATA為立即數(shù)，ADDR為內(nèi)存地址。（3）指令系統(tǒng)：讀寫端口指令：PIN PORT，RD POUT RS，PORT訪存指令：LOAD ADDR，RD STA RS，ADDR 讀取立即數(shù)指令

4、：MOV DATA RD算術(shù)運(yùn)算指令：ADD RS，RD SUB RS，RD邏輯運(yùn)算指令：XOR RS，RD AND RS，RD NOT RD跳轉(zhuǎn)指令：JMP ADDR JZ ADDR停機(jī)指令：HALT運(yùn)行微程序PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-IRRAM-BUSBUS-ARPC-ARPC+1RS-BUSBUS-RAMRAM-BUSBUS-ARPC-ARPC+1RAM-BUSBUS-RDRAM-BUSBUS-RDPC-ARPC+1RS-LDDR1RD-LDDR2LDDR1-LDDR2-RDRS-LDDR1RD-LDDR2LDDR1+LDDR2-RDRS-LDDR1RD-LDDR2LDDR

5、1異或LDDR2-RDRS-LDDR1RD-LDDR2LDDR1與LDDR2-RDP（1）LOADSTAMOVADDSUBXORANDRD-LDDR2LDDR2取非-RDRAM-BUSBUS-PCPC-ARPC+1PC-ARPC+1P（3）測試后續(xù)地址20H30H讀出地址送PC20H復(fù)位YN0101NOTJMPJZ右邊接下圖左邊接上圖2、 指令微操作流程3、微指令格式微指令為24位2進(jìn)制編碼，其中24位分配及編碼方式如下：（1）第24位至第19位分配方式：242322212019S3S2S1S0MCn 第24位至第19位編碼方式方式：（2）第18位至第16位分配方式：181716WEA9A8

6、第18位至第16位編碼方式方式：WEA9A8功能000INPUT001RAM讀101RAM寫110LED,寫接口011無010寫接口（3） 第15位至第7位分配方式：151413121110987ABC 第15位至第7位編碼方式：A字段：151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARB字段：121110選擇000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-BC字段：987選擇000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC（4）第6位至第1位分配方式：

7、654321uA5uA4uA3uA2uA1uA0 第6位至第1位指示下一條微指令的地址。（5）299移位控制表：299-bs1s0m功能000任意保持0100循環(huán)右移0101帶進(jìn)位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進(jìn)位循環(huán)左移任意11任意裝數(shù)4、微程序地址入口的形成P（1）是用來譯碼指令寄存器的I7、I6、I5、I4 ,用于一般指令,微程序入口址為OP+10HP（2）是用來譯碼指令寄存器的I3、I2 ,用于不同尋址方式指令，入口地址轉(zhuǎn)OP+20HP（3）是用來譯碼判斷標(biāo)志位C、Z ,用于條件轉(zhuǎn)移指令,條件成立轉(zhuǎn)OP+30H,條件不成立轉(zhuǎn)OP+20HP（4）是用來譯碼控制臺操作的SWB、SWA

8、,用于手動操作。5、寄存器地址譯碼電路6、微程序裝載格式機(jī)器指令格式：$Pxxxx 微指令格式：$Mxxxxxxxx 把它們保存為 *.TXT文件。注：1）程序中字母要大寫。2）機(jī)器指令地址按順序，微指令地址可不按順序。7、模型機(jī)的時(shí)序8、模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路9、模型機(jī)組裝電路圖10、8255接口簡介（1）8255芯片簡介8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個(gè)8位并行I/O口。具有3個(gè)通道3種工作方式的可編程并行接口芯片。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3

9、個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。 1） 與CPU連接部分 根據(jù)定義，8255能并行傳送8位數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)線為8根D0D7。由于8255具有3個(gè)通道A、B、C，所以只要兩根地址線就能尋址A、B、C口及控制寄存器，故地址線為兩根A0A1。此外CPU要對8255進(jìn)行讀、寫與片選操作，所以控制線為片選、復(fù)位、讀、寫信號。2） 與外設(shè)接口部分 根據(jù)定義，8255有3個(gè)通道A、B、C與外設(shè)連接，每個(gè)通道又有8根線與外設(shè)連接，所以8

10、255可以用24根線與外設(shè)連接。3） 控制器 8255將3個(gè)通道分為兩組，即PA0PA7與PC4PC7組成A組，PB0PB7與PC0PC3組成B組。如圖7.5所示，相應(yīng)的控制器也分為A組控制器與B組控制器，各組控制器的作用如下： （1） A組控制器：控制A口與上C口的輸入與輸出。 （2） B組控制器：控制B口與下C口的輸入與輸出。（2） 讀寫端口指令1）讀端口指令格式：PIN PORT，RD OP-CODE（4位）RS（2位）00PORT2）寫端口指令格式：POUT RS，PORTOP-CODE（4位）00RD（2位）PORT3） 讀寫端口指令微操作：PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-A

11、R讀端口數(shù)據(jù)送入寄存器PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-AR寄存器數(shù)據(jù)寫入端口數(shù)據(jù)（3）8255的編程8255的初始化編程較簡單，只需要一個(gè)控制字就把3個(gè)端口設(shè)置完成。1） 寫入方式控制字。方式控制字決定端口A、B、C的工作方式。2） 經(jīng)過初始化編程之后，處理器執(zhí)行讀端口指令和寫端口指令，對3個(gè)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行讀寫就可以實(shí)現(xiàn)處理器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。五、實(shí)驗(yàn)步驟（1）按照給定模型機(jī)組裝電路圖連接電路;（2）連通實(shí)驗(yàn)箱與PC機(jī)，打開CMP軟件，測試實(shí)驗(yàn)箱是否正常;（3）設(shè)計(jì)微指令，畫出其微操作流程圖，并翻譯成相應(yīng)的微指令格式;（4）設(shè)計(jì)包含這些微指令的機(jī)器指令程序，并翻譯成相應(yīng)機(jī)器指令格式;

12、（5）把設(shè)計(jì)好微指令和機(jī)器指令保存為TXT文件，然后裝載入CMP;（6）打開復(fù)雜模型機(jī)，然后用單步機(jī)器指令運(yùn)行程序并調(diào)試;（7）檢查輸出結(jié)果是否正確，最后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)機(jī)器指令在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，我們定義了12條指令，分別為他們編碼，如下表所示：基本指令指令代碼PIN0000POUT0001LOAD0010STA0011MOV0100ADD0101SUB0110AND0111XOR1000NOT1001JMP1010JZ10112、 設(shè)計(jì)微指令A(yù)BC微操作000000000110000000000000010101ED8201000000011110110110000010PC

13、-AR,PC+1-PC0200C05002000000001100000001010000RAM-BUS,BUS-IRPIN 1001ED8310000000011110110110000011PC-AR,PC+1-PC0300E00403000000001110000000000100RAM-BUS,BUS-AR04000000010001000000000001讀端口數(shù)據(jù)送入寄存器POUT 1101ED8511000000011110110110000101PC-AR,PC+1-PC0500E00605000000001110000000000110RAM-BUS,BUS-AR060000

14、00110000001000000001寄存器寫入端口數(shù)據(jù)LOAD 1201ED8712000000011110110110000111PC-AR,PC+1-PC0700E00807000000001110000000001000RAM-BUS,BUS-AR08000000001001000000000001RAM-BUS,BUS-RiSTA 1301ED8913000000011110110110001001PC-AR,PC+1-PC0900E00A09000000001110000000001010RAM-BUS,BUS-AR0A0282010A0000001010000010000000

15、01Ri-BUS,BUS-RAMMOV1401ED8B14000000011110110110001011PC-AR,PC+1-PC0B0090010B000000001001000000000001RAM-BUS,BUS-RiADD 1501A20C15000000011010001000001100Ri-LDDR10C01B40D0C000000011011010000001101Ri-LDDR20D959A010D100101011001101000000001LDDR1+LDDR2-RiSUB 1601A20E16000000011010001000001110Ri-LDDR10E01

16、B40F0E000000011011010000001111Ri-LDDR20F619B410F011000011001101101000001LDDR1-LDDR2-RiAND 1701A22017000000011010001000100000Ri-LDDR12001B42120000000011011010000100001Ri-LDDR221159A0121000101011001101000000001LDDR1與LDDR2-RiXOR 1801A22218000000011010001000100010Ri-LDDR12201B423220000000110110100001000

17、11Ri-LDDR223699A0123011010011001101000000001LDDR1+LDDR2-RiNOT1901B42419000000011011010000100100Ri-LDDR224099A0124000010011001101000000001LDDR1+LDDR2-RiJMP1A01EDA51A000000011110110110100101PC-AR,PC+1-PC2500D18125000000001101000110000001RAM-BUS,BUS-PCJZ 1B01ECEF1B000000011110110011101111PC-AR,PC+1-PC2

18、F0180012F000000011000000000000001分支測試失敗3F00D1813F000000001101000110000001分值測試成功3、 設(shè)計(jì)驗(yàn)證程序匯編指令（前一個(gè)操作數(shù)為源操作數(shù)，后一個(gè)操作數(shù)為目的操作數(shù)）MOV 90H,R2 POUT R2,03HPIN 00H,R1MOV 02H,R2ADD R1，R2XOR R1，R2NOT R2LOAD 20H,R0JMP 30HSUB R0，R0JZ 40HAND R0，R2POUT R2,01H4、匯編程序與機(jī)器指令程序的轉(zhuǎn)換地址機(jī)器指令碼（二進(jìn)制）機(jī)器指令碼（十六進(jìn)制）指令0142HMOV 90H,R20290H03

19、18H POUT R2,03H0403H0501HPIN 00H,R10600H0714HPOUT R1，01H0800000001 01H0942H MOV 02H,R20A02H0B56HADD R1，R20C86HXOR R1，R20D92HNOT R20E20HLOAD 20H,R00F20H10A0HJMP 30H1130H3060HSUB R0，R031B0HJZ 40H3240H4001110001072HAND R0，R24118HPOUT R2,01H4201H5、建立聯(lián)機(jī)操作文件為了從PC機(jī)下載工作程序和微程序，需要建立聯(lián)機(jī)操作文件，該文件是普通的文本文件，擴(kuò)展名為TXT，

20、可用記事本來建立。源程序如下：23 / 23文檔可自由編輯打印$P0401$P0500$P0614$P0701$P0842$P0902$P0A56$P0B86$P0C92$P0D20$P0E20$P0FA0$P1030$P3060$P31B0$P3240$P4072$P4118$P4201$M00018001$M0101ED82$M0200C050$M1001ED83$M0300E004$M04011001$M1101ED85$M0500E006$M06030201$M1201ED87$M0700E008$M08009001$M1301ED89$M0900E00A$M0A028201$M1401ED8B$M0B009001$M1501A20C$M0C01B40D$M0D959A01$M1601A20E$M0E01B40F$M0F619B41$M1701A220$M2001B421$M21159A01$M1801A222$M2201B423$M23699A01$M1901B424$M24099A01$M1A01EDA5$M2500D181$M1B01ECEF$