計算機組成原理課程設計實驗報告-基本模型機設計與實現(xiàn)

1、.計 算 機 組 成 原 理實 驗 報 告評 語：成績教 師：年 月 日班 級： 1403011 學 號： 140301124 姓 名： 于夢鴿 地 點： EII-312 時 間： 第3批 計算機組成原理與體系結(jié)構(gòu)課程設計 基本模型機設計與實現(xiàn)一實驗目的1深入理解基本模型計算機的功能、組成知識；2深入學習計算機各類典型指令的執(zhí)行流程；3學習微程序控制器的設計過程和相關技術，掌握LPM_ROM的配置方法。4在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將單元電路組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。5定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調(diào)試，掌握計算機整機概念。掌握微程序的設計方法，學會編寫二進制微指

2、令代碼表。6通過熟悉較完整的計算機的設計，全面了解并掌握微程序控制方式計算機的設計方法。二實驗原理本實驗采用五條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（最高4位二進制數(shù)為操作碼）：1在部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本實驗將能在微過程控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定的功能。實驗中，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微過程控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一個微程序。2指令格式（1）指令格式采用寄存器直接尋址方

3、式，其格式如下：位 7654 3210功能OP-CODErsrd其中，OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：Rs或rd選定的寄存器000110R0R1R2助記符機器指令碼Addr地址碼功能說明INADD addrSTA addrOUT addrJMP addr0 0H1 0H XX H2 0H XX H3 0H XX H4 0H XX H“INPUT”中的數(shù)據(jù)R0R0+addr ->R0R0 -> addraddr -> BUSaddr PC其中IN為單字長（8位二進制），其余為雙字長指令，XX H 為addr對應的十六進制地址碼。為了向RAM中裝

4、入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設計三個控制臺操作微程序。圖6-1 數(shù)據(jù)通路框圖1,存儲器讀操作（KRD）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“0 0”時，可對RAM連續(xù)手動讀入操作。2,存儲器寫操作（KWE）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“0 1”時，可對RAM連續(xù)手動寫操作。3、啟動程序（RP）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“1 1”時，即可轉(zhuǎn)入到微地址“01”號“取指令”微指令，啟動程序運行。SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動程序（R

5、P）根據(jù)以上要求設計數(shù)據(jù)通路框圖，如圖5-1所示。表6-1 24位微代碼定義：24232221201918171615 14 1312 11 10987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0 表6-2 A、B、C各字段功能說明：A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDRi001RS-B001P（1）010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B101LDAR110LDAR110PC-B110LDPC24位微代碼中各信號的功能

6、(1) uA5uA0：微程序控制器的微地址輸出信號，是下一條要執(zhí)行的微指令的微地址。(2) S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器輸出的ALU操作選擇信號，以控制執(zhí)行16種算術操作或16種邏輯操作中的某一種操作。(3) M：微程序控制輸出的ALU操作方式選擇信號端。M0執(zhí)行算術操作；Ml執(zhí)行邏輯操作。(4) Cn：微程序控制器輸出的進位標志信號，Cn0表示ALU運算時最低位有進位，Cn1則表示無進位。 (5)WE：微程序控制器輸出的RAM控制信號。當/CE0時，如WE0為存儲器讀；如WE1為存儲器寫。 (6) A9、A8譯碼后產(chǎn)生CS0、CS1、CS2信號，分別作為SW_B、RAM、LED的選

7、通控制信號。 (7) A字段（15、14、13）譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸入選通信號（見表6-1）。(8) B字段（12、11、10）譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸出選通信號。(9) C字段（9、8、7） 譯碼后產(chǎn)生分支判斷測試信號P(1)P(4)和LDPC信號。系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖6-2。當執(zhí)行“取指令”微指令時，該微指令的判斷測試字段為P(1)測試。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支（見圖6-2左圖）。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定地址單元。控制臺操作為P(4)測試（見圖6

8、-2右圖），它以控制臺信號SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控制存儲器的一個微地址單元，隨意填寫。注意：微程序流程圖上的微地址為8進制！當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，表6-2即為圖6-2的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。表6-2 二進制微代碼表微地址微指令S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0000181100000000110000001000100000100ED820000000011101101100000100200C0480

9、000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000000010110000000001010501A20600000001101000100000011006619A010110000110011010000000010700E00D0000000011100000000011011000101B0000000000010000000110111101ED830000000111101101100000111201ED870000000111101101100001111301ED8E0000000111101

10、101100011101401ED960000000111101101100101101500B0170000000010110000000101111600E00F0000000011100000000011111700B0150000000010110000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002201A01000000001101000000001000023018001000000011000000000000001240620110000011000100000000100012

11、501A2190000000110100010000110012601A21A000000011010001000011010 2701A21800000001101000100001100030B99A0110111001100110100000000131E99A0111101001100110100000000132099A010000100110011010000000013301A21C00000001101000100001110034059A01000001011001101000000001指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從

12、內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼段，由二進制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試“P(1)”，通過節(jié)拍脈沖T4的控制，以便識別所要求的操作。 指令譯碼器: 根據(jù)指令中的操作碼強置微控制器單元的微地址，使下一條微指令指向相應的微程序首地址。實驗中LCD液晶顯示屏可以用來顯示模型機CPU中各組成單元的內(nèi)容。將B100_C.sof文件下載到實驗臺后，按系統(tǒng)復位鍵，LCD液晶顯示屏即顯示CPU中各組成單元的內(nèi)容。其功能說明如下：LCD液晶顯示屏功能說明圖6-4 LCD液晶顯示屏名稱作 用名稱作用IN輸入單元INPUTDR1暫存器DR1OUT輸出單元

13、OUTPUTDR2暫存器DR2ALU算術邏輯單元PC程序計數(shù)器BUS內(nèi)部數(shù)據(jù)總線AR地址寄存器R0寄存器R0RAM程序/數(shù)據(jù)存儲器R1寄存器R1IR指令寄存器R2寄存器R2MC微程序控制器圖6-3 模型計算機電路原理圖地址（16進制）內(nèi)容（16進制）助記符說明0000INC自增0110SUB減法020A0320AND與040B0530OR或050C0740NOT非080009000A01自定0B000C02自定0D000E03自定3 實驗步驟 (做了兩個程序，以下是第一個)1微程序的輸入：根據(jù)表6-2所對應的二進制微代碼，編輯LPM_ROM配置文件ROM_11.mif(參考demoD_cpu5

14、文件夾中的同名文件)，并將其保存在與實驗電路b100_c.bdf工程所在的文件夾中，與實驗電路b100_c.bdf一同編譯后，得到下載文件b100_c.sof。下載配置文件bus_c.sof下載到實驗系統(tǒng)。實驗板上的時鐘clock0選擇輸入頻率為1.5MHz。圖6-3是示例原理圖，詳見b100_c.bdf。2輸入模型機的程序romRam3.自動配置LPM_RAM如果程序量大，手動輸入效率太低，可以在計算機上編譯好代碼文件，并隨同模型CPU設計文件一同編譯進SOF下載文件中，直接下載進入FPGA。（1）在QuartusII環(huán)境下，打開工程文件b100_c.bdf，修改b100_C.bdf中LPM

15、_RAM_DQ的參數(shù)，將初始化文件LPM_FILE設置為：“./5_ram.mif”；打開“5_ram.mif”（在示例中已有此文件），根據(jù)“實驗程序1”，在5_ram.mif中輸入全部機器指令代碼（示例中已經(jīng)輸入）。（2）將工程文件重新編譯后，下載到實驗臺中，即完成LPM_RAM的配置。（3）根據(jù)以上的方法，復位信號RST（鍵8）=1；將控制開關SWB、SWA（鍵4、鍵3）設置為：0、0，按鍵7，每兩個2次單步運行（產(chǎn)生2個正脈沖），檢驗配置進入FPGA中的程序代碼。4.EAB在系統(tǒng)讀寫使用在系統(tǒng)EAB讀寫工具對模型CPU中的存放微程序的ROM和存放程序與數(shù)據(jù)的RAM進行觀察和改寫（圖6-3

16、）。5.用嵌入式邏輯分析儀了解CPU運行情況可以利用實驗系統(tǒng)上的液晶屏上的數(shù)據(jù)顯示和嵌入式邏輯分析儀同時了解CPU的每一單步運行情況（圖6-4）。注意，圖6-4的嵌入式邏輯分析儀設置情況：采用時鐘使用CPU的工作時鐘（CLK1=1.5MHz），采樣深度64位，觸發(fā)位置：Pre.，觸發(fā)信號用單步控制信號：STEP；觸發(fā)方式：上升沿。左側(cè)的觀察信號，data1是ALU；data2是RAM；P10是AR；P12是IR；（三）執(zhí)行程序1. IN X2. X減34 3. X與344. X或345. X非 第二個1. MOV R0->DR12. 自加13. 自減14. 置05. 置1七中各信號的功能說明(1) uA5uA0 微程序控制器的微地址輸出信號。 (2) IR7一IR5 指令寄存器IR7、IR6、IR5輸出信號，輸入至微程序控制器作為修改微地址的控制信號。 (3) CLK1時鐘信號源，輸入頻率為612MHz。(4) T1T4時序信號發(fā)生器提供的四個標準輸出信號，