計(jì)組實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、計(jì) 算 機(jī) 組 成 原 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告評(píng) 語(yǔ)：成績(jī) 教 師： 年 月 日 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)：姓 名： 地 點(diǎn)： 時(shí) 間：計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳钊肜斫庥?jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，建立整機(jī)概念，掌握計(jì)算機(jī)核心部件控制器的工作原理及設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力。1在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)由單元電路組成一臺(tái)完整基本模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2掌握計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。深入理解基本模型計(jì)算機(jī)的功能、組成方法；深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)各類典型指令的執(zhí)行流程；3學(xué)習(xí)微程序控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程和相關(guān)技術(shù)，掌握LPM_RAM、LPM_ROM的配置方法。4定義五條機(jī)器指令，并編寫(xiě)相應(yīng)的微程序，上機(jī)調(diào)試，掌握微程序的

2、設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)編寫(xiě)二進(jìn)制微指令代碼表。5通過(guò)熟悉較完整的計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，全面了解并掌握微程序控制方式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法。二實(shí)驗(yàn)原理1在部件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本實(shí)驗(yàn)將能在微過(guò)程控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定的功能。實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微過(guò)程控制器來(lái)完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。2指令格式（1）單自節(jié)指令格式本實(shí)驗(yàn)采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無(wú)條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（最高4位二進(jìn)制

3、數(shù)為操作碼）：采用寄存器直接尋址方式，其格式如下：位 7654 3 210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00R0助記符機(jī)器指令碼Addr地址碼功能說(shuō)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(zhǎng)（8位二進(jìn)制），其余為雙字長(zhǎng)指令，XX H 為addr對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制地址

4、碼。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫(xiě)入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。圖6-1 數(shù)據(jù)通路框圖注：LDDR0實(shí)際為L(zhǎng)DDR1，LDDR1實(shí)際為L(zhǎng)DDR2。1、存儲(chǔ)器讀操作（KRD）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWA、SWB為“0 0”時(shí)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀入操作。2、存儲(chǔ)器寫(xiě)操作（KWE）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWA、SWB為“0 1”時(shí)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)操作。3、啟動(dòng)程序（RP）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWA、SWB為“1 1”時(shí)，即可轉(zhuǎn)入到微地址“01”號(hào)“取指令”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行

5、。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖， SWBSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫(xiě)內(nèi)存（KWE）啟動(dòng)程序（RP）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(shuō)明：A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDR0001RS-B001P（1）010LDDR0010010011LDDR1011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B

6、101LDAR110LDAR110PC-B110LDPC24位微代碼中各信號(hào)的功能(1) uA5uA0：微程序控制器的微地址輸出信號(hào)，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(hào)，以控制執(zhí)行16種算術(shù)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(hào)端。M0執(zhí)行算術(shù)操作；Ml執(zhí)行邏輯操作。(4) /Cn：微程序控制器輸出的進(jìn)位標(biāo)志信號(hào)，/Cn0表示ALU運(yùn)算時(shí)最低位有進(jìn)位，/Cn1則表示無(wú)進(jìn)位。 (5)WE：微程序控制器輸出的RAM控制信號(hào)。當(dāng)/CE0時(shí)，如WE0為存儲(chǔ)器讀；如WE1為存儲(chǔ)器寫(xiě)。 (6

7、) A9、A8譯碼后產(chǎn)生CS0、CS1、CS2信號(hào)，分別作為SW_B、RAM、LED的選通控制信號(hào)。 (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(hào)（見(jiàn)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(hào)。(9) C字段（9、8、7） 譯碼后產(chǎn)生分支判斷測(cè)試信號(hào)P(1)P(4)和LDPC信號(hào)。系統(tǒng)涉及到的微程序流程見(jiàn)圖6-2。當(dāng)執(zhí)行“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判斷測(cè)試字段為P(1)測(cè)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(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支（見(jiàn)圖6-2左圖）。用指令寄存器的高4位（IR7-I

8、R4）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定地址單元。控制臺(tái)操作為P(4)測(cè)試（見(jiàn)圖6-2右圖），它以控制臺(tái)信號(hào)SWB、SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)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(chǔ)器的一個(gè)微地址單元，隨意填寫(xiě)。注意：微程序流程圖上的微地址為8進(jìn)制！當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)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(jìn)制微代碼表”。表6-2 二進(jìn)制微代碼表微地址微指令S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA000018110000000011000000100010

9、0000101ED820000000011101101100000100200C0480000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000000010110000000001010501A20600000001101000100000011006919A011001000110011010000000010700E00D000000001110000000001101100110010000000100010000000000011101ED830000000111101101100000111201ED870

10、000000111101101100001111301ED8E0000000111101101100011101401ED9600000001111011011001011015038201000000110000010000000011600E00F0000000011100000000011111700A0150000000010100000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002200A0100000000010100000000100002301800100000001100000

11、00000000012406201100000110001000000001000125010A010000011100001010000000012600D181000000001101000110000001指令寄存器（IR）：指令寄存器用來(lái)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(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(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試“P(1)”，通過(guò)節(jié)拍脈沖T4的控制，以便識(shí)別所要求的操作。指令譯碼器: 根據(jù)指令中的操作碼強(qiáng)置微控制器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。實(shí)驗(yàn)中LC

12、D液晶顯示屏可以用來(lái)顯示模型機(jī)CPU中各組成單元的內(nèi)容。將B100_C.sof文件下載到實(shí)驗(yàn)臺(tái)后，按系統(tǒng)復(fù)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(shuō)明如下：LCD液晶顯示屏功能說(shuō)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OUTPUTDR2暫存器DR2ALU算術(shù)邏輯單元PC程序計(jì)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(chǔ)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(jì)算機(jī)電路原理圖實(shí)驗(yàn)程序1： 說(shuō)明：1、指令I(lǐng)N為單字節(jié)指令，指令碼：00，其功能是將輸入口IN的數(shù)

13、據(jù)送到寄存器R0；2、指令A(yù)DD 0AH為雙字節(jié)指令，指令碼：100A，其功能是將R0中的數(shù)據(jù)加上RAM地址0AH中的數(shù)據(jù)（34H）；3、指令STA 0BH為雙字節(jié)指令，指令碼：200B，其功能是將R0中的數(shù)據(jù)送到RAM的0BH地址單元中；4、指令OUT0BH為雙字節(jié)指令，指令碼：300B，其功能是將RAM的0BH地址單元中的數(shù)據(jù)送到OUT輸出口上；5、指令JMP 12H 為雙字節(jié)指令，指令碼：4012，其功能是將其操作碼下一地址單元（08H）的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)跳地址。三實(shí)驗(yàn)步驟1微程序的輸入：根據(jù)表6-2所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)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(shí)驗(yàn)電路b100_c.bdf工程所在的文件夾中，與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)板上的時(shí)鐘clock0選擇輸入頻率為1.5MHz。圖6-3是示例原理圖，詳見(jiàn)b100_c.bdf。2輸入模型機(jī)的程序(示例工程文件是b100_c.bdf )（一）手動(dòng)寫(xiě)入（1）使用控制臺(tái)KWE和KRD微程序?qū)C(jī)器指令程序（“實(shí)驗(yàn)程序1”：按地址輸入指令代碼，如地址00、01、02、03、04分別對(duì)應(yīng)指令碼00、10、0A、20、0B）裝入模型機(jī)CPU的程序RAM（LPM_RAM_DQ）中

15、，并進(jìn)行檢查。根據(jù)圖6-2控制臺(tái)微程序流程圖，在微指令的控制下，依次輸入機(jī)器指令代碼： 以下將數(shù)據(jù)35、C4依次裝入00、01地址為例：選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絅O.0，輸入數(shù)據(jù)顯示于數(shù)碼2、1上； 將控制開(kāi)關(guān)SWB、SWA（鍵4、鍵3）設(shè)置為：0、1；模型機(jī)的復(fù)位控制信號(hào)RST（鍵8）=1； 機(jī)器指令代碼的數(shù)據(jù)輸入由鍵2、鍵1輸入，先鍵入35，再按兩次鍵7，即0->1->0，產(chǎn)生一個(gè)寫(xiě)入正脈沖，這時(shí)觀察右上液晶屏上的輸入端口IN=35；PC=00（當(dāng)前將要輸入的地址）；MC=018110微指令。 再按兩次鍵7（地址寄存器加1），根據(jù)圖5-2控制臺(tái)微程序流程圖，進(jìn)入到KWE（01）分支，進(jìn)入并

16、執(zhí)行了微地址“21”中的操作，這時(shí)控制此操作的微指令碼MC=01ED94，PC自動(dòng)加1，PC=1。 按鍵7，再產(chǎn)生一個(gè)脈沖，進(jìn)入并執(zhí)行了微地址“24”中的操作；觀察液晶，數(shù)據(jù)35進(jìn)入總線BUS=35，35進(jìn)入RAM=35，此時(shí)微指令碼MC=062011，此時(shí)將機(jī)器指令代碼數(shù)據(jù)寫(xiě)入了LPM_RAM中； 此后每當(dāng)出現(xiàn)MC=062011時(shí)，即可利用鍵2，鍵1輸入待寫(xiě)入RAM的數(shù)據(jù)，此時(shí)如C4，連續(xù)按鍵7，再產(chǎn)生2個(gè)脈沖，即將C4寫(xiě)入RAM，PC加1，微指令碼變成MC=062011； 重復(fù)的步驟，將“實(shí)驗(yàn)程序1”的全部機(jī)器指令代碼輸入RAM。圖6-2 微程序流程圖(注,圖中的DR1應(yīng)改為DR0, DR

17、2應(yīng)改為DR1)（2）以下是檢查RAM中的內(nèi)容。當(dāng)全部機(jī)器指令代碼輸入模型機(jī)后，在微指令的控制下，依次檢查L(zhǎng)PM_RAM中已輸入的機(jī)器指令代碼。步驟如下： 按復(fù)位鍵8=0，使模型機(jī)中的PC復(fù)位； 將控制開(kāi)關(guān)SWB、SWA（鍵4、鍵3）設(shè)置為：0、0； 復(fù)位信號(hào)RST（鍵8）=1； 按鍵7，每?jī)蓚€(gè)2次單步運(yùn)行（產(chǎn)生2個(gè)正脈沖），可讀出LPM_RAM中以寫(xiě)入的數(shù)據(jù)；根據(jù)圖6-1的CPU部件和信息流程，對(duì)于讀出的每一數(shù)據(jù)，仔細(xì)觀察液晶上顯示的MIC、PC、AR、IN、BUS、RAM、DR0、DR1的數(shù)據(jù)變化。重復(fù)以上步驟，依次檢查L(zhǎng)PM_RAM中已輸入的機(jī)器指令代碼。（二）自動(dòng)配置LPM_RAM如果

18、程序量大，手動(dòng)輸入效率太低，可以在計(jì)算機(jī)上編譯好代碼文件，并隨同模型CPU設(shè)計(jì)文件一同編譯進(jìn)SOF下載文件中，直接下載進(jìn)入FPGA。（1）在QuartusII環(huán)境下，打開(kāi)工程文件b100_c.bdf，修改b100_C.bdf中LPM_RAM_DQ的參數(shù)，將初始化文件LPM_FILE設(shè)置為：“./5_ram.mif”；打開(kāi)“5_ram.mif”（在示例中已有此文件），根據(jù)“實(shí)驗(yàn)程序1”，在5_ram.mif中輸入全部機(jī)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(shí)驗(yàn)臺(tái)中，即完成LPM_RAM的配置。（3）根據(jù)以上的方法，復(fù)位信號(hào)RST（鍵8）=1；將控制開(kāi)關(guān)SWB、SWA（鍵

19、4、鍵3）設(shè)置為：0、0，按鍵7，每?jī)蓚€(gè)2次單步運(yùn)行（產(chǎn)生2個(gè)正脈沖），檢驗(yàn)配置進(jìn)入FPGA中的程序代碼。（三）執(zhí)行程序（1）按1次系統(tǒng)復(fù)位鍵8，并置鍵8為高電平，使CPU允許正常工作；（2）控制開(kāi)關(guān)（鍵4、鍵3）設(shè)置為SWB、SWA=1,1，處于程序執(zhí)行方式，觀察圖6-1控制臺(tái)：RP（11）；（3）通過(guò)鍵2、鍵1輸入運(yùn)算數(shù)據(jù)，如56H，按4次單步鍵7，產(chǎn)生2個(gè)脈沖，執(zhí)行2條微指令，進(jìn)入到圖6-1控制臺(tái)的RP（11），此時(shí)的微指令地址是“23”，微指令碼MC=008001；IN=56H（4）再用鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行1條微指令，微程序流程進(jìn)入圖6-2左的“運(yùn)行微程序”的最上塊：此時(shí)PC=00送

20、地址寄存器AR=00，PC自動(dòng)加1，PC=01，MC=00ED82，IN=56；注意，1、實(shí)驗(yàn)箱上數(shù)碼管7、6顯示的是下一節(jié)拍將要執(zhí)行的微指令的微地址碼；2、數(shù)碼管3顯示的是進(jìn)位情況，有進(jìn)位，LED3顯示1，無(wú)進(jìn)位LED3顯示0。（5）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行微指令MC=00C048（圖6-2），RAM中的第一條指令碼00進(jìn)入BUS，再由BUS進(jìn)入指令寄存器IR=00。鍵7再進(jìn)1個(gè)脈沖，進(jìn)入MC=001001，執(zhí)行指令I(lǐng)N，送數(shù)INàR0=56;（6）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行完IN指令后，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（7）鍵7產(chǎn)生2個(gè)脈沖后，執(zhí)行微指令MC=00ED83，

21、即執(zhí)行ADD指令的第1步：PC送AR=02，PC+1=03，這時(shí)RAM中在02地址的0AH進(jìn)入BUS=0A；（8）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，執(zhí)行微指令MC=00E004，即執(zhí)行ADD指令的第2步：BUS數(shù)據(jù)送AR=0A，由實(shí)驗(yàn)程序1可知，0A是ADD指令的加數(shù)的間接地址，而在地址0A中放有34H， 最后完成的加法是34+56；（9） 鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖， MC=00B005，執(zhí)行ADD的第3步：將RAM中0A地址的數(shù)據(jù)34送BUS，再送DR1=34H。注意，此時(shí)指令寄存器IR中仍放有ADD的操作碼10H，PC=03指向下一條指令STA；（10）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，MC=01A206，執(zhí)行ADD的第4步（微

22、地址是05），R0送DR0=56；（11）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，MC=919A01，執(zhí)行ADD的最后一步，DR0+DR1=8AH，通過(guò)總線BUS（=8A），送R0=8AH。鍵7再產(chǎn)生1個(gè)脈沖，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（12）鍵7產(chǎn)生2個(gè)脈沖，MC=00ED87，執(zhí)行STA指令；鍵7再兩2個(gè)脈沖后，和8A被寫(xiě)入RAM，地址單元是0B。鍵7一個(gè)脈沖后，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（13）鍵7產(chǎn)生2個(gè)脈沖，MC=00ED8E，執(zhí)行OUT指令；此時(shí)OUT的功能是將RAM中指定地址的數(shù)據(jù)送到輸出口“OUT”處（見(jiàn)圖6-2和液晶屏）。此時(shí)PC=7，AR=6；（14）鍵7產(chǎn)生

23、1個(gè)脈沖，MC=00E00F，首先BUS中地址0BH被鎖進(jìn)AR，于是RAM中對(duì)應(yīng)地址0BH的數(shù)據(jù)8AH被送入BUS。鍵7再產(chǎn)生1個(gè)脈沖，MC=00A015，BUS中的數(shù)據(jù)8AH被鎖進(jìn)DR0；（15）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，MC=070A01，進(jìn)入OUT指令的最后一步；8AH從DR0送入OUT口；（16）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（17）鍵7產(chǎn)生2個(gè)脈沖，MC=00ED96，指令寄存器IR=40操作碼，開(kāi)始執(zhí)行JMP指令，此時(shí)PC=9，AR=8，故RAM中此地址的12H進(jìn)入BUS=12H。注意PC！BUS的數(shù)據(jù)12H將進(jìn)入PC成為下一條指令的執(zhí)行地址；（18）鍵7產(chǎn)

24、生1個(gè)脈沖，MC=00D181，RAM=12，BUS=12，AR=08H，PC=12，IR=40開(kāi)始執(zhí)行JMP指令。（19）鍵7產(chǎn)生1個(gè)脈沖，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；RAM=00（下一條指令碼）。結(jié)束！四、EAB在系統(tǒng)讀寫(xiě)使用在系統(tǒng)EAB讀寫(xiě)工具對(duì)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(jìn)行觀察和改寫(xiě)（圖6-3）。五、用嵌入式邏輯分析儀了解CPU運(yùn)行情況可以利用實(shí)驗(yàn)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(shí)了解CPU的每一單步運(yùn)行情況（圖6-4）。注意，圖6-4的嵌入式邏輯分析儀設(shè)置情況：采用時(shí)鐘使用CPU的工作時(shí)鐘（CLK1=1.5MHz），采樣深度64位，觸