硬布線控制器設(shè)計與調(diào)試-課程設(shè)計

1、成績 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 課程設(shè)計報告 （2015-2016學(xué)年夏季學(xué)期）設(shè)計題目： 硬布線控制器設(shè)計與調(diào)試 課程名稱： 計算機組成原理課程設(shè)計 任課教師： 黃嵐 班級： 計算機141 學(xué)號： 1408010112 姓名： 目錄一、課程設(shè)計簡述：31.教學(xué)目的：32.課設(shè)任務(wù)：33.實驗設(shè)備簡介：33.1、TEC4-A計算機組成原理實驗系統(tǒng)133.2、萬用表53.3、PC機5二、總體設(shè)計思路：51.指令系統(tǒng)：52.數(shù)據(jù)通路：63.硬布線控制器的設(shè)計原理：7三、設(shè)計與調(diào)試方案：71.設(shè)計步驟：71.1.根據(jù)數(shù)據(jù)通路得出指令周期流程圖71.2.根據(jù)指令流程圖將微信號的輸出條件列出：101.3.根據(jù)微信號

2、的輸出條件寫用ABEL語言表示的布爾表達式：112.調(diào)試步驟：14四、驗證性實驗：141.課程設(shè)計要求的基礎(chǔ)實驗：14預(yù)置寄存器及存儲單元內(nèi)容：14程序代碼：14執(zhí)行結(jié)果：152.自備的檢驗性實驗：15預(yù)置寄存器及存儲單元內(nèi)容：15程序代碼：15執(zhí)行結(jié)果：15五、課程設(shè)計中遇到的問題及體會：16參考文獻：16硬布線控制器的設(shè)計與調(diào)試課程設(shè)計報告一、 課程設(shè)計簡述：1. 教學(xué)目的：1) 融會貫通計算機組成原理課程和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容，通過知識的綜合運用，加深對計算機系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認識，特別是對硬布線控制器的認識。2) 學(xué)習(xí)運用ISP（在系統(tǒng)編程）技術(shù)進行設(shè)計和調(diào)試的基本步

3、驟和方法，熟悉集成開發(fā)軟件中設(shè)計調(diào)試工具的使用，體會ISP技術(shù)相對于傳統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的優(yōu)點。3) 培養(yǎng)科學(xué)研究的獨立工作能力，取得工程設(shè)計與組裝調(diào)試的實踐經(jīng)驗。2. 課設(shè)任務(wù)：1) 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，在所提供的器件范圍內(nèi)，設(shè)計一臺硬布線控制器控制的模型計算機。2) 根據(jù)設(shè)計圖紙，在通用實驗臺上進行組裝，并調(diào)試成功。3) 在組裝調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計圖紙和其他文件，包括：A. 總框圖（數(shù)據(jù)通路圖）；B. 硬布線控制器邏輯模塊圖；C. 模塊ABEL語言源程序（如果有的話）；D. 硬布線控制流程圖；E. 元件排列圖；F. 設(shè)計說明書； G. 調(diào)試小結(jié)。3. 實驗設(shè)備簡介：3.1、 TEC

4、4-A計算機組成原理實驗系統(tǒng)1實驗的主體設(shè)備，為課程設(shè)計提供了硬件基礎(chǔ)；所有硬布線控制器及指令系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)都基于該儀器的數(shù)據(jù)通路?，F(xiàn)對該儀器簡介如下：A. TEC一4計算機組成原理實驗系統(tǒng)特點:1) 計算機模型簡單、實用，運算器數(shù)據(jù)通路、控制器、控制臺各部分劃分清晰。2) 計算機模型采用了數(shù)據(jù)總線和指令總線雙總線體制，能夠?qū)崿F(xiàn)流水控制。3) 控制器有微程序控制器或者硬布線控制器兩種類型，每種類型又有流水和非流水兩種方案。4) 實驗臺上包括了I片在系統(tǒng)編程芯片ispLSI1032，學(xué)生可用它實現(xiàn)硬布線控制器。5) 該系統(tǒng)能做運算器組成、雙端口存儲器、數(shù)據(jù)通路、微程序控制器、中斷、CPU組成與

5、機器指令執(zhí)行、流水微程序控制器、硬布線控制器、流水硬布線控制器等多種實驗。電源部分采用模塊電源，重量輕，具有抗電源對地短路能力。B. TEC一4計算機組成原理實驗系統(tǒng)的組成：1) 控制臺2) 數(shù)據(jù)通路3) 控制器4) 用戶自選器件試驗區(qū)5) 時序電路6) 電源部分C. TEC一4計算機組成原理實驗系統(tǒng)信號標(biāo)志及其作用信號作用LDIR(CER)為1時，允許對IR加載，此信號也可用于作為雙端口存儲器右端口選擇CERLDPC(LDR4)為1時，允許對程序計數(shù)器PC加載，此信號也可用于作為R4的加載允許信號LDR4。PCADD為l時，進行PC+D操作。PCINC為l時，進行PC+l操作M4當(dāng)M4=1時

6、，R4從數(shù)據(jù)總線DBUS接收數(shù)據(jù);當(dāng)M4=0時，R4從指令寄存器IR接收數(shù)據(jù)LDIAR為1時，對中斷地址寄存器IAR加載LDAR1(LDAR2)為1時，允許對地址寄存器AR1加載，此信號也可用于作為允許對地址寄存器AR2加載。AR1INC為1時，允許進行ARl+l操作M3當(dāng)M3=1時，AR2從數(shù)據(jù)總線DBUS接收數(shù)據(jù);當(dāng)M3=0時，AR2從程序計數(shù)器兒接收數(shù)據(jù)LDER為l時，允許對暫存寄存器ER加載。IARBUS#低有效，為0時將中斷地址寄存器IAR送數(shù)據(jù)總線DBUS。SW_BUS#低有效，為0時將控制臺開關(guān)SW7一SW0送數(shù)據(jù)總線DBUS。RS_BUS#低有效，為0時將寄存器堆RF的B端口送

7、數(shù)據(jù)總線DBUSALU_BUS為l時，將ALU中的運算結(jié)果送數(shù)據(jù)總線DBUSCEL#低有效，為0時允許雙端口存儲器左端口進行讀、寫操作LRW當(dāng)LRW=l且CEL#=0時，雙端口存儲器左端口進行讀操作;LRW=0且CEL#='0時，雙端口存儲器左端口進行寫操作WRD為l時，允許對寄存器堆RF進行寫操作LDDRl(LDDR2)為1時允許對操作數(shù)寄存器DRl加載。此信號也可用于作為對操作數(shù)寄存器DR2加載M1(M2)當(dāng)M1=1時，操作數(shù)寄存器DR1從數(shù)據(jù)總線DBUS接收數(shù)據(jù);當(dāng)M1=0時，操作數(shù)寄存器DRl從寄存器堆RF接收數(shù)據(jù)。此信號也可用于作為操作數(shù)寄存器DR2的數(shù)據(jù)來源選擇信號S2、S

8、l、S0選擇運算器ALU的運算類型TJ暫停微程序運行D. TEC一4計算機組成原理實驗系統(tǒng)運算器功能表：選 擇操 作S2S1S0000A & B001A & A（直通）010A + B011A - B100A(低4位) X B(低4位)3.2、 萬用表在調(diào)試階段用于測量各個信號是否有效。3.3、 PC機用于運行設(shè)計自動化軟件作設(shè)計、編程和下載使用。二、 總體設(shè)計思路：1. 指令系統(tǒng)：為完成本次課程設(shè)計的內(nèi)容要求、簡化控制信號邏輯表達式，使用的指令系統(tǒng)及相應(yīng)的編碼如下：機器指令名稱助記符功能指令格式R7 R6 R5 R4R3 R2R1 R0加法ADD Rd,RsRd+Rs->

9、;Rd0 0 0 0RS1 RS0RD1 RD0減法SUB Rd,RsRd-Rs->Rd0 0 0 1RS1 RS0RD1 RD0乘法MUL Rd,RsRd*Rs->Rd0 0 1 0RS1 RS0RD1 RD0邏輯與AND Rd,RsRd&Rs->Rd0 0 1 1RS1 RS0RD1 RD0存數(shù)STA Rd,RsRd->Rs0 1 0 0RS1 RS0RD1 RD0取數(shù)LDA Rd,RsRs->Rd0 1 0 1RS1 RS0RD1 RD0無條件轉(zhuǎn)移JMP RsRs->PC1 0 0 0RS1 RS0X X條件轉(zhuǎn)移JC D若C=1則PC+D-&g

10、t;PC1 0 0 1D3 D2D1 D0停機STP暫停運行0 1 1 0X XX X控制臺指令SWCSWBSWA工作方式000PR，啟動程序001KRD，讀取端口存儲器010KWE，寫雙端口存儲器011KLD，加載寄存器堆100KRR，讀寄存器堆2. 數(shù)據(jù)通路：根據(jù)TEC4-A模型計算機介紹得數(shù)據(jù)通路如下：3. 硬布線控制器的設(shè)計原理2：硬布線控制器把控制部件看作生產(chǎn)專門固定時序控制信號的邏輯電路，且此種邏輯電路以使用最少原件 具體到本課程設(shè)計，即為減少ABEL邏輯表達式項數(shù)和取得最高操作速度為設(shè)計目標(biāo)。硬布線控制器可視為一種由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)其執(zhí)行不同的機器指令時，

11、通過激活一系列彼此很不相同的控制信號來實現(xiàn)對指令的解釋。一般來說，該邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入信號來源有三個：A.來自指令操作碼 本例中為指令的高4位IR7IR4 B.來自執(zhí)行部件反饋信息 本例中為進位標(biāo)志C C.來自時序產(chǎn)生器的時序信號 本例中為W4W1及T4T1，但T4T1均直接與數(shù)據(jù)通路相連，因此只以T1作為輸入信號、作用于判定是否將ST置1。而邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸出便是微操作控制信號。因此在硬布線控制器中，每一個控制信號都可由以輸入信號為變量的布爾表達式來確定。三、 設(shè)計與調(diào)試方案：1. 設(shè)計步驟：1.1. 根據(jù)數(shù)據(jù)通路得出指令周期流程圖見下頁：ST=1ST=0SW_BUS#M4=1LDR4LDPCSW_

12、BUS#LDAR1TJSST0RS_BUS#TJSW_BUS#LDAR1SST0AR1_INCWRDTJAR1_INCTJSW_BUS#LDAR1M3=1LDAR2TJSST0SW_BUS#LDAR1M3=1LDAR2TJSST0W4SW_BUS#LDERW3W2W1CERLDIRSKIPCERLDIRTJSW_BUS#CEL#LRW=0SW_BUS#CEL#LRW=0SKIPSKIPSKIPSKIPSKIPCEL#LRW=1TJSKIPSKIPSW_BUS#CEL#LRW=0KRDPRKLDKWEKRDKRRKRRKLDKWEADDW4W3WRDALU=A*BALU_BUSLDERALU=A

13、-BALU_BUSLDERALU=A+BALU_BUSLDERCEL#LRW=1LDERALU=A&BALU_BUSLDERC=0C=1ALU=AALU_BUSCEL#LRW=0M4=0LDR4PC_ADDLDPCRS_BUS#M4=1LDR4LDPCTJW2W1M1=0LDDR1M2=0LDDR2M2=0LDDR2RS_BUS#LDAR1 SKIPRS_BUS#LDAR1SKIPSKIPM1=0LDDR1M2=0LDDR2M1=0LDDR1M2=0LDDR2M1=0LDDR1M2=0LDDR2SKIPM3=0LDAR2CERLDIRPC_INCJMPSTALDAMULSUBJCAND

14、STPPR&ST=11.2. 根據(jù)指令流程圖將微信號的輸出條件列出：控制臺標(biāo)志ST=0ST=1二進制編碼0100000100100011000010011010101111001000微命令指令KRRKRDKWEKLDPRKRDKWEKLDKRRPRALU_BUSAR1_INCW4W4CEL#W1W1W1W1CERW2W2LDAR1W4W4W4W4LDAR2W4W4LDDR1LDDR2LDERW3LDIRW2W2LDPCW4LDR4W4LRWW1M1M2M3W4W4M4W4PC_INCPC_ADDRS_BUS#W4S0S1S2SW_BUS#W4W4W4W4W4W1W1/W3W1SKIP

15、W1W1W1W1W1W1W1W2TJW4W4W4W1W4W2/W4W4WRDW4SST0W4W4W4W4W4控制臺標(biāo)志ST=1二進制編碼000000000010010001101010100100010010110微命令指令PR2ADDSUBMULANDLDASTAJMPJCSTPALU_BUSW3W3W3W3W4AR1_INCCEL#W3W4CERW1LDAR1W2W2LDAR2W1LDDR1W2W2W2W2LDDR2W2W2W2W2W2LDERW3W3W3W3W3LDIRW1LDPCW4W4&CLDR4W4W4&CLRWW3(1)M1M2M3M4W4PC_INCW1PC_A

16、DDW4&CRS_BUS#W2W2W4S0W3(0)W3(1)W3(0)W3(0)W4S1W3(1)W3(1)W3(0)W3(0)S2W3(0)W3(0)W3(1)W3(0)SW_BUS#SKIPW2W2W2W2TJW4WRDW4W4W4W4W4SST01.3. 根據(jù)微信號的輸出條件寫用ABEL語言表示的布爾表達式：ABEL代碼如下：MODULE ProjectTITLE 'hard-wired control unit'"INPUTCLR PIN 3;"CLR=CLR# MF,T1,W1,W2,W3,W4 PIN 5.10;IR4,IR5,IR6,

17、IR7 PIN 12.15;SWC,SWB,SWA,C PIN 16,26.28;"OUTPUTMF1,SST0 NODE ISTYPE 'COM'RUN,ST0 NODE ISTYPE 'REG'LDIR,LDPC,PC_ADD,M4,PC_INC PIN 30.34 ISTYPE 'COM' LDAR2,AR1_INC,M3,CEL,LRW,LDAR1, M1 PIN 35.41 ISTYPE 'COM'LDER,SW_BUS,RS_BUS,WRD PIN 45.48 ISTYPE 'COM'&quo

18、t;RS_BUS=RS_BUS#,SW_BUS=SW_BUS#,CEL=CEL#LDDR2,LDDR1 ,S2,S1,S0,ALU_BUS PIN 51.56 ISTYPE 'COM'TJ,SKIP PIN 69,70 ISTYPE 'COM'CLK = .C.;EQUATIONSMF1 = !CLR & MF # T1;RUN := CLR & !ST0 # CLR & RUN;RUN.CLK = MF1; SST0 = !ST0 & RUN & W4;ST0 := CLR & SST0 # CLR &

19、ST0;ST0.CLK = MF1;LDIR = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1# ST0 & !SWC & SWB & SWA & W2# ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W2;SKIP = !ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1# !ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1# !ST0 & !SWC & SWB & !SWA

20、 & W1# !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W1# !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W1# ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1# ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W1# ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W2# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6

21、& !IR5 & !IR4 & W2# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W2# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W2# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & IR5 & !IR4 & W2;L

22、DPC= !ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W4 & C;PC_ADD= ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 &

23、!IR6 & !IR5 & IR4 & W4 & C# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4;M4= !ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4;LDAR1= !ST0 & !SWC &am

24、p; !SWB & SWA & W4# !ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W4 # !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4# !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & W2;AR1_INC= ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W4

25、# ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W4;M3= !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4# !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4;CEL= !(ST0 & !SWC & SWB & W1# ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1# ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W1# ST0 & !SWC & !S

26、WB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W3);LRW= ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W3;LDER=

27、 ST0 & !SWC & SWB & SWA & W3# ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W2# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W3# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W3;SW_BUS= !(!ST0 & !SWC & W4# !ST0 & SWC

28、& !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & SWB & W1# ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W1# ST0 & !SWC & SWB & SWA & W3);RS_BUS= !(ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & W2# ST0 &a

29、mp; !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4);WRD= ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W4;LDDR1= ST

30、0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W2;LDDR2= ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W2# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W2;S2= ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & !IR6 &

31、IR5 & !IR4 & W3;S1= ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & !IR6 & !IR5 & W3;S0= ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W3 # ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W4;ALU_BUS=

32、ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W3# ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W4;TJ= !ST0 & !SWC & SWB & W4# !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1# ST0 &

33、; !SWC & SWB & !SWA & W4# ST0 & !SWC & SWB & SWA & W2# ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4# ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & IR6 & IR5 & !IR4 & W4;LDAR2= !ST0 & !SWC & SWB &

34、; SWA & W4# !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1;PC_INC= ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1;END2. 調(diào)試步驟：試運行硬布線模擬計算機時，若出現(xiàn)錯誤，則通過如下步驟查錯：1. 將模擬計算機運行方式由連續(xù)運行 DP,DB,DZ=0改為單拍運行 DP=1,DB,DZ=0）；2. 使用萬用表測量控制信號，判斷模擬計算機數(shù)據(jù)通路微控制信號是否與指令周期流程圖中相應(yīng)節(jié)拍應(yīng)有信號