計算機硬件系統(tǒng)課程設計

1、計算機硬件系統(tǒng)設計課程設計指導書計算機科學與技術學院計算機科學與技術系二六年目 錄1前言12復雜模型機設計23計算機控制系統(tǒng)設計9前 言本指導書用于全日制大學本科計算機專業(yè)學生學習完計算機組成原理、匯編語言、計算機接口技術等課程后進行全面綜合訓練的計算機硬件系統(tǒng)課程設計，目的在于加深對基本知識的理解，鞏固所學理論知識，拓寬知識面，進一步掌握計算機及計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程，培養(yǎng)學生獨立分析和設計計算機硬件系統(tǒng)的能力。第一部分 復雜模型機的設計與實現(xiàn)【目的與要求】綜合應用所學計算機組成原理和匯編語言知識，設計并實現(xiàn)較為完整的模型計算機，培養(yǎng)學生獨立分析和設計計算機硬件系統(tǒng)的能力?！驹O計內(nèi)容

2、】一設計所用實驗設備本設計使用Dais-CMB+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，PC機一臺和一組連接線。二設計原理在完成基本實驗線路連接的基礎上增加條件測試信號CZ標志的連接，連接方法是：用二芯排線把位于實驗裝置左上方運算器(左邊181)的左下側CYCZ接口與位于實驗裝置紅色撥碼開關右下方的FCFZ接口相連接。若在聯(lián)機狀態(tài)下，啟動模擬軟件后，首先應打開文件mxj3.abs，裝入模型機3的實驗程序及機器指令對應的微程序，然后點擊“!”圖標進入鏈接裝載，一旦屏幕自動彈出動態(tài)調(diào)試窗口，表示機器代碼及微代碼下載已成功，進入windows在線集成調(diào)試環(huán)境，可編輯機器語言程序和微程序，并進行調(diào)試和運行。如

3、在脫機裝態(tài)時，在閃動的“P.”狀態(tài)下，鍵入數(shù)字鍵“3”(復雜模型機代號)，然后再鍵入“裝載”命令鍵，實驗裝置自動裝載由數(shù)字鍵定義的模型機機器實驗程序及與其對應的微程序，裝載完畢自動返回“P.”等待命令。1.數(shù)據(jù)格式模型機規(guī)定采用定點補碼表示數(shù)據(jù)，且字長為8位，其格式如下：76 5 4 3 2 1 0符號尾數(shù)其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-128X127（定點整數(shù)），-1X<1（定點小數(shù)）。2.指令格式模型機設計五大類指令共十六條，其中包括算術邏輯指令、I/O指令、訪存指令、轉移指令和停機指令。 算術邏輯指令設計9條算術邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：

4、7 6 5 43 21 0OP-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代表選定的寄存器00R001R110R29條算術邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表1。 訪存指令和轉移指令模型機設計2條訪存指令、即存數(shù)指令（STA）、取數(shù)指令（LDA）；2條轉移指令，即無條件轉移指令（JMP）、結果為零或有進位轉移指令（BZC），指令格式為：76 543 21 00M0OP-CODERDD其中，OP-CODE為操作碼，RD為目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D為形式地址，如為位移量，正負均可，M為尋址模式，其定義如下：尋址模式M有效地址

5、E說明00E=D直接尋址或立即尋址01E=（D）間接尋址10E=（RI）+DRI變址尋址11E=（PC）+D相對尋址模型機規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。 I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，addr=01時，選中“INPUT DEVICE”中的開關作為輸入設備，addr=10時，選中“OUTPUT DEVICE”中的LED作為輸出設備。 停機指令HALT指令，用于實現(xiàn)停機操作，指令格式如下 ：7 6 5 43 21 0OP-CODE0 00 03. 指令系統(tǒng)模型機有16條基本指令，其中算術邏輯運算

6、指令9條，訪問內(nèi)存指令2條，程序控制指令2條，輸入輸出指令2條，其它指令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。表1 指令格式及功能匯編符號指 令 格 式功 能CLR rd111000RD0RD MOV rs, rd0001RSRDRSRD ADC rs, rd0011RSRDRS+RD+cyRD SBC rs, rd0101RSRDRS- RD-cyRD INC rd0111RSRDRD+1RDAND rs, rd1001RSRDRSRDRDCOM rs, rd1011RSRD RD變反RD RRC rs, rd1101RSRDRS帶進位右移后送RDRLC rs, rd1111R

7、SRDRS帶進位左移后送RDLDA M, D, Rd0M000RDERD STA M, D, Rd0M001RDRDEJMP M,D0M01000EPCBZC M,D0M01100CY=1或Z=1時，EPCIN addr, rd100001RDaddrRDOUT addr, rd101010RDRDaddrHALT11000000停機4微指令格式微指令字長32位，格式如下所示：32 31 30292827262524232221201918171615AARLDR2LDR1A9A8CELOADCNMS0S1S2S3BLDAR1413121110987654321LDPCLDIRDDR2DDR1

8、LDRDWEUA0UA1UA2UA3UA4UA5BSW A字段譯碼后產(chǎn)生總線接收控制信號，如表2所示。表2 A字段譯碼后的控制信號323130選擇000001PC-BUS010ALU-BUS011299-BUS100RS-BUS101RD-BUS110RI-BUS B字段譯碼后產(chǎn)生的操作選擇控制信號如表3所示。 表3 B字段譯碼后產(chǎn)生的控制信號16 2選擇測試字0001P（1）識別操作碼10P（2）判尋址方式11P（3）條件測試微指令中的控制信號說明：第29位AR控制進位，第25、26位控制輸入和輸出。第17位到第22位控制運算器，第9位和第24位控制存儲器，第11、12位控制暫存器，第3位到

9、第8位是下條微指令地址。5 模型計算機實驗程序模型計算機的實驗程序（mxj3.abs）如下，可供分析參考：地址 代碼 助記符$P00 84 IN 01，R0$P01 86 IN 01，R2$P02 38 ADC R2，R0$P03 11 MOV R0，R1$P04 F0 RLC R0，R0$P05 0C BZC $P06 00 $P07 C0 HALT在聯(lián)機狀態(tài)，可通過模擬軟件在菜單上選擇相關命令，單步運行微程序，單步運行機器程序，連續(xù)運行程序。如在脫機狀態(tài)，可按復位鍵后，按以下方式運行。（1）單步運行微程序鍵入數(shù)字鍵00（PC地址從00H開始），然后每按動一次“單步”命令鍵，運行一條微指令。

10、對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。（2）單步運行機器程序 鍵入數(shù)字鍵00H（PC地址），然后每按動一次“宏單步”命令鍵，運行一條機器指令。對照機器指令程序，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。（3）程序連續(xù)運行與暫停程序鍵入數(shù)字鍵00H（PC地址）按動“運行”命令鍵使模型機進入實時運行狀態(tài)。在實時運行狀態(tài)按“宏單”鍵執(zhí)行的暫停命令，使模型機進入停機狀態(tài)。6. 模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖模型計算機數(shù)據(jù)通路結構如圖1所示，運行程序時可在圖中看到指令流、數(shù)據(jù)流及各寄存器內(nèi)容的變化。打開調(diào)試窗口，可觀察到所執(zhí)行指令及地址，所執(zhí)行微指令及微地址。圖1 模型機數(shù)據(jù)通路框圖7系統(tǒng)控存內(nèi)容系統(tǒng)控存內(nèi)容

11、如表4所示，可供分析指令流程時參考。表4 系統(tǒng)控存內(nèi)容地址代碼功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR 按OP和尋址方式轉0300800420RAMDR1040080C038RAMAR按OP轉05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1按OP轉0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR20CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD0E00000080空操作0FA0000

12、408RDDR11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1變反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0DR1DR11400000000空操作1540000280/50000280DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DR1DR2RD1840300280DR1變反RD19601400D8299帶進位右移1A601800D8299帶進位左移1B60000280299RD1C40200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E406020

13、80/405F2080DR1PC1F00008072BZC20200060C0按OP 轉和按尋址轉，PCAR, PC+12180000280 RSRD22200060A0 PCAR, PC+12380000430RSDR12420006060PCAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT 微地址不變2D800C0098RS299移位器2E401C02800RD2F800C00

14、58RS299移位器3040140280三設計任務 1運行幾條指令，按照系統(tǒng)的微指令格式和模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖分析其流程，寫出所分析機器指令的微程序。 2.增加一條新指令，為其編制微程序。3. 編制程序，應能完成下列功能之一：（1）乘法運算。（2）除法運算。（3）連加或連減運算。（4）其他功能。將編制的程序翻譯成二進制代碼程序，并將二進制代碼程序替換實驗程序，作為一個新文件保存（擴展名用abs），進一步運行程序，參照機器指令及微程序流程圖，觀察運行過程及結果，將實驗現(xiàn)象與理論分析比較。四. 設計總結對設計進行分析和總結，如何解決設計過程中出現(xiàn)的問題，寫出本次設計的收獲及感想。第二部分 計算機

15、接口部分【目的與要求】綜合應用所學計算機接口和匯編語言原理和知識，設計并實現(xiàn)較為完整的計算機控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學生獨立分析和設計計算機硬件系統(tǒng)的能力【設計內(nèi)容】一設計所用實驗設備硬件環(huán)境：設計采用北京精儀達盛科技有限公司的CPU掛箱，8086CPU模塊（或8051CPU模塊），接口掛箱及相應的擴展模塊，PC機一臺。軟件環(huán)境：8086集成開發(fā)環(huán)境或8051集成開發(fā)環(huán)境。二設計原理利用實驗系統(tǒng)提供的硬件環(huán)境設計一個模擬的計算機控制系統(tǒng)，用開關和顯示燈作為模擬對象。下面的示例給出一個通過開關控制LED燈按一定規(guī)律亮或滅的設計原理。1. 設計示例接線設計示例接線如圖1所示。圖1 系統(tǒng)接線圖系統(tǒng)接線：825

16、5接CS0；8253接CS1；A口接輸入，B口接輸出，C口接clk的輸出；CLK3CLK0；OUT0CLK1；OUT0CLK2；OUT1PC0；OUT2PC1。在此硬件連接基礎上實現(xiàn)如下功能：通過拔鍵開關輸入1、2或其它，實現(xiàn)輸出的慢閃、快閃和常亮三種方式工作。2. 示例程序流程圖相應的示例程序流程圖如圖2所示：圖2 示例程序流程圖3.示例程序示例程序如下：;硬件課程設計示例程序;文件名稱：example01.ASM;功能說明：通過拔鍵開關輸入1，2或其它，實現(xiàn)輸出的慢閃、快閃和常亮三種方式工作;目標器件：微機接口實驗平臺;當前版本：1.0;接線方式：; 8255接CS0;8253接CS1;

17、A口接輸入，B口接輸出，C口接clk的輸出; CLK3->CLK0;OUT0->CLK1;OUT0->CLK2;OUT1->PC0;OUT2->PC1;常量定義pa8255 equ 04a0hpb8255 equ pa8255+2pc8255 equ pa8255+4con8255 equ pa8255+6clk0 equ 04b0hclk1 equ clk0+2clk2 equ clk0+4conclk equ clk0+6;偽指令assume cs:code code segment public org 100hstart: ;時鐘初始化;mov dx,co

18、nclk;控制寄存器mov ax,36h;計數(shù)器0，方式3out dx,axmov dx,clk0mov ax,7Chout dx,axmov ax,92hout dx,ax;計數(shù)值927Chmov dx,conclkmov ax,76h;計數(shù)器1，方式3out dx,axmov dx,clk1mov ax,04hout dx,axmov ax,0;計數(shù)值32hout dx,axmov dx,conclkmov ax,0b6h;計數(shù)器2，方式3out dx,axmov dx,clk2mov ax,0chout dx,axmov ax,0;計數(shù)值04hout dx,ax;8255初始化;mov

19、dx,con8255;控制寄存器地址mov ax,99h;設置為A口輸入，B口輸出，C口輸入out dx,axstart1: mov dx,pa8255;A口地址in ax,dx;輸入cmp al,01hjz L1cmp al,02hjz L3;燈常亮mov ax,0aahmov dx,pb8255;B口地址out dx,axcall delayjmp start1L1:jmp near ptr LOne ;相對尋址近轉移示例L3:jmp near ptr LThree;燈閃亮1LOne: mov dx,pc8255in ax,dxand al,01hcmp al,01hjz LTwomov

20、ax,0ffh mov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;輸出jmp start1LTwo:;變量的使用mov al,cs:var1mov cs:var1+1,almov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;輸出jmp start1;燈閃亮2LThree: mov dx,pc8255LFour:mov ax,050h mov dx,pb8255;B口地址out dx,ax;輸出jmp start1 ;子程序delay: mov cx, 2710h;time delaydelay1: nop noploop delay1ret ;下面放著變量定義var1 db 55h,

21、?code endsend start三設計任務在上述示例程序的基礎上，按照示例程序的方法，討論課程設計的實現(xiàn)方案，構建相應的硬件系統(tǒng)，并在硬件系統(tǒng)上設計實現(xiàn)相應的程序，完成如下題目之一。1汽車信號燈控制系統(tǒng)設計并制作出汽車信號燈微機控制系統(tǒng)；所需執(zhí)行的操作由相應的開關狀態(tài)反映，所需控制的信號燈有儀表板左/右轉彎燈、左右頭燈和左右尾燈共六類燈，其駕駛操作與燈光信號對應關系如下：（1）左/右轉彎(合上左/右開關)：儀表板左/右轉彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈閃爍。（2）緊急開關合上：所有燈閃爍。（3）剎車(合上剎車開關)：左右尾燈亮。（4）左/右轉彎剎車：儀表板左/右轉彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈

22、閃爍，右/左尾燈亮。（5）剎車、合上緊急開關：尾燈亮、儀表板燈、頭燈閃爍。（6） 左/右轉彎剎車，并合上緊急開關：右/左尾燈亮，其余燈閃爍。（7） ?？?合上?？块_關)：頭燈、尾燈以30Hz的頻率閃爍。（8）有10種輸入選擇，影響6個燈輸出，對應關系如表1所示：表1 操作和燈的對應關系駕駛操作頭燈儀表燈尾燈左右左右左右左轉彎閃滅閃滅閃滅右轉彎滅閃滅閃滅閃緊急開關合上閃閃閃閃閃閃剎車滅滅滅滅亮亮左轉彎剎車閃滅閃滅閃亮右轉彎剎車滅閃滅閃亮閃緊急剎車閃閃閃閃亮亮緊急左轉剎車閃閃閃閃閃亮緊急右轉剎車閃閃閃閃亮閃?？块W閃滅滅閃閃2. 家用電風扇控制系統(tǒng)（1）設計并制作一個家用風扇控制器?？刂破髅姘鍨椋喊粹o三個，分別為風速、類型和停止，LED指示燈六個，指示風速強、中、弱，類型為睡眠、自然和正常。（2）電扇處于停轉狀態(tài)