畢業(yè)設(shè)計-基于模型機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)

基于模型機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)論文院系：戚墅堰計算機(jī)08本專業(yè)班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：仲倩囡指導(dǎo)教師：王俊2010年9月24日摘要隨著科技的開展，計算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，人們步入自動化、智能化的生活階段。本次論文設(shè)計課題是基于模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)，它正表達(dá)了這一點。利用CPU與簡單模型機(jī)來實現(xiàn)計算機(jī)組成原理課程及實驗中所學(xué)到的實驗原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實現(xiàn)一系列的指令功能，最終到達(dá)將理論與實踐相聯(lián)系。該設(shè)計完成了各指令的格式及編碼的設(shè)計，實現(xiàn)了各機(jī)器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應(yīng)用程序。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，能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元的控制信號，通過設(shè)計流程圖，編寫機(jī)器指令，微指令和控制信號程序，實現(xiàn)特定指令的功能。首先向存儲器〔RAM〕中裝入數(shù)據(jù)和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動程序執(zhí)行。另外，還需設(shè)計三個控制臺操作微程序：存儲器讀操作〔READ〕，存儲器寫操作〔WRITE〕，運行程序(RUN)。以上各微指令設(shè)計完畢后，連接線路在ZY15CompSys12BB計算機(jī)組成原理教學(xué)實驗箱運行程序，并將實驗結(jié)果顯示輸出。這一設(shè)計的實現(xiàn)不僅使我對各種微指令有了熟練的掌握，更對以后的學(xué)習(xí)、工作帶來深遠(yuǎn)的影響。關(guān)鍵詞：微指令，機(jī)器指令，READ，WRITE,RUN，ZY15CompSys12BB目錄TOC\o"2-3"\h\z\t"標(biāo)題1,1"摘要I1設(shè)計背景12設(shè)計目標(biāo)23概要設(shè)計23．1設(shè)計目的23．2設(shè)計儀器23．3設(shè)計內(nèi)容24詳細(xì)設(shè)計94．1系統(tǒng)需求分析94．2系統(tǒng)目標(biāo)94．3功能分析94．4詳細(xì)步驟9總結(jié)13參考文獻(xiàn)〔資料〕14設(shè)計背景通過計算機(jī)組成原理理論課和幾次實驗的學(xué)習(xí)，嘗試設(shè)計六條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，完成由根本單元電路構(gòu)成一臺根本模型機(jī)，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機(jī)使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號。在設(shè)計根本模型機(jī)的實驗過程中，個別部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本畢業(yè)設(shè)計將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一條微程序。本畢業(yè)設(shè)計要求實現(xiàn)六條機(jī)器指令：IN〔輸入)，與AND〔邏輯乘〕，STA〔存數(shù)〕，OUT〔輸出〕，或OR〔邏輯加〕，異或XOR〔邏輯異〕的輸入，輸出。重點主要在邏輯運算的設(shè)計中。設(shè)計目標(biāo)在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗”的根底上，將第一局部中的各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺根本模型計算機(jī)。本次畢業(yè)設(shè)計主要是為其定義六條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試運行，形成整機(jī)概念。用微程序控制器實現(xiàn)以下指令功能，設(shè)計各指令格式以及編碼，并實現(xiàn)各機(jī)器指令微代碼，根據(jù)定義的機(jī)器指令，自擬編寫加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC的應(yīng)用程序。全部微指令設(shè)計完畢后，編寫二進(jìn)制代碼，即使每條指令代碼化。連接線路在ZY15CompSys12BB計算機(jī)組成原理教學(xué)實驗箱上運行，并顯示輸出實驗結(jié)果。概要設(shè)計3．1設(shè)計目的1.在掌握部件單元電路實驗的根底上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺稍微復(fù)雜的模型計算機(jī)；2.為其定義六條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念3．2設(shè)計儀器TDX—CM+計算機(jī)組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線假設(shè)干；PC機(jī)一臺。3．3設(shè)計內(nèi)容部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實驗將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能，這里，計算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序。本實驗采用六條機(jī)器指令：IN，OUT，STA，加ADD，減SUB，循環(huán)左移RLC其指格式如下：為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序。存儲器讀操作：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB，SWA為“00”時，按START微動開關(guān),可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作:撥動總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWBSWA置為”01”時,按START微動開關(guān)可對RAM進(jìn)行連續(xù)手動寫入.啟動程序:撥動總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWBSWA置為“11”時,按START微動開關(guān),既可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令,啟動程序運行.上述三條控制臺指令用兩個開關(guān)SWBSWA的狀態(tài)來設(shè)置,其定義如下：SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存〔KRD〕寫內(nèi)存〔KWE〕啟動程序〔RP〕表3-1讀寫變化根據(jù)以上要素設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖,如圖3-1：圖3-1數(shù)據(jù)通路框圖微代碼定義如表3-2所示：微程序2423222120-19181716151413控制信號S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0表3-2微代碼的定義A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000.000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC表3-3A，B，當(dāng)擬定“取指令”微指令時，該微指令的判別測試字段為P1測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次畢業(yè)設(shè)計用指令存放器的前4位〔I7-I4〕作為測試條件，出現(xiàn)6路分支，占用6個固定微地址單元?？刂婆_操作為P4測試，它以控制臺開關(guān)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(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化：PC->ARPC->ARPC+1RAM->BUSBUS->IRP1SW->R0R0->299PC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1RAM->BUSBUS->DR2R0->DR1DR1+DR2->R0DR1->LEDRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARR0->BUSBUS->RAMRAM->BUSBUS->DR1RAM->BUSBUS->DR2DR1->LEDDR1->LEDDR1->LEDR0->DR1DR1-DR2->R0R0->DR1帶進(jìn)位循環(huán)右移299-G->R0R0->DR1010210INADDSTAOUTSUBRLC10111213141501030716313504261732360501253337063425013701012501控制臺0020P4P4WRITE〔01〕READ(00)RUN(11)212023PC—>ARPC—>ARPC+1PC—>ARPC+1RAM—>BUSBUS—>DR1RAMRAM—>BUSBUS—>DR1RAM—>BUSBUS—>DR12422013027DR1—DR1—>RAMDR1—>RAM圖3-1微程序流程圖微地址S3~CNRDM17MABPuA5~uA00000000001100000010001000001000000011110110110000010020000000011000000010010000300000000111000000000010004000000001011000000000101050000000110100010000001100610010101100110100000000107000000001110000000010110100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001100115001100011000001000011101160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000101000001000000001270000011100001010000100003000000110100010100001000131000000001110000000000100320000000010110000000001013300000001101000100000011034011000011001101000011111350001100110001000000111103600000001100110000001111137000000011010001000010101表3-4二進(jìn)制微代碼表下面介紹指令存放器〔IR〕：指令存放器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把他從內(nèi)存取到緩沖存放器中，然后再傳送至指令存放器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)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?！爸噶钭g碼器：”〔實驗板上標(biāo)有“INSDECODE”的芯片〕根據(jù)指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備〔INPUTDEVICE〕；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備〔OUTDEVICE〕。例如：輸入時，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號〔W/E〕有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。詳細(xì)設(shè)計4．1系統(tǒng)需求分析一臺計算機(jī)所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺特定的計算機(jī)只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計算機(jī)的機(jī)器語言。指令系統(tǒng)表征著計算機(jī)的根本功能和使用屬性，它是計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計主要括指令功能、操作類型的設(shè)計，尋址方式和指令格式的設(shè)計。計算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，指令系統(tǒng)反映了計算機(jī)的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令是計算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。通常性能較好的計算機(jī)都設(shè)置有功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。4．2系統(tǒng)目標(biāo)在根本模型機(jī)的根底上改良并實現(xiàn)IN,OUT,STA,加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC六條指令。4．3功能分析該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是對輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的加、減及循環(huán)左移運算，并對其結(jié)果進(jìn)行存儲，顯示等功能，從而得到一個簡易的復(fù)雜模型機(jī)所實現(xiàn)的功能。4．4詳細(xì)步驟(1)按圖4-1連接實驗線路。B7BUSUNIT|||B0W/RUNITT4T3T2T1WETS4TS3￠TS2TS1STATEUNITH24SIGNALUNITB7S3|||AUJ3|||B0CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITB7LDR0||RO-B|B0REGUNITB7LDAR|LOAD||PC-BB0LDPCADDRESSUNITM24|M18|SE6||M19||SE1LDDR1LDDR2P(1)P(4)ALU-BLDIPLDR1RS-BLDARLOADPC-BM16LDPCM17MICRO-CONTROLLERSWBSWASE6|||SE1I7|P(1)|P(4)|LOGUNITI2SWITCHUNITSWBSWAI7|||I2INTUNITLDIRINPUTDEVICED7|||D0SW-BA8A9Y0EXUNITY1D7||Y2|D0D7LED-B|||W/RD0OUTPUTDEVICEA7|||A0W/RD7|||D0MAINMEMCEAD7D7||||||AD0D0W/REXTBUSB7BUSUNIT|||B0W/RUNITT4T3T2T1WETS4TS3￠TS2TS1STATEUNITH24SIGNALUNITB7S3|||AUJ3|||B0CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITB7LDR0||RO-B|B0REGUNITB7LDAR|LOAD||PC-BB0LDPCADDRESSUNITM24|M18|SE6||M19||SE1LDDR1LDDR2P(1)P(4)ALU-BLDIPLDR1RS-BLDARLOADPC-BM16LDPCM17MICRO-CONTROLLERSWBSWASE6|||SE1I7|P(1)|P(4)|LOGUNITI2SWITCHUNITSWBSWAI7|||I2INTUNITLDIRINPUTDEVICED7|||D0SW-BA8A9Y0EXUNITY1D7||Y2|D0D7LED-B|||W/RD0OUTPUTDEVICEA7|||A0W/RD7|||D0MAINMEMCEAD7D7||||||AD0D0W/REXTBUS4-1實驗線路圖(2)寫程序聯(lián)機(jī)讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及表5－2微指令二進(jìn)制表成十六進(jìn)制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼微將表5－2中的24位微代碼按從左到右分成3個8位，將此三個8位二進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。程序$P0000

$P0110

$P020A

$P0320

$P040B

$P0530

$P060B

$P0740

$P080A

$P0950

$P0A01微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E016$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED99$M0D31821D$M0E00E00F$M0F00A$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M16028201$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A$M1C$M1D19881E$M1E01981F$M1F01A(3)運行程序①.單步運行程序A使編程開關(guān)處于”RUN’的狀態(tài),STEP為”STE