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1、计算机组成原理课 程 设 计 任 务 书 班级： 学号： 姓名： 成绩： 电子与信息工程学院计算机科学系目录一、设计题目1二、模型机功能概述1三、总体设计23.1 模型机结构：23.2 微程序控制电路33.3 指令译码器电路5四、详细设计64.1 数据格式：64.2指令格式：64.3指令系统74.4设计微代码8五、实验代码：10六、实验步骤：126.1实验连线：126.2写微代码：126.3读微代码及校验微代码：146.4写机器指令146.5读机器指令及校验机器指令：156.6运行程序15七、测试源程序及结果分析16八、认识体会16九、参考文献16计算机组成原理课程设计报告书一、设计题目复杂模
2、型机设计二、模型机功能概述以EL-JY-II计算机组成原理教学实验系统为平台，根据模型机的结构，及内部的指令译码电路、微指令译码电路及微指令格式等设计一套指令系统，指令系统中包括传送类指令、算术运算指令、逻辑运算指令、输入/输出及转移指令；寻址方式包括寄存器寻址、直接寻址及立即寻址等。设计机器指令格式以及微程序，按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序，装载代码到EL-JY-II实验系统中并运行。系统采用“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。此模型机是
3、由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。1.运算器又是有299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，及三个通用寄存器Ax，Bx，Cx等组成。2.控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。3.存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。4.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的。三、总体设计3.1 模型机结构： 图1中运算器ALU由U7U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。微控器部分控存
4、由U13U15三片2816构成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00HFFH。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。图1 模型机结构框图3.2 微程序控制电
5、路微程序控制电路电路中，由三片2816作为24位微程序存储器，EP1K10产生控制逻辑。开关K1、K2、K3的不同组合控制微程序的读、写和运行，六个黄色LED为微地址指示灯。微控器原理如下图（除2816、74LS245和74LS374外，其余芯片功能均由EP1K10实现。不详之处请查阅EP1K10的源程序）。以微程序的运行为例：在T2时刻，将MS24MS1的24位微程序打入微指令寄存器，然后由译码电路对MS24MS7进行译码，产生地址寄存器、指令寄存器等等电路的控制信号。MS6MS1指示下一个微地址，在T3时刻，由机器指令译码器产生的强制微地址信号对MS6MS1微地址的某几位强行置位，形成下一
6、个微地址输出。微控器的外部接口有：uAJ1、LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS 、AO1、BO1、WEO、WEI、LARI。在读、写微程序时，uAJ1用于从外部输入微地址；LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS为运算器电路的控制信号，只要将它们接至运算器电路相应的接口上（STATUS接S3S1MCN）就能实现微程序对运算器的控制。AO1、BO1通常接至底板I/O控制电路的1A1B上，用于外部I/O设备的选通控制。WEO为微控器的读写输出，WEI为外部读写控制电路的输入，控制总线上的WR为外部读写控制
7、电路的输出，其控制电路为：图2 控制电路通常将WEO与WEI相连，实现微程序对外部读写的控制。LARI为地址控制器的输入，以下另作介绍。除此以外其他控制信号都已接至相应的控制电路。3.3 指令译码器电路指令译码器电路由EP1K10实现，其原理如下图所示。其中P1、P2、P3、P4、LRi、RAG、RBG、RCG为微程序译码产生的控制信号，T3为时钟，I7I0为指令寄存器的输出IR，CA1、CA2为机器指令的读、写、运行的控制端，已分别接至控制总线的E4和E5。SA4SA0为强制微地址信号，输出至微控制器电路；LDR2LDR0输出至寄存器堆电路的LR，R0B、R1B、R2B输出至寄存器堆电路的R
8、G。图3-2 微控制器电路四、详细设计4.1 数据格式：本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，其格式如下：1514 13. 0符号尾 数其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768X32767。4.2指令格式：1）算术逻辑指令 设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODErdrs其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：OP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROL Rs或rd选定寄存
9、器00Ax01Bx10Cx 9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表8-2。 2）存储器访问及转移指令 存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符MOV，但其操作码不同。转移指令只有一种，即无条件转移（JMP）。指令格式如下： 7 65 43 21 000MOP-CODErdD其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不相同，如下表所示：OP-CODE000110指令说明写存储器读存储器转移指令寻址模式M有效地址ED定义说 明00E=（PC）+1立即数立即寻址10E=D直接地址直接寻址3）I/O指令 输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其
10、格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。 4.3指令系统本实验共有14条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条。输入输出指令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。表1 指令格式 汇编符号指令的格式功 能MOV rd，rs ADD rd，rs SUB rd，rs 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd rs rd rs+rd rdrd-
11、rs rdINC rdAND rd，rsNOT rdROR rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd rd+1 rdrsrd rdrd rd rd ROL rd 1111 rd rd rd MOV D，rs 00 10 00 rs D rs D MOV rd, D 00 10 01 rd D D rd MOV rd, D 00 00 01 rd D D rd JMP D 00 00 10 00 DIN rd, KINOUT DISP，rd 0111 10 rd 0101 01 rd KIN rd rd DISP4.4设计微代码设计三个控制操作
12、微程序：存储器读操作（MRD）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。 存储器写操作（MWE）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。启动程序（RUN）：拨动开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。注：CA1、CA2由控制总线的E4、E5给出。键盘操作方式时由监控程序直接对E4、E5赋值，无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2，由开关来控制。本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0、三个字段的编码方案如表2： 表2 编码方案F1字段F2字段F3字段15 14 13选择12 11 10选择9 8 7选
