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1、课程设计任务书学院信息科学与工程学院专业计算机科学与技术学生姓名王开祥学号0903050415题目研制一台多累加器结构的实验计算机内容及要求：利用FD-CES实验仪提供的硬件资源，通过设计（包括整机结构设计、指令设计、微指令设 计、微程序设计、调试程序设计等）、组装、调试三个步骤研制一台微程序控制的实验计算机。 设计总要求：1. 实验计算机整机应由如下几个模块组成：运算器、指令部件、内存、微程序控制器、总线 缓冲电路、启停和时序控制电路。2. 运算器采用单累加器多寄存器结构。3. 操作数寻址方式采用以下几种：直接地址寻址（addr）-A，或（A） - addr寄存器直接寻址（Ri）-A，或（A
2、） -Ri 寄存器间接寻址（Ri）-A，或（A） - （Ri） 立即数寻址data- A,或data- Ri4. 指令系统按16条指令规模设计，主要设计如下几条指令：MOV A， #dataLDA addrSTA addrJC addrRLC AHALT5. 用所设计的指令编写调试程序：将内存某个单元（addrl）中内容乘以2,若出现进位，则 将进位和结果分别存放到单元（addr3、addr2）中；否则将结果存放到单元（addr2）中，然 后用停机指令停机，从控制台检查addr2存放的结果。任务交付：1.程序源代码；2课程设计论文及电子文档。进度安排：第17周：布置课程设计任务，查阅资料，分组
3、设计。第18周：实验室组装和调试。第19周：验收、答辩，编写课程设计报告。指导教师（签字）：学院院长（签字）:年 月 日年 月 日目录一实验计算机设计 31. 整机逻辑框图设计，并画出整机的逻辑框图。 32. 指令系统的设计。 43微操作控制部件的设计。 64设计组装实验计算机接线表 145编写调试程序： 16二实验计算机的组装 16三实验计算机的调试 161.调试前准备 162.程序调试过程 18四心得体会 18五参考文献 18题目 研制一台多累加器的计算机实验计算机设计1.整机逻辑框图设计，及整机的逻辑框图此模型机是由运算器，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2
4、99, 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R0，R1，R2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输入设备是由置数开关SW控制完成的。图1-1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。微控器部分控存由U13U15三片2816构成。除此之外，CPU的其 他部分都由 EP1K10 集成。存储器部分由两片611
5、6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OOHFFH。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动构成，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。本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据总线上的数据打入指令寄 存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低8位有效。2.指令系统的设计2.1 数
6、据格式数据格式：采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，格式如下76 5 4 3 2 1符号尾数表 1 数据格式其中第7位符号位，数值表示范围是：-1WXW12.2 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-CODErsrd表2寻址方式其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定:Rs 或 rd选定寄存器00Rn01R110R2表 3 寄存器表9 条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表3。2）存储器访问及转移指令设计的2条访问指令，即存数（STA），取数（LDA），2条转移指令，即无
7、条件转移（JMP）,结果为零或有进位转移指令（BZC）,指令格式如下:7 65 43 21 000MOP-CODErdD表 4 存储器的访问表其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D为位移量，D随M的不同其定义也不相同,寻址定义如下:寻址模式M有效地址E说明00E=D直接寻址01E= (D)间接寻址10E=(R1)+DR1变址寻址11E= (PC) +D相对寻址表 5 寻址模式表注：本机规定变址寄存器R1指定为寄存器R2。（ 3） I/O 指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，格式如下7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd表 6 I/O 操作码表其
8、中，当OP-CODE=O1OO且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=O1OO 且 addr=01 时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。2.3 指令系统本实验共有7条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令2条。输入输 出指令2条。下面列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。汇编符号指令的格式MOV rd, rsADD rd, rsSUB rd, rsINCrdANDrd, rsNOTrdRORrdROLrd1000 rs rd1001 rs rd1010 rs rd1011 rd rd1100 rs rd1101 rd rd1
9、110 rd rd1111 rd rdrs rdrs+rd rdrd-rs rdrd+1rs ArdrdrdrdrdrdrdMOV D, rdMOV rd, DMOV rd, DJMP DIN rd, KINOUT DISP, rd0q i 00 rdD0o j 01 rdD00 00 i 01 rdD00 001Oo010010 rd010001 rdrd h DDk rdD rdDhPCKINrdrd DISP表 7 指令格式3微操作控制部件的设计o3.1 微指令编码的格式设计设计三个控制操作微程序：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CAI、C
10、A2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CAI、CA2为 “10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。启动程序（RUN）：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“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24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0表8 本系统的微程序字长共24 位，其控制顺序其中uA5-
11、uA0为6位的后续的微地址，Fl、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多 位。F3字段包含P1-P4四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序 转入相应的位地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。3.2 微操作控制信号设计微指令中个控制位的含义如下：S3、S2、S1、S0、M、CN是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令。WE是写内存的微命令，状态“1” 有效。1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、 “01”。 状态“00”为无效。 F1、 F2、 F3 为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译
12、码电路 74138 译码输出 8 种状态，前7 种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。 F3 字段包 含 P1- P4 四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入 相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。F1字段F2字段F3字段15 14 13选择12 11 10选择9 8 7选择0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定义0 1 1自定义0 1 1自定义1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0
13、P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P 41 1 1无操作1 1 1无操作1 1 1无操作表9 F1、F2、F3三个字段的编码方案控制操作为P4测试，它以CA1、CA2作为测试条件，出现了写机器指令、读机器指令和运行机器 指令3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指 令占用控存一个微地址单元随意填写。机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址上的指令 传送至指令寄存器，这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行P1测试，根据指令的译码将后续微 地址中的某几位强制置位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址，这就是“译码”过程。然后才顺 序执行该段微程序，这是真正的指令执行过程。在所有机器指令的执行过程中，“取指”和“译码”是必不可少的，而且微指令执行的操作也是相 同的，这些微指令称为公用微指令。3.3 微程序顺序控制方式设计3.3.1 微程序控制部件组成原理1 运算器单元（ALU UINT）运算器单元由以下部分构成：两片74LS181构成了并一串型8位ALU；两个8位寄存器DR1和 DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。ALU的SOS3为运算控制端，Cn为最低进位 输入，M为状态控制端。ALU
