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1、计算机硬件系统设计课程设计指导书计算机科学与技术学院计算机科学与技术系二OO六年目录1前言 12复杂模型机设计 23计算机控制系统设计 9前言本指导书用于全日制大学本科计算机专业学生学习完计算机组 成原理、汇编语言、计算机接口技术等课程后进行全面综合训 练的计算机硬件系统课程设计，目的在于加深对基本知识的理解，巩 固所学理论知识，拓宽知识面，进一步掌握计算机及计算机控制系统 的设计与实现过程，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能 力。第一部分 复杂模型机的设计与实现【目的与要求】综合应用所学计算机组成原理和汇编语言知识，设计并实现较为完整的模型计算机，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的
2、能力。【设计内容】一设计所用实验设备本设计使用Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，PC机一台和一组连接线。 二设计原理在完成基本实验线路连接的基础上增加条件测试信号CZ标志的连接，连接方法是：用 二芯排线把位于实验装置左上方运算器（左边181）的左下侧CYCZ接口与位于实验装置红色 拨码开关右下方的FCFZ接口相连接。若在联机状态下，启动模拟软件后，首先应打开文件mxj3.abs，装入模型机3的实验 程序及机器指令对应的微程序，然后点击“!”图标进入链接装载，一旦屏幕自动弹出动态 调试窗口，表示机器代码及微代码下载已成功，进入windows在线集成调试环境，可编辑机 器语言程序和
3、微程序，并进行调试和运行。如在脱机装态时，在闪动的“P. ”状态下，键入数字键“3”（复杂模型机代号），然后 再键入“装载”命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器实验程序及与其对应 的微程序，装载完毕自动返回“P. ”等待命令。1. 数据格式 模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：765 4 3 210符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-128WXW127 （定点整数），-1WX1 （定点小数）。2. 指令格式模型机设计五大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、转移 指令和停机指令。 算术逻辑指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示
4、，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：7 65 43 21 0OP-CODERSRD9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。 访存指令和转移指令模型机设计2条访存指令、即存数指令（STA）、取数指令（LDA）； 2条转移指令，即无 条件转移指令JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC）,指令格式为：76 543 21 00M0OP-CODERDD其中，OP-CODE为操作码，RD为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为形式地址, 如为位移量，正负均可，M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00E=D直接寻址或立即寻址01E= (D)间接寻址10E= (RI) +
5、DRI变址寻址11E= (PC) +D相对寻址模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下:7 65 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，addr=01时，选中INPUT DEVICE”中的开关作为输入设备,addr=10时，选中OUTPUT DEVICE”中的LED作为输出设备。 停机指令HALT指令，用于实现停机操作，指令格式如下：7 65 43210OP-CODE00003. 指令系统 模型机有16条基本指令，其中算术逻辑运算指令9条，访问内存指令2条，程序控制 指令2条，输入输出指令2条，其它指令2条。表1列出
6、了各条指令的格式、汇编符号、指 令功能。表1指令格式及功能汇编符号指令格式功能CLR rd111000RD0RDMOV rs, rd0001RSRDRSRDADC rs, rd0011RSRDRS+RD+cyfRDSBC rs, rd0101RSRDRS- RD-cyRDINC rd0111RSRDRD+1RDAND rs, rd1001RSRDRSARDRDCOM rs, rd1011RSRDRD变反RDRRC rs, rd1101RSRDRS带进位右移后送RDRLC rs, rd1111RSRDRS带进位左移后送RDLDA M, D, Rd0M000RDERDSTA M, D, Rd0M0
7、01RDRDEJMP M,D0M01000EPCBZC M,D0M01100CY=1 或 Z=1 时，EPCIN addr, rd100001RDaddrRDOUT addr, rd101010RDRDaddrHALT11000000停机4微指令格式微指令字长32位，格式如下所示32 31 30292827262524232221201918171615AARLDR2LDR1A9A8CLOADCNMS0S1S2S3BLDAR1413121110987654321LDPCLDIRDDR2DDR1LDRDWEUA0UA1UA2UA3UA4UA5BSWA字段译码后产生总线接收控制信号，如表2所示。表
8、2 A字段译码后的控制信号323130选择000001PC-BUS010ALU-BUS011299-BUS100RS-BUS101RD-BUS110RI-BUSB字段译码后产生的操作选择控制信号如表3所示。表3 B字段译码后产生的控制信号162选择测试字0001P（1）识别操作码10P（2）判寻址方式11P（3）条件测试微指令中的控制信号说明：第29位AR控制进位，第25、26位控制输入和输出。第17 位到第22位控制运算器，第9位和第24位控制存储器，第11、12位控制暂存器，第3位 到第8位是下条微指令地址。5 模型计算机实验程序模型计算机的实验程序（mxj3.abs）如下，可供分析参考：
9、地址 代码助记符$P0084IN01，R0$P0186IN01，R2$P0238ADCR2，R0$P0311MOVR0，R1$P04F0RLCR0，R0$P050CBZC$P0600$P07C0HALT在联机状态，可通过模拟软件在菜单上选择相关命令，单步运行微程序，单步运行机器程序，连续运行程序。如在脱机状态，可按复位键后，按以下方式运行。（1）单步运行微程序键入数字键00 （PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”命令键，运行一条微指 令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。（2）单步运行机器程序键入数字键00H（PC地址），然后每按动一次“宏单步”命令键，运行一条机器指
10、令。对照机器指令程序，观察微地址显示灯是否和流程一致。(3) 程序连续运行与暂停程序键入数字键OOH (PC地址)按动“运行”命令键使模型机进入实时运行状态。在实时运 行状态按“宏单”键执行的暂停命令，使模型机进入停机状态。6.模型计算机数据通路框图模型计算机数据通路结构如图1所示，运行程序时可在图中看到指令流、数据流及各寄 存器内容的变化。打开调试窗口，可观察到所执行指令及地址，所执行微指令及微地址。ALl-E dMsL1怡E殛E詁ALl(即itlmm)LLR?卩:1LLRl-E匹扳h |-祁旧3)HP心页:LDMR图1模型机数据通路框图nD-7系统控存内容系统控存内容如表4所示，可供分析指
11、令流程时参考。表4系统控存内容地址代码功能0000000080空操作0120006040PCAR, PC+10200801006RAMIR按0P和寻址方式 转0300800420RAMDR1040080C038RAMAR 按 0P 转05008040C0RAMAR06008004E0RAMDR107C0000810RIDR20840294090DR1+DR2AR0940298438DR1+DR2DR1 按 OP 转0A008004D0RAMDR10B20000810PCDR20CA00008B0RDDR20D40290280DR1+DR2RD0E00000080空操作0FA0000408RDD
12、R11050200488/400F0488DR1DR11150300448/40100548DR1 变反DR112500004C8/DR1+1DR113502004B0/400F04B0DR1DR11400000000空操作1540000280/50000280DR1+1RD16A00008E8RDDR217403D0280/50DRDR2RD1840300280DR1变反RD19601400D8299带进位右移1A601800D8299带进位左移1B60000280299RD1C40200280/00800280DR1RD/RAMRD1DA0800180RDRAM1E40602080/405F2080DR1PC1F00008072BZC20200060C0按OP转和按寻址转，PCAR, PC+12180000280RSRD22200060A0PCAR, PC+12380000430RSDR12420006060PAAR, PC+125800008F0RSDR22620006050PCAR, PC+127A00004A8RD+1RD2801000281SWRD2980000468RSDR12AA2000080RDLED2BA0000418RDDR12C00000034HALT微地址不变2D
