计算机组成原理专业课程设计方案报告时序发生器.doc

计算机组成原理
课程设计汇报

学院： 计算机学院
专业：计算机科学和技术

目 录

1．试验目标 ……………………………………… 3

2．试验原理电路图 ……………………………… 3

3．机器指令和微程序 …………………………… 5

4．试验设备 ……………………………………… 8

5．试验任务 ……………………………………… 8

6．试验结果 …………………………………… 10

7．试验总结 ……………………………………… 11

一、试验目标
1．掌握时序产生器组成原理
2．掌握微程序控制器组成原理
3．掌握微指令格式化简和归并
4．将微程序控制器同实施部件（整个数据通路）联机，组成一台计算机
5．用微程序控制器控制模型机数据通路
6．经过CPU运行九条机器指令（排除相关中止指令）组成简单程序，掌握机器指令和微指令关系，牢靠建立计算机整机概念
二、试验原理电路图
1．时序发生器
TEC-4计算机组成原理试验时序电路图所表示，电路采取2片GAL22V10（U6,U7）,可产生两级等间隔时序新号T1-T4和W1-W4。其中一个W由一轮T1-T4循环组成，相当于一个微指令周期；而一轮W1-W4循环可供硬联线控制器实施一条机器指令。

-= 时序信号发生器 =-
此次试验不包含硬联线控制器，所以时许产生器中相关内容也能够依据需要放到硬联线控制器试验中进行。
CLR#为复位新号，低电位有效。试验仪处于任何状态下令CLR#=0，全部会使时序发生器和微程序控制器复位；CLR#=0时，则能够正常运行。
TJ是停机新号，是控制器输出新号之一。连续运行时，假如控制信号停机=1，会使机器停机，停止发送时序脉冲,从而暂停程序。QD是开启脉冲信号。
DP，DZ，DB是来自控制台开关信号。DP表示单拍，当DP=1时，每次只实施一条微指令；DZ表示单指，当DZ=1时，每次只实施一条机器指令；当DP，DB，DZ全部为0时，机器连续运行。
2．数据通路
微程序控制器是依据数据通路和指令系统来设计。这里采取数据通路是在综合前面各试验模块基础上，又增加程序计数器PC（U18）、地址加法器ALU2（U17）、地址缓冲寄存器R4（U25/U26）和中止地址寄存器IAR（U19），PC和ALU2各采取一片GAL22V10，二者配合使用，可完成程序地址储存、增1和加偏移量功效。R4由两片74HC298组成，带二选一输入端。IAR是一片74HC734，用于中止时保留断点地址。
3．微指令格式和微程序控制器电路
依据给定12条机器指令功效和数据通路总体图控制信号，采取微指令格式见下图。微指令字长共35位。其中次序控制部分10位（后继微地址6位，判别字段4位），操作控制字段25位，各位进行直接控制。微指令格式中，信号名带有后缀“#”信号为低有效信号，不带有后缀“#”信号为高有效信号。
-= 微指令格式 =-
对应微指令格式，微程序控制器组成以下图所是示，控制存放器采取5片EEPROM 28C64(U8，U9，U10，U11，U12)。28C64输出是D0－D7，分别和引脚11、12、13、15、16、17、18、19相对应，CM0是最低字节，CM4是最高字节。微地址寄存器6位，用一片6D触发器74HC174(U1)组成，带有清零端。两级和门、或门组成微地址转移逻辑，用于产生下一微指令地址。在每个T1上升沿时刻，新微指令地址会打入微地址寄存器中，控制存放器随即输出对应微命令代码。微地址转移逻辑生成下一地址，等下一个T1上升沿时打入微地址寄存器。跳转开关JUMP(J1)是一组6个跳线开关。当用短路子将它们连通时，微地址寄存器μAR从本试验系统提供微程序地址译码电路得到新微程序地址μD0－μD5。当她们被断开时，用户提供自已新微程序地址μD0－μD5。这么用户能够使用自己设计微程序地址译码电路。5片EEPROM地址A6(引脚4)直接和控制台开关SWC连接，当SWC = 1时，微地址大于或等于40H，当SWC = 0时，微地址范围00H－3FH。SWC关键用于实现读寄存器堆功效。

-= 微程序控制器组成 =-
微地址转移逻辑多个输入信号中，INTQ是中止请求，本试验中能够不理会它。SWA、SWB是控制台两个二进制开关信号，试验台上线已接好。C是进位信号，IR7－IR4是机器指令代码，因为此次试验不连接数据通路，这些信号全部接到二进制开关K0—Kl5上。
三、机器指令和微程序
为了简单明了，本试验仪使用12条机器指令，均为单字长(8位)指令。指令格式以下表所表示：指令高4位提供给微程序控制器，低4位提供给数据通路。
指令功效和格式
名  称
助记符
功   能
指  令  格  式
IR7 IR6 IR5 IR4
IR3    IR2
  IR1    IR0
加法
ADD Rd, Rs
Rd+Rs->Rd
  0    0    0   0
  RS1   RS0
  RD1   RD0
减法
SUB Rd, Rs
Rd-Rs->Rd
   0    0    0   1 
  RS1   RS0
  RD1   RD0
乘法
MUL Rd, Rs
Rd*Rs->Rd
  0    0    1   0
  RS1   RS0
  RD1   RD0
逻辑和
AND Rd, Rs
Rd&Rs->Rd
  0    0    1   1
  RS1   RS0
  RD1   RD0
存数
STA Rd, [Rs]
Rd->[Rs]
  0    1    0   0
  RS1   RS0
  RD1   RD0
取数
LDA Rd, [Rs]
[Rs]->Rd
  0    1    0   1
  RS1   RS0
  RD1   RD0
无条件转移
JMP [Rs]
[Rs]->PC
  1    0    0   0
  RS1   RS0
  X X
条件
转移
JC D
若 C = 1 则
PC+D->PC
  1    0    0   1
  D3    D2   
  D1    D0
停机
STP
暂停运行
  0    1    1   0
   X     X
   X     X
中止
返回
IRET
返回中止
  1    0    1   0
   X     X
   X     X
开中止
INTS
许可中止
  1    0    1   1
   X     X
   X     X
关中止
INTC
严禁中止
  1    1    0   0
   X     X
   X     X

应该指出，用以上12条指令来编写实际程序是不够。经过CPU实施部分最简单程序来掌握微程序控制器工作原理。
上述12条指令微程序步骤设计以下图所表示。每条微指令可按前述微指令格式转换成二进制代码，然后写入5个28C64中。
为了向RAM中装入程序和数据，检验写入是否正确，并能开启程序实施，还设计了以下五个控制台操作微程序:
存放器写操作(KWE)：按下复位按钮CLR#后，微地址寄存器状态为全零。此时置SWC = 0、SWB =1、SWA = 0，按开启按钮后微指令地址转入27H，从而可对RAM连续进行手动写入。
存放器读操作(KRD)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 0，SWB = 0，SWA = 1，按开启按钮后微指令地址转入17H，从而可对RAM连续进行读操作。
写寄存器操作(KLD)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 0，SWB = 1，SWA = 1，按开启按钮后微指令地址转入37H，从而可对寄存器堆中寄存器连续进行写操作。

-= 微程序步骤图=-
读寄存器操作(KRR)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 1，SWB = 0，SWA = 0，按开启按钮后微指令地址转入47H，从而可对寄存器堆中寄存器连续进行读操作。
开启程序(PR)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 0，SWB = 0，SWA = 0，用数据开关SW7－SW0设置内存中程序首地址，按开启按钮后微指令地址转入07H，然后转到“取指”微指令。
在微指令格式设计过程中，对数据通路所需控制信号进行了归并和化简。微程序控制器输出控制信号远远少于数据通路所需控制信号。这里微程序步骤图是没有经过归并和化简。有些信号出现位置完全一样，这么信号用其中一个信号就能够代表。还有另部分信号，出现位置基础相同。微程序步骤图中只是指出了在微指令中必需出现信号，并没有指出出现其它信号行不行，这就要依据具体情况具体分析。对下列信号进行了归并和化简:
LDIR(CER) 为1时，许可对IR加载，此信号也可用于作为双端口存放器右端口选择CER。
LDPC(LDR4) 为l时，许可对程序计数器PC加载，此信号也可用于作为R4加载许可信号LDR4。

LDAR1(LDAR2) 为l时，许可对地址寄存器AR1加载，此信号也可用于作为对地址寄存器AR2加载。

LDDR1(LDDR2) 为1时许可对操作数寄存器DR1加载。此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2加载。

Ml(M2)           当M1 = l时，操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据；当M1 = 0时，操作数寄存器DR1从 寄存器堆RF接收数据。此信号也可用于作为操作数寄存器DR2数据起源选择信号。

微指令格式能够化简，而试验台数据通路控制信号为何不进行化简最关键原因是前面进行各个试验需要。还有一个原因是考虑到试验时易于了解，对一些能够归并信号也没有给予归并。
四、试验设备
1．TEC－4计算机组成原理试验系统一台
2．直流万用表一只
3．逻辑测试笔一支
4．导线若干
五、试验任务
常规型微程序控制器组成试验
1．按试验要求，连接试验台开关K0—K15、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。
2．熟悉微指令格式定义，按此定义将控制台指令微程序8条微指令按十六进制编码，列于下表。三种控制台指令功效由SWC，SWB，SWA三个二进制开关状态来指定(KRD = 001B，KWE = 010B，PR = 000B)。
3．单拍(DP)方法实施控制台微程序，读出微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令实施情况。
4．用P3和SWC、SWB、SWA状态组合，观察验证三种控制台指令KRD、KWE、PR微地址转移逻辑功效实现。
5．熟悉05H、10H两条微指令功效和P2测试状态条件(IR4－IR7)，用二进制开关设置IR7－IR4不一样状态，观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功效实现。
6．设置IR7－IR4不一样组合，用单拍方法实施机器指令微程序，用微地址和P字段指示灯跟踪微程序转移和实施情况。
试验中具体问题为编写机器代码计算y=x2+3x+1值。
首先编写出处理该问题微指令
用R0,R1,R2,R3来替换函数4个参数x,x,3,1。这么函数就能够用简单加法和乘法来完成：
具体实施步骤为：R0*R1→R0； R2*R1→R2； RO+R2→R0； RO+R3→R0
对应指令编码以下：

地址
指令描述
机器代码
00 H
R0*R1→R0
0010 01 00
01 H
R2*R1→R2
0010 01 10
02 H
RO+R2→R0
0000 10 00
03 H
RO+R3→R0
0000 11 00
令x=2，,则寄存器中数据以下表所表示

寄存器
数据
R0
00000011
R1
00000011
R2
00000011
R3
00000001

CPU组成和机器指令实施试验
1．对机器指令系统组成简单程序进行译码。将下表程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码。
地址
指令
机器代码
00H
LDA R0,[R2]
01011000
01H
LDA R1,[R3]
01011101
02H
ADD R0,R1
00000100
03H
JC +5
10010101
04H
AND R2,R3
00111110
05H
SUB R3,R2
00011011
06H
STA R3,[R2]
01001011
07H
MUL R0,R1
00100100
08H
STP
0110XXXX
09H
JMP [R1]
100001XX

2．根据框图，参考前面试验电路图完成连线。其中，为把操作数攒送给通用寄存器组RF，数据通路上RS1、RS0、RD1、RD0应分别和IR3至IR0连接，WR1、WR0也应连接到IR1、IR0上。

3．将表中程序机器代码用控制台操作存入内存中，并依据程序需要，用数码开关SW7-SW0设置通用寄存器R2、R3及其内存相关单元数据。（注：因为设置通用寄存器时会破坏内存单元数据，所以应先设置寄存器数据，再设置内存数据。）
4．用单拍（DP）方法实施一遍程序，列表统计通用寄存器堆RF中四个寄存器数据，和由STA指令存入RAM中数据（程序结束后从RAM对应单元中读出），和理论值作对比。实施时注意观察微地址指示灯、IR/DBUS指示灯、AR2/AR1指示灯、微地址指示灯和判别字段指示灯值（能够观察到每一条微指令）。
5． 以单指（DZ）方法重新实施程序一遍，注意观察IR/DBUS指示灯、AR2/AR1指示灯值（能够观察到每一条机器指令）。列表统计RF中四个寄存器数据，和由STA指令存入RAM中数据，和理论分析值作对比。（注：单指方法实施程序时，四个通用寄存器和RAM中原始数据和第一遍实施程序结果相关。）
6．以连续方法（DB，DP，DZ全部设为0）再次实施程序。因为程序中有停机指令STP，程序实施到该指令时自动停机。列表统计RF中四个寄存器数据，和由STA指令存入RAM中数据，和理论分析值作对比。（注：程序实施前原始数据和第二遍实施结果相关。）
根据要求，实施对应指令，然后跳出程序，读出结果，观察结果和标准结果是否一致。
六、试验结果
1．计算y=x2+3x+1
将写好二进制代码输入到内存（堆）中，控制KRD、KWE、KLD、KRR、PR值来输入指令、数据，并检验所输入指令和数据是否正确，调整PR进行运行程序，当DP置一，其它置零时，按QD则能够进行一步一步运行程序。观察目前正在运行程序和每一步程序运行过程和结果，运行程序完成后，经过读寄存器中数据值检验程序运行结果。
经检验，用该程序算出结果和正确结果一致。输入x=2，经过该程序运行，得出y=x2+3x+1值为11，证实该程序程序编写及操作步骤正确，该试验成功。
2．CPU组成和机器指令实施试验
将写好二进制代码输入到内存（堆）中，控制KRD、KWE、KLD、KRR、PR值来输入编写好程序，然后能够读出程序或数据，检验所输入指令和数据是否正确。调整PR进行运行程序，当DP置1，其它置零时，按QD则能够进行一步一步运行程序，观察每一步程序运行过程和结果，运行程序完成后，经过读内存中数据值检验程序运行是否正确。
经过观察试验结果，发觉该程序实施结果和预期正确结果一致，所以此试验程序及操作均正确。
七、试验总结
经过此次课程设计试验，愈加深入地了解了书本上知识，对书本上知识在实际中应用有了愈加形象认识。
此次试验中，自己编写机器指令，亲自动手连线，实际操作面板开关，这使我们近距离了解了机器指令在计算机中运行过程，将平时理论知识和试验中操作结合起来。这让我增强了自己动手能力，熟练地掌握了每个试验步骤操作，并能独立完成一个试验操作。
在试验之前，应该了解试验原理、试验步骤、试验任务和注意事项，这么能够使思绪愈加清楚，使试验操作更具条理性，即使犯错，也能很快地找犯错误并处理错误。在试验过程中，尤其是输入机器指令比较多时候，应该加倍细心，预防因输入指令错误而带来试验结果错误。这更是培养了我们耐心和对细节操作能力。
此次课程设计试验中碰到了很多平时课堂中和试题中不会出现问题，我们经过查阅资料、相互讨论、请教老师等方法处理了这些问题。在处理这些问题过程中，培养了我们对思维掌控能力、处理问题能力和团体协作能力，对以后愈加深入地学习后续课程打下了坚实基础。