组成原理—课程设计报告

第1页共9页目录一、实验内容及原理………………………………………………21、实验内容…………………………………………………22、实验原理…………………………………………………2二、实验任务………………………………………………………4三、实验步骤………………………………………………………41、常规型微程序控制器组成实验…………………………42、CPU组成与机器指令执行实验……………………………73、中断原理实验……………………………………………8四、问题及解决思路………………………………………………9五、心得体会………………………………………………………9计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第2页共9页2实验内容及原理1、实验内容（1）常规型微程序控制组成实验。（2）CPU组成与机器指令执行实验。（3）中断原理实验。2、实验原理（1）TEC-4计算机组成实验系统简介TEC-4计算机组成实验系统由清华同方教学仪器设备公司研制。它是一个典型的计算机模型实验仪器，可用于将大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验。该仪器将提高学生的动手能力就，提高学生对计算机整体和各组成部分的理解，提高学生对计算机系统的综合设计能力。（2）TEC-4计算机组成实验系统的组成a控制台b数据通路c控制器d用户自选器件实验区e时序电路f电源部分（3）时序发生器时序发生器器产生计算机模型的时序。TEC-4计算机组成原理实验的时序电路如图一，电路采用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循环可供硬连线控制器执行一条机器指令。CLR#为复位新号，低有效。试验仪处于任何状态下令CLR#=0，都会使时序发生器和微程序控制器复位；CLR#=0时，则可以正常运行。TJ是停机新号，是控制器的输出新号之一。连续运行时，如果控制信号停机=1，会使机器停机，停止发送时序脉冲,从而暂停程序。QD是启动信号，是运行程序的标志。DP，DZ，DB是来自控制台的开关信号。DP表示单拍，当DP=1时，每次只执行一条微指令；DZ表示单指，当DZ=1时，每次只执行一条机器指令；当DP，DB，DZ都为0时，机器连续运行。图一（4）数据通路计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第3页共9页3TEC-4计算机组成原理实验的数据通路的设计采用了数据总线和指令总线双总线形式，使得流水实验能够实现。它还使用了大规模在系统可编程器件作为运算器和寄存器堆，使得设计简单明了，可修改性强。数据通路位于实验系统的中部。如图二其包括如下主要部件：a运算器ALU，它有一片ispLSI1024（U47）组成，在选择端S2，S1，S0控制下，对数据A和B加、减、与、直通、乘五种运算。bDR1和DR2运算操作数寄存器；c多端口通用寄存器堆ＲＦd暂存寄存器ＥＲe程序计数器ＰＣ、地址加法器ＡＬＵ２；地址缓存器Ｒ４；等等图二（5）控制器控制器位于本实验系统的中上部，产生数据通路操作所需的控制信号。如图三（6）控制台控制台位于TEC-4计算机组成原理实验系统的下部，主要由指示灯和若干拨动开关组成，用于给数据通路设置数、设置控制信号、显示各种数据使用。图三计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第4页共9页4实验任务1、按微指令格式的定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码。2、单拍（DP）方式执行控制台微程序，读出上述八条微指令，并与填写的编码数据对照。3、对机器指令系统组成的简单程序进行译码，并填写机器码表。4、单拍、单指、单步执行八条机器指令。5、填写中断服务程序表，并完成中断实验。实验步骤1、常规型微程序控制器组成实验（1）熟悉给定的12条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号，采用的微指令格式见图四。图四微指令字长共35位，其中顺序控制部分10位，后续微地址6位，判别字段25位，各位进行直接控制。微指令格式中，信号名带有后缀“#＂的信号为低有效，不带有后缀“#”的信号为高有效信号。对应微指令格式，微程序控制器的组成见图五，控制器采用５片EEPROM28C64（U8，U9，U10，U11，U12）。微地址寄存器6位，用一片6D触发器74HC174（U1）组成，带有清零端。两级与门、或门构成微地址转移逻辑，用于产生下一微指令的地址。在每个T1上升沿时刻，新的微指令地址会打入微地址寄存器中，控制存储器随既输出相应的微命令代码。图五计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第5页共9页5（2）熟悉机器指令与微指令本实验仪使用12条机器指令，均为单字长（8位）指令。指令功能及格式如表一所示。指令的高4位提供给微程序控制器，低4位提供给数据通路。上述12条指令的微程序流程设计如图六，每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入5个28C64中。为了写入的正确，还设计了以下五个控制台操作数程序：①存储器写操作（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，按启动按钮后微指令地址转入27H，从而可对RAM连续进行手动写入。②存储器读操作（KRD）：按下CLR#后，置SWC=0，SWB=0，SWA=1，可对RAM连续进行读操作。③启动程序（PR）：按下CLR#后，置SWC=0，SWB=0，SWA=0，用数据开关SW7-SW0设置内存中程序的首地址，可以执行“取指”微命令。④写寄存器操作（KLD）：按下CLR#后，置SWC=0，SWB=1，SWA=1，可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。⑤读寄存器操作（KRR）：按下CLR#后，置SWC=1，SWB=0，SWA=0，可对寄存器堆中的寄存器连续进行读操作。名称助记符功能指令格式R7R6R5R4R3R2R1R0加法ADDRd,RsRd+Rs→Rd0000RS1RS0RD1RD0减法SUBRd，RsRd-Rs→Rd0001RS1RS0RD1RD0乘法MULRd，RsRd*Rs→Rd0010RS1RS0RD1RD0逻辑与ANDRd，RsRd&Rs→Rd0011RS1RS0RD1RD0存数STARd，[Rs]Rd→[Rs]0100RS1RS0RD1RD0取数LDARd，[Rs][Rs]→Rd0101RS1RS0RD1RD0无条件转移JMP[Rs][Rs]→PC1000RS1RS0××条件转移JCD若C=1则PC+D→PC1001D3D2D1D0停机STP暂停运行0110××××中断返回IRET返回断点1010××××开中断INTS允许中断1011××××关中断INTC禁止中断1100××××表一（3）熟悉微程序流程图计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第6页共9页6图六（4）按照实验要求，连接试验台的数码开关K0-K15、控制开关、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。（5）熟悉微指令格式的定义，按此定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码，列于下表（表二）制台指令的功能由SWC，SWB，SWA三个二进制开关的状态来指定（KRD=001B，KWE=010B，PR=010B）。单拍（DP）方式执行控制台微程序，读出上述八条微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况，并与上表数据对照。微指令地址微指令编码微指令地址微指令编码00H005C000073CH405C8003D07H005C0020717H00544003F27H40544003D3FH409C0003E3DH00140003C3EH005C8003F表二计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第7页共9页7（6）比较实验数据：按以上实验步骤得到实验数据如下表（表三）微指令地址微指令编码读出的微指令编码00H005C00007005C0000707H005C00207005C0020727H40044003D40044003D3DH00140003C00140003C3CH405C8003D405C8003D17H00544003F00544003F3FH409C0003E409C0003E3EH005C8003F005C8003F表三2、CPU组成与机器指令执行实验（1）本次实验用到前面实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。在本次实验中，数据通路的控制将有微程序控制器来完成。CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是有微指令组成的序列来完成的，即一条指令对应一个微程序，其框图如图七图七（2）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。将下表的程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码。如表四地址指令机器代码00HLDAR0,[R2]0101100001HLDAR1,[R3]0101110102HADDR0,R10000010003HJC+51001010104HANDR2,R30011111005HSUBR3,R20001101106HSTAR3,[R2]0100101107HMULR0,R10010010008HSTP0110XXXX09HJMP[R1]100001XX表四（3）按照图六框图，参考前面实验的电路图完成连线。其中，为把操作数攒送给通用寄存器组RF，数据通路上的RS1、RS0、RD1、RD0应分别与IR3至IR0连接，WR1、WR0也应连接到IR1、IR0上。计算机组成原理课程设计报告191092-王晟宇第8页共9页8（4）将表七中的程序机器代码用控制台操作存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7-SW0设置通用寄存器R2、R3及其内存相关单元的数据。（注：由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据，因此应先设置寄存器的数据，再设置内存数据。）（5）用单拍（DP）方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器堆RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据（程序结束后从RAM的相应单元中读出），与理论值作对比。执行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的值（可以观察到每一条微指令）。（6）以单指（DZ）方式重新执行程序一遍，注意观察IR/DBUS指示灯、AR2/AR1指示灯的值（可以观察到每一条机器指令）。列表记录RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。（注：单指方式执行程序时，四个通用寄存器和RAM中的原始数据与第一遍执行程序的结果有关。）（7）以连续方式（DB，DP，DZ都设为0）再次执行程序。由于程序中有停机指令STP，程序执行到该指令时自动停机。列表记录RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。（注：程序执行前的原始数据与第二遍执行结果有关。）（8）比较实验数据：按照实验要求，可得到如表五实验结果。指令地址执行指令后寄存器的数据R0R1R2R300H00010000xxxxxxxx000000011111111101H0001000000000010000000011111111102H0001001000000010000000011111111103H0001001000000010000000011111111104H0001001000000010000000011111111105H0001001000000010000000011111111006H0001001000000010000000011111111007H0000010000000010000000011111111008H0000010000000010000000011111111009H00000100000000100000000111111110STA指令存入RAM中的数据[00000001]=11111110表五与理论值分析一致。3、中断原理实验（1）熟悉中断的检测、执行和返回过程微程序控制器每执行一条机器