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1、计算机组成原理课程设计讲义现在学习的是第1页，共31页课程设计目的l l掌握整机动态工作过程l l了解微程序控制器的设计，构建指令系统l l组建模型机，编写应用程序进行调试现在学习的是第2页，共31页设计内容和要求1.设计内容设计内容（1）设计指令系统）设计指令系统（2）编写微程序）编写微程序（3）实验接线）实验接线（4）编写应用程序，选择实现下列要求的一种功能）编写应用程序，选择实现下列要求的一种功能输入两个一位十进制数，计算两数之和，并以输入两个一位十进制数，计算两数之和，并以BCD码输出码输出输入一个两位十进制数，求其负值的补码输入一个两位十进制数，求其负值的补码输入几个数，统计奇数和偶
2、数的个数输入几个数，统计奇数和偶数的个数2.设计要求设计要求（1）指令在）指令在8条以上条以上（2）寻址方式包括：寄存器寻址、直接寻址、立即数寻址）寻址方式包括：寄存器寻址、直接寻址、立即数寻址（3）数据由键盘输入）数据由键盘输入（4）由数码管显示结果）由数码管显示结果现在学习的是第3页，共31页报告要求l l手写l l统一封面l l第一页为任务书l l内容包括：设计目的、设计器材、设计要求、模型机结构、指令编码、微程序、应用程序、接线图、调试、结果分析、总结等。l l收报告截止日期：17周周五现在学习的是第4页，共31页EL-JY-组成原理实验仪介绍组成原理实验仪介绍 现在学习的是第5页，共
3、31页底板布局 现在学习的是第6页，共31页模型机结构框图 由4片74181构成16位ALUS3 S2 S1 S0 M Cn选择运算功能ALU_G为三态门输出控制信号，低电平可输出LT1、LT2为数据暂存器，各由2片74273构成LDR1、LDR2两个暂存器接数控制，高电平有效由Ax、Bx、Cx 构成寄存器堆 LRi为寄存器堆的写控制，高电平有效 RiG为寄存器输出控制，低电平有效 M S0 S1为移位寄存器功能选择，与ALU使用相同的控制信号 G-299为移位寄存器输出控制信号，低电平有效 在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个74244构成当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数
4、据总线 在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或串口线输入，可以不用数据输入电路。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 存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只用低八位CE为片选信号，低电平有效WE为读写信号，低电平写，高电平读LAR为地址寄存器的锁存控制，高电平有效LOAD为程序计数器的置数控制，高电平有效LPC为程序计数器的时钟控制，高电平有效PC-G为程序计数器的输出控制，低电平有效LDIR为指令寄存器的锁存控制，高电平有效现在学习的是第7页，共31页工作原理 1数据格式本实验计算机采用定点补码表示
5、法表示数据，字长为16位，其格式如下：其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768X32767 1514 13 0符号尾 数现在学习的是第8页，共31页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 0OPrsrd现在学习的是第9页，共31页其中OP为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：OP011110001001101010111100110111101111指令CLRMOV ADD SUBINCAND NOTRORROLrs或rd选定寄存器00Ax01Bx10Cx现在学习的是第10页，共31页（2）
6、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 000MOPrdD现在学习的是第11页，共31页其中OP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：OP000110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11E=100H+D直接地址扩展直接寻址现在学习的是第12页，共31页（3）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：其中
7、，当OP=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。7 6 5 43 21 0OPaddrrd现在学习的是第13页，共31页3指令系统含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。现在学习的是第14页，共31页汇编符号指令的格式功 能MOV rd，rs1000 rs rdrsrdADD rd，rs1001 rs rdrs+rdrdSUB rd，rs1010 rs rdrd-rsrdINC rd1011 rd rdrd+1rdAND rd，r
8、s1100 rs rdrsrdrdNOT rd1101 rd rd/rdrdROR rd1110 rd rdrdROL rd1111 rd rdrd基本指令表现在学习的是第15页，共31页汇编符号指令的格式功 能MOV D，rd00 10 00 rdrdDDMOV rd,D00 10 01 rdDrdDMOV rd,D00 00 01 rdDrdDJMP D00 00 10 00DPCDIN rd,KIN0100 10 rdKINrdOUT DISP，rd0100 01 rdrdDISP基本指令表(续）现在学习的是第16页，共31页4设计微代码微程序设计的关键技术之一是处理好每条微指令的下地址
9、，以保证程序正确高效地进行。本系统采用分段编码的指令格式，采用断定方式确定下一条微指令的地址。现在学习的是第17页，共31页 控制场 下地址场微指令寄存器MIR微地址形成电路控存CM微操作控制信号指令操作码状态条件微指令微地址断定方式微程序控制部件示图 现在学习的是第18页，共31页每条微指令由24位组成，其控制位顺序如下：242322212019181716S3S2S1S0MCnWE1A1B15 14 1312 11 10 9 8 7654321F1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0现在学习的是第19页，共31页控制存储器电路 现在学习的是第20页，共31页微地址形成电路 现在学习
10、的是第21页，共31页微指令译码电路 现在学习的是第22页，共31页MS24MS16对应于微指令的第2416位，S3S2S1S0MCn为运算器的方式控制，WE为外部器件的读写信号，1表示写，0表示读；控制总线上的WR为外部读写控制电路的输出，其控制电路为 现在学习的是第23页，共31页1A、1B用于选通外部器件，通常接至底板IO控制电路的1A1B端，四个输出Y0Y1Y2Y3接外部器件的片选端。（注：（注：Y3被系统占用，用于输入中断，被系统占用，用于输入中断，Y0Y1Y2能被用户使用）。能被用户使用）。I/O控制电路由一片74LS139构成，用于为外部器件提供选通信号。其原理和逻辑关系如下图所
11、示：I/O控制电路 现在学习的是第24页，共31页输 入输 出1A1BY0Y1Y2Y3000111101011011101111110现在学习的是第25页，共31页、三个字段的编码方案、三个字段的编码方案 F1字段F2字段F3字段15 14 13选择12 11 10选择9 8 7选择0 0 0LRi0 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 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1
12、 0299-G1 1 0P41 1 1无操作1 1 1无操作1 1 1无操作LRi为寄存器堆的写控制，它与指令寄存器的第0位和第1位共同决定对哪个寄存器进行写操作LOAD为程序计数器的置数控制LDR1、LDR2为运算器的两个锁存控制LAR为地址寄存器的锁存控制LDIR为指令寄存器的锁存控制F1字段6个输出信号均为高电平有效RAG、RBG、RCG分别为寄存器Ax、Bx、Cx的输出控制ALU-G为运算器的输出控制PC-G为程序计数器的输出控制299-G为移位寄存器的输出控制F2字段6个输出信号均为低电平有效P1、P2、P3、P4位测试字，其功能是对机器指令进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从
13、而实现微程序的顺序、分支和循环运行AR为运算器的进位输出控制LPC为程序计数器的时钟控制F3字段6个输出信号均为高电平有效现在学习的是第26页，共31页指令译码器电路 现在学习的是第27页，共31页设计三个控制操作微程序：设计三个控制操作微程序：l l存储器读操作（存储器读操作（MRDMRD）：拨动清零开关）：拨动清零开关CLRCLR对地址、指令寄存对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入器清零后，指令译码输入CA1CA1、CA2CA2为为“00”00”时，按时，按“单步单步”键，键，可对可对RAMRAM连续读操作。连续读操作。l l存储器写操作（存储器写操作（MWEMWE）：拨动清零开关）：拨
14、动清零开关CLRCLR对地址、指令寄存对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入器清零后，指令译码输入CA1CA1、CA2CA2为为“10”10”时，按时，按“单步单步”键，可对键，可对RAMRAM连续写操作。连续写操作。l l启动程序（启动程序（RUNRUN）：拨动开关）：拨动开关CLRCLR对地址、指令寄存器清零后，对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入指令译码输入CA1CA1、CA2CA2为为“11”11”时，按时，按“单步单步”键，即可转键，即可转入到第入到第0101号号“取指取指”微指令，启动程序运行。微指令，启动程序运行。注：注：注：注：CA1CA1、CA2CA2由控制总线的由控制总线
15、的由控制总线的由控制总线的E4E4、E5E5给出。键盘操作方式时由给出。键盘操作方式时由给出。键盘操作方式时由给出。键盘操作方式时由监控程序直接对监控程序直接对监控程序直接对监控程序直接对E4E4、E5E5赋值，无需接线。开关方式时可将赋值，无需接线。开关方式时可将赋值，无需接线。开关方式时可将赋值，无需接线。开关方式时可将E4E4、E5E5接至控制开关接至控制开关接至控制开关接至控制开关CA1CA1、CA2CA2，由开关来控制。，由开关来控制。，由开关来控制。，由开关来控制。现在学习的是第28页，共31页微程序流程图 以CA1、CA2为测试条件13控制开关控制开关P4测试PCAR，PC1(D_INPUT)D_BUS LT1LT1 RAM00MWE（10）1474PCAR，PC1RAM D_BUS LT1LT1 LED1012730111MRD（00）RUN（11）现在学习的是第29页，共31页开始开始PCAR，PC1RAMD_BUS IRP1测试rd D_BUS D_BUS LT1rs D_BUS D_BUS LT2LT1 LT2 D_BUS rd01027531525301ADDSUBINOUT以I7I4为测试条件现在学习的是第30页，共31页实验连线图现在学习的是第31页，共31页