計組實驗報告

1、計 算 機 組 成 原 理 實 驗 報 告評 語：成績 教 師： 年 月 日 班 級： 學 號：姓 名： 地 點： 時 間：計算機組成原理與體系結構課程設計1 實驗目的深入理解計算機系統(tǒng)的組成，建立整機概念，掌握計算機核心部件控制器的工作原理及設計方法，培養(yǎng)工程設計能力。1在掌握部件單元電路實驗的基礎上，學習由單元電路組成一臺完整基本模型計算機系統(tǒng)。2掌握計算機整機概念。深入理解基本模型計算機的功能、組成方法；深入學習計算機各類典型指令的執(zhí)行流程；3學習微程序控制器的設計過程和相關技術，掌握LPM_RAM、LPM_ROM的配置方法。4定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調試，掌握微程序的

2、設計方法，學會編寫二進制微指令代碼表。5通過熟悉較完整的計算機的設計，全面了解并掌握微程序控制方式計算機的設計方法。二實驗原理1在部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本實驗將能在微過程控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定的功能。實驗中，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微過程控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一個微程序。2指令格式（1）單自節(jié)指令格式本實驗采用五條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉移），其指令格式如下（最高4位二進制

3、數(shù)為操作碼）：采用寄存器直接尋址方式，其格式如下：位 7654 3 210功能OP-CODErsrd其中，OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：Rs或rd選定的寄存器00R0助記符機器指令碼Addr地址碼功能說明INADD addrSTA addrOUT addrJMP addr0 0H1 0H XX H2 0H XX H3 0H XX H4 0H XX H“INPUT”中的數(shù)據(jù)R0R0+addr -R0R0 - addraddr - BUSaddr PC其中IN為單字長（8位二進制），其余為雙字長指令，XX H 為addr對應的十六進制地址碼。為了向RAM中裝入程

4、序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設計三個控制臺操作微程序。圖6-1 數(shù)據(jù)通路框圖注：LDDR0實際為LDDR1，LDDR1實際為LDDR2。1、存儲器讀操作（KRD）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“0 0”時，可對RAM連續(xù)手動讀入操作。2、存儲器寫操作（KWE）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“0 1”時，可對RAM連續(xù)手動寫操作。3、啟動程序（RP）：下載實驗程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺SWA、SWB為“1 1”時，即可轉入到微地址“01”號“取指令”微指令，啟動程序運行。根據(jù)以上要求設計數(shù)據(jù)通

5、路框圖， SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動程序（RP）如圖5-1所示。表6-1 24位微代碼定義：24232221201918171615 14 1312 11 10987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0 表6-2 A、B、C各字段功能說明：A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDR0001RS-B001P（1）010LDDR0010010011LDDR1011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B101LDAR110LD

6、AR110PC-B110LDPC24位微代碼中各信號的功能(1) uA5uA0：微程序控制器的微地址輸出信號，是下一條要執(zhí)行的微指令的微地址。(2) S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器輸出的ALU操作選擇信號，以控制執(zhí)行16種算術操作或16種邏輯操作中的某一種操作。(3) M：微程序控制輸出的ALU操作方式選擇信號端。M0執(zhí)行算術操作；Ml執(zhí)行邏輯操作。(4) /Cn：微程序控制器輸出的進位標志信號，/Cn0表示ALU運算時最低位有進位，/Cn1則表示無進位。 (5)WE：微程序控制器輸出的RAM控制信號。當/CE0時，如WE0為存儲器讀；如WE1為存儲器寫。 (6) A9、A8譯碼后產(chǎn)生

7、CS0、CS1、CS2信號，分別作為SW_B、RAM、LED的選通控制信號。 (7) A字段（15、14、13）譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸入選通信號（見表6-1）。(8) B字段（12、11、10）譯碼后產(chǎn)生與總線相連接的各單元的輸出選通信號。(9) C字段（9、8、7） 譯碼后產(chǎn)生分支判斷測試信號P(1)P(4)和LDPC信號。系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖6-2。當執(zhí)行“取指令”微指令時，該微指令的判斷測試字段為P(1)測試。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的測試結果出現(xiàn)多路分支（見圖6-2左圖）。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)

8、5路分支，占用5個固定地址單元?？刂婆_操作為P(4)測試（見圖6-2右圖），它以控制臺信號SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控制存儲器的一個微地址單元，隨意填寫。注意：微程序流程圖上的微地址為8進制！當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，表6-2即為圖6-2的微程序流程圖按微指令格式轉化而成的“二進制微代碼表”。表6-2 二進制微代碼表微地址微指令S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0000181100000000110000001000100000101ED820

9、000000011101101100000100200C0480000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000000010110000000001010501A20600000001101000100000011006919A011001000110011010000000010700E00D000000001110000000001101100110010000000100010000000000011101ED830000000111101101100000111201ED870000000111101

10、101100001111301ED8E0000000111101101100011101401ED9600000001111011011001011015038201000000110000010000000011600E00F0000000011100000000011111700A0150000000010100000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002200A0100000000010100000000100002301800100000001100000000000000124

11、06201100000110001000000001000125010A010000011100001010000000012600D181000000001101000110000001指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼段，由二進制數(shù)構成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試“P(1)”，通過節(jié)拍脈沖T4的控制，以便識別所要求的操作。指令譯碼器: 根據(jù)指令中的操作碼強置微控制器單元的微地址，使下一條微指令指向相應的微程序首地址。實驗中LCD液晶顯示屏可以用來顯示

12、模型機CPU中各組成單元的內(nèi)容。將B100_C.sof文件下載到實驗臺后，按系統(tǒng)復位鍵，LCD液晶顯示屏即顯示CPU中各組成單元的內(nèi)容。其功能說明如下：LCD液晶顯示屏功能說明圖6-4 LCD液晶顯示屏名稱作 用名稱作用IN輸入單元INPUTDR1暫存器DR1OUT輸出單元OUTPUTDR2暫存器DR2ALU算術邏輯單元PC程序計數(shù)器BUS內(nèi)部數(shù)據(jù)總線AR地址寄存器R0寄存器R0RAM程序/數(shù)據(jù)存儲器R1寄存器R1IR指令寄存器R2寄存器R2MC微程序控制器圖6-3 模型計算機電路原理圖實驗程序1： 說明：1、指令IN為單字節(jié)指令，指令碼：00，其功能是將輸入口IN的數(shù)據(jù)送到寄存器R0；2、指

13、令ADD 0AH為雙字節(jié)指令，指令碼：100A，其功能是將R0中的數(shù)據(jù)加上RAM地址0AH中的數(shù)據(jù)（34H）；3、指令STA 0BH為雙字節(jié)指令，指令碼：200B，其功能是將R0中的數(shù)據(jù)送到RAM的0BH地址單元中；4、指令OUT0BH為雙字節(jié)指令，指令碼：300B，其功能是將RAM的0BH地址單元中的數(shù)據(jù)送到OUT輸出口上；5、指令JMP 12H 為雙字節(jié)指令，指令碼：4012，其功能是將其操作碼下一地址單元（08H）的數(shù)據(jù)作為轉跳地址。三實驗步驟1微程序的輸入：根據(jù)表6-2所對應的二進制微代碼，編輯LPM_ROM配置文件ROM_11.mif(參考demoD_cpu5文件夾中的同名文件)，并

14、將其保存在與實驗電路b100_c.bdf工程所在的文件夾中，與實驗電路b100_c.bdf一同編譯后，得到下載文件b100_c.sof。下載配置文件bus_c.sof下載到實驗系統(tǒng)。實驗板上的時鐘clock0選擇輸入頻率為1.5MHz。圖6-3是示例原理圖，詳見b100_c.bdf。2輸入模型機的程序(示例工程文件是b100_c.bdf )（一）手動寫入（1）使用控制臺KWE和KRD微程序將機器指令程序（“實驗程序1”：按地址輸入指令代碼，如地址00、01、02、03、04分別對應指令碼00、10、0A、20、0B）裝入模型機CPU的程序RAM（LPM_RAM_DQ）中，并進行檢查。根據(jù)圖6-

15、2控制臺微程序流程圖，在微指令的控制下，依次輸入機器指令代碼： 以下將數(shù)據(jù)35、C4依次裝入00、01地址為例：選擇實驗模式NO.0，輸入數(shù)據(jù)顯示于數(shù)碼2、1上； 將控制開關SWB、SWA（鍵4、鍵3）設置為：0、1；模型機的復位控制信號RST（鍵8）=1； 機器指令代碼的數(shù)據(jù)輸入由鍵2、鍵1輸入，先鍵入35，再按兩次鍵7，即0-1-0，產(chǎn)生一個寫入正脈沖，這時觀察右上液晶屏上的輸入端口IN=35；PC=00（當前將要輸入的地址）；MC=018110微指令。 再按兩次鍵7（地址寄存器加1），根據(jù)圖5-2控制臺微程序流程圖，進入到KWE（01）分支，進入并執(zhí)行了微地址“21”中的操作，這時控制此

16、操作的微指令碼MC=01ED94，PC自動加1，PC=1。 按鍵7，再產(chǎn)生一個脈沖，進入并執(zhí)行了微地址“24”中的操作；觀察液晶，數(shù)據(jù)35進入總線BUS=35，35進入RAM=35，此時微指令碼MC=062011，此時將機器指令代碼數(shù)據(jù)寫入了LPM_RAM中； 此后每當出現(xiàn)MC=062011時，即可利用鍵2，鍵1輸入待寫入RAM的數(shù)據(jù)，此時如C4，連續(xù)按鍵7，再產(chǎn)生2個脈沖，即將C4寫入RAM，PC加1，微指令碼變成MC=062011； 重復的步驟，將“實驗程序1”的全部機器指令代碼輸入RAM。圖6-2 微程序流程圖(注,圖中的DR1應改為DR0, DR2應改為DR1)（2）以下是檢查RAM中

17、的內(nèi)容。當全部機器指令代碼輸入模型機后，在微指令的控制下，依次檢查LPM_RAM中已輸入的機器指令代碼。步驟如下： 按復位鍵8=0，使模型機中的PC復位； 將控制開關SWB、SWA（鍵4、鍵3）設置為：0、0； 復位信號RST（鍵8）=1； 按鍵7，每兩個2次單步運行（產(chǎn)生2個正脈沖），可讀出LPM_RAM中以寫入的數(shù)據(jù)；根據(jù)圖6-1的CPU部件和信息流程，對于讀出的每一數(shù)據(jù)，仔細觀察液晶上顯示的MIC、PC、AR、IN、BUS、RAM、DR0、DR1的數(shù)據(jù)變化。重復以上步驟，依次檢查LPM_RAM中已輸入的機器指令代碼。（二）自動配置LPM_RAM如果程序量大，手動輸入效率太低，可以在計算機

18、上編譯好代碼文件，并隨同模型CPU設計文件一同編譯進SOF下載文件中，直接下載進入FPGA。（1）在QuartusII環(huán)境下，打開工程文件b100_c.bdf，修改b100_C.bdf中LPM_RAM_DQ的參數(shù)，將初始化文件LPM_FILE設置為：“./5_ram.mif”；打開“5_ram.mif”（在示例中已有此文件），根據(jù)“實驗程序1”，在5_ram.mif中輸入全部機器指令代碼（示例中已經(jīng)輸入）。（2）將工程文件重新編譯后，下載到實驗臺中，即完成LPM_RAM的配置。（3）根據(jù)以上的方法，復位信號RST（鍵8）=1；將控制開關SWB、SWA（鍵4、鍵3）設置為：0、0，按鍵7，每兩個

19、2次單步運行（產(chǎn)生2個正脈沖），檢驗配置進入FPGA中的程序代碼。（三）執(zhí)行程序（1）按1次系統(tǒng)復位鍵8，并置鍵8為高電平，使CPU允許正常工作；（2）控制開關（鍵4、鍵3）設置為SWB、SWA=1,1，處于程序執(zhí)行方式，觀察圖6-1控制臺：RP（11）；（3）通過鍵2、鍵1輸入運算數(shù)據(jù)，如56H，按4次單步鍵7，產(chǎn)生2個脈沖，執(zhí)行2條微指令，進入到圖6-1控制臺的RP（11），此時的微指令地址是“23”，微指令碼MC=008001；IN=56H（4）再用鍵7產(chǎn)生1個脈沖，執(zhí)行1條微指令，微程序流程進入圖6-2左的“運行微程序”的最上塊：此時PC=00送地址寄存器AR=00，PC自動加1，PC

20、=01，MC=00ED82，IN=56；注意，1、實驗箱上數(shù)碼管7、6顯示的是下一節(jié)拍將要執(zhí)行的微指令的微地址碼；2、數(shù)碼管3顯示的是進位情況，有進位，LED3顯示1，無進位LED3顯示0。（5）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，執(zhí)行微指令MC=00C048（圖6-2），RAM中的第一條指令碼00進入BUS，再由BUS進入指令寄存器IR=00。鍵7再進1個脈沖，進入MC=001001，執(zhí)行指令IN，送數(shù)INR0=56;（6）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，執(zhí)行完IN指令后，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（7）鍵7產(chǎn)生2個脈沖后，執(zhí)行微指令MC=00ED83，即執(zhí)行ADD指令的第1步：PC送AR=02，PC+1

21、=03，這時RAM中在02地址的0AH進入BUS=0A；（8）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，執(zhí)行微指令MC=00E004，即執(zhí)行ADD指令的第2步：BUS數(shù)據(jù)送AR=0A，由實驗程序1可知，0A是ADD指令的加數(shù)的間接地址，而在地址0A中放有34H， 最后完成的加法是34+56；（9） 鍵7產(chǎn)生1個脈沖， MC=00B005，執(zhí)行ADD的第3步：將RAM中0A地址的數(shù)據(jù)34送BUS，再送DR1=34H。注意，此時指令寄存器IR中仍放有ADD的操作碼10H，PC=03指向下一條指令STA；（10）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，MC=01A206，執(zhí)行ADD的第4步（微地址是05），R0送DR0=56；（11）鍵7產(chǎn)生1

22、個脈沖，MC=919A01，執(zhí)行ADD的最后一步，DR0+DR1=8AH，通過總線BUS（=8A），送R0=8AH。鍵7再產(chǎn)生1個脈沖，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（12）鍵7產(chǎn)生2個脈沖，MC=00ED87，執(zhí)行STA指令；鍵7再兩2個脈沖后，和8A被寫入RAM，地址單元是0B。鍵7一個脈沖后，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（13）鍵7產(chǎn)生2個脈沖，MC=00ED8E，執(zhí)行OUT指令；此時OUT的功能是將RAM中指定地址的數(shù)據(jù)送到輸出口“OUT”處（見圖6-2和液晶屏）。此時PC=7，AR=6；（14）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，MC=00E00F，首先BUS中地址0BH

23、被鎖進AR，于是RAM中對應地址0BH的數(shù)據(jù)8AH被送入BUS。鍵7再產(chǎn)生1個脈沖，MC=00A015，BUS中的數(shù)據(jù)8AH被鎖進DR0；（15）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，MC=070A01，進入OUT指令的最后一步；8AH從DR0送入OUT口；（16）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；（17）鍵7產(chǎn)生2個脈沖，MC=00ED96，指令寄存器IR=40操作碼，開始執(zhí)行JMP指令，此時PC=9，AR=8，故RAM中此地址的12H進入BUS=12H。注意PC！BUS的數(shù)據(jù)12H將進入PC成為下一條指令的執(zhí)行地址；（18）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，MC=00D181，RAM=12，BUS=12，AR=08H，PC=12，IR=40開始執(zhí)行JMP指令。（19）鍵7產(chǎn)生1個脈沖，返回到初始端，執(zhí)行微指令MC=00ED82；RAM=00（下一條指令碼）。結束！四、EAB在系統(tǒng)讀寫使用在系統(tǒng)EAB讀寫工具對模型CPU中的存放微程序的ROM和存放程序與數(shù)據(jù)的RAM進行觀察和改寫（圖6-3）。五、用嵌入式邏輯分析儀了解CPU運行情況可以利用實驗系統(tǒng)上的液晶屏上的數(shù)據(jù)顯示和嵌入式邏輯分析儀同時了解CPU的每一單步運行情況（圖6-4）。注意，圖6-4的嵌入式邏輯分析儀設置情況：采用時鐘使用CPU的工作時鐘（CLK1=1.5MHz），采樣深度64位，觸發(fā)位置