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计算机系统实验
计算机系统实验(硬件)
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2014年3月23日
目录
1实验目的1
2嵌入式CISC模型机数据通路框图1
3操作控制器的逻辑框图1
4模型机的指令格式和指令系统2
4.1、指令格式2
4.2、数据格式3
4.3、指令系统3
5时序产生器电路4
6微程序流程图5
7操作控制器单元的设计5
11时序仿真波形图10
12故障现象和故障分析12
13心得体会13
14软件清单13
14.1、运算器和状态条件寄存器单元13
14.2、通用寄存器单元LS27316
14.3、地址寄存器单元LS27316
14.4、指令寄存器单元LS27316
14.5、1:
2分配器FEN216
14.6、2选1数据选择器单元MUX217
14.7、4选1数据选择器单元MUX418
14.8、4选1数据选择器单元MUX4_119
14.9、程序计数器单元PC20
14.10、主存储器单元22
14.11、时序产生器单元COUNTER24
14.12、操作控制单元CROM26
1实验目的
采用定长CPU周期、联合控制方式,并运行能完成一定功能的机器语言源程序进行验证,机器语言源程序功能如下:
连续输入5个有符号整数(8位二进制补码表示)存入RAM的连续存储区域,再从RAM中依次读出这5个数,求最大负数的绝对值并输出显示。
2嵌入式CISC模型机数据通路框图
图1模型机数据通路框图
3操作控制器的逻辑框图
图2操作控制器的逻辑框图
说明:
在T4内形成微指令的微地址,并访问控制存储器,在T2的上边沿到来时,将读出的微指令打入微指令寄存器,即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。
4模型机的指令格式和指令系统
4.1、指令格式
CISC模型机的指令系统采用简单指令的格式,大部分操作都在寄存器间进行,指令长度不超过两种,两到三种寻址方式。
本人的指令系统长度采有用定长8位,寻址方式包括立即数寻址、寄存器寻址、寄存器间址三种寻址方式。
为了完成题目功能,该指令系统包括共11条指令,如下所示。
IN:
输入到目的寄存器;
CMP:
寄存器中的数或地址偏移量和立即数进行比较并置状态寄存器FZ,FC,FS值,锁存;
CMP1:
源寄存器中的数和目的寄存器中的数进行比较并置状态寄存器FZ,FC,FS值,锁存;
MOV:
将一个数送入目的寄存器;
MOV1:
将源寄存器中的数据存储到目的寄存器所指向的地址单元;
MOV2:
将源寄存器所指向的地址单元中的数送入目的寄存器;
MOV3:
将源寄存器中的数送入目的寄存器;
INC:
将目的寄存器地址自加一;
JB:
有条件转移指令,是对数据进行判断(小于的时候转移),判断状态寄存器中FC,FZ的值,若FC=1,FZ=0(表示在上一条指令中,比较的结果为小于),则根据地址转移到指定行,其他值则顺序执行。
JMP:
无条件跳转指令,语句执行后跳转到所指单元。
SUB:
将立即数与目标寄存器中的数进行相减,并存入目标寄存器中。
OUT:
输出到LED。
(1)I/O指令
输入(IN)指令采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
××
Rd
输出(OUT)指令采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
Rs
××
说明:
Rs只源寄存器,Rd只目的寄存器。
(2)转移指令
条件转移指令(JB)和无条件转移指令(JMP)采用双字节指令,其格式如下:
7654
3210
操作码
××××
地址
说明:
“地址”中的值就是要转移的地址值。
(3)MOV1,MOV2和MOV3指令
这三类指令采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
Rs
Rd
(4)MOV指令
MOV指令采用双字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
××
Rd
立即数
(5)自增指令
自增1指令(INC)采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
××
Rd
(6)CMP1指令
比较指令(CMP1)采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
Rs
Rd
(7)CMP指令
比较指令(CMP)采用双字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
××
Rd
立即数
(8)SUB指令
相减指令(SUB)采用双字节指令,其格式如下:
7654
32
10
操作码
××
Rd
立即数
(9)对Rs和Rd的规定:
Rs或Rd
选定的寄存器
00
R0
01
R1
10
R2
4.2、数据格式
模型机规定数据的标识采用定点整数补码表示,且字长为8位,其格式如下:
7
6543210
符号位
尾数
4.3、指令系统
本模型机共有12条指令,下表列出了每条指令的格式、汇编符号和指令功能。
表1-112条助记符号、指令格式和功能
助记符号
指令格式
功能
INRd
0100
××
Rd
将数据存到Rd寄存器
MOVdata,Rd
0101
××
Rd
data
(data)->Rd
MOV1Rs,[Rd]
0110
Rs
Rd
(Rs)→[Rd]
MOV2[Rs],Rd
0111
Rs
Rd
([Rs])→Rd
MOV3Rs,Rd
1000
Rs
Rd
(Rs)→Rd
INCRd
1001
××
Rd
(Rd)+1→Rd
OUTRs
1111
Rs
××
(Rs)→LED
CMPdata,Rd
1010
××
Rd
data
(Rd)-data,锁存CY和ZI
CMP1Rs,Rd
1011
Rs
Rd
(Rs)-(Rd),锁存CY和ZI
SUBdata,Rd
1110
××
Rd
data
(data)-(Rd)->Rd
JMPaddr
1101
××××
addr
addr→PC
JBaddr
1100
××××
addr
若小于,则addr→PC
5时序产生器电路
CISC微处理器的时钟信号Q和清除信号CLR由外部输入,节拍脉冲信号Ti由时序产生器产生。
图5-1描述了节拍脉冲信号与外部时钟信号、清除信号的时序关系。
同时可以看出,节拍脉冲信号T1、T2、T3、T4实际上是以Q为时钟输入信号的计数器状态经译码器译码后生成的。
T1、T2、T3、T4与CLR、Q之间的关系图3。
图3T1、T2、T3、T4与CLR、Q之间的关系图
6微程序流程图
图4机器指令微程序流程图
7操作控制器单元的设计
(1)设计微指令格式和微指令代码表(编入到crom的controm里面)
该系统使用的微指令采用全水平型微指令,字长为29位,其中微命令字段为21位,P字段为2位,后继微地址为6位,格式为:
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
RAM_B
RAM_WR
RAM_CS
PC_B
LOAD
LDPC
LDAR
LDIR
LDRi
RD_B
RS_B
S1
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
543210
S0
ALU_B
LDAC
LDDR
WR
CS
SW_B
LED_B
LDFR
P1
P2
后继微地址
表1-2微指令代码表
微地址
微命令字段(28-8)
P1
P2
后继微
000000
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
000001
000001
1
1
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1
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0
0
1
0
1
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0
0
1
0
0
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0
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0
1
0
000000
000010
1
1
1
1
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0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
000000
000011
1
0
0
1
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0
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0
0
0
1
0
0
1
1
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0
0
0
000000
000100
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
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0
000000
000101
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1
1
1
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0
1
1
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0
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0
1
1
1
1
0
0
0
000010
000110
1
1
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0
0
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0
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0
0
0
000011
000111
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0
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0
0
1
0
0
1
1
1
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0
0
0
010000
001000
1
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1
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0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
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1
1
1
0
0
0
000000
001001
1
1
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1
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0
0
0
0
0
1
0
0
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0
010001
001010
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1
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0
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0
0
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0
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0
0
010010
001011
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1
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1
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0
1
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0
1
1
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0
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0
010011
001100
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
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1
1
0
0
1
100000
001101
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1
1
1
1
1
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0
0
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0
0
1
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0
0
0
010100
001110
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1
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1
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0
0
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0
0
1
0
0
1
1
1
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0
0
0
010101
001111
1
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