硬件课程设计报告讲解.docx

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硬件课程设计报告讲解

课程设计报告

课程名称：

计算机硬件系统设计课程设计

实验地点：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

成　　绩：

2013年6月24日至2013年7月5日

计算机组成原理部分

复杂模型机的设计与实现

一、设计目的

综合应用所学计算机组成原理和汇编语言知识，设计并实现较为完整的模型计算机，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力。

二、实验设备

1.硬件环境：

Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干，PC机。

2.软件环境：

操作系统，Dais-CMB+应用软件。

三、设计要求

3.1、设计任务

1.熟悉实验环境，即实验中涉及的硬件和软件，掌握这些环境工具的功能和使用方法。

本实验中主要是Dais-CMB+软件及其工作环境。

Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

连接方法是：

用二芯排线把位于实验装置左上方运算器的左下侧CYCZ接口与位于实验装置红色拨码开关右下方的FCFZ接口相连接。

在联机状态下，首先应打开mXj.abs，然后点击“!

”图标进入链接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试窗口表示代码及微代码下载已成功，已进入windows在线集成调试环境。

2.综合应用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的模型计算机。

3.使用模型计算机指令编制程序完成下列功能之一：

（1）乘法运算。

（2）除法运算。

（3）连加和连减运算。

4.将程序译成二进制代码，并将二进制代码写入主存。

3.2、拟定数据格式及指令系统

1.数据格式

模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：

其中第7位为符号位，数值表示范围是：

-128≤X≤127（定点整数），-1≤X<1（定点小数）。

2.指令格式

模型机设计五大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、转移指令和停机指令。

⑴算术逻辑指令

设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：

其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：

⑵访存指令和转移指令

模型机设计2条访存指令、即存数指令（STA）、取数指令（LDA）；2条转移指令，即无条件转移指令（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：

其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。

D为形式地址，如为位移量，正负均可，M为寻址模式，其定义如下：

模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。

⑶I/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，addr=01时，选中“INPUTDEVICE”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUTDEVICE”中的LED作为输出设备。

⑷停机指令

HALT指令，用于实现停机操作，指令格式如下：

3.指令系统

模型机有16条基本指令，其中算术逻辑运算指令9条，访问内存指令2条，程序控制指令2条，输入输出指令2条，其它指令2条。

表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表1指令格式

4．微指令格式

微指令字长32位，格式如下所示：

A字段

B字段

说明：

DDR1表示LDDR1DDR2表示LDDR2

5．模型计算机数据通路框图

模型计算机数据通路框图如图1所示：

图1模型机数据通路框图

6．微程序设计

按照系统建议的微指令格式和模型计算机数据通路框图，分析指令流程，为每条机器指令编制微程序，并和系统自带的微程序比较（在复位后，输入“3”，按“装载”，可将系统微程序装入）。

编制微程序实现新指令的功能。

四、设计内容

4.1、基本内容

1.试验箱系统图

2.程序流程图

3.分析微指令执行序列

首先通过代码在指令流程图中找到对应项，然后再在系统控存内容找出对应的32位指令程序，然后再根据拟定好的数据格式和指令系统对微指令进行分析。

表1系统控存内容

地址

代码

功能

00

00000080

空操作

01

20006040

PC→AR,PC+1

02

00801006

RAM→IR按B转

03

00800420

RAM→DR1

04

0080C038

RAM→AR按B转

05

008040C0

RAM→AR

06

008004E0

RAM→DR1

07

C0000810

RI→DR2

08

40294090

DR1+DR2→AR

09

40298438

DR1+DR2→DR1按B转

0A

008004D0

RAM→DR1

0B

20000810

PC→DR2

0C

A00008B0

RD→DR2

0D

40290280

DR1+DR2→RD？

0E

00000080

空操作

0F

A0000408

RD→DR1

10

50200488/400F0488

DR1→DR1

11

50300448/40100548

DR1变反→DR1

12

500004C8/

DR1+1→DR1

13

502004B0/400F04B0

DR1→DR1

14

00000000

空操作

15

40000280/50

DR1+1→RD

16

A00008E8

RD→DR2

17

403D0280/50

DR1^DR2→RD

18

40300280

DR1变反→RD

19

601400D8

299带进位右移

1A

601800D8

299带进位左移

1B

60000280

299→RD

1C

40200280/00800280

DR1→RD/RAM→RD

1D

A0800180

RD→RAM

1E

40602080/405F2080

DR1→PC

1F

00008072

BZC按条件转

20

200060C0

PC→AR,PC+1

21

80000280

RS→RD

22

200060A0

PC→AR,PC+1

23

80000430

RS→DR1

24

20006060

PC→AR,PC+1

25

800008F0

RS→DR2

26

20006050

PC→AR,PC+1

27

A00004A8

RD+1→RD

28

01000281

SW→RD

29

80000468

RS→DR1

2A

A2000080

RD→LED

2B

A0000418

RD→DR1

2C

00000034

HALT微地址不变

2D

800C0098

RS→299移位器

2E

401C0280

0→RD

2F

800C0058

RS→299移位器

4.设计内容

（1）运行几条指令，按照系统的微指令格式和模型计算机数据通路框图分析其流程，写出所分析机器指令的微程序。

（2）增加一条新指令，为其编制微程序。

（3）编制程序，完成连加运算。

5.设计思路

（1）修改微指令：

修改微指令，首先要弄懂其每一位代表什么意思有什么功能，参照74LS181的功能表，我们所修改的是把AND指令修改为异或指令XOR，只需控制74LS181上的M,S0，SI,S2，S3，将算数运算改为相应的逻辑运算，即M17403D0280修改为M17403E0280，然后对照及其软件验证其正确性。

（2）连加运算设计：

先输入一个数作为控制连加的次数，然后每次输入一个数作为要加的数，把结果放到内存的某个空间里，实现连加，直到次数达到控制值。

4.2、运行程序

1.单步运行微程序

键入数字键00（PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”命令键，运行一条微指令。

对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。

2.单步运行机器程序

键入数字键03H（PC地址），然后每按动一次“宏步”命令键，运行一条机器指令。

对照机器指令程序，观察微地址显示灯是否和流程一致。

3.程序连续运行与暂停程序

键入数字键00H（PC地址）按动“运行”命令键使模型机进入实时运行状态。

在实时运行状态按“宏单”键执行的暂停命令，使模型机进入停机状态。

4.3、运行结果

上图所示，实现功能为输入循环次数R0的数值03H。

上图所示，实现功能为P01B0;COMR0

上图所示，实现功能为P0270;INCR0

上图所示，实现功能P0636;ADCR1,R2

上图所示，实现功能为输出运算结果R2的值，具体如下图所示：

83H

第二次连加运算之后的结果显示：

86H

第三次连加运算之后的结果显示：

89H

程序终止运行。

五、程序代码

1.修改微指令

P0084;INR0

P0185;inR1

P0294;COMR0,R1

P0AC0;HALT

2.连加运算

计算机接口部分

汽车信号灯控制系统

一、设计目的

综合应用所学计算机接口和汇编语言原理和知识，设计并实现较为完整的计算机控制系统，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力

二、实验环境

1．硬件环境：

实验采用北京精仪达盛科技有限公司的CPU挂箱，8086CPU模块，接口挂箱及相应的扩展模块。

2．软件环境：

8086集成开发环境。

三、设计要求

1、设计并制作出汽车信号灯微机控制系统；

2、所需执行的操作由相应的开关状态反映，所需控制的信号灯有仪表板左/右转弯灯、左右头灯和左右尾灯共六类灯，其驾驶操作与灯光信号对应关系如下：

（1）左/右转弯（合上左/右开关）：

仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁。

（2）紧急开关合上：

所有灯闪烁。

（3）刹车（合上刹车开关）：

左右尾灯亮。

（4）左/右转弯刹车：

仪表板左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁，右/左尾灯亮。

（5）刹车、合上紧急开关：

尾灯亮、仪表板灯、头灯闪烁。

（6）左/右转弯刹车，并合上紧急开关：

右/左尾灯亮，其余灯闪烁。

（7）停靠（合上停靠开关）：

头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁。

有10种输入选择，影响6个灯输出，对应关系如下表：

四、设计内容

4.1、设计思想

本系统中要求设计汽车信号灯控制系统，通过6盏灯的亮灭或者闪来控制10中操作，即：

左转弯、右转弯、刹车，紧急开关合上，左转弯刹车，右转弯刹车，紧急刹车，紧急左转刹车，紧急右转刹车，停靠。

每一种操作都对应不同灯的显示。

通过8253提供的时钟信号，8255通过C口接收，然后A口通过开关输入，B口通过显示灯输出。

在该实验中，我们通过8090A/D实现对灯亮度的控制。

本实验中我们所用到的芯片是8255和8253，是系统实现的核心部分，下面对这些芯片做简要介绍。

1）芯片8255

8255是一个CPU与外设之间提供了TTL电平兼容的接口。

8255可以工作在方式0，方式1，方式2三种方式，其中端口A可以工作在这3种不同的方式下，二端口B只能工作在方式0和方式1，端口C配合端口A和端口B工作。

本实验中不8255A端口做输入，B端口做输出，C端口取出一位来通过与具有定时功能的8253芯片连接，实现灯闪烁这一效果。

2）芯片8253

8253有6种工作方式，本次实验设计主要用到方式3，方式3又可称为方波发生器。

任一通道工作在方式3，只在计数值n为偶数，则可输出重复周期为n、占空比为1：

1的方波。

进入工作方式3，OUTi输出低电平，装入计数值后，OUTi立即跳变为高电平。

如果当GATE为高电平，则立即开始减“1”计数，OUTi保持为高电平，若n为偶数，则当计数值减到n/2时，OUTi跳变为低电平，一直保持到计数值为“0”，系统才自动重新置入计数值n，实现循环计数。

这时OUTi端输出的周期为n×CLKi周期，占空比为1:

1的方波序列；若n为奇数，则OUTi端输出周期为n×CLKi周期，占空比为（（n+1）/2）/（（n-1）/2）的近似方波序列。

如果在操作过程中，GATE变为无效，则暂停减“1”计数过程，直到GATE再次有效，重新从初值n开始减“l”计数。

如果要求改变输出方波的速率，则CPU可在任何时候重新装入新的计数初值n，并从下一个计数操作周期开始改变输出方波的速率。

4.2、系统结构图

具体设计电路图

实际接线图

4.3、系统接线

8255CS→CS0，8253CS→CS1；

A口接输入（（K1……K8）→（PA0……PA7）），B口接输出（（LED1……LED6）→（PB0……PB5））；

C口接CLK的输出：

CLK3→CLK0，OUT0→CLK1，OUT0→CLK2，OUT1→PC0，OUT2→PC1。

4.4、状态转换表

根据系统图和题目要求，列出状态表：

注：

输入状态中，0代表低电平无效，1代表高电平有效；

输出状态中，1/0代表灯闪，1代表灯亮，0代表灯灭。

4.5、程序流程图

五、程序代码

;常量定义

pa8255equ04a0h

pb8255equpa8255+2

pc8255equpa8255+4

con8255equpa8255+6

clk0equ04b0h

clk1equclk0+2

clk2equclk0+4

conclkequclk0+6;伪指令

assumecs:

code

codesegmentpublic

org100h

start:

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;时钟初始化

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

movdx,conclk;控制寄存器

movax,36h;计数器0，方式3

outdx,ax

movdx,clk0

movax,7Ch

outdx,ax

movax,92h

outdx,ax;计数值927Ch

movdx,conclk

movax,76h;计数器1，方式3

outdx,ax

movdx,clk1

movax,04h

outdx,ax

movax,0;计数值32h

outdx,ax

movdx,clk2

movax,0ch

outdx,ax

movax,0;计数值04h

outdx,ax

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;8255初始化

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

movdx,con8255;控制寄存器地址

movax,99h;设置为A口输入，B口输出，C口输入

outdx,ax

start1:

movdx,pa8255;A口地址

inax,dx;输入

cmpal,01h;判断左转弯

jzZZ

cmpal,02h;判断右转弯

jzYZ

cmpal,04h;判断紧急开关合上

jzL3

cmpal,08h;判断刹车

jzL4

cmpal,10h;判断左转弯刹车

jzL5

cmpal,20h;判断右转弯刹车

jzL6

cmpal,40h;判断紧急刹车

jzL7

cmpal,80h;判断紧急左转弯刹车

jzL8

cmpal,03h;判断紧急右转弯刹车

jzL9

cmpal,05h;判断停靠

JZL10

;;;;;;;;;;;;;;;;;;灯常亮

movax,0ffh

movdx,pb8255;B口地址

outdx,ax

jmpstart1

L1:

jmpnearptrZZ;

L2:

jmpnearptrYZ

L3:

jmpnearptrJJ

L4:

jmpnearptrSTOP

L5:

jmpnearptrLSTOP

L6:

jmpnearptrRSTOP

L7:

jmpnearptrJSTOP

L8:

jmpnearptrJLSTOP

L9:

jmpnearptrJRSTOP

L10:

jmpnearptrTING

;;;;;;;;;;;;;;;左转弯

ZZ:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza1

movax,11101010b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a1:

movdx,pb8255

movax,0ffh

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;;;;;;;;;右转弯

YZ:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza2

movax,11010101b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a2:

movdx,pb8255

movax,0ffh

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;;;;;;;;紧急开关闭合

JJ:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza3

movax,11000000b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a3:

movdx,pb8255

movax,0ffh

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;刹车

STOP:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza4

movax,11111100b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a4:

movdx,pb8255

movax,11111100b

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;左刹车

LSTOP:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza5

movax,11101000b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a5:

movdx,pb8255

movax,11111110b

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;;;;;;;;右刹车

RSTOP:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza6

movax,11010100b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a6:

movdx,pb8255

movax,11111101b

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;;;;;;;;;紧急刹车

JSTOP:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza7

movax,11000000b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a7:

movdx,pb8255

movax,11111100b

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;;;紧急左刹车

JLSTOP:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza8

movax,11000000b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a8:

movdx,pb8255

movax,11111110b

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;紧急右刹车

JRSTOP:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza9

movax,11000000b

movdx,pb8255

outdx,ax

jmpstart1

a9:

movdx,pb8255

movax,11111101b

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;;停靠

TING:

movdx,pc8255

inax,dx

andal,01h

cmpal,01h

jza10

movax,11001100b

movdx,pb8255

outdx,ax

calldelay

jmpstart1

a10:

movdx,pb8255

movax,0ffh

outdx,ax

jmpstart1

;;;;;;;;;子程序

delay:

movcx,5000h;timedelay

delay1:

nop

nop

loopdelay1

ret

;;;;;;;;;下面放着变量定义

codeends

endstart

总结与心得

硬件课程设计历时两周时间，综合了计算机组成原理和接口技术相关的学科知识和技能。

在实验设计期间，小组成员能够团队协作，共同攻克难关。

最终课程设计顺利完成，为大三最后的时刻。

画上了一个圆满的句号。

组成原理部分，由于是上学期学过，忘掉不少。

这次实验时候，预先一起复习了一下相关的知识点。

在理论有所了解的基础上，再进行实验的实际操作。

借助软件平台和已经连接好电路的试验箱，首先验证了实验所附带的第三个程序代码的显示结果。

在此基础上，进行修改微指令的任务。

但在设计连加运算时候，碰到了阻碍。

对汇编语言的陌生，也是一个不小的阻扰。

分工合作，两人研究汇编语言修改指令代码，一人设计总体程序架构。

后来又请教老师同学，参观或“偷师”别人的经验。

最终能够成功实现连加运算的结果输出。

接口技术部分，刚好有这学期的知识储备，直接开始设计工作。

参照实验指导书上的例题，小组内进行了探讨，分析了一下相关的设计要点。

起初，在灯亮灯灭的问题上有点小纠结，经过不断的代码调试，最后算是成功了。

能实现两个动作，灯亮和灯灭，还不能实现灯闪的条件。

后来，在组长的深入分析之后，对程序代码做了一个小小的改动，调试发现灯闪也可以实现。

然后给小组讲解之后，一起分工修改各人负责部分代码。

终于整个汽车信号灯系统能够正常运作。

通过这次课程设计，既是对旧知识的回顾和复习，又是一种对新知识的自主学习和探索。

课程设计的目的并不在于上交一份报告，而是对这种学习能力和解决问题能力的培养。

课程设计也是对理论知识的进一步消化和吸收，因为只有实践才是检验知识的唯一道路。