计算机组成原理课程设计报告

ID:108615 · 发表于 2016-3-14 17:24

一．实验目的
1．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识
2．深入学习计算机各类典型指令的执行流程
3．学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法
4．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。
5．定义六条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。
6．通过熟悉较完整的计算机设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。
二．实验原理
1．在部件实验过程中，各不见单元的控制信号是认为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条及其指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。
2．指令格式
（1）机器指令格式
采用寄存器直接寻址方式，其格式如下：

位	7 6 5 4	3 2	1 0
功能	操作码（OP-CODE）	源寄存器（Rs）	目的寄存器（Rd）

其中寄存器地址规定如下

Rs或Rd地址	选定的寄存器
00 01 10	R0 R1 R2

模型计算机支持的指令如下

指令助记符	机器指令码	Addr地址码	功能说明
IN OUT addr SUB addr AND addr OR addr XOR addr MOV #num LDR addr	00H 10H xxH 20H xxH 30H xxH 40H xxH 50H xxH 60H xxH 70H xxH		“INPUT”中的数据 → R0 [addr] → OUT R0 - [addr] → R0 R0 & [addr] → R0 R0 \| [addr] → R0 R0 ^ [addr] → R0 num → R0 [addr] → R0

其中IN为单字节指令，其余为双字节指令，xxH为addr对应的十六进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还需要设计三个控制台微程序用于对控制器的控制。
1．存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“00”时，可对RAM连续手动读入操作。
2．存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“01”时，可对RAM连续手动写入操作。
3．启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“11”时，即可转入到微地址“01”号“取指令”微指令，启动程序运行。

控制台微程序操作如下

SWB	SWA	控制台指令
0 0 1	0 1 1	读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）

（2）微指令格式
24位微指令格式如下

24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
S3	S2	S1	S0	M	Cn	WE	A9	A8	A[2]	A[1]	A[0]	B[2]	B[1]	B[0]	C[2]	C[1]	C[0]	uA5	uA4	uA3	uA2	uA1	uA0

其中A、B、C各个字段功能说明
（1）uA5-uA0：微程序控制器的微地址输出信号，下一条要执行的微指令的微地址。
（2）S3、S2、S1、S0：由微程序控制器输出地ALU操作选择信号，以控制指令16种算术操作中的某一种操作。
（3）M：微程序控制输出地ALU操作方式选择信号。M=0时执行算术操作；M=1时执行逻辑操作。
（4）Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn=0时表示ALU运算时最低位有进位，Cn=1时表示无进位。
（5）WE：微程序控制器输出地RAM控制信号。当/CE=0时，WE=0为存储器读；WE=1为存储器写。
（6）A9、A8——译码后产生CS0、CS1、CS2信号，分别作为SW_B、RAM、LED的选通信号。
（7）A字段（15、14、13）——译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号。
（8）B字段（12、11、10）——译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。
（9）C字段（9、8、7）——译码后产生分支判断测试信号P(1)~P(4)和LDPC信号。
系统涉及到的微程序流程见图xx。当执行“取指令”微指令时，该微指令的判断测试字段微P(1)测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公共微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5各固定地址单元。
控制台操作为P(4)测试，它以控制台信号SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定位地址单元。当分支位地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控制存储器的一个微地址单元，随意填写。
简而言之：
M：运算模式选择，0：算术运算；1：逻辑运算
Cn：进位标志位，0：最低位有进位；1：无进位
WE：RAM写使能信号，0：RAM读使能；1：RAM写使能

A9 A8：
(00)b：IN→BUS；
(01)b：RAM→BUS；
(10)b：BUS→OUT；

A：
(001)b：BUS→Rx(汇编指令中I1 I0指明寄存器地址)
(010)b：BUS→DR1
(011)b：BUS→DR2
(100)b：BUS→IR(指令寄存器)
(101)b：BUS→PC
(110)b：BUS→AR(地址寄存器)

B：
(001)b：Rx→BUS(汇编指令中I3 I2指明寄存器地址)
(010)b：Rx→BUS(汇编指令中I1 I0指明寄存器地址)
(011)b：
(100)b：
(101)b：ALU→BUS
(110)b：PC→BUS

C：
(001)b：测试汇编指令，跳转到相应微程序首地址
(010)b：
(011)b：
(100)b：测试控制台输入状态，跳转到控制用的微程序首地址
(101)b：
(110)b：PC+1→PC

当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化：

微地址	微指令	S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8	A	B	C	uA5——uA0
00	018110	0 0 0 0 0 0 0 1 1	000	000	100	010000
01	01ED82	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	000010
02	00C048	0 0 0 0 0 0 0 0 1	100	000	001	001000
03	000000
04	000000
05	000000
06	000000
07	000000
10	001001	0 0 0 0 0 0 0 0 0	001	000	000	000001
11	01ED98	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	011000
12	01ED9B	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	011011
13	01ED9F	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	011111
14	01EDA3	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	100011
15	01EDA7	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	100111
16	01EDAB	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	101011
17	01EDAD	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	101101
20	01EDAF	0 0 0 0 0 0 0 1 1	110	110	110	101111
21	000000
22	000000
23	018001	0 0 0 0 0 0 0 1 1	000	000	000	000001
24	000000
25	000000
26	000000
27	000000
30	00E019	0 0 0 0 0 0 0 0 1	110	000	000	011001
31	00A01A	0 0 0 0 0 0 0 0 1	010	000	000	011010
32	010A01	0 0 0 0 0 0 0 1 0	000	101	000	000001
33	00E01C	0 0 0 0 0 0 0 0 1	110	000	000	011100
34	00B01D	0 0 0 0 0 0 0 0 1	011	000	000	011101
35	01A21E	0 0 0 0 0 0 0 1 1	010	001	000	011110
36	619A01	0 1 1 0 0 0 0 1 1	011	101	000	000001
37	00E020	0 0 0 0 0 0 0 0 1	110	000	000	100000
40	00B021	0 0 0 0 0 0 0 0 1	011	000	000	100001
41	01A222	0 0 0 0 0 0 0 1 1	010	001	000	100010
42	B99A01	1 0 1 1 1 0 0 1 1	001	101	000	000001
43	00E024	0 0 0 0 0 0 0 0 1	110	000	000	100100
44	00B025	0 0 0 0 0 0 0 0 1	011	000	000	100101
45	01A226	0 0 0 0 0 0 0 1 1	010	001	000	100110
46	E99A01	1 1 1 0 1 0 0 1 1	001	101	000	000001
47	00E028	0 0 0 0 0 0 0 0 1	110	000	000	101000
50	00B029	0 0 0 0 0 0 0 0 1	011	000	000	101001
51	01A22A	0 0 0 0 0 0 0 1 1	010	001	000	101010
52	699A01	0 1 1 0 1 0 0 1 1	001	101	000	000001
53	009001	0 0 0 0 0 0 0 0 1	001	000	000	000001
54	000000
55	00E02E	0 0 0 0 0 0 0 0 1	110	000	000	101110
56	009001	0 0 0 0 0 0 0 0 1	001	000	000	000001
57	009001	0 0 0 0 0 0 0 0 1	001	000	000	000001

指令寄存器（IR）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试“P(1)”，通过节拍脉冲T4的控制，以便识别所要求的操作。
指令译码器：根据指令中的操作码强置微控制器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。
实验中LCD显示屏可以用来显示模型机CPU中各组成单元的内容。将FPGA 配置文件下载到实验台后，按系统复位键，LCD液晶显示屏即显示CPU中各组成单元的内容。其功能说明如下：

指令名称	作用	指令名称	作用
IN	输入单元INPUT	DR1	暂存器DR1
OUT	输出单元OUPUT	DR2	暂存器DR2
ALU	算术逻辑单元	PC	程序计数器
BUS	内部数据总线	AR	地址寄存器
R0	寄存器R0	RAM	程序/数据存储器
R1	寄存器R1	IR	指令寄存器
R2	寄存器R2	MC	微程序控制器

测试微程序的机器指令如下：

地址（16进制）	内容（16进制）	助记符	说明
00	00	IN	“INPUT”中的数据66H → R0
01	10	OUT 60H	[60H] → OUT 间接寻址，其中60H中数据为44H
02	60	OUT 60H	[60H] → OUT 间接寻址，其中60H中数据为44H
03	20	SUB 61H	R0 - [61H] → R0 其中61H中数据为55H
04	61	SUB 61H	R0 - [61H] → R0 其中61H中数据为55H
05	30	AND 62H	R0 & [62H] → R0 其中62H中数据为01H
06	62	AND 62H	R0 & [62H] → R0 其中62H中数据为01H
07	40	OR 63H	R0 \| [63H] → R0 其中63H中数据为F0H
08	63	OR 63H	R0 \| [63H] → R0 其中63H中数据为F0H
09	50	XOR 64H	R0 ^ [64H] → R0 其中64H中数据为00H
0A	64	XOR 64H	R0 ^ [64H] → R0 其中64H中数据为00H
0B	60	MOV #33H	33H → R0 立即数寻址方式，将33H送到R0
0C	33	MOV #33H	33H → R0 立即数寻址方式，将33H送到R0
0D	70	LDR 65H	[65H] → R0 间接寻址方式，其中65H中数据为77H
0E	65	LDR 65H	[65H] → R0 间接寻址方式，其中65H中数据为77H

三．实验步骤
1．微程序的输入
根据二进制微指令表，编辑LPM_ROM配置文件，与实验电路一同编译后，得到FPGA的配置文件，将该文件下载到实验系统。实验板上的时钟clock0选择输入频率为1.5MHz。
2．输入模型机的程序，这里采用自动写入
（1）在QuartusII环境下，选择LPM_RAM_DQ的存储器初始文件（mif文件）为MyRam.mif文件
（2）将工程文件重新编译后，下载到FPGA中，即完成LPM_RAM的配置。
（3）根据以上方法，复位信号RST（键8）=1；将控制开关SWB、SWA（键4、键3）设置为0、0，按键7，每两个
2次单步运行（产生2个正脉冲）。
3．执行程序
（1）按1次系统复位键8，并置键8为高电平，使CPU允许正常工作；
（2）控制开关（键4、键3）设置为SWB、SWA=1,1，处于程序执行方式，观察图6-1控制台：PR（11）；
（3）通过键2、键1输入运算数据66H，按4次单步键7，产生2个脉冲，执行2条微指令，进入到图6-1控制台的RP（11），此时的微指令地址是“23”，微指令码MC=008001；IN=66H
（4）再用键7产生1个脉冲，执行1条微指令，微程序流程进入图6-2左的“运行微程序”的最上块：此时PC=00，送地址寄存器AR=00，PC自动加1，PC=01，MC=00ED82，IN=66。
（5）键7产生1个脉冲，执行微指令MC=00C048（图6-2），RAM中的第一条指令码00进入BUS，再由BUS进入指令寄存器IR=00。键7再进1个脉冲，进入MC=001001，执行指令IN，送数IN→R0=66；
（6）键7产生1个脉冲，执行完IN指令后，返回到初始端，执行微指令MC=00ED82；
（7）仿照步骤4~6的操作方法，依次按按键7，观察液晶显示屏上检测的CPU内部寄存器和总线上的数据变化。

四．实验结果
针对设计的共8条指令，编写测试机器码来测试指令执行的正确性。将测试的机器码连同模型机的电路下载到FPGA中，按照三中所叙述的步骤，观察到液晶显示屏上的主要数据变化如下
执行第一条指令IN后，R0=66H
执行第二条指令OUT 60H后，OUT=44H
执行第三条指令SUB 61H后，R0=11H
执行第四条指令AND 62H后，R0=01H
执行第五条指令OR 63H后，R0=F1H
执行第六条指令XOR 64H后，R0=F1H
执行第七条指令MOV #33H后，R0=33H
执行第八条指令LDR 65H后，R0=65H
从以上测试代码执行的情况来看，微程序的设计没有问题。
五．实验中遇到的主要问题和分析解决问题的思路
实验中首先遇到的一个问题是软件的问题，在使用QuartusII将康芯的示意配置文件修改后下载到FPGA中，FPGA中的微程序运行一直不变，刚开始以为是自己的微程序问题，后来在检查的时候发现FPGA的配置文件的生成时间跟电脑的时间不吻合，初步确定是配置文件没有更新，后来在检查编译报告时发现提示该版本的Quartus不能生成编程文件。后来在装有License的机器上将文件重新编译一次，生成了真正的编程文件后，下载到FPGA中，执行微指令，正常。中间经常遇到的问题是试验箱上的按键7按得太快的话，微程序的执行顺序会变得不正常，这个问题还没有解决。目前按键按得慢点的话不会出现这种问题。还有个问题，当指令条数超过8条后，微控制器给出的微程序入口地址就不是按照原先的规律递增了，通过请教老师得知微控制器译码的指令不能超过8条，所以本设计连同原先的IN和OUT两条指令，剩下只设计6条。
六．学习经验和切身体会
通过本次课程设计，初步了解了CPU内部的各部分，能够使用微程序的方式来完成简单的CPU内部控制序列的设计，对微指令的理解更进了一步。提高了自己分析问题解决问题的能力，在遇到的QuartusII软件License导致无法生成编程配置文件这个问题上通过一步步的分析，把原因定位到软件的问题上，从而解决了问题。对教学实验的有一个建议，就是每台电脑上装上杀毒软件后再装上还原卡。实验中遇到不少问题都是机器的问题，例如软件的License问题，用U盘把编辑好的工程文件拷贝到别的装有License的机子上打开后发现文件夹被病毒莫名地隐藏了等等。

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