計算機組成原理課程設計報告

ID:108615 · 發表于 2016-3-14 17:24

一．實驗目的
1．深入理解基本模型計算機的功能、組成知識
2．深入學習計算機各類典型指令的執行流程
3．學習微程序控制器的設計過程和相關技術，掌握LPM_ROM的配置方法
4．在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將單元電路組成系統，構造一臺基本模型計算機。
5．定義六條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調試，掌握計算機整機概念。掌握微程序的設計方法，學會編寫二進制微指令代碼表。
6．通過熟悉較完整的計算機設計，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，各不見單元的控制信號是認為模擬產生的，而本實驗將能在微過程控制下自動產生各部件單元控制信號，實現特定的功能。實驗中，計算機數據通路的控制將由微過程控制器來完成，CPU從內存中取出一條及其指令到指令執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）機器指令格式
采用寄存器直接尋址方式，其格式如下：

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

其中寄存器地址規定如下

Rs或Rd地址	選定的寄存器
00 01 10	R0 R1 R2

模型計算機支持的指令如下

指令助記符	機器指令碼	Addr地址碼	功能說明
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”中的數據 → R0 [addr] → OUT R0 - [addr] → R0 R0 & [addr] → R0 R0 \| [addr] → R0 R0 ^ [addr] → R0 num → R0 [addr] → R0

其中IN為單字節指令，其余為雙字節指令，xxH為addr對應的十六進制地址碼。為了向RAM中裝入程序和數據，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執行，還需要設計三個控制臺微程序用于對控制器的控制。
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“00”時，可對RAM連續手動讀入操作。
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“01”時，可對RAM連續手動寫入操作。
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“11”時，即可轉入到微地址“01”號“取指令”微指令，啟動程序運行。

控制臺微程序操作如下

SWB	SWA	控制臺指令
0 0 1	0 1 1	讀內存（KRD）寫內存（KWE）啟動程序（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各個字段功能說明
（1）uA5-uA0：微程序控制器的微地址輸出信號，下一條要執行的微指令的微地址。
（2）S3、S2、S1、S0：由微程序控制器輸出地ALU操作選擇信號，以控制指令16種算術操作中的某一種操作。
（3）M：微程序控制輸出地ALU操作方式選擇信號。M=0時執行算術操作；M=1時執行邏輯操作。
（4）Cn：微程序控制器輸出的進位標志信號，Cn=0時表示ALU運算時最低位有進位，Cn=1時表示無進位。
（5）WE：微程序控制器輸出地RAM控制信號。當/CE=0時，WE=0為存儲器讀；WE=1為存儲器寫。
（6）A9、A8——譯碼后產生CS0、CS1、CS2信號，分別作為SW_B、RAM、LED的選通信號。
（7）A字段（15、14、13）——譯碼后產生與總線相連接的各單元的輸入選通信號。
（8）B字段（12、11、10）——譯碼后產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）——譯碼后產生分支判斷測試信號P(1)~P(4)和LDPC信號。
系統涉及到的微程序流程見圖xx。當執行“取指令”微指令時，該微指令的判斷測試字段微P(1)測試。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)的測試結果出現多路分支。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現5路分支，占用5各固定地址單元。
控制臺操作為P(4)測試，它以控制臺信號SWB、SWA作為測試條件，出現了3路分支，占用3個固定位地址單元。當分支位地址單元固定后，剩下的其他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。
簡而言之：
M：運算模式選擇，0：算術運算；1：邏輯運算
Cn：進位標志位，0：最低位有進位；1：無進位
WE：RAM寫使能信號，0：RAM讀使能；1：RAM寫使能

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

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

C：
(001)b：測試匯編指令，跳轉到相應微程序首地址
(010)b：
(011)b：
(100)b：測試控制臺輸入狀態，跳轉到控制用的微程序首地址
(101)b：
(110)b：PC+1→PC

當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化：

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）：指令寄存器用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內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，由二進制數構成，為了執行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試“P(1)”，通過節拍脈沖T4的控制，以便識別所要求的操作。
指令譯碼器：根據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顯示屏可以用來顯示模型機CPU中各組成單元的內容。將FPGA 配置文件下載到實驗臺后，按系統復位鍵，LCD液晶顯示屏即顯示CPU中各組成單元的內容。其功能說明如下：

指令名稱	作用	指令名稱	作用
IN	輸入單元INPUT	DR1	暫存器DR1
OUT	輸出單元OUPUT	DR2	暫存器DR2
ALU	算術邏輯單元	PC	程序計數器
BUS	內部數據總線	AR	地址寄存器
R0	寄存器R0	RAM	程序/數據存儲器
R1	寄存器R1	IR	指令寄存器
R2	寄存器R2	MC	微程序控制器

測試微程序的機器指令如下：

地址（16進制）	內容（16進制）	助記符	說明
00	00	IN	“INPUT”中的數據66H → R0
01	10	OUT 60H	[60H] → OUT 間接尋址，其中60H中數據為44H
02	60	OUT 60H	[60H] → OUT 間接尋址，其中60H中數據為44H
03	20	SUB 61H	R0 - [61H] → R0 其中61H中數據為55H
04	61	SUB 61H	R0 - [61H] → R0 其中61H中數據為55H
05	30	AND 62H	R0 & [62H] → R0 其中62H中數據為01H
06	62	AND 62H	R0 & [62H] → R0 其中62H中數據為01H
07	40	OR 63H	R0 \| [63H] → R0 其中63H中數據為F0H
08	63	OR 63H	R0 \| [63H] → R0 其中63H中數據為F0H
09	50	XOR 64H	R0 ^ [64H] → R0 其中64H中數據為00H
0A	64	XOR 64H	R0 ^ [64H] → R0 其中64H中數據為00H
0B	60	MOV #33H	33H → R0 立即數尋址方式，將33H送到R0
0C	33	MOV #33H	33H → R0 立即數尋址方式，將33H送到R0
0D	70	LDR 65H	[65H] → R0 間接尋址方式，其中65H中數據為77H
0E	65	LDR 65H	[65H] → R0 間接尋址方式，其中65H中數據為77H

三．實驗步驟
1．微程序的輸入
根據二進制微指令表，編輯LPM_ROM配置文件，與實驗電路一同編譯后，得到FPGA的配置文件，將該文件下載到實驗系統。實驗板上的時鐘clock0選擇輸入頻率為1.5MHz。
2．輸入模型機的程序，這里采用自動寫入
（1）在QuartusII環境下，選擇LPM_RAM_DQ的存儲器初始文件（mif文件）為MyRam.mif文件
（2）將工程文件重新編譯后，下載到FPGA中，即完成LPM_RAM的配置。
（3）根據以上方法，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
2次單步運行（產生2個正脈沖）。
3．執行程序
（1）按1次系統復位鍵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，處于程序執行方式，觀察圖6-1控制臺：PR（11）；
（3）通過鍵2、鍵1輸入運算數據66H，按4次單步鍵7，產生2個脈沖，執行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=66H
（4）再用鍵7產生1個脈沖，執行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=01，MC=00ED82，IN=66。
（5）鍵7產生1個脈沖，執行微指令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，執行指令IN，送數IN→R0=66；
（6）鍵7產生1個脈沖，執行完IN指令后，返回到初始端，執行微指令MC=00ED82；
（7）仿照步驟4~6的操作方法，依次按按鍵7，觀察液晶顯示屏上檢測的CPU內部寄存器和總線上的數據變化。

四．實驗結果
針對設計的共8條指令，編寫測試機器碼來測試指令執行的正確性。將測試的機器碼連同模型機的電路下載到FPGA中，按照三中所敘述的步驟，觀察到液晶顯示屏上的主要數據變化如下
執行第一條指令IN后，R0=66H
執行第二條指令OUT 60H后，OUT=44H
執行第三條指令SUB 61H后，R0=11H
執行第四條指令AND 62H后，R0=01H
執行第五條指令OR 63H后，R0=F1H
執行第六條指令XOR 64H后，R0=F1H
執行第七條指令MOV #33H后，R0=33H
執行第八條指令LDR 65H后，R0=65H
從以上測試代碼執行的情況來看，微程序的設計沒有問題。
五．實驗中遇到的主要問題和分析解決問題的思路
實驗中首先遇到的一個問題是軟件的問題，在使用QuartusII將康芯的示意配置文件修改后下載到FPGA中，FPGA中的微程序運行一直不變，剛開始以為是自己的微程序問題，后來在檢查的時候發現FPGA的配置文件的生成時間跟電腦的時間不吻合，初步確定是配置文件沒有更新，后來在檢查編譯報告時發現提示該版本的Quartus不能生成編程文件。后來在裝有License的機器上將文件重新編譯一次，生成了真正的編程文件后，下載到FPGA中，執行微指令，正常。中間經常遇到的問題是試驗箱上的按鍵7按得太快的話，微程序的執行順序會變得不正常，這個問題還沒有解決。目前按鍵按得慢點的話不會出現這種問題。還有個問題，當指令條數超過8條后，微控制器給出的微程序入口地址就不是按照原先的規律遞增了，通過請教老師得知微控制器譯碼的指令不能超過8條，所以本設計連同原先的IN和OUT兩條指令，剩下只設計6條。
六．學習經驗和切身體會
通過本次課程設計，初步了解了CPU內部的各部分，能夠使用微程序的方式來完成簡單的CPU內部控制序列的設計，對微指令的理解更進了一步。提高了自己分析問題解決問題的能力，在遇到的QuartusII軟件License導致無法生成編程配置文件這個問題上通過一步步的分析，把原因定位到軟件的問題上，從而解決了問題。對教學實驗的有一個建議，就是每臺電腦上裝上殺毒軟件后再裝上還原卡。實驗中遇到不少問題都是機器的問題，例如軟件的License問題，用U盤把編輯好的工程文件拷貝到別的裝有License的機子上打開后發現文件夾被病毒莫名地隱藏了等等。

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計算機組成原理課程設計報告