計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計

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文檔簡介

1、　　課程設(shè)計報告　　課程名稱：計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計 　　實驗地點： 4702 　　學(xué)生姓名： 　　指導(dǎo)教師：

2、 　　成　　績： 　　2013 年 6 月 24日至 2013年 7 月 5日　　目錄　　計算機組成原理部分1

3、;　　復(fù)雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)1　　一、設(shè)計目的1　　二、實驗設(shè)備1　　三、設(shè)計要求1　　四、設(shè)計內(nèi)容6<

4、;/b>　　五、程序代碼12　　計算機接口部分13　　汽車信號燈控制系統(tǒng)13　　一、設(shè)計目的13　　二、實驗環(huán)境13&l

5、t;/b>　　三、設(shè)計要求13　　四、設(shè)計內(nèi)容14　　五、程序代碼18　　總結(jié)與心得24

6、;　　計算機組成原理部分　　復(fù)雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn) 　　一、設(shè)計目的　　綜合應(yīng)用所學(xué)計算機組成原理和匯編語言知識，設(shè)計并實現(xiàn)較為完整的模型計算機，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和設(shè)計計算機硬件系統(tǒng)的能力。

7、　　二、實驗設(shè)備　　1. 硬件環(huán)境：　　Dais-CMB+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干，PC機。　　2. 軟件環(huán)境：　　操作系統(tǒng)

8、，Dais-CMB+應(yīng)用軟件。　　三、設(shè)計要求　　3.1、設(shè)計任務(wù)　　1. 熟悉實驗環(huán)境，即實驗中涉及的硬件和軟件，掌握這些環(huán)境工具的功能和使用方法。本實驗中主要是Dais-CMB+軟件及其工作環(huán)境。<p&g

9、t;　　Dais-CMB+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。　　連接方法是：用二芯排線把位于實驗裝置左上方運算器的左下側(cè)CYCZ接口與位于實驗裝置紅色撥碼開關(guān)右下方的FCFZ接口相連接。在聯(lián)機狀態(tài)下，首先應(yīng)打開mXj.abs，然后點擊“!”圖標進入鏈接裝載，一旦屏幕自動彈出動態(tài)調(diào)試窗口表示代碼及微代碼下載已成功，已進入windows在線集成調(diào)試環(huán)境。<p&g

10、t;　　2. 綜合應(yīng)用所學(xué)計算機原理知識，設(shè)計并實現(xiàn)較為完整的模型計算機。　　3. 使用模型計算機指令編制程序完成下列功能之一：　?。?）乘法運算。（2）除法運算。（3）連加和連減運算。　　4. 將程序譯成二進制代碼，并將二進制代碼寫入主存。　　3.2、擬定數(shù)據(jù)格式及指令

11、系統(tǒng)　　1.數(shù)據(jù)格式　　模型機規(guī)定采用定點補碼表示數(shù)據(jù)，且字長為8位，其格式如下：　　其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-128≤X≤127（定點整數(shù)），-1≤X<1（定點小數(shù)）。　　2.指令格式</b

12、>　　模型機設(shè)計五大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪存指令、轉(zhuǎn)移指令和停機指令。　　⑴ 算術(shù)邏輯指令　　設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：　　其中，OP-CODE為操

13、作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：　?、?訪存指令和轉(zhuǎn)移指令　　模型機設(shè)計2條訪存指令、即存數(shù)指令（STA）、取數(shù)指令（LDA）；2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移指令（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為：　　其中，OP-CODE為操作碼，rd為目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）

14、。D為形式地址，如為位移量，正負均可，M為尋址模式，其定義如下：　　模型機規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。　　⑶ I/O指令　　輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：　　其中，addr=01時，選中“INPU

15、T DEVICE”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時，選中“OUTPUT DEVICE”中的LED作為輸出設(shè)備。　　⑷ 停機指令　　HALT指令，用于實現(xiàn)停機操作，指令格式如下：　　3.指令系統(tǒng)<p&

16、gt;　　模型機有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯運算指令9條，訪問內(nèi)存指令2條，程序控制指令2條，輸入輸出指令2條，其它指令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。　　表1 指令格式　　4．微指令格式　　微指令字長32位，格式如

17、下所示：　　A字段　　B字段　　說明：DDR1表示LDDR1 DDR2表示LDDR2　　5．模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖　　模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖如圖1所示

18、：　　圖1 模型機數(shù)據(jù)通路框圖　　6．微程序設(shè)計　　按照系統(tǒng)建議的微指令格式和模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖，分析指令流程，為每條機器指令編制微程序，并和系統(tǒng)自帶的微程序比較（在復(fù)位后，輸入“3”，按“裝載”，可將系統(tǒng)微程序裝入）。編制微程序?qū)崿F(xiàn)新指令的功能。

19、　　四、設(shè)計內(nèi)容　　4.1、基本內(nèi)容　　1. 試驗箱系統(tǒng)圖　　2. 程序流程圖　　3. 分析微指令執(zhí)

20、行序列　　首先通過代碼在指令流程圖中找到對應(yīng)項，然后再在系統(tǒng)控存內(nèi)容找出對應(yīng)的32位指令程序，然后再根據(jù)擬定好的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)對微指令進行分析。　　表1 系統(tǒng)控存內(nèi)容　　4. 設(shè)計內(nèi)容　　（1

21、）運行幾條指令，按照系統(tǒng)的微指令格式和模型計算機數(shù)據(jù)通路框圖分析其流程，寫出所分析機器指令的微程序。 　?。?）增加一條新指令，為其編制微程序。　?。?）編制程序，完成連加運算。　　5. 設(shè)計思路　?。?）修改微指令

22、：　　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，參照74LS181的功能表，我們所修改的是把AND指令修改為異或指令XOR，只需控制74LS181上的M,S0，SI,S2，S3，將算數(shù)運算改為相應(yīng)的邏輯運算，即M17 40 3D 02 80 修改為 M17 40 3E 02 80，然后對照及其軟件驗證其正確性。　?。?

23、）連加運算設(shè)計：　　先輸入一個數(shù)作為控制連加的次數(shù)，然后每次輸入一個數(shù)作為要加的數(shù)，把結(jié)果放到內(nèi)存的某個空間里，實現(xiàn)連加，直到次數(shù)達到控制值。　　4.2、運行程序　　1. 單步運行微程序　　鍵入數(shù)字鍵00（PC地址從00H開始），然后

24、每按動一次“單步”命令鍵，運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。　　2. 單步運行機器程序 　　鍵入數(shù)字鍵03H（PC地址），然后每按動一次“宏步”命令鍵，運行一條機器指令。對照機器指令程序，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。　　3. 程序連續(xù)運行與暫停程序<

25、;p>　　鍵入數(shù)字鍵00H（PC地址）按動“運行”命令鍵使模型機進入實時運行狀態(tài)。在實時運行狀態(tài)按“宏單”鍵執(zhí)行的暫停命令，使模型機進入停機狀態(tài)。　　4.3、運行結(jié)果　　上圖所示，實現(xiàn)功能為輸入循環(huán)次數(shù)R0的數(shù)值03H。　　上圖所示，實現(xiàn)功能為P01 B0 ; CO

26、M R0　　上圖所示，實現(xiàn)功能為P02 70 ; INC R0　　上圖所示，實現(xiàn)功能P06 36 ; ADC R1,R2　　上圖所示，實現(xiàn)功能為輸出運算結(jié)果R2的值，具體如下圖所示：　　83H&l

27、t;p>　　第二次連加運算之后的結(jié)果顯示：　　86H　　第三次連加運算之后的結(jié)果顯示：　　89H　　程序終止運行。<p&g

28、t;　　五、程序代碼　　1. 修改微指令　　P00 84 ;IN R0　　P01 85 ;in R1　　P02 94 ;COM R0,R1

29、;　　P0A C0 ; HALT　　2. 連加運算　　計算機接口部分　　汽車信號燈控制系統(tǒng)　　一、設(shè)計目的</

30、p>　　綜合應(yīng)用所學(xué)計算機接口和匯編語言原理和知識，設(shè)計并實現(xiàn)較為完整的計算機控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和設(shè)計計算機硬件系統(tǒng)的能力　　二、實驗環(huán)境　　1．硬件環(huán)境：　　實驗采用北京精儀達盛科技有限公司的CPU掛

31、箱，8086CPU模塊，接口掛箱及相應(yīng)的擴展模塊。　　2．軟件環(huán)境：　　8086集成開發(fā)環(huán)境。　　三、設(shè)計要求　　1、設(shè)計并制作出汽車信號燈微機控制系統(tǒng)；

32、　　2、所需執(zhí)行的操作由相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)反映，所需控制的信號燈有儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左右頭燈和左右尾燈共六類燈，其駕駛操作與燈光信號對應(yīng)關(guān)系如下：　　(1)左/右轉(zhuǎn)彎(合上左/右開關(guān))：儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈閃爍。　　(2) 緊急開關(guān)合上：所有燈閃爍。　　(3) 剎車(合上剎車開關(guān))：左右尾燈亮

33、。　　(4) 左/右轉(zhuǎn)彎剎車：儀表板左/右轉(zhuǎn)彎燈、左/右頭燈、左/右尾燈閃爍，右/左尾燈亮。　　(5) 剎車、合上緊急開關(guān)：尾燈亮、儀表板燈、頭燈閃爍。　　(6) 左/右轉(zhuǎn)彎剎車，并合上緊急開關(guān)：右/左尾燈亮，其余燈閃爍。　　(7) 停靠(合上?？块_關(guān))：頭燈、尾燈以30

34、Hz的頻率閃爍。　　有10種輸入選擇，影響6個燈輸出，對應(yīng)關(guān)系如下表：　　四、設(shè)計內(nèi)容　　4.1、設(shè)計思想　　本系統(tǒng)中要求設(shè)計汽車信號燈控制系統(tǒng)，通過6盞燈的亮滅或者閃來控制10中操作，即：左轉(zhuǎn)彎

35、、右轉(zhuǎn)彎、剎車，緊急開關(guān)合上，左轉(zhuǎn)彎剎車，右轉(zhuǎn)彎剎車，緊急剎車，緊急左轉(zhuǎn)剎車，緊急右轉(zhuǎn)剎車，?？?。　　每一種操作都對應(yīng)不同燈的顯示。通過8253提供的時鐘信號，8255通過C口接收，然后A口通過開關(guān)輸入，B口通過顯示燈輸出。在該實驗中，我們通過8090A/D實現(xiàn)對燈亮度的控制。　　本實驗中我們所用到的芯片是8255和8253，是系統(tǒng)實現(xiàn)的核心部分，下面

36、對這些芯片做簡要介紹。　　1)芯片8255　　8255是一個CPU與外設(shè)之間提供了TTL電平兼容的接口。8255可以工作在方式0，方式1，方式2三種方式，其中端口A可以工作在這3種不同的方式下，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。本實驗中不8255A端口做輸入，B端口做輸出，C端口取出一位

37、來通過與具有定時功能的8253芯片連接，實現(xiàn)燈閃爍這一效果。　　2)芯片8253　　8253有6種工作方式，本次實驗設(shè)計主要用到方式3，方式3又可稱為方波發(fā)生器。任一通道工作在方式3，只在計數(shù)值n為偶數(shù)，則可輸出重復(fù)周期為n、占空比為1：1的方波。　　進入工作方式3，OUT

38、i輸出低電平，裝入計數(shù)值后，OUTi立即跳變?yōu)楦唠娖健Ｈ绻擥ATE為高電平，則立即開始減“1”計數(shù)，OUTi保持為高電平，若n為偶數(shù)，則當計數(shù)值減到n/2時，OUTi跳變?yōu)榈碗娖剑恢北３值接嫈?shù)值為“0”，系統(tǒng)才自動重新置入計數(shù)值n，實現(xiàn)循環(huán)計數(shù)。這時OUTi端輸出的周期為n×CLKi周期，占空比為1:1的方波序列；若n為奇數(shù)，則OUTi端輸出周期為n×CLKi周期，占空比為((n+1)/2)/((n-1)

39、/2)的近似方波序列。　　如果在操作過程中， GATE變?yōu)闊o效，則暫停減“1”計數(shù)過程，直到GATE再次有效，重新從初值n開始減“l(fā)”計數(shù)。　　如果要求改變輸出方波的速率，則CPU可在任何時候重新裝入新的計數(shù)初值n，并從下一個計數(shù)操作周期開始改變輸出方波的速率。　　4.2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</

40、b>　　具體設(shè)計電路圖　　實際接線圖　　4.3、系統(tǒng)接線　　8255CS→CS0，8253CS→CS1；　　A

41、口接輸入（（K1……K8）→（PA0……PA7）），B口接輸出（（LED1……LED6）→（PB0……PB5））；　　C口接CLK的輸出：CLK3→CLK0，OUT0→CLK1，OUT0→CLK2，OUT1→PC0，OUT2→PC1。　　4.4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表　　根據(jù)系統(tǒng)圖和題目

42、要求，列出狀態(tài)表：　　注：輸入狀態(tài)中，0代表低電平無效，1代表高電平有效；　　輸出狀態(tài)中，1/0代表燈閃，1代表燈亮，0代表燈滅。　　4.5、程序流程圖　　五、程序代碼&l

43、t;p>　　;常量定義　　pa8255 equ 04a0h　　pb8255 equ pa8255+2　　pc8255 equ pa8255+4　　con8255 equ pa8255+6&

44、lt;p>　　clk0 equ 04b0h　　clk1 equ clk0+2　　clk2 equ clk0+4　　conclk equ clk0+6 ;偽指令　　assume cs:code <

45、;p>　　code segment public　　org 100h　　start: 　　;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;　　;時鐘初始化<

46、/b>　　;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;　　mov dx,conclk;控制寄存器　　mov ax,36h;計數(shù)器0，方式3 　　out dx,ax　　mov dx,clk0<

47、;/p>　　mov ax,7Ch　　out dx,ax　　mov ax,92h　　out dx,ax;計數(shù)值927Ch　　mov dx,conclk　　mov ax,76h;計數(shù)器

48、1，方式3　　out dx,ax　　mov dx,clk1　　mov ax,04h　　out dx,ax　　mov ax,0;計數(shù)值32h　　out dx,ax</

49、p>　　mov dx,clk2　　mov ax,0ch　　out dx,ax　　mov ax,0;計數(shù)值04h　　out dx,ax　　;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

50、;;;　　;8255初始化　　;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;　　mov dx,con8255 ;控制寄存器地址　　mov ax,99h;設(shè)置為A口輸入，B口輸出，C口輸入&l

51、t;p>　　out dx,ax　　start1: mov dx,pa8255;A口地址　　in ax,dx;輸入　　cmp al,01h;判斷左轉(zhuǎn)彎　　jz ZZ<p&g

52、t;　　cmp al,02h;判斷右轉(zhuǎn)彎　　jz YZ　　cmp al,04h;判斷緊急開關(guān)合上　　jz L3　　cmp al,08h;判斷剎車<p&

53、gt;　　jz L4　　cmp al,10h;判斷左轉(zhuǎn)彎剎車　　jz L5　　cmp al,20h;判斷右轉(zhuǎn)彎剎車　　jz L6

54、;　　cmp al,40h;判斷緊急剎車　　jz L7　　cmp al,80h;判斷緊急左轉(zhuǎn)彎剎車　　jz L8　　cmp al,03h;判斷緊急右轉(zhuǎn)彎剎車</

55、p>　　jz L9　　cmp al,05h;判斷停靠　　JZ L10　　;;;;;;;;;;;;;;;;;;燈常亮　　mov ax,0ffh

56、　　mov dx,pb8255;B口地址　　out dx,ax　　jmp start1　　L1:jmp near ptr ZZ ;　　L2:jmp near ptr YZ　　L3:jmp

57、 near ptr JJ　　L4:jmp near ptr STOP　　L5:jmp near ptr LSTOP　　L6:jmp near ptr RSTOP　　L7:jmp near ptr JSTOP<p&

58、gt;　　L8:jmp near ptr JLSTOP　　L9:jmp near ptr JRSTOP　　L10:jmp near ptr TING　　;;;;;;;;;;;;;;;左轉(zhuǎn)彎　　ZZ:mov dx,pc8255<

59、;p>　　in ax,dx　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a1　　mov ax,11101010b　　mov dx,pb8

60、255　　out dx,ax　　jmp start1　　a1:　　mov dx,pb8255　　mov ax,0ffh<p&

61、gt;　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;;;;;;;;;右轉(zhuǎn)彎　　YZ:mov dx,pc8255　　in ax,dx

62、　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a2　　mov ax,11010101b　　mov dx,pb8255　　out dx,ax&l

63、t;/p>　　jmp start1　　a2:　　mov dx,pb8255　　mov ax,0ffh　　out dx,ax

64、jmp start1　　;;;;;;;;;;;;;;;;緊急開關(guān)閉合　　JJ: mov dx,pc8255　　in ax,dx　　and al,01h　　cmp al,01

65、h　　jz a3　　mov ax,11000000b　　mov dx,pb8255　　out dx,ax　　jmp start1&

66、lt;p>　　a3:　　mov dx,pb8255　　mov ax,0ffh　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;剎車

67、　　STOP: mov dx,pc8255　　in ax,dx　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a4&

68、lt;p>　　mov ax,11111100b　　mov dx,pb8255　　out dx,ax　　jmp start1　　a4:　　mov dx

69、,pb8255　　mov ax,11111100b　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;左剎車　　LSTOP: mov dx,pc8255

70、;　　in ax,dx　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a5　　mov ax,11101000b　　mov

71、dx,pb8255　　out dx,ax　　jmp start1　　a5:　　mov dx,pb8255　　mov ax,11111110b</p&

72、gt;　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;;;;;;;;右剎車　　RSTOP:mov dx,pc8255　　in ax,dx</p&g

73、t;　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a6　　mov ax,11010100b　　mov dx,pb8255　　out dx,a

74、x　　jmp start1　　a6:　　mov dx,pb8255　　mov ax,11111101b　　out dx,ax</

75、p>　　jmp start1　　;;;;;;;;;;;;;;;;;緊急剎車　　JSTOP:mov dx,pc8255　　in ax,dx　　and al,01h

76、　cmp al,01h　　jz a7　　mov ax,11000000b　　mov dx,pb8255　　out dx,ax　　jmp start1<

77、;/p>　　a7:　　mov dx,pb8255　　mov ax,11111100b　　out dx,ax　　jmp start1<p&g

78、t;　　;;;;;;;;;;;緊急左剎車　　JLSTOP:mov dx,pc8255　　in ax,dx　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a8<

79、;/b>　　mov ax,11000000b　　mov dx,pb8255　　out dx,ax　　jmp start1　　a8:

80、;　　mov dx,pb8255　　mov ax,11111110b　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;緊急右剎車　　JRSTOP:mo

81、v dx,pc8255　　in ax,dx　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a9　　mov ax,11000000b</p&

82、gt;　　mov dx,pb8255　　out dx,ax　　jmp start1　　a9:　　mov dx,pb8255　　mov

83、 ax,11111101b　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;;?？?lt;/p>　　TING:mov dx,pc8255　　in ax,dx</b

84、>　　and al,01h　　cmp al,01h　　jz a10　　mov ax,11001100b　　mov dx,pb8255<b&

85、gt;　　out dx,ax　　call delay　　jmp start1　　a10:　　mov dx,pb8255　　mov ax,0ffh&l

86、t;p>　　out dx,ax　　jmp start1　　;;;;;;;;;子程序　　delay: mov cx, 5000h;time delay　　delay1: nop <

87、;b>　　nop　　loop delay1　　ret 　　;;;;;;;;;下面放著變量定義　　code ends　　end st

88、art　　總結(jié)與心得　　硬件課程設(shè)計歷時兩周時間，綜合了計算機組成原理和接口技術(shù)相關(guān)的學(xué)科知識和技能。在實驗設(shè)計期間，小組成員能夠團隊協(xié)作，共同攻克難關(guān)。最終課程設(shè)計順利完成，為大三最后的時刻。畫上了一個圓滿的句號。　　組成原理部分，由于是上學(xué)期學(xué)過，忘掉

89、不少。這次實驗時候，預(yù)先一起復(fù)習(xí)了一下相關(guān)的知識點。在理論有所了解的基礎(chǔ)上，再進行實驗的實際操作。借助軟件平臺和已經(jīng)連接好電路的試驗箱，首先驗證了實驗所附帶的第三個程序代碼的顯示結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，進行修改微指令的任務(wù)。　　但在設(shè)計連加運算時候，碰到了阻礙。對匯編語言的陌生，也是一個不小的阻擾。分工合作，兩人研究匯編語言修改指令代碼，一人設(shè)計總體程序架構(gòu)。后來又請教老師同學(xué)，參觀或“偷師”別人的經(jīng)

90、驗。最終能夠成功實現(xiàn)連加運算的結(jié)果輸出。　　接口技術(shù)部分，剛好有這學(xué)期的知識儲備，直接開始設(shè)計工作。參照實驗指導(dǎo)書上的例題，小組內(nèi)進行了探討，分析了一下相關(guān)的設(shè)計要點。起初，在燈亮燈滅的問題上有點小糾結(jié)，經(jīng)過不斷的代碼調(diào)試，最后算是成功了。能實現(xiàn)兩個動作，燈亮和燈滅，還不能實現(xiàn)燈閃的條件。　　后來，在組長的深入分析之后，對程序代碼做了一個小小的改動，調(diào)試

91、發(fā)現(xiàn)燈閃也可以實現(xiàn)。然后給小組講解之后，一起分工修改各人負責(zé)部分代碼。終于整個汽車信號燈系統(tǒng)能夠正常運作。　　通過這次課程設(shè)計，既是對舊知識的回顧和復(fù)習(xí)，又是一種對新知識的自主學(xué)習(xí)和探索。課程設(shè)計的目的并不在于上交一份報告，而是對這種學(xué)習(xí)能力和解決問題能力的培養(yǎng)。課程設(shè)計也是對理論知識的進一步消化和吸收，因為只有實踐才是檢驗知識的唯一道路。　　感謝這次參

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