RISC模型机的设计及实现

RISC模型机的设计及实现 实验报告

《计算机组成与系统结构》

课程设计报告

报 告 题 目：RISC模型机的设计及实现 作者所在系部： 计算机科学与工程系 作者所在专业： 计算机科学与技术 作者所在班级： 0 作 者 姓 名 ： 0 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 0

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目 录

目 录 ................................................................................................................................ 1 内容摘要 ............................................................................................................................ 2 关键词 ................................................................................................................................ 2 课程设计任务书 ................................................................................................................ 3 第1章 绪论 .................................................................................................................... 4

1.1 设计地点 ............................................................................................................. 4 1.2 设计目的 ............................................................................................................. 4 1.3 设计内容 ............................................................................................................. 4 1.4 实验的环境： ..................................................................................................... 4 第2章 基础知识 .............................................................................................................. 5

2.1 概述 ..................................................................................................................... 5 2.2 主要技术要点 ..................................................................................................... 6

2.2.1 ALU部件............................................................................................... 6 2.2.2. 存储体 ................................................................................................... 6 2.2.3 控制器 .................................................................................................. 6

第3章 系统设计与实现 .................................................................................................. 7

3.1 模型机结构 ........................................................................................................ 7 3.2 程序设计原理 .................................................................................................... 7

3.2.1 数据格式及指令格式 .......................................................................... 7 3.2.2 指令系统 .............................................................................................. 8 3.3 机器指令设计 .................................................................................................... 9 3.4 联机实验 .......................................................................................................... 10

3.4.1 实验连线 .............................................................................................. 10 3.4.2 实验步骤 .............................................................................................. 10 3.4.3 实验测试： .......................................................................................... 12

第4章 实验总结 ............................................................................................................ 13 参考资料 .......................................................................................................................... 13

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内容摘要

计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次上。计算机系统的层次结构模型中，第0层是硬件内核(逻辑线路)，第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。

本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的模型机，在实验中了解，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。以及增强自己的动手能力。课设主要依托组成原理实验室设备EL-JY-II来完成的，在实验当中利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。在此说明。

在实验中我要感谢杨老师的辛勤付出，每天来到实验室指导我们进行实验，在此特别提出感谢。同时也要感谢我的搭档，正是我们相互配合完成了本次课程设计。

关键词

模型机，微指令，机器指令，地址，微地址，微代码 74LS181 ALU 74LS273 74LS244 6116

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课程设计任务书

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第1章 绪论

本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）。

1.1 设计地点

计算机组成原理实验室； 1.2 设计目的

通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。

1.3 设计内容

掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。 （1）利用实验设备平台构造完整的模型机；

（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；

（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；

（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；

（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现比较完整的模型机功能； （6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的CPU技术。 要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确；

1.4 实验的环境：

利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。

系统采用“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。

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第2章 基础知识

2.1 概述

计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次上。计算机系统的层次结构模型中，第0层是硬件内核(逻辑线路)，第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。

计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成。

图2.1 微处理器结构

（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，同时也是计算机内部数据信息的重要通路。运算器大体包括算术逻辑运算单元ALU、通用寄存器组、专用寄存器以及附加的控制线路。

（2）存储器是存放数据和程序的部件。计算机中的存储器按功能分为主存、辅存和高速缓冲存储器CACHE，由这3类存储器构成存储系统的层次结构。

（3）控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄存器、指令译码器和时序控制器等部件。

（4）输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口。

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2.2 主要技术要点 2.2.1 ALU部件

ALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。它的基本逻辑结构是先行进位加法器。74181是国际流行的4位ALU中规模集成电路，能对两个4位二进制代码进行16种算术运算和16种逻辑运算，这两类运算由M信号选择。16种运算又由S3S2S1S0四位控制选择。用Cn表示ALU的最低位进位输入，用Cn+4表示ALU的进位输出信号。

2.2.2. 存储体

静态MOS存储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。存储体是存储单元的集合。地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写电路。控制器根据CPU给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。

2.2.3 控制器

CPU的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完成。对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。控制器组成如下：

（1）指令计数器：存放要执行的下一条指令的地址 （2）指令寄存器：存放现行指令

（3）指令译码器：对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成部件

（4）脉冲源及启停控制电路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生于停止，实现对机器的启动和停机。

（5）时序信号产生部件：以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。

操作控制信号形成部件产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式或可编程逻辑阵列PLA方式。微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控制步编成一条微指令。微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。微指令的每一位代表一个微命令，也即代表了操作控制信号。微指令序列称为微程序，每一条机器指令对应一段微程序。计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。每条微指令具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微指令的地址。

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第3章 系统设计与实现

3.1 模型机结构

运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS237构成，暂存器2由U5-U6两片74LS237构成。微控器部分控存由U13-U15三片2816构成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H-FFH。

输出设备有底板上的四个LED数码管及其译码器、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可因不用

3.2 程序设计原理

3.2.1 数据格式及指令格式

（1）数据格式本模型机规定数据采用整数表示，字长为16位。

（2）指令格式模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、

访问及转移指令和停机指令。 1 算术逻辑指令。

设计九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：

2 访问指令及转移指令。

模型机设计两条访问指令，即存数、取数，转移指令，无条件转移(JMP)、指

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令格式如下：

表3.3 访问、转移指令格式

其中，OP-CODE为操作码，

rd为目的寄存器地址。D为位移量，M为寻址模式，其定义如下：

表3.4 寻址模式定义

3 I/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，选中输入设备，addr=10时，选中输出设备。

3.2.2 指令系统

本实验共14条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，表3.6列出各条指令的格式、汇编符号和指令功能。

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rd或rs 00 选择寄存器Ax 01选择寄存器BX 10选择寄存器CX

3.3 机器指令设计 地址

机器码

助记符号

说明

00 0048 IN AX,KIN 键盘输入－AX 01 0049 IN BX,KIN 键盘输入－BX 02 0094 ADD AX,BX Ax + Bx →Ax 03 0082 MOV CX,AX AX → CX 04 0046 OUT DISP,CX CX → LED 05 0049 IN BX,KIN 键盘输入－BX 06 00A4 SUB AX,BX Ax – Bx →Ax 07 00F0 ROL AX 左移(乘2) 08 0082 MOV CX,AX AX → CX 09 0046 OUT DISP,CX CX → LED 0A 0049 IN BX,KIN 键盘输入－BX 0B 00A4 SUB AX,BX AX – BX →AX 0C 0082 MOV CX,AX AX → CX 0D 0046 OUT DISP,CX CX → LED 0E 00E0 ROR AX 右移(除2) 0F 0082 MOV CX,AX AX → CX 10 0046 OUT DISP,CX CX → LED 11 00D0 NOT AX AX→Ax 12 0082 MOV CX,AX AX → CX 13 0046 OUT DISP,CX CX → LED 14 00B0 INC AX AX + 1 → AX 15 0082 MOV CX,AX AX → CX

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16 0046 OUT DISP,CX CX → LED 17 0008 JMP 00H 00H → PC 18 0000 3.4 联机实验 3.4.1 实验连线

图3.1 实验连线示意图

3.4.2 实验步骤

（1）按照实验指导说明书连接硬件系统；

（2）启动实验软件，打开实验课题菜单，选实验课题打开实验课题参数对话窗口： 微指令操作:

1 写：在编辑框中输入实验指导书中的微指令程序(格式：两位八进制微地址+空格+六位十六进制微代码)，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0010”写状态，然后按"写入"按钮,微程序写入控制存储器电路;

2 读：将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0100”读状态，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“读出”按钮,则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中;

3 保存：按“保存”按钮,微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中; 4 打开：按“打开”按钮,打开已有的微程序文件,并显示在编辑框中.

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机器指令操作:

1 写：在编辑框中输入自己设计的机器指令程序(格式：两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码),或直接自己预先编辑好的程序GENGGAI.MSM，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按“写入”按钮,机器指令写入存储器电路；（注：对于8位机，十六进制代码为2位；对于16位机，十六进制代码可以是2位，也可以是4位。)

2 读：将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按"读出"按钮

图3.2 微指令的读写

3 保存：按"保存"按钮,机器指令程序保存在一给定文件(*.ASM)中; 4 打开：按"打开"按钮,打开已有的机器指令程序文件,并显示在编辑框中.

图3.3 机器指令的写入

5 单步：在运行状态下运行程序前，先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后每按一次"单步"按钮,执行一条微指令。可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果。

6 连续：在连续运行程序前，先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按"连续"按钮,可连续执行程序。可从实验箱的指示灯和显示LED观察连续运行的结果。

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图3.4 连续运行

7 程序中间会要求输入数据：

图3.5 输入数据

3.4.3 实验测试：

本次实验设计的机器指令实现的功能为： (A+B-C)×2-D｝/2 然后求反，最后结果加1 输入数据：1111 ，5555，2224，4442 ；

中间结果输出：1111＋5555＝6666； （6666－2224）×2＝8884； 8884－4442＝4442； 4442/2＝2221； 2221最终结果输出：DDDE＋1＝DDDF；

DDDE；

｛

＝

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第4章 实验总结

本次课设中，我了解了实验箱EL-JY-II的设计，对实验提供给我们的实验项目都深

入的研究了，我选择了一个较完整的模型机平台来完成这次实验。

在实验中，我发现在实验八提供的平台的微代码有问题，我联系实验1中的S1,S2,S3,S4的设置，把错误找了出来，并通过运行，没有了错误，虽然不是什么太大的错误，但是我从改这个错误的过程中了解了机器代码的处理过程，在后来的实验过程中，我尝试更改更多的微代码，在更改的过程中，我发现有些能够更改，有些更改后不是自己设想的结果，于是我和老师进行了交流，在交流过程中我了解了其中的一些缘由，因为提供的环境不是很全，有些更改确实在本实验平台是无法实现的，要用到实验板上的更复杂的逻辑编程门阵列（FPGA，CPLD）等，已经超出了我们学习的知识范围，等待我们以后再来开发实现。

总的来说，本次课程设计中，我不但理解了模型机的原理，同时了解了许多实验外的东西，对我以后的学习很有帮助。不但这样，我还与同组的同学一块研究，一块开发增进了我们之间的友谊。因此说：本次课程设计是成功的。 发现的问题：

还不能脱离实验平台，自己来设计一个简单的模型机，对硬件的学习还需要更进一步。

参考资料

1. 《EL-JY-II型计算机组成原理实验系统（16位）实验指导书》

2. 《计算机组织与系统结构》 中国水利水电出版社 季福坤 荆淑霞

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评

语

指 导 教 师 评 语 及 设 计 成 绩

课程设计成绩：

指导教师：

日期：

年

月

日

14

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ail4.html