硬布线控制器设计与调试 课程设计

成绩

中国农业大学

课程设计报告

（2015-2016学年夏季学期）

设计题目： 硬布线控制器设计与调试 课程名称： 计算机组成原理课程设计 任课教师： 黄岚 班 级： 计算机141 学 号： 1408010112 姓 名：

目录

一、

1. 2. 3.

课程设计简述： ........................................................................................................................................ 3 教学目的： ................................................................................................................................................ 3 课设任务： ................................................................................................................................................ 3 实验设备简介： ........................................................................................................................................ 3 3.1、 TEC4-A计算机组成原理实验系统[1] ....................................................................................... 3 3.2、 万用表 ........................................................................................................................................ 5 3.3、 PC机 .......................................................................................................................................... 5

二、 总体设计思路： ........................................................................................................................................ 5

1. 指令系统： ................................................................................................................................................ 5 2. 数据通路： ................................................................................................................................................ 6 3. 硬布线控制器的设计原理： .................................................................................................................... 7 三、 设计与调试方案： .................................................................................................................................... 7

1. 设计步骤： ................................................................................................................................................ 7

1.1. 根据数据通路得出指令周期流程图............................................................................................. 7 1.2. 根据指令流程图将微信号的输出条件列出： ........................................................................... 10 1.3. 根据微信号的输出条件写用ABEL语言表示的布尔表达式： ...............................................11 2. 调试步骤： .............................................................................................................................................. 14 四、 验证性实验： .......................................................................................................................................... 14

1. 课程设计要求的基础实验： .................................................................................................................. 14

预置寄存器及存储单元内容： .............................................................................................................. 14 程序代码： .............................................................................................................................................. 14 执行结果： .............................................................................................................................................. 15 2. 自备的检验性实验： .............................................................................................................................. 15

预置寄存器及存储单元内容： .............................................................................................................. 15 程序代码： .............................................................................................................................................. 15 执行结果： .............................................................................................................................................. 15

五、 课程设计中遇到的问题及体会： .......................................................................................................... 16 参考文献： .............................................................................................................................................................. 16

硬布线控制器的设计与调试课程设计报告

一、 课程设计简述：

1. 教学目的：

1) 融会贯通计算机组成原理课程和计算机系统结构课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对硬布线控制器的认识。

2) 学习运用ISP（在系统编程）技术进行设计和调试的基本步骤和方法，熟悉集成开发软件中设计调试工具的使用，体会ISP技术相对于传统开发技术的优点。 3) 培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。

2. 课设任务：

1) 按给定的数据格式和指令系统，在所提供的器件范围内，设计一台硬布线控制器控制的模型计算机。

2) 根据设计图纸，在通用实验台上进行组装，并调试成功。 3) 在组装调试成功的基础上，整理出设计图纸和其他文件，包括：

A. 总框图（数据通路图）； B. 硬布线控制器逻辑模块图；

C. 模块ABEL语言源程序（如果有的话）； D. 硬布线控制流程图； E. 元件排列图； F. 设计说明书； G. 调试小结。

3. 实验设备简介：

3.1、 TEC4-A计算机组成原理实验系统[1]

实验的主体设备，为课程设计提供了硬件基础；所有硬布线控制器及指令系统的设计和实现都基于该仪器的数据通路。现对该仪器简介如下：

A. TEC一4计算机组成原理实验系统特点:

1) 计算机模型简单、实用，运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。

2) 计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制，能够实现流水控制。 3) 控制器有微程序控制器或者硬布线控制器两种类型，每种类型又有流水和非

流水两种方案。

4) 实验台上包括了I片在系统编程芯片ispLSI1032，学生可用它实现硬布线控制

器。

5) 该系统能做运算器组成、双端口存储器、数据通路、微程序控制器、中断、

CPU组成与机器指令执行、流水微程序控制器、硬布线控制器、流水硬布线控制器等多种实验。电源部分采用模块电源，重量轻，具有抗电源对地短路能力。

B. TEC一4计算机组成原理实验系统的组成：

1) 控制台 2) 数据通路 3) 控制器

4) 用户自选器件试验区 5) 时序电路 6) 电源部分

C. TEC一4计算机组成原理实验系统信号标志及其作用

信号 LDIR(CER) LDPC(LDR4) PC＿ADD PC＿INC M4 LDIAR LDAR1(LDAR2) AR1＿INC M3 LDER IAR＿BUS# SW_BUS# RS_BUS# ALU_BUS 作用 为1时，允许对IR加载，此信号也可用于作为双端口存储器右端口选择CER 为1时，允许对程序计数器PC加载，此信号也可用于作为R4的加载允许信号LDR4。 为l时，进行PC+D操作。 为l时，进行PC+l操作 当M4=1时，R4从数据总线DBUS接收数据;当M4=0时，R4从指 令寄存器IR接收数据 为1时，对中断地址寄存器IAR加载 为1时，允许对地址寄存器AR1加载，此信号也可用于作为允许对地址寄存器AR2加载。 为1时，允许进行ARl+l操作 当M3=1时，AR2从数据总线DBUS接收数据;当M3=0时，AR2从程序计数器儿接收数据 为l时，允许对暂存寄存器ER加载。 低有效，为0时将中断地址寄存器IAR送数据总线DBUS。 低有效，为0时将控制台开关SW7一SW0送数据总线DBUS。 低有效，为0时将寄存器堆RF的B端口送数据总线DBUS 为l时，将ALU中的运算结果送数据总线DBUS CEL# LRW WRD LDDRl(LDDR2) 低有效，为0时允许双端口存储器左端口进行读、写操作 当LRW=l且CEL#=0时，双端口存储器左端口进行读操作;LRW=0且CEL#='0时，双端口存储器左端口进行写操作 为l时，允许对寄存器堆RF进行写操作 为1时允许对操作数寄存器DRl加载。此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2加载 当M1=1时，操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据;当M1=0时，操作数寄存器DRl从寄存器堆RF接收数据。此信号也可用于作为操作数寄存器DR2的数据来源选择信号 选择运算器ALU的运算类型 暂停微程序运行 M1(M2) S2、Sl、S0 TJ D. TEC一4计算机组成原理实验系统运算器功能表：

选 择 S2 0 0 0 0 1 S1 0 0 1 1 0 S0 0 1 0 1 0 操 作 A & B A & A（直通） A + B A - B A(低4位) X B(低4位)

3.2、 万用表

在调试阶段用于测量各个信号是否有效。 3.3、 PC机

用于运行设计自动化软件作设计、编程和下载使用。

二、 总体设计思路：

1. 指令系统：

为完成本次课程设计的内容要求、简化控制信号逻辑表达式，使用的指令系统及相应的编码如下：

控制台标志 二进制编码 微命令\\指令 ALU_BUS AR1_INC CEL# CER LDAR1 LDAR2 LDDR1 LDDR2 LDER LDIR LDPC LDR4 LRW M1 M2 M3 M4 PC_INC PC_ADD RS_BUS# S0 S1 S2 SW_BUS# SKIP TJ WRD SST0 000 PR2 W1 W1 W1 W1 0000 0001 0010 ADD SUB MUL W3 W3 W3 W2 W2 W2 W2 W2 W2 W3 W3 W3 W3(0) W3(1) W3(0) W3(1) W3(1) W3(0) W3(0) W3(0) W3(1) W4 W4 W4 ST=1 0011 0101 AND LDA W3 W3 W2 W2 W2 W3 W3 W3(1) W2 W3(0) W3(0) W3(0) W4 W4 0100 STA W4 W4 W2 W2 W2 W4 W2 1000 JMP W4 W4 W4 W4 W2 1001 JC W4&C W4&C W4&C W2 0110 STP W2 W4 1.3. 根据微信号的输出条件写用ABEL语言表示的布尔表达式：

ABEL代码如下：

MODULE Project

TITLE 'hard-wired control unit'

\ CLR PIN 3; \

MF,T1,W1,W2,W3,W4 PIN 5..10; IR4,IR5,IR6,IR7 PIN 12..15; SWC,SWB,SWA,C PIN 16,26..28;

\ MF1,SST0 NODE ISTYPE 'COM'; RUN,ST0 NODE ISTYPE 'REG'; LDIR,LDPC,PC_ADD,M4,PC_INC PIN 30.. 34 ISTYPE 'COM'; LDAR2,AR1_INC,M3,CEL,LRW,LDAR1, M1 PIN 35..41 ISTYPE 'COM'; LDER,SW_BUS,RS_BUS,WRD PIN 45..48 ISTYPE

'COM';

\ LDDR2,LDDR1 ,S2,S1,S0,ALU_BUS PIN 51..56 ISTYPE 'COM'; TJ,SKIP PIN 69,70 ISTYPE 'COM'; CLK = .C.;

EQUATIONS MF1 = !CLR & MF # T1; RUN := CLR & !ST0 # CLR & RUN; RUN.CLK = MF1; SST0 = !ST0 & RUN & W4; ST0 := CLR & SST0 # CLR & ST0; ST0.CLK = MF1; LDIR = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1 # ST0 & !SWC & SWB & SWA & W2 # ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W2; SKIP = !ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1 # !ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1 # !ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W1 # !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W1 # !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W1 # ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1 # ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W1 # ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & IR5 & !IR4 & W2; LDPC = !ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W4 & C; PC_ADD = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W4 & C # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4; M4 = !ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4; LDAR1 = !ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W4 # !ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W4 # !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4 # !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & W2; AR1_INC = ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W4 # ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W4; M3 = !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4 # !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4; CEL = !(ST0 & !SWC & SWB & W1 # ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1 # ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W1 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W3); LRW = ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1

# ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W3; LDER = ST0 & !SWC & SWB & SWA & W3 # ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W3 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W3; SW_BUS = !(!ST0 & !SWC & W4 # !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & SWB & W1 # ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W1 # ST0 & !SWC & SWB & SWA & W3); RS_BUS = !(ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & IR7 & !IR6 & !IR5 & !IR4 & W4); WRD = ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & IR4 & W4; LDDR1 = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W2 ; LDDR2 = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W2 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W2; S2 = ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & !IR6 & IR5 & !IR4 & W3; S1 = ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & !IR6 & !IR5 & W3; S0 = ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & !IR6 & !IR5 & IR4 & W3 # ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W4; ALU_BUS = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & !IR7 & !IR6 & W3 # ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & IR6 & !IR5 & !IR4 & W4; TJ = !ST0 & !SWC & SWB & W4 # !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & SWA & W1 # ST0 & !SWC & SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & SWB & SWA & W2 # ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4 # ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWA & !SWB & !SWC & !IR7 & IR6 & IR5 & !IR4 & W4; LDAR2 = !ST0 & !SWC & SWB & SWA & W4 # !ST0 & SWC & !SWB & !SWA & W4 # ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1; PC_INC = ST0 & !SWC & !SWB & !SWA & W1; END

2. 调试步骤：

试运行硬布线模拟计算机时，若出现错误，则通过如下步骤查错： 1. 将模拟计算机运行方式由连续运行①改为单拍运行②；

2. 使用万用表测量控制信号，判断模拟计算机数据通路微控制信号是否与指令周期

流程图中相应节拍应有信号相同； 3. 若2中有微信号与流程框图不同：

a) 测量控制器端信号是否正常，判断是否为连线出问题 b) 检查相应微信号的ABEL逻辑语句是否出现问题

4. 若2中微信号与流程框图均相同且3中未检查出错误，根据数据通路判断是否为

流程框图出现问题。

四、 验证性实验：

1. 课程设计要求的基础实验：

因实验操作步骤与计组实验中【实验五、CPU组成与机器指令执行实验】相同，故具体操作不再赘述，现将过程概述如下：

预置寄存器及存储单元内容：

R2 -- 60H R3 -- 61H (60H) -- 83H (61H) -- 24H 程序代码：

符号语言 LDA R0,[R2] LDA R1,[R3] ADD R0,R1 STP

机器语言

(00H)01011000 58H (01H)01011101 5DH (02H)00000100 04H (03H)01100000 60H

⑤ DP,DB,DZ=0

② DP=1,DB,DZ=0）

执行结果：

R0 -- A7H R1 -- 24H R2 -- 60H R3

--

61H

2. 自备的检验性实验：

注意到若只按原实验五要求进行验证性实验，将有多个指令的正确性存疑，因此本组设计了如下检验性实验，力争覆盖所有指令：

预置寄存器及存储单元内容：

R2 -- 60H R3 -- 61H (60H) -- FFH (61H) -- 01H 程序代码：

符号语言 机器语言

LDA R0,[R2] (00H)01011000 58H LDA R1,[R3] (01H)01011101 5DH ADD R0,R1 (02H)00000100 04H JC 06H (03H)10010110 96H AND R0,R1

(04H)00110100 34H STP

(05H)01100000 60H

SUB R0,R2(R0=A0H) (0AH)00011000 18H STA R1,R2 (0BH)01001001 45H STP

(0CH)01100000 60H

执行结果：

R0 -- A0H R1

-- 01H

R2 R3

-- 60H -- 61H

(60H) -- 01H

五、 课程设计中遇到的问题及体会：

本次实验主要涉及《计算机组成原理》中与硬布线控制器及数据通路有关的知识点，并没有特别大的理论难度；而在设计角度上，由于老师给出了ST切换的方法，实现了控制台命令中节拍循环执行的问题，大大减少了设计上的困难。因此，本次课设最大的难点反而是能否是细心地完成每一项伪指令的布尔表达式。在验证硬连线控制器设计是否正确的过程中，由于粗心地将取指周期（W1）中的M3=0的情况用布尔表达式误写为M3=1，导致AR2无法选中PC，所有的指令均无法执行，浪费了很多时间。作为计算机系的学生，正因为我们所有的工作容错性都很低，所以更需要加倍得细心，每一个细节都可能会成为限制我们发展上限的潜在敌人。

参考文献：

[1]. TEC4模型计算机介绍.[Z].北京 [2]. 白中英.计算机组成原理（第五版·立体化教材）[M].北京.科学出版社: 2013

R2 R3

-- 60H -- 61H

(60H) -- 01H

五、 课程设计中遇到的问题及体会：

本次实验主要涉及《计算机组成原理》中与硬布线控制器及数据通路有关的知识点，并没有特别大的理论难度；而在设计角度上，由于老师给出了ST切换的方法，实现了控制台命令中节拍循环执行的问题，大大减少了设计上的困难。因此，本次课设最大的难点反而是能否是细心地完成每一项伪指令的布尔表达式。在验证硬连线控制器设计是否正确的过程中，由于粗心地将取指周期（W1）中的M3=0的情况用布尔表达式误写为M3=1，导致AR2无法选中PC，所有的指令均无法执行，浪费了很多时间。作为计算机系的学生，正因为我们所有的工作容错性都很低，所以更需要加倍得细心，每一个细节都可能会成为限制我们发展上限的潜在敌人。

参考文献：

[1]. TEC4模型计算机介绍.[Z].北京 [2]. 白中英.计算机组成原理（第五版·立体化教材）[M].北京.科学出版社: 2013

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d0ux.html