基于多流水线复杂模型机的设计 论文.doc

基于多流水线复杂模型机
实验研究与实现
刘明明 胡春华 张楠 王长春 乌云毕丽格 陈盛
（新疆农业大学计算机与信息工程学院 计算机系）
摘要：
介绍了基于多流水线复杂模型机的原理，给出复杂模型机的原理框图，设计数据格式和指令格式，提供两种实验方式，单片机键盘操作和开关控制操作。分别对两种实验方式给了不同的连线图。
关键词：计算机组成原理；多流水线；运算器；存储器
Abstract：Introduces the more complex model line based on the principle of the machine, then the complex model machine principle diagram, designed data format and instruction format, offered two experimental method, SCM keyboard and switch control method. And circuit diagram.
Key words: computer principle; multi-line; ALU; memory
引言 计算机组成原理课程是计算机专业及电子信息类专业学生的必修核心课程之一，它为计算机和电子专业的学生学好后续计算机软硬件课程起着很重要的作用[1]。教学与科研相结合是培养学生实践能力的有效途径，所以教材的前部分实验课程是教师带领学生完成实验课程（EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统），后部分需要学生自己完成，以达到更深层次的理解。
一、多流水线复杂模型机原理
1.1 多流水复杂模型机逻辑框图
运算器ALU由U7—U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273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。
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。
输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、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。在键盘方式下，数据可由键盘输入，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以不用。

1.2 数据格式和寻址方式的设计
1.2.1数据格式
本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，其格式如下：
15
14 13…….. 0
符号
尾 数
其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768≤X<32767。
1.2.2指令格式：
1）算术逻辑指令
设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：
7 6 5 4
3 2
1 0
OP-CODE
rs
rd
其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：
OP-CODE
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
指令
CLR
MOV
ADD
SUB
INC
AND
NOT
ROR
ROL

Rs或rd
选定寄存器
00
Ax
01
Bx
10
Cx
2）存储器访问及转移指令
存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符MOV，但其操作码不同。转移指令只有一种，即无条件转移（JMP）。指令格式如下：
7 6
5 4
3 2
1 0
00
M
OP-CODE
Rd
D
其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不相同，如下表所示：
OP-CODE
00
01
10
指令说明
写存储器
读存储器
转移指令

寻址模式M
有效地址E
D定义
说 明
00
E=（PC）+1
立即数
立即寻址
10
E=D
直接地址
直接寻址
11
E=100H +D
直接地址
扩展直接寻址
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：
7 6 5 4
3 2
1 0
OP-CODE
addr
Rd
其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。
二、指令系统及微指令
2.1 指令系统
本模型机共有16 条基本指令，其中算术逻辑指令７条，访问内存指令和程序控制指令４条，输入输出指令２条，其它指令1 条。表X列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件，见下表X。
24
23
22
21
20
19
18
17
16
1514 13
12 11 10
9 8 7
6
5
4
3
2
1
S3
S2
S1
S0
M
Cn
WE
A9
A8
A
B
C
μA5
μA5
μA5
μA5
μA5
μA5
表X
2.2 微指令设计
确定自己修改的机器指令，从指令系统中能够找到该指令的指令格式，修改rs或者rd来修改机器指令。从微程序流程图中找到需要修改的机器指令，明白该条机器指令由几条微指令组成，取需修改的微指令的序号，把序号先换成八进制，再换成十六进制；从源程序清单中找到换成的十六进制序号，取序号后面的六位数。把六位数中的前两位数换成十六进制，在74LS181 的逻辑功能表中看第一位数的十六进制（即S3 S2 S1 S0）与微指令操作是否相符，以确认方法无误。然后把需修改的微指令中的S3 S2 S1 S0修改为想要的微指令的S3 S2 S1 S0。把第2位数的十六进制的前2个（即M Cn）进行修改。算术运算M=0，逻辑运算则M=1.有进位Cn=0，无进位Cn=1.把修改后的结果写入源程序中即可。
三、实验报告的设计
3.1 实验的操作方式
3.1.1 单片机键盘操作方式：
在各种控制信号中，有的是低电平有效，有的是高电平有效，请注意区别，具体可参见实验指导。
总线是计算机信息传输的公共通路。为保证总线信息的正确无误，总线上每次只能有一个控制信号有效，如果同时有两个或两个以上信号同时有效，会产生总线竞争而造成冲突甚至损坏芯片。故每次开始实验操作时均要先置相应控制开关电路的控制信号为“1”，高电平，对应的指示灯亮。
3.1.2 开关控制操作方式：
系统通电，K4开关拨到OFF，监控指示灯（数码管，以下数码管均指监控指示灯）上滚动显示【CLASS SELECt】，在该状态下，整个键盘可用键分别为：
系统检测键：按下该键，数码管显示【CHESYS】，（即CHECK SYSTEM的缩写），进入系统自检程序，具体说明见后述说明。
实验选择键：按下该键，数码管显示【ES--__】，进入实验课题选择，具体说明见后述说明。
联机键：按下该键，系统进入与上位机通讯状态，当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】，表示联机通讯成功。
结束语 实验完成一套完整的实验体系，完成了详细的计算机组成原理复杂模型机设计性实验指导书，对一些实用性及在研究过程中形成的较为成熟的项目提供详细的开发过程，通过对该项目在其他学科中可应用的前景进行了解，让同学们更深刻的理解了基于多流水线的模型机工作原理。这是教学与科研相结合是培养学生实践能力的有效途径，以培养具备实践能力和创新能力人才为目标，为我们大学生创新实践活动提供一个开发交流的平台。

参考文献：
[1] 颜俊松; 计算机组成原理实验教学研究与探索; 月重庆文理学院学报(自然科学版), 第27卷第1期,2008,(02)
[2] 蒋本珊; 计算机组成原理,北京：清华大学出版社, 2004