计算机组成原理-基本模型机设计与实现(共14页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 课 程 设 计课程名称： 计算机组成原理 设计题目： 基本模型机设计与实现 学 院： 信息工程与自动化 专 业： 计算机科学与技术 年 级： 学生姓名： 指导教师： 王海瑞 日 期： 教 务 处 制 课 程 设 计 任 务 书 信息工程与自动化 学院 计算机 专业 年级学生姓名： 课程设计题目： 基本模型机设计与实现 课程设计主要内容：利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。将所设计的微程序在计算机组成原理教学实验系统环境中进行测试，并给出测试思路和具体程序段。最后撰写出符合要求的课程设计报告。首先要确定所设计计算机的功能和用途，设计中根据功能和用途确定指令系统，数据的表示格式，位数，指令的编码，类型，需要设计那些指令和寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作以及总体结构设计之间的数据通路结构，在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微指令。设 计 指 导 教 师 （签字）： 教学基层组织负责人（签字）： 年 月 日目录一、基本模型机的设计41、 程序设计目的42、 程序设计基本原理4（1）实验模型机结构 4（2）机器指令的结构和功能 6（3）微指令格式 7二、微程序设计 81.微程序流程图82.二进制代码表 103.线路连接图 114.微指令代 12三、总结体会13四、参考文献14一、基本模型机的设计1、 程序设计目的（1）在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。（2）使用简单模型机和复杂模型机的部分机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。（3）掌握微程序控制器的组成原理。（4）掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行。（5）通过课程设计，使学生将掌握的计算机组成基本理论应用于实践中，在实际操作中加深对计算机各部件的组成和工作原理的理解，掌握微程序计算机中指令和微指令的编码方法，深入理解机器指令在计算机中的运行过程。2、 程序设计基本原理（1）实验模型机结构 1 运算器单元（ALU UINT）运算器单元由以下部分构成：两片74LS181构成了并串型8位ALU；两个8位寄存器DR1和DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。ALU的S0S3为运算控制端，Cn为最低进位输入，M为状态控制端。ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由ALU-B控制该三态门。2 寄存器堆单元（REG UNIT）该部分由3片8位寄存器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算结构等。三个寄存器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和RS-B根据机器指令进行选通。3 指令寄存器单元（INS UNIT） 指令寄存器单元中指令寄存器（IR）构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。4 时序电路单元（STATE UNIT）用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。5 微控器电路单元（MICROCONTROLLER UNIT） 微控器主要用来完成接受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。由输入的W/R信号控制微代码的输出锁存。由程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）实现程序的取指功能。6 逻辑译码单元（LOG UNIT） 用来根据机器指令及相应微代码进行译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，及工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。7 主存储器单元（MAIN MEM）用于存储实验中的机器指令。8 输入输出单元（INPUT/OUTPUT DEVICE）输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。根据以上要素设计数据通路框图,如图：（2）机器指令的结构和功能部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能，这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束一个指令周期全部由微指令组成序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。模型机的指令系统指令名称操作码指令功能输入（IN）0000将数据输入寄存器R0移数（MOV1）0001MOV REG,REG,寄存器直接寻址加法（ADD）0011R0+R1R0，加法运算移数（MOV2）0100MOV DATA,REG立即数直接寻址自增（INC）0110R0+1R0，R0自增无条件跳转（JMP）0111ADDRPC，执行指定的机器指令输出（OUT）1010在LED上输出R0取数（MOV3）1011相对寻址，目标地址PC+Disp，结果存R0循环右移（RRC）1101对R0中的数右移一位存入R0停机指令（HALT）1110执行结束本实验采用六条机器指令：IN,OUT,STA,加ADD,减SUB,循环左移RLC其指格式如下：地址内容助记符说明0000IN输入开关数据R0，采集数据0110ADD0AHR0+0AHR0020A地址0320STA0BHR00BH040B地址0530OUT0BH0BH BUS,输出显示060B地址0740SUB0AHR0-0AH R0080A地址0950RLC0A010B（3）微指令格式为了向RAM中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动程序执行,还必须设计三个控制台操作微程序.1)存储器读操作:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB,SWA 为”0 0”时,按START微动开关,可对RAM连续手动读操作.2)存储器写操作:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB SWA置为”0 1”时,按START微动开关可对RAM进行连续手动写入.3)启动程序:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB SWA置为“1 1”时,按START微动开关,既可转入到第01号“取址”微指令,启动程序运行.上述三条控制台指令用两个开关SWB SWA 的状态来设置,其定义如下读写变化SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）微代码定义如表所示：微程序2423222120-19181716151413控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BCuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段 B字段 P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000.000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC其中UA5-A0为后续地址，A、B、P三个译码字段，分别有三个控制译码出多位。字段中的四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，是微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。B字段中的RD-B、RI-B、分别为原寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存R0、R1、R2的选通译码。A8、A9为控制选通信号，当A8、A9为00时，选通SW-B；为01时，选通LED-B；为11时，表示均未选通。S0S3为运算控制信号，Cn为进位控制信号，M为状态控制信号。原理如下图在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号，目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。三字段中的其他位类似与此，均是某芯片的选通信号，它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P1测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1测试结果出现多路分支。本次课程设计用指令寄存器的前4位（I7-I4）作为测试条件，出现6路分支，占用6个固定微地址单元。控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWB，SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。当全部微程序设计完毕之后，应将每条微指令代码化二、微程序设计1、微程序流程图2、二进制微代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCuA5uA000 00000010001 11011011002 10000000103 00100000004 110 00000005 11000000006 01000000007 00010100010 11011011011 11011011012 01100100013 110110 11014 11011011015 11011011016 00000000017 0011010002011011011021 1101101102201000000023000000000240100000002511000000026110000000270001010003000010100031010000000320110010003300110100034110000000350000010003611000000037010 00000040000101000下面介绍指令寄存器（IR）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把他从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P (1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器：”（实验板上标有“INS DECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUT DEVICE）；另一种是数码块，它作为输出设备（OUT DEVICE）。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号（W/E）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。3、线路连接图4、机器指令程序设计(1) 按照实验指导书的接线图连接线路。(2)联机写入程序（微指令），按照实验要求的规定格式，将机器指令及微指令二进制代码表编辑成十六进制的文件机器指令微指令$P0000$M$P0110$M0101ED82$P020F$M0200C060$P0320$M0300E004$P040F$M$P0530$M0500E006$P0640$M0600B007$P070F$M0701A20F$P0850$M0800E00C$P0960$M0900E00A$P0A10$M0A00A00B$P0B70$M0B070A01$P0C10$M0C$P0D80$M0D00E00A$P0F01$M0F959A01$P1011$M1001ED92$P1100$M1100ED94$M1200A017$M$M$M16099A01$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A21C$M1C959A01$M1EF59A01$M1F00E008$M$M2101ED83$M2201ED85$M2301A216$M2401ED99$M2501A21E$M2601ED7F$M2701ED89$M三、总结体会此次的课程设计的主要内容是利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。将所设计的微程序在计算机组成原理教学实验系统环境中进行测试，并给出测试思路和具体程序段。确定所设计计算机的功能和用途，设计中根据功能和用途确定指令系统，数据的表示格式，位数，指令的编码，类型，需要设计那些指令和寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作以及总体结构设计之间的数据通路结构，在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微指令。最后撰写出符合要求的课程设计报告。经过这次课程设计，我体会到自己所学的东西太少了，很多都不知道。在做课程设计的这段时间我还是学到了不少东西。有些很基本的知识出现记混淆的现象，通过查书及询问同学，最终明白了。本次课程设计我们要设计一台微程序控制的模型机，以对计算机能有一个整机的概念,完成对计算机组成原理这门课程的综合应用，达到学习本书的作用。作为一个计算机系学生这是必需掌握的，使我们对数据选择器，移位器，加法器，运算器，存储器和微程序控制器，有了更多的认识。由于计算机设计的部件较多，结构原理较复杂，对于我们这样的初设计者来说感到无从下手，所以我们在整个过程中采取由浅入深，由简单到复杂的放法，通过这次设计，使我们能清楚的了解计算机的基本组成，基本原理和设计步骤，设计思路和调试步骤，最终能清晰的建立起整机概念，为独立完成计算机设计奠定了基础。课程设计结束了，从中我们也学到了不少知识。虽然计算机组成原理的课程设计与学习已经结束，可我们学习之路并没有结束，我们会继续努力学习其相关的知识，以适应社会的发展与需要，这样才能真正成为一名合格的大学生。在此次的设计中，感谢老师对我们的帮助和指导。过程还不够完善，希望老师继续指导。四、参考文献计算机组成原理,科学出版社，白中英著计算机组成原理实验指导书,清华大学出版社,王诚，宋佳兴，董长洪编著计算机组成原理课程设计指导,长安大学出版社, 周立著 计算机组成原理学习指导与训练,中国水利水电出版社,旷海兰等编著计算机组成原理与系统结构实验教程, 西安唐都科教仪器公司著计算机组成原理实验及课程设计指导,重庆大学出版社，张庸编著专心-专注-专业