计算机组成原理组成课程设计.docx

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1、计算机组成原理组成课程设计 计算机组成原理组成课 程设计 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256） 计算机组成原理 课程设计报告 设计题目:中央处理器-微程序控制器设计 院系：计算机科学与技术学院 班级： 2022级4班 设计者： 指导教师：吴戴明 设计时间： 目录 一、课题分析 通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，编写相应的微程序，完成由基本单元电路构成一台基本模型机，再经过调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的正常工作控制信号。 在设计基本模型机的实验基础上，完成这次的课程设计。这次的课程设计将能在微程序控制下自动产生各

2、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的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一条微程序。 、设计目的 计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。 、设计任务 设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备。 在计算机组成原理与系统结构

3、实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。 、课程设计题目分析 基于我们对简单和复杂模型机的理解和实验，我们对课程设计分析 1.3.1、课题设计准备 、确定设计目标 确定所设计计算机的功能和用途。 、确定指令系统 确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。 、总体结构与数据通路 总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此

4、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命令。 综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。 、设计指令执行流程 数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。 、确定微程序地址 根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。、微指令代码化 根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应

5、的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。 、组装、调试 在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。 1.3.2读/写操作的认识 机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。 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。 存储器读操作（READ）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。 存储器写操作（WRITE）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、

6、SWA设置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。 启动程序（RUN）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第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： 二、总体设计 、设计原理 CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（RO）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，如图1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义

7、，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。 图1 基本CPU构成原理图 功能设计 本模型机和前面微程序控制器实验相比,共有5条指令：IN(输入)、ADD （二进制加法）、OUT(输出)、JMP(无条件转移)、HLT（停机），其指令格式如下： 助记符实现功能机器指令代码 IN0(R0) A-R0 0010 0000 IN1(R1) B-R1 0011 0000 ADD(R0，R1) A+B-R0 0000 0000 MUL(R0，R1) AvB-R0 0101 0000 AND(R0,R1) AB-R0 0110 0000 OUT(R0) A-O

8、UT 0111 0000 HLT NOP 1000 0000 均为单字节指令，*为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。 三、方案比较 方案一： (1) 选定CPU中所使用的产要器件； (2) 根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计指令流的数据通路； (3) 根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计数据流的数据通路。 计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进行传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的结构也就不样，因此数据通路的设计是至关重要的。所谓数据通路的设计，也就是确定

9、机器各逻辑部件相对位置的总框图。 数据远路的设计，目前还没有非常标准的方法。主要是依据设计者的经验，并参考现有机器的三种典型形式（单总线、双总线或三总线结构），根据指令系统的要求，可采用试探方法来完成。其主要步骤如下： (1) 对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周期与操作序列，以便决定各器件的类型和数量。 (2) 构成一个总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求。 (3) 检验全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号。 (4) 检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路。 方案二:

10、、用基本的五条机器指令编写实验程序。 程序如下：（地址和内容都是十六进制，机器指令的前4位为操作码。） 地址内容助记符说明 00 00 IN R0, 80H 80H R0。数据80H从实验仪左下方“INPUT DEVICE”中的8位数据开关D7D0输入，存入R0寄存器。 01 10 ADD R0, (0A) (R0)+(0A) R0。R0寄存器的内容与存储器0A地址单元的内容相加，结果存入R0寄存器。 02 0A 03 20 STA(0B), R0 R0 (0B)。R0寄存器的内容与存入存储器0B地址单元。 04 0B 05 30 OUT BUS, (0B) (0B) BUS。通过总线输出存储

11、器0B地址单元的内容。 06 0B 07 40 JMP 00 00 PC。无条件转移到00地址。 08 00 0A 01 存储器0A地址单元的数据，可自定。 0B 求和结果保存在存储器0B地址单元。 微指令的微代码如下：（内容是十六进制） 十六进制地址八进制地址内容十六进制地址八进制地址内容 00 00 108101 0D 15 018202 01 01 82ED01 0E 16 0FE000 02 02 48C000 0F 17 15A000 03 03 04E000 10 20 92ED01 04 04 05B000 11 21 94ED01 05 05 06A201 12 22 17A0

12、00 06 06 019A95 13 23 018001 07 07 0DE000 14 24 182000 08 10 011000 15 25 010A07 09 11 83ED01 16 26 81D100 0A 12 87ED01 17 27 100A07 0B 13 8EED01 18 30 118A06 0C 14 96ED01 、修改和编写实验仪RAM和ROM数据。 方案比较： 由于方案二更符合本次课程设计的内容，而且是基于我们平时做的基本模型机（包括简单模型机和复杂模型机两部分）的基础，所以做起来比较容易。因此，我们选择了方案二。 四、分步设计 小组成员设计任务分配 表一任务分配表 微程序控制器的设计 4.2.1 设计要求 1将所编写的微程序存储到控制存储器中； 2用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制信号； 3每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并记录相关实验结果； 4. 提交微程序流程图、对应的二进制微代码表 4.2.2 设计内容 1编写出实现自定义指令系统的微程序； 2将所编写的微程序存储到控制存储器中； 3在实验箱调试和完成微程序控制器的设计工作； 、指令周期流程图