基本模型機設計與實現(xiàn).doc

課 程 設 計課程名稱： 計算機組成原理 設計題目： 基本模型機設計與實現(xiàn) 學 院： 信息工程與自動化 專 業(yè)： 計算機科學與技術 年 級： 學生姓名： 指導教師： 王海瑞 日 期： 教 務 處 制 課 程 設 計 任 務 書 信息工程與自動化 學院 計算機 專業(yè) 年級學生姓名： 課程設計題目： 基本模型機設計與實現(xiàn) 課程設計主要內(nèi)容：利用所學過的理論知識，特別是微程序設計的思想，寫出要設計的指令系統(tǒng)的微程序。將所設計的微程序在計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)環(huán)境中進行測試，并給出測試思路和具體程序段。最后撰寫出符合要求的課程設計報告。首先要確定所設計計算機的功能和用途，設計中根據(jù)功能和用途確定指令系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的表示格式，位數(shù)，指令的編碼，類型，需要設計那些指令和尋址方式。確定相對應指令所包含的微操作以及總體結(jié)構(gòu)設計之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，在此基礎上，就可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實現(xiàn)這些傳輸所需要的微指令。設 計 指 導 教 師 （簽字）： 教學基層組織負責人（簽字）： 年 月 日目錄一、基本模型機的設計41、 程序設計目的42、 程序設計任務和基本要求43、實驗原理 5 二、實驗內(nèi)容及步驟 81.實驗內(nèi)容 82.實驗步驟 103.實驗情況及記錄 14三、總結(jié)體會15四、參考文獻16一、基本模型機的設計1、 程序設計目的（1）掌握計算機系統(tǒng)組成及內(nèi)部工作機制、理解計算機各功能部件工作原理的基礎上，深入掌握信息流和控制信息流的流動過程，（2）加深計算機系統(tǒng)各模塊間相互關系的認識和整機的概念，培養(yǎng)開發(fā)和調(diào)試計算機的技能。（3）再設計實踐中提高應用所學專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。（4）掌握微程序的編寫、寫入，觀察微程序的運行。2、 程序設計任務和基本要求（1）按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，理解為程序控制器的設計原理。（2）設計給定機器指令系統(tǒng)遺跡微程序流程圖，安慰指令格式寫出微程序的微指令代碼（3）連接邏輯電路，完成啟動、測試、編程、校驗和運行，并觀測運行過程及結(jié)果。（4）將微程序控制器模塊與運算器模塊、存儲器模塊聯(lián)機，組成一臺模擬計算機。（5）用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。（6）通過在模型機上運行由機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關系，建立計算機的整機概念，掌握計算機的控制機制。（7）按指定應用項目進行匯編指令格式及功能設計，并設計相應的機器指令代碼，按照模型及數(shù)據(jù)通路設計實現(xiàn)機器指令功能的微程序。在PC機上編輯機器指令和微程序，裝載代碼到TDN-CM+實驗系統(tǒng)并運行，實現(xiàn)應用要求。3、實驗原理實驗數(shù)據(jù)框圖如圖4-1所示： 圖4-1基本模型機數(shù)據(jù)通道框圖（1）在模型機實驗中，數(shù)據(jù)通道的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存取出一條機器指令到執(zhí)行指令結(jié)束的一個指令周期，是由微指令組成的序列來完成的，即一條機器指令對應一個微程序。（2）本實驗我們將五條機器指令及有關數(shù)據(jù)寫入RAM和ROM中。通過CPU運行由五條機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關系。（3）微指令格式：24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 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 UA5 UA4 UA3 UA2 UA1 uA0 A字段 B字段 C字段15 14 13 選擇 12 11 10 選擇 9 8 7 選擇 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 LDRi 0 0 1 RS-B 0 0 1 P（1） 0 1 0 LDDR1 0 1 0 RD-B 0 1 0 P（2） 0 1 1 LDDR2 0 1 1 R1-B 0 1 1 P（3） 1 0 0 LDIR 1 0 0 299-B 1 0 0 P（4） 1 0 1 LOAD 1 0 1 ALU-B 1 0 1 AR 1 1 0 LDAR 1 1 0 PC-B 1 1 0 LDPC 其中A8、A9是2：4譯碼器（74LS139）的輸入端，Y0、Y1、Y2、Y3是譯碼器輸出端，其電路結(jié)構(gòu)如下： 其中Y0為SW-B，Y1為CE，Y2為LED-B，Y3為空。（1） 微程序流程圖如下： 運行微程序圖4-2基本模型機微程序流程圖（2） 微指令二進制代碼表如表4.2所示：表4.2微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5-UA0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 0 1 0 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 160 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1（3） 機器指令格式如表4.3所示：表4.3二、 實驗內(nèi)容及步驟1、實驗內(nèi)容（1）按圖4-3連接實驗線路，檢查無錯后通電。圖4-3 基本模型機接線圖（2）實驗程序 用基本的五條機器指令編寫實驗程序。該實驗程序作為例子已存在磁盤里，文件名為EX1，該程序包括機器指令程序和微指令程序，機器指令程序如下：（地址和內(nèi)容都是十六進制，機器指令的前4位為操作碼。）例子：微指令的微代碼如下：（內(nèi)容是十六進制）說明：十六進制微指令程序的微代碼的表示法是按照表4.2微指令二進制代碼表中從左到右分成3個8位，將此3個8位的二進制代碼化為相應的十六進制數(shù)即可。脫機手動輸入微代碼時，請將十六進制的微代碼的第1字節(jié)和第3字節(jié)內(nèi)容對換后輸入，即從開關MK24開始，先輸?shù)?字節(jié)，再輸?shù)?字節(jié)，最后輸?shù)?字節(jié)。而十六進制的地址要轉(zhuǎn)化為八進制輸入，內(nèi)容要轉(zhuǎn)化為二進制輸入。2、 實驗步驟與PC機聯(lián)機將上面的實驗程序（EX1）下載到實驗儀里，該程序包括機器指令程序和微指令程序，機器指令程序裝入6116存儲器（RAM）里，微指令程序裝入E2PROM2816控制存儲器（ROM）里，然后運行程序。（1） 實驗程序下載操作步驟：1 開機后，啟動Windows系統(tǒng)，雙擊桌面上的“組成原理實驗”快捷圖標，即可進入DVCC組成原理實驗系統(tǒng)主畫面。2 單擊該系統(tǒng)第三行的打開圖標，即可出現(xiàn)文件框，選擇文件名EX1并打開之。3 此時左邊的編輯窗口“新文件”變?yōu)椤癊X1”，在該窗口里顯示EX1的源文件，它包括機器指令程序和微指令程序的微代碼，$P開頭是機器指令程序,$M開頭是微指令程序的微代碼。4 單擊“調(diào)試”圖標，把打開的源文件下載到實驗儀里，在下載過程中屏幕上方出現(xiàn)“正在傳送文件”的提示，當文件傳送完畢，提示消失。5 文件傳送完畢，要檢查源文件是否正確傳送到實驗儀RAM（6116存儲器）和ROM（E2PROM2816控制存儲器）里，首先檢查實驗儀RAM的內(nèi)容，單擊“程序RAM”打開該窗口，查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令的地址和內(nèi)容是否一致，若不一致，重復4的操作，若一致，就單擊菜單欄中“調(diào)試”菜單，然后選擇并單擊“刷新數(shù)據(jù)”或按“F5”熱鍵對“程序RAM”窗口顯示的程序進行刷新。刷新完后，再查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令程序是否一致，若不一致，則要檢查用戶接線是否正確或?qū)嶒瀮x其他問題。6 然后再檢查實驗儀ROM的內(nèi)容，單擊“程序ROM” 打開該窗口，查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令的地址和內(nèi)容是否一致，若不一致，重復4的操作，若一致，就單擊菜單欄中“調(diào)試”菜單，然后選擇并單擊“刷新數(shù)據(jù)”或按“F5”熱鍵對“程序ROM”窗口顯示的程序進行刷新。刷新完后，再查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令程序是否一致，若不一致，則要檢查用戶接線是否正確或?qū)嶒瀮x其他問題。7 經(jīng)過上面5、6操作的檢查后，若程序正確，就可以運行程序。（2）運行程序時要求：1 程序運行前必須要求對微地址清零。撥動實驗儀右下角清零開關CLR（1-0-1）后，觀看實驗儀右上方的微地址顯示燈（UA0-UA5）是否全為零，若全為零，則正確，若不全為零，說明有問題，要檢查。2 使用單步微指令運行程序，單擊該系統(tǒng)第三行的“單步微指令”圖標即可。3 在每次單步執(zhí)行一條微指令的過程中，都要觀察屏幕動態(tài)流線顯示的運行結(jié)果，根據(jù)屏幕顯示的結(jié)果分析該條微指令的格式和功能是否一致。若不一致，必須檢查原因。（3）程序P00 20 ; IN 從數(shù)據(jù)開關輸入數(shù)據(jù)P01 60 ; STA RO-【0B】 將R0 中的內(nèi)容存儲到【0B】單元P02 0BP03 40 ; R0+【09】-R0 將R0 中的內(nèi)容加上【09】單元中的內(nèi)容的結(jié)果放入RO 中P04 0BP05 60 ; STA RO-【0C】 將R0 中的內(nèi)容存儲到【0C】單元P06 0CP07 80 ; OUT 【OC】 將【OC】中的內(nèi)容輸出顯示P08 0CP09 A0 ; JMP 【00】 跳轉(zhuǎn)到【00】重新執(zhí)行P0A 00P0B 00 ; DATA 這里是【0B】單元, 初始化為00HP0C 00 ; DATA 這里是【0C】單元, 初始化為00H（4）微程序M00 00 00 00 80M01 20 00 60 40M02 00 80 10 12M09 00 00 02 81M0A 20 00 60 C0M03 00 80 40 20M04 00 80 08 A0M05 80 00 04 60M06 40M0B 20 00 60 E0M07 00 80 40 68M16 80 80 01 80M0C 20 00 60 C8M13 00 80 40 28M14 03 80 00 80M0D 20 00 60 A8M15 00 C0 20 80M08 00 00 00 80 【注釋】其寫法是根據(jù)基本模型機系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路框圖以及微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表，在譯成二進制代碼時要根據(jù)基本模型機系統(tǒng)通路圖來定哪些開關有效,根據(jù)是否有效置1 或0 對應寫入微指令格式中,并將二進制代碼表轉(zhuǎn)換成十六進制格式文件。3、實現(xiàn)情況及記錄將實驗箱與電腦連接,然后打開Dais-CMH+ 計算機組成原理教學實驗系統(tǒng),然后輸入以上的程序和微程序,按裝載,如果裝載成功后,通過按微單步,一步步實現(xiàn)微程序,觀察每一步數(shù)據(jù)的變化.實驗中,PC 是程序計數(shù)器,用來計程序運行的步數(shù)執(zhí)行記錄情況:PC=00 PC=00PC=01-AR=00RAMDB=20-IR=20PC=02-AR=01IN=06-RO=06RAMDB=40-IR=40PC=03-AR=02RAMDB=00-AR=09RAMDB=00-DR2=00PC=03-DR1=03ALU=06-RO=06PC=04-AR=03RAMDB=60-IR=60PC=05-AR=04RAMDB=00-AR=0BRO=03-RAMDB=03PC=06-AR=05RAMDB=80-IR=80PC=07-AR=06RAMDB=03-AR=0BRAMDB=03