計(jì)算機(jī)組成原理一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

1、.計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)一、教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 教學(xué)目的（1）融會(huì)貫通本課程各章節(jié)的內(nèi)容，通過(guò)知識(shí)的綜合運(yùn)用，加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，加深計(jì)算機(jī)工作中“時(shí)間空間”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。 （2）學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和調(diào)試計(jì)算機(jī)的基本步驟和方法，提高使用軟件仿真工具和集成電路的基本技能。（3）培養(yǎng)科學(xué)研究的獨(dú)立工作能力，取得工程設(shè)計(jì)與組裝調(diào)試的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。2設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)（1）按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，在所提供的器件范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)一臺(tái)微程序控制的模型計(jì)算機(jī)。 （2）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在max+plus 平臺(tái)上進(jìn)行仿真，并下載到el教學(xué)實(shí)驗(yàn)

2、箱上進(jìn)行調(diào)試成功。（3）在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計(jì)圖紙和其他文件。包括：總框圖(數(shù)據(jù)通路圖)；微程序控制器邏輯圖；微程序流程圖；微程序代碼表；元件排列圖（或vhd程序清單）；設(shè)計(jì)說(shuō)明書；調(diào)試小結(jié)。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1） pc機(jī)一臺(tái)（2） el教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱（3） max+plus 配套軟件二、數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)本模型機(jī)是一個(gè)8位定點(diǎn)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，具有四個(gè)通用寄存器：r0r3，能執(zhí)行11條指令，主存容量為256kb。1 數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)按規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法，字長(zhǎng)為8位，其中最高位（第7位）為符號(hào)位，小數(shù)點(diǎn)位置定在符號(hào)位后面，其格式如下：數(shù)值相對(duì)于十進(jìn)制數(shù)的表示范圍為： 1x1272 指令格式及功能由

3、于本模型機(jī)機(jī)器字只有8位二進(jìn)制長(zhǎng)度，故使用單字長(zhǎng)指令和雙字長(zhǎng)指令。 ldr ri，d格式 7 4 3 2 1 00 0 0 0ri不 用d功能：rim（d）（2） str ri，d格式 7 4 3 2 1 00 0 0 1ri不 用d功能：m（d）（ri）（3） add ri，rj格式 7 4 3 2 1 00 0 1 0rirj功能：ri （ri） （rj）（4） sub ri，rj格式 7 4 3 2 1 00 0 1 1rirj功能：ri （ri） （rj）（5） and ri，rj格式 7 4 3 2 1 00 1 0 0rirj功能：ri （ri） （rj）（6） or ri，rj格

4、式 7 4 3 2 1 00 1 0 1rirj功能：ri （ri） （rj）（7） mul ri，rj格式 7 4 3 2 1 00 1 1 0rirj功能：ri （ri） （rj）（8） 轉(zhuǎn)移指令格式 7 4 3 2 1 00 1 1 1條件不 用d功能： 條件碼 00 無(wú)條件轉(zhuǎn)移 pc d01 有進(jìn)位轉(zhuǎn)移 pc d10 結(jié)果為0轉(zhuǎn)移 pc d11 結(jié)果為負(fù)轉(zhuǎn)移 pc d in ri，m j格式 7 4 3 2 1 01 0 0 0rimj其中m j為設(shè)備地址，可以指定四種外圍設(shè)備，當(dāng)m j=01時(shí)，選中實(shí)驗(yàn)箱的二進(jìn)制代碼開關(guān)。功能： ri （m j） out ri，m j格式 7 4 3

5、 2 1 01 0 0 0rimj當(dāng)m j=10時(shí)，選中實(shí)驗(yàn)箱的顯示燈。功能： （m j） ri halt（停機(jī)指令）格式 7 4 3 2 1 01 0 0 0不用不用 功能： 用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)。 三、總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是(1) 選定cpu中所使用的產(chǎn)要器件；(2) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)指令流的數(shù)據(jù)通路；(3) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通路。計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是不同的數(shù)據(jù)流在控制信號(hào)作用下在限定的數(shù)據(jù)通路中進(jìn)行傳送。數(shù)據(jù)通路不同，指令所經(jīng)過(guò)的操作過(guò)程也不同，機(jī)器的結(jié)構(gòu)也就不樣，因此數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。所謂數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，也就是確

6、定機(jī)器各邏輯部件相對(duì)位置的總框圖。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)路的設(shè)計(jì)，目前還沒(méi)有非常標(biāo)準(zhǔn)的方法。主要是依據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，并參考現(xiàn)有機(jī)器的三種典型形式（單總線、雙總線或三總線結(jié)構(gòu)），根據(jù)指令系統(tǒng)的要求，可采用試探方法來(lái)完成。其主要步驟如下： (1) 對(duì)指令系統(tǒng)中的各條指令進(jìn)行分析，得出所需要的指令周期與操作序列，以便決定各器件的類型和數(shù)量。 (2) 構(gòu)成一個(gè)總框圖草圖，進(jìn)行各邏輯部件之間的互相連接，即初步確定數(shù)據(jù)通路，使得由指令系統(tǒng)所包涵的數(shù)據(jù)通路都能實(shí)現(xiàn)，并滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。 (3) 檢驗(yàn)全部指令周期的操作序列，確定所需要的控制點(diǎn)和控制信號(hào)。 (4) 檢查所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通路，盡可能降低成本，簡(jiǎn)化線路。以上過(guò)程可以

7、反復(fù)進(jìn)行，以便得到一個(gè)較好的方案。圖1給出了一個(gè)沒(méi)有考慮乘法除法指令操作的總框圖參考方案，注意，在此方案確定之后，應(yīng)該檢查所選用的各個(gè)器件是否滿足數(shù)據(jù)通路的要求。實(shí)際上，數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)與器件的選擇應(yīng)同時(shí)進(jìn)行而不能分離地工作。其次，接入總線的器件都要有三態(tài)輸出，以便與總線連接。另外，在信息傳送過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意器件原碼和反碼輸出的配合關(guān)系。圖1所示的方案采用單總線結(jié)構(gòu)，使用的許多器件都是三態(tài)輸出，這種方案便于總線的連接和擴(kuò)展，但缺點(diǎn)是指令和數(shù)據(jù)的傳送都要經(jīng)過(guò)總線，因此對(duì)總線的使用權(quán)就要分配得當(dāng)。另外，執(zhí)行算術(shù)邏輯指令時(shí)，先將第一個(gè)操作數(shù)由通用寄存器ri送至緩沖寄存器dr1，然后再由通用寄存器rj取第

8、二個(gè)操作數(shù)送至緩沖寄存器dr2，之后送往alu進(jìn)行運(yùn)算。顯然，執(zhí)行條算術(shù)邏輯指令的時(shí)間相應(yīng)要長(zhǎng)一些。 圖1 模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖四、微程序控制器數(shù)據(jù)通路框圖旦確定，指令流與數(shù)據(jù)流的通路也就隨之最后確定，因而運(yùn)算器和控制器的大部分結(jié)構(gòu)也就確定下來(lái)了。圖1中各功能器件上還標(biāo)注了控制點(diǎn)及其控制信號(hào)這些控制信號(hào)就是微程序控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的依據(jù)。1微指令格式微指令格式建議采用水平型微指令，微命令編碼采用直接表示法和分段直接譯碼法相結(jié)合的混合表示法，以縮短微指令長(zhǎng)度。后繼地址采用斷定方式。微指令格式如下：控制字段判別字段下址字段同學(xué)們應(yīng)根據(jù)本模型的具體情況來(lái)確定各字段的長(zhǎng)度。2 微程序控制器根據(jù)微指令和微程序

9、的長(zhǎng)度，確定控制存儲(chǔ)器需選用幾片eprom（2716）用位擴(kuò)展方式組成。3微程序設(shè)計(jì)將機(jī)器的全部指令系統(tǒng)采用微指令序列實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，叫做微程序設(shè)計(jì)。一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，11條機(jī)器指令應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)11個(gè)微程序。微指令格式確定后，微程序的橫向設(shè)計(jì)在于正確地選擇數(shù)據(jù)通路，縱向設(shè)計(jì)在于確定后繼微指令地址事實(shí)上，微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于縱向設(shè)計(jì)，即如何確定下一條微指令的地址。通常的做法是先確定微程序分支處的微地址，因?yàn)槲⒊绦蚍种幮枰M(jìn)行判別測(cè)試。這些微地址確定以后，就可以在一個(gè)“微地址表”中把相應(yīng)的微地址單元填進(jìn)去，以免后面的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用而未發(fā)現(xiàn)，以致造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。五、輸入輸出輸入輸出是人機(jī)聯(lián)系的重要

10、手段，輸入可采用開關(guān)、鍵盤等方式，輸出可采用字符顯示或打印輸出等方式?？紤]到成本與設(shè)備因素，本模型機(jī)采用最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制開關(guān)輸入和發(fā)光二極管顯示的方法，換句話說(shuō)，本模型機(jī)中只使用兩種“外部設(shè)備”：一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備；另一種是發(fā)光二極管，它作為輸出設(shè)備。本設(shè)計(jì)為了節(jié)省器件，輸入輸出時(shí)可以不設(shè)置專門的數(shù)據(jù)緩沖寄存器。例如輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也就不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線bus上，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管進(jìn)行顯示。如果采用正規(guī)的輸入輸出方法，可采用相應(yīng)的器件構(gòu)成接口電路。六、組裝與調(diào)試1 元器件的布局與連接由圖1看出，數(shù)據(jù)通路一

11、旦確定之后，在調(diào)試過(guò)程中將會(huì)很少有變化。因此從組裝和調(diào)試的角度來(lái)看，模型機(jī)總框圖可劃分為如下三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊：(1)運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和系統(tǒng)總線(2)時(shí)序產(chǎn)生器(3)微程序控制器本模型機(jī)所使用的器件較多，布線的工作量相當(dāng)大，希望同學(xué)們認(rèn)真、細(xì)致地工作。元器件布局的一般原則是盡心能地按功能電路相對(duì)集中，這樣做的好處是各器件之間的連線較短，同時(shí)也便于組裝和調(diào)試 為了安裝和調(diào)試檢查方便，集成電路應(yīng)當(dāng)以相同方向排列。通?？偸前鸭呻娐菲亩ㄎ蝗笨谙蜃?，此時(shí)它的電源腳在左上角，接地腳在右下角。這種排列有利于設(shè)置電源線與地線。規(guī)整的布線不僅對(duì)調(diào)試維修帶來(lái)方便，也可以保證線路可靠地工作，任何馬馬虎虎的接線將會(huì)給調(diào)試帶來(lái)難以想象的后果，因此在布線前必須對(duì)布線質(zhì)量給予高度重視。2 分調(diào)試按功能模塊進(jìn)行分調(diào)是實(shí)現(xiàn)總調(diào)的前提和基礎(chǔ)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證全機(jī)的正確運(yùn)行。為此必須步一個(gè)腳印、精心做好分調(diào)試，切不可趕急圖快，以免在未做好分調(diào)的情況下進(jìn)入總調(diào)，而最后又不得不返回頭來(lái)重新分調(diào)。分調(diào)的重點(diǎn)放在時(shí)序產(chǎn)生器和微程序控制器上。3 總調(diào)當(dāng)各模塊分調(diào)正常后，可將控制器發(fā)出的控制信號(hào)線接到相應(yīng)的功能部件中去，轉(zhuǎn)入全機(jī)總調(diào)試。 總調(diào)的第一步，事實(shí)上是檢查全部微程序流程圖。方法是用單步方式讀出并執(zhí)行微指令。進(jìn)行的順序是：