計算機組成原理一臺模型計算機的設(shè)計

1、.計算機組成原理課程設(shè)計一臺模型計算機的設(shè)計一、教學(xué)目的、任務(wù)與實驗設(shè)備1 教學(xué)目的（1）融會貫通本課程各章節(jié)的內(nèi)容，通過知識的綜合運用，加深對計算機系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認識，加深計算機工作中“時間空間”概念的理解，從而清晰地建立計算機的整機概念。 （2）學(xué)習(xí)設(shè)計和調(diào)試計算機的基本步驟和方法，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)研究的獨立工作能力，取得工程設(shè)計與組裝調(diào)試的實踐和經(jīng)驗。2設(shè)計與調(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)計一臺微程序控制的模型計算機。 （2）根據(jù)設(shè)計圖紙，在max+plus 平臺上進行仿真，并下載到el教學(xué)實驗

2、箱上進行調(diào)試成功。（3）在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計圖紙和其他文件。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)計說明書；調(diào)試小結(jié)。2 實驗設(shè)備（1） pc機一臺（2） el教學(xué)實驗箱（3） max+plus 配套軟件二、數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)本模型機是一個8位定點二進制計算機，具有四個通用寄存器：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)定采用定點補碼表示法，字長為8位，其中最高位（第7位）為符號位，小數(shù)點位置定在符號位后面，其格式如下：數(shù)值相對于十進制數(shù)的表示范圍為： 1x1272 指令格式及功能由

3、于本模型機機器字只有8位二進制長度，故使用單字長指令和雙字長指令。 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 無條件轉(zhuǎn)移 pc d01 有進位轉(zhuǎn)移 pc d10 結(jié)果為0轉(zhuǎn)移 pc d11 結(jié)果為負轉(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m j=01時，選中實驗箱的二進制代碼開關(guān)。功能： ri （m j） out ri，m j格式 7 4 3

5、 2 1 01 0 0 0rimj當m j=10時，選中實驗箱的顯示燈。功能： （m j） ri halt（停機指令）格式 7 4 3 2 1 01 0 0 0不用不用 功能： 用于實現(xiàn)停機。 三、總體設(shè)計總體設(shè)計的主要任務(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)計指標，設(shè)計指令流的數(shù)據(jù)通路；(3) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計指標，設(shè)計數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通路。計算機的工作過程，實質(zhì)上是不同的數(shù)據(jù)流在控制信號作用下在限定的數(shù)據(jù)通路中進行傳送。數(shù)據(jù)通路不同，指令所經(jīng)過的操作過程也不同，機器的結(jié)構(gòu)也就不樣，因此數(shù)據(jù)通路的設(shè)計是至關(guān)重要的。所謂數(shù)據(jù)通路的設(shè)計，也就是確

6、定機器各邏輯部件相對位置的總框圖。數(shù)據(jù)遠路的設(shè)計，目前還沒有非常標準的方法。主要是依據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗，并參考現(xiàn)有機器的三種典型形式（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，可采用試探方法來完成。其主要步驟如下： (1) 對指令系統(tǒng)中的各條指令進行分析，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)成一個總框圖草圖，進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)通路都能實現(xiàn)，并滿足技術(shù)指標的要求。 (3) 檢驗全部指令周期的操作序列，確定所需要的控制點和控制信號。 (4) 檢查所設(shè)計的數(shù)據(jù)通路，盡可能降低成本，簡化線路。以上過程可以

7、反復(fù)進行，以便得到一個較好的方案。圖1給出了一個沒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器件是否滿足數(shù)據(jù)通路的要求。實際上，數(shù)據(jù)通路的設(shè)計與器件的選擇應(yīng)同時進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，在信息傳送過程中應(yīng)當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展，但缺點是指令和數(shù)據(jù)的傳送都要經(jīng)過總線，因此對總線的使用權(quán)就要分配得當。另外，執(zhí)行算術(shù)邏輯指令時，先將第一個操作數(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、二個操作數(shù)送至緩沖寄存器dr2，之后送往alu進行運算。顯然，執(zhí)行條算術(shù)邏輯指令的時間相應(yīng)要長一些。 圖1 模型機數(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，因而運算器和控制器的大部分結(jié)構(gòu)也就確定下來了。圖1中各功能器件上還標注了控制點及其控制信號這些控制信號就是微程序控制器進行設(shè)計的依據(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確定各字段的長度。2 微程序控制器根據(jù)微指令和微程序

9、的長度，確定控制存儲器需選用幾片eprom（2716）用位擴展方式組成。3微程序設(shè)計將機器的全部指令系統(tǒng)采用微指令序列實現(xiàn)的過程，叫做微程序設(shè)計。一條機器指令對應(yīng)一個微程序，11條機器指令應(yīng)當對應(yīng)11個微程序。微指令格式確定后，微程序的橫向設(shè)計在于正確地選擇數(shù)據(jù)通路，縱向設(shè)計在于確定后繼微指令地址事實上，微程序設(shè)計的關(guān)鍵在于縱向設(shè)計，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，因為微程序分支處需要進行判別測試。這些微地址確定以后，就可以在一個“微地址表”中把相應(yīng)的微地址單元填進去，以免后面的設(shè)計中重復(fù)使用而未發(fā)現(xiàn)，以致造成設(shè)計錯誤。五、輸入輸出輸入輸出是人機聯(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，本模型機采用最簡單的二進制開關(guān)輸入和發(fā)光二極管顯示的方法，換句話說，本模型機中只使用兩種“外部設(shè)備”：一種是二進制代碼開關(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)計為了節(jié)省器件，輸入輸出時可以不設(shè)置專門的數(shù)據(jù)緩沖寄存器。例如輸入時，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(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，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線bus上，驅(qū)動發(fā)光二極管進行顯示。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)試過程中將會很少有變化。因此從組裝和調(diào)試的角度來看，模型機總框圖可劃分為如下三個相對獨立的功能模塊：(1)運算器、存儲器和系統(tǒng)總線(2)時序產(chǎn)生器(3)微程序控制器本模型機所使用的器件較多，布線的工作量相當大，希望同學(xué)們認真、細致地工作。元器件布局的一般原則是盡心能地按功能電路相對集中，這樣做的好處是各器件之間的連線較短，同時也便于組裝和調(diào)試 為了安裝和調(diào)試檢查方便，集成電路應(yīng)當以相同方向排列。通?？偸前鸭呻娐菲亩ㄎ蝗笨谙蜃螅藭r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)整的布線不僅對調(diào)試維修帶來方便，也可以保證線路可靠地工作，任何馬馬虎虎的接線將會給調(diào)試帶來難以想象的后果，因此在布線前必須對布線質(zhì)量給予高度重視。2 分調(diào)試按功能模塊進行分調(diào)是實現(xiàn)總調(diào)的前提和基礎(chǔ)，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證全機的正確運行。為此必須步一個腳印、精心做好分調(diào)試，切不可趕急圖快，以免在未做好分調(diào)的情況下進入總調(diào)，而最后又不得不返回頭來重新分調(diào)。分調(diào)的重點放在時序產(chǎn)生器和微程序控制器上。3 總調(diào)當各模塊分調(diào)正常后，可將控制器發(fā)出的控制信號線接到相應(yīng)的功能部件中去，轉(zhuǎn)入全機總調(diào)試。 總調(diào)的第一步，事實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。進行的順序是：