計算機組成原理模型機設計與實現(xiàn)報告

1、 課 程 設 計課程名稱 計算機組成原理 題 目 模型機設計與實現(xiàn) 2016 年 6 月 26日課程設計任務書設計題目： 模型機設計與實現(xiàn) 設計目的：利用基本模型機的構建與調試實驗，完整地建立計算機硬件的整機模型，掌握CPU的基本結構和控制流程，掌握指令執(zhí)行的基本過程。設計任務 （在規(guī)定的時間內完成下列任務）1.掌握CISC微控制器功能與微指令格式2.設計五條機器指令,并編寫對應的微程序3.在TDN-CM+教學實驗系統(tǒng)中調試機器指令程序,確認運行結果時間安排（集中時間） 1.第18周周一(1-4):全體集中講解課程設計原理與方法2.第18周周一周四(1-4):分班調試，撰寫設計報告3.第18周

2、周五：驗收及答辯。具體要求1.周一：熟悉任務，掌握設備2.周一：完成模型機的實驗線路連接 3.周二：調試模型機，記錄實驗結果 4.周三：擬定課程設計報告大綱5.周四、五：撰寫并打印課程設計報告 指導教師簽名： 2016年6月29日教研室主任簽名： 2016年 月 日1. 實驗目的1.1 在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統(tǒng)構造一臺基本模型計算機。1.2 為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上機調試掌握整機概念。2. 實驗設備：2.1TDN-CM+或 TDN-CM+教學實驗系統(tǒng)一臺。2.2PC 微機一臺。3. 實驗原理：部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的

3、，而本次實驗將在微程序 控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制 將由微程序控制器來完成，CPU 從內存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期 全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一段微程序。本實驗采用五條機器指令：IN（輸入） 、ADD（二進制加法） 、STA（存數(shù)） 、OUT（輸 出） 、JMP（無條件轉移） 、其指令格式如下（前位為操作碼） ：其中IN為單字長（位），其余為雙字長指令，××××××××為addr對應的二進制地址碼。為了向 RAM 中裝

4、入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設計 三個控制臺操作微程序。存儲器讀操作（KRD ）：撥動總清開關 CLR 后，控制臺開關 SWB、SWA 為“”時， 按 START 微動開關，可對 RAM 連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作（KWE）：撥動總清開關 CLR 后，控制臺開關 SWB、SWA 置為“” 時，按 START 微動開關可對 RAM 進行連續(xù)手動寫入。啟動程序：撥動總清開關 CLR 后，控制臺開關 SWB、SWA 置為“”時，按 START微動開關，即可轉入到第 01 號“取址”微指令，啟動程序運行。上述三條控制臺指令用兩個開關 SWB、SWA 的狀態(tài)來設置，其定義如

5、下：根據(jù)以上要求設計數(shù)據(jù)通路框圖，如圖5-1。微代碼定義如表5-1 所示。圖5-1 數(shù)據(jù)通路框圖系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖5-2，這里“取指”是公用微指令，為了能確定不同機器 指令有各自不同的微程序轉向，我們在這里以指令寄存器的前位（IR7IR4）作為測試條 件，引入了P（1）指令測試字段，如此，對于5條機器指令，就可以有5路P（1）測試分支，對于每一指令分別予以微程序解釋?？刂婆_操作為P（4）測試，它以控制臺開關SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單元地

6、址為8進制。當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，表5-2 即為將圖5-2 的微程序流程圖按微指令格式轉化而成的“二進制微代碼表” 。表5-1 微代碼定義圖5-2 微程序流程圖表5-2 二進制代碼表微地址S3 S2 S1 S0M CN WE A9 A8ABCA5A0000000000110 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020000000011 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030000000011 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040000000010 1

7、10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050000000110 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061001010110 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070000000011 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100000000000 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130000000111 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140000000111 1 01 1

8、 01 1 00 1 0 1 1 0150000001010 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160000000011 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170000000010 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220000000010 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230000000110 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240000000000 1 00 0 00

9、0 00 1 1 0 0 0250000011100 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260000000011 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270000011100 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300000011010 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1下面介紹指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內存取到指令寄存器中，然后再對其進行譯碼、執(zhí)行。指令劃分為操作 碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試P（1），通過節(jié)拍脈沖 T4 的控制以便

10、識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”（實驗板上標有“INS DECODE”的芯片）根據(jù)指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指 向相應的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩 種外部 I/O 設備，一種 是二進制代 碼開關，它 作為輸入設 備（ INPUT DEVICE）；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設備（OUTPUT DEVICE）。例如：輸入時，二進 制開關數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當寫信號（W/R）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅動數(shù)碼塊顯示。 本實驗設計機器指令程序如下：地 址（二進制） 容（二進制） 助記符 說

11、明 0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE” R0 0000 0001 0001 0000 ADD 0AH,R0 R0+0AH R0 0000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0,0BH R0 0BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH LED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H PC 0000 1000 0000 0000 0000 1001 0000 1010 0000

12、 0001 自定 0000 1011 求和結果4. 實驗步驟：4.1 按圖5-3 連接實驗線路。4.2 寫程序 方法一：手動寫入 先將機器指令對應的微代碼正確地寫入 2816 中，由于在實驗三微程序控制實驗中已 將微代碼寫入 E2PROM 芯片中，對照表 62校驗正確后就可使用。 使用控制臺 KWE 和 KRD 微程序進行機器指令程序的裝入和檢查。. 使編程開關處于“RUN”，STEP 為“STEP”狀態(tài)，STOP 為“RUN”狀態(tài)。. 撥動總清開關 CLR（101），微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使控制臺 SWB、SWA 開關置為“0 1”，按動一次啟動開關 START，微地址顯示燈

13、顯示“010001”，再按動一次 START，微地址燈顯示“010100”，此時數(shù)據(jù)開關的內容置為要寫入的機器指令，按動兩次 START 鍵后，即完成該條指令的寫入。若仔細閱讀 KWE 的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機器指令的首地址總清后為零，以后每個循環(huán) PC 會自動加 1，所以，每次按動 START，只有在微地址燈顯示“010100”時，才設置 內容，直到所有機器指令寫完。. 寫完程序后須進行校驗。撥動總清開關 CLR（101）后，微地址清零。PC 程序計數(shù)器清零，然后使控制臺開關 SWB、SWA 為“00”，按動啟動 START，微地 址燈將顯示“010000”，再按 START，微地址燈顯示為“

14、010010”，第三次按 START，微地址燈顯示為“010111”，再按 START 后，此時輸出單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內容。不斷按動 START，以后每個循環(huán) PC 會自動加 1，可檢查后續(xù)單元內容。每次在微地址燈顯示為“010000”時，是將當前地址中的機器指令寫入到輸出設備中顯示。方法二：聯(lián)機讀寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及表5-2 微指令二進制表編輯成十六進制的如下格式文件。 微指令格式中的微指令代碼為將表 5-2 中的 24 位微代碼按從左到右分成 3個 8 位，將此三個 8 位二進制代碼化為相應的十六進制數(shù)即可。 用聯(lián)機軟件的“【轉儲】【裝載】”功能將該格式文件裝載入實

15、驗系統(tǒng)即可。(3) 運行程序 方法一：本機運行 單步運行程序. 使編程開關處于“RUN”狀態(tài)，STEP 為“STEP”狀態(tài)，STOP 為“RUN”狀態(tài)。. 撥動總清開關 CLR（10 1），微地址清零，程序計數(shù)器清零。程序首址為 00H。. 單步運行一條微指令，每按動一次 START 鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序 流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。. 當運行結束后，可檢查存數(shù)單元（0BH）中的結果是否和理論值一致。 連續(xù)運行程序.“STATE UNIT”中的 STEP 開關置為“EXEC”狀態(tài)。STOP 開關置為“RUN”狀態(tài)。. 撥動 CLR 開關，清微地址及程序計數(shù)器，然后按

16、動 START，系統(tǒng)連續(xù)運行程序， 稍后將 STOP 撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。. 停機后，可檢查存數(shù)單元（0BH）結果是否正確。方法二：聯(lián)機運行聯(lián)機運行程序時，進入軟件界面，裝載機器指令及微指令后，選擇“【運行】【通路 圖】【復雜模型機】”功能菜單打開相應動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應功能鍵即可聯(lián)機運行、 監(jiān)控、調試程序。（軟件使用說明請看用戶手冊 ）總清開關 CLR 清零（101）后,將使程序首址及微程序地址為 00H，程序可從頭開始 運行。圖5-3 實驗接線圖5. 實驗結果：首先驗證微控制器的存儲特性。將編程開關置為“寫入”狀態(tài)，寫入如表2位微地址為060D的微代碼。每寫入一條指令，按一下“

17、啟動運行”開關。再將微地址和總清開關置0編程開關置為“讀”狀態(tài)，即可驗證是否存儲正確。若有錯誤，則需檢查連線或者是重新輸入。經(jīng)試驗，成功顯示。最后，將編程開關置為“運行”狀態(tài)，即可運行所寫入的微程序。經(jīng)試驗，結果顯示正確。6. 總結：經(jīng)過這次課程設計，我體會到自己所學的東西太少了。很多都不知道，甚至連題目都不懂。在這次課程設計的過程中，有些很基本的知識出現(xiàn)記憶混淆的現(xiàn)象，通過查書及詢問同學，最終基本上明白了。本次課程設計，我們要設計一臺微程序控制的模型機，以對計算機能有一個整機的概念，完成對計算機組成原理這門課程的綜合應用，達到學習這本書的作用。作為一個計算機專業(yè)的學生，這是必須掌握的，使我們

18、對數(shù)據(jù)選擇器、移位器、加法器、運算器、存儲器和微程序控制器，有了比較徹底地認識。由于計算機設計的部件較多，結構原理較復雜，對我們這樣的初設計者來說感到無從下手，所以我們在整個過程中采取由淺入深，有簡單到復雜的做法，通過這次設計，是我們能清楚地了解計算機的基本組成，基本原理和設計步驟，設計思路和調試步驟，最終能清晰地建立其整機的概念，為獨立完成計算機設計奠定了基礎。通過這次實踐，不僅讓我對計算機的基本組成、簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路組成、靜態(tài)隨機存取存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法、時序信號發(fā)生電路組成原理、微程序控制器的設計思想和組成原理、微程序的編制、寫入過程有了進一步的了解，也讓我覺得自己的動手能力有了很大的提高。在課程設計中自己動腦子解決遇到的問題，書本上的知識有了用武之地，這鞏固和深化了自己的知識結構。而在這次實踐中，我相信，只要自己在每一次實踐都能仔細思考，課程設計其實都不會很難，關鍵在于自己能不能認真思考，能不能親手動手做試驗，而不是想著其他人的勞動果實；其次就是還要多操作，只有多操作才能從中間發(fā)現(xiàn)問題，才能及時向老師和同學請教。解決問題，從而更