計算機組成原理課程設計報告

1、計算機組成原理課程設計報告課程設計題目：計算機組成原理專業(yè)名稱：計算機科學與技術班級：2013240202關童：201324020217張一輪：201324020218孫吉陽：201324020219張旭：201324020220老師姓名：單博煒2015年12月31日第一章課程設計概述1.1 課程設計的教學目的本課程設計的教學目的是在掌握計算機系統(tǒng)組成及內部工作機制、理解計算機各功能部件工作原理的基礎上，深入掌握數(shù)據(jù)信息流和控制信息流的流動過程，進一步加深計算機系統(tǒng)各模塊間相互關系的認識和整機的概念，培養(yǎng)開發(fā)和調試計算機的技能。在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。1.2

2、課程設計任務和基本要求本課程設計以TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)為平臺設計完成。1按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，理解微程序控制器的設計原理。2設計給定及其指令系統(tǒng)以及微程序流程圖，按微指令格式寫出微程序的微指令代碼。3鏈接邏輯電路，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，組成一臺模型計算機。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

3、機數(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。第二章規(guī)定應用項目的驗證實現(xiàn)2.1設計原理在部件實驗中，我們是人為用二進制開關來模擬一些控制信號來完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本課程設計中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成。計算機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個微程序。本設計的規(guī)定項目采用五條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法卜STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉移）,其指令格式如表1（前4位是操作碼）：表1:指令助記符操作碼地

4、址碼功能說明IN00000000數(shù)據(jù)開關的狀態(tài)-R0ADDA00010000XXXXXXXXR0+A-R0STAA00100000XXXXXXXXRgAOUTA00110000XXXXXXXXAfLEDJMPA01000000XXXXXXXXAfPCIN為單字長（8位），含義是將數(shù)據(jù)開關8位數(shù)據(jù)輸入到R0寄存器；ADD為雙字長指令，第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)地址，其含義是將R0寄存器的內容與內存中以A為地址單元的數(shù)相加，結果放在R0;STA為雙字長指令，含義是將R0中的內容存儲到以第二字A為地址內存單元中；OUT為雙字長指令，含義是將內存中以第二字為地址的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上，由數(shù)碼管進行顯

5、示；JMP是雙字長指令，執(zhí)行該指令時，程序無條件轉移到第二字所指定的內存單元地址。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還設計了三個控制臺操作微程序：存儲器讀操作”(KRD):撥動總?#開關CLR后，當控制臺開關SWB、SWA置為“00”時，按START微動開關，可對RAM進行連續(xù)手動讀操作；存儲器寫操作(KWE):撥動總清開關CLR后，當控制臺開關SWB、SWA置為“01”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，當控制臺開關SWB、SWA置為“11”時，按START微動開關，即可轉入第01號“取指”微指令，啟動程序運行

6、。這三條控制臺指令用兩個開關SWB、SWA的狀態(tài)來設置，其定義如表2:表2:SWASWB控制臺指令00讀內存(KRD)01寫內存(KWE)11啟動程序(RP)根據(jù)以上要求設計數(shù)據(jù)通路框圖如附頁中圖1所示。微指令格式如表3所示，當微指令格式確定之后,下一步就是確定后續(xù)微指令地址，通常的方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斷測試，這些微地址確定以后，就可以在一個“微地址表”中將分支微地址填入相應的分支微地址單元，避免以后的設計中因重復使用而造成錯誤，對于其他位置就可以按一條微指令對應一個微地址隨意填寫。151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR210

7、0LDIR101LOAD110LDAR121110選擇000001RS-B010011100101ALU-B110PC-B111表3:微指令格式242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段C字段:987選擇000001P(1)010011100P(4)101110LDPC按照數(shù)據(jù)通路可畫出機器指令的微程序流程圖如圖2所示，當擬定“取值”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)測試，由于取值指令是所有微程序都是用的公用微程序，因此P(1)測試結果出現(xiàn)多路分支，本機使用指令寄

8、存器的前四位(IR7-IR4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定的微地址單元?？刂婆_操作作為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個固定的微地址單元，當分支地址單元固定后，其余每條微指令各占用控存一個微地址單元，隨意填寫即可，注意：微程序流程圖上的單元地址為八進制。指令寄存器(IR)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，先把它從內存中取到緩存，然后在傳送到指令寄存器中。圖2微程序流程圖當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，表4即為將圖2微程序流程圖按微指令格式轉化得到的“二進制微代碼表”。下圖為表4:微地址S3S2S1S0MCn

9、WEA9A8ABCgA5.gA000000000110000001000100000110000001111011011000001002000000001100000001001000030000000011100000000001000400000000101100000000010105000000011010001000000110061001010110011010000000010700000000111000000000110110000000000001000000000001110000000111101101100000111200000001111011011000011

10、113000000011110110110001110140000000111101101100101101500000010100000100000000116000000001110000000001111170000000010100000000101012000000001111011011001001021000000011110110110010100220000000010100000000101112300000001100000000000000124000000000010000000011000250000011100001010000000012600000000110

11、100011000000127000001110000101000010000300000011010001010000100010本系統(tǒng)使用兩種外部設備，一種是二進制代碼開關，它作為輸入設備（INPUTDEVICE）;另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設備（OUTPUTDEVICE）.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，只地址（二進制）內容（二進制）助記符注釋0000000000000000INR0"INPUTDEVICE”fR00000000100010000ADD0AH,R0R0+0AH-R000000010000010100000001100100000STAR0,

12、0BHRg0BH00000100000010110000010100110000OUT0BH0BHfLED00000110000010110000011101000000JMP00H00HfPC0000100000000000000010010000101000000001自定00001011求和結果BUS上，當寫信號（W/R）有效時,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)總線將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅動數(shù)碼管顯示。本設計的機器指令程序及相應的匯編程序如下:2.2操作步驟1按附頁中圖3進行連線。2測試：在聯(lián)機軟件CMPP中打開復雜模型機的數(shù)據(jù)通路圖，在測試菜單中點擊“開始”

13、，按照提示進行測試。3寫程序：采用聯(lián)機讀/寫程序按下面規(guī)定格式，用聯(lián)機軟件在CMPP中建立將機器指令及微指令的二進制代碼編輯成十六進制的*.TXT文檔，并用聯(lián)機軟件的轉儲功能將該格式文件裝載到實驗系統(tǒng)中。程序：$P0000$P0110微程序：$M00018110$M0101ED82$P020A$M0200C048$P0320$M0300E004$P040B$M0400B005$P0530$M0501A206$P060B$M06959A01$P0740$M0700E00D$P0800$M08001001$P0A01$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M00C01ED96

14、$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A114運行程序聯(lián)機運行：聯(lián)機運行程序時，進入軟件界面，裝在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。第三章指定應用項目的設計實現(xiàn)3.1設計任務：將指令中所帶數(shù)據(jù)X與以R0內容K為地址的內存單元內容丫執(zhí)行X減丫的反的運算，結果送入Y的上一個內存單元。3.2任務分析及解決方案

15、：對該任務而言，可以看出Y存在于以K為直接地址的,該任務中涉及到了減法運算和邏輯非運算。根據(jù)題目，X存于R0寄存器中，R1寄存器中，然后將Y取反，存入R1,將R0與R1中內容相減存入R0,最后將結果存入R1寄存器中以60位地址的單元中3.3設計原理：1所示。本任務采用的整體設計原理與第二章規(guī)定項目設計原理相似，其中，數(shù)據(jù)通路框圖如附頁圖的五條機器指令為：IN（輸入），SUB（二進制減法），AND（邏輯非運算后求邏輯與），STA（存數(shù)），OUT（輸出）,其功能和格式見表5。表5:而該微程序流程圖如下:指令助記符操作碼地址碼功能說明LDIR00101100000將01存入R0LADMR103110

16、00001XXXXXXXX將02存入R1STAM61R111000001XXXXXXXX地址60存入R1NOTY01000101XXXXXXXX對R1取反SUBR0R110000100XXXXXXXXR0減R1STAM60R111010000XXXXXXXX將R0內容給地址60圖4:微程序流程圖全部微程序設計完畢后，每條代碼微指令化，表5即為將圖4微程序流程圖按微指令格式轉化得到的該任務的“二進制代碼表”：表5:二進制代碼表微地址16進制表示高5位S3-S0A字段B字段C字段UA5-UA00000000100000000000000000000000101006D430000000001101

17、10101000011031070700001000001110000011100000600240700000000001001000000001110701320100000001001100100000000108106009000100000110000000001001091830010001100000110000000000010A1060100001000001100000000100000C1030010001000000110000000000010D20060100100000000001100000000110280401001010000000010000000001

18、150024160000000000100100000101101601B2010000000110110010000000011C10101D0001000000010000000111011D10608c0001000001100000100011001E10601F0001000001100000000111111F1010200001000000010000001000002010608C0001000001100000100011002102320100000010001100100000000130001606000000000001011000000100310016060000

19、0000000101100000011032006D4800000000011011010100100033006D4A00000000011011010100101037001621390016150000000000010110000101013C006D5C0000000001101101010111003D006D5E000000000110110101011110將該為該任務設計的程序做成*.TXT文檔，其內容如下:$P0060$P0101$P02C1$P0361$P0445；R1寄存器內容取反$P0584;R0-R1->R0$P06D0$P0760$P08C1$P0960$P

20、0A50;停機；數(shù)據(jù)$P6102；微程序$M00000001$M01006D43$M03107070$M04002405$M0504B201$M08106009$M09183001$M0A106010$M0B000001$M0C103001$M0D200601$M0E005341$M0F0000CB$M10280401$M11103001$M1206B201$M13002414$M1405B201$M15002416$M1601B201$M17002418$M1802B201$M1B005341$M1C10101D$M1D10608c$M1E10601F$M1F101020$M2010608C

21、$M28101029$M2900282A$M2A04E22B$M2B04928C$M2C10102D$M2D002C2E$M2E04E22F$M2F04928C$M30001604;$M31001606$M32006D48$M33006D4A$M34003401$M35000035$M36006D51$M37001612$M38001613$M39001615$M3A001617$M3B000001$M3C006D5C$M3D006D5E$M3E006D68$M3F006D6C$M34001406$M060232013.4程序運行分析及討論3.4.1 上機調試、運行程序狀態(tài)結果分析及結果討論:

22、按附頁中圖3進行連線，將制成的TXT文檔裝載到CMPP聯(lián)機實驗系統(tǒng)中，在程序運行過程中，CMPP實驗系統(tǒng)清楚地顯示出了在程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流向，同時在程序的執(zhí)行過程中，每個過程產(chǎn)生的結果都詳細顯示在了CMPP實驗系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通路原理框圖的RAM及寄存器中，同時還更加明了地展現(xiàn)出了任務中所出現(xiàn)的操作數(shù)尋址方式的執(zhí)行過程。X=1,Y=2,執(zhí)行Y取反，然后相減。3.4.2 問題探討：在此次課程設計過程中，也出現(xiàn)了一些值得以后借鑒學習的問題，下面就幾個問題展開討論。(1)在對微程序流程圖進行設計過程中，可以充分利用每個部件中間相連接的數(shù)據(jù)通路，例如在本設計中最后的OUT(輸出)這一分支過程，是將數(shù)據(jù)

23、直接從DR1直接送到LED上進行顯示，雖然單一的這樣一個動作似乎看不出來明顯的作用效果，但是如果在一個很龐大的項目中，如果在可以使用這種數(shù)據(jù)傳輸方式的地方都使用這種方式，那么會節(jié)省很大的時間和資源開銷。(2)在進行該項目設計中，由微程序指令設計的特點可知，在執(zhí)行完成某一條指令之后，如何找到所要執(zhí)行下一條指令完全取決于當前指令后部所寫入的微地址。因此，要保證該程序按設計思路順序并且順利執(zhí)行，每一條指令后部的微地址要確保與下一條所要執(zhí)行的指令的存儲地址一致(3)在進行該項目設計中，因為打通每條需要使用的數(shù)據(jù)通路都需要有相對應的控制信號，且某個信號可能在不通過程中扮演的角色不一樣。因此，在此設計過程中，在編程操作控制信號時要保證準確性。第四章收獲、體會和建議4.1收獲、體會關童：雖然曾經(jīng)在相關課程中學到了與課程設計有關的內容，但現(xiàn)在上手的時候感覺非常茫然，不知該如何下手，但是在老師的悉心指導和同學們之間的熱烈討論，讓任務的進行漸漸有了方向，找到了關鍵所在。隨著不斷的研究和嘗試，設計的思路漸漸清晰，終于完成。雖然在整個過