計算機組成原理課程設(shè)計——基本模型機

1、課課程程設(shè)設(shè)計計說說明明書書題目： 1、 基本模型機設(shè)計與實現(xiàn) 2、 擴展 8255 并行口設(shè)計 院 系： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 2010 年 月 日課程設(shè)計（論文）任務書課程設(shè)計（論文）任務書計算機科學與工程學院計算機科學與工程學院 硬件硬件教研室教研室學學 號號 *學生姓名學生姓名*專業(yè)（班級）專業(yè)（班級）計算機 07 級 3 班設(shè)設(shè)計計題題目目基本模型機（算術(shù)運算，包括 IN,OUT,STA,加 ADD,減 SUB,循環(huán)左移 RLC 六條指令）設(shè)設(shè)計計技技術(shù)術(shù)參參數(shù)數(shù)微指令，程序，微程序控制器設(shè)設(shè)計計要要求求設(shè)計機器指令和微指令，將機器指令和微指令編寫成規(guī)定格式的

2、十六進制文件，然后下載到實驗箱上模擬驗證。工工作作量量1、畫出流程圖,編寫微指令代碼和程序2、課程設(shè)計說明書 1000 字工工作作計計劃劃第 13 周 學習微程序控制器第 14 周 畫出流程圖,設(shè)計微指令，將機器指令和微指令編寫成規(guī)定格式的十六進制文件第 15 周 連線,在實驗箱上運行參參考考資資料料計算機組成原理 第三版（網(wǎng)絡版） 白中英主編計算機組成原理實驗指導書指導教師簽字指導教師簽字教研室主任簽字教研室主任簽字 20092009 年年 9 9 月月 2828 日日 課程設(shè)計（論文）成績評定表指導教師評語：成績： 指導教師： 年 月 日摘要摘要隨著社會科技的發(fā)展，計算機被應用到各行各業(yè)，

3、人們步入自動化、智能化的生活階段。本次課程設(shè)計課題是基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，它正體現(xiàn)了這一點。利用 CPU 與簡單模型機來實現(xiàn)計算機組成原理課程及實驗中所學到的實驗原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應用程序，用微程序控制器實現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達到將理論與實踐相聯(lián)系。本次設(shè)計完成了各指令的格式以及編碼的設(shè)計，實現(xiàn)了各機器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應用程序。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，本課程設(shè)計將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元的控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能，通過設(shè)計流程圖，編寫機器指令，微指令和控制信號程序。首先向存儲器（RAM）中裝入數(shù)據(jù)和程

4、序，然后檢查寫入是否正確，啟動程序執(zhí)行。另外，還需設(shè)計三個控制臺操作微程序：存儲器讀操作（READ） ，存儲器寫操作（WRITE） ，運行程序(RUN)。以上各微指令設(shè)計完畢后，連接線路在 ZY15CompSys12BB 計算機組成原理教學實驗箱運行程序，并將實驗結(jié)果顯示輸出。這一課題的實現(xiàn)不僅使我們對各種微指令有了熟練的掌握，更對以后的學習、工作中有深遠的影響。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：微指令，機器指令，READ，WRITE, RUN，ZY15CompSys12BB目錄目錄摘要摘要 .IIIIII1設(shè)計背景 .1 12設(shè)計目標 .1 13概要設(shè)計 .2 231 設(shè)計目的.232 設(shè)計儀器.233 設(shè)計

5、內(nèi)容.24詳細設(shè)計 .8 841 系統(tǒng)需求分析.842 系統(tǒng)目標.843 功能分析.844 詳細步驟.85總結(jié) .1212參考文獻（資料） .13131設(shè)計背景通過計算機組成原理理論課和幾次實驗的學習，嘗試設(shè)計六條機器指令，并編寫相應的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺基本模型機，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號。在設(shè)計基本模型機 4 的實驗過程中，個別部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本課程設(shè)計將能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(nèi)存中取出一條機器指令到

6、指令執(zhí)行結(jié)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條微程序。本課程設(shè)計要求實現(xiàn)六條機器指令：IN（輸入)，與 AND（邏輯乘），STA（存數(shù)），OUT（輸出），或 OR（邏輯加），異或 XOR（邏輯異）的輸入，輸出。重點主要在邏輯運算的設(shè)計中。2設(shè)計目標在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗”的基礎(chǔ)上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。本次課程設(shè)計主要是為其定義六條機器指令，編寫相應的微程序，并上機調(diào)試運行，形成整機概念。用微程序控制器實現(xiàn)以下指令功能，設(shè)計各指令格式以及編碼，并實現(xiàn)各機器指令微代碼，根據(jù)定義的機器指令，自擬編寫加 ADD,減 S

7、UB,循環(huán)左移 RLC 的應用程序。全部微指令設(shè)計完畢后，編寫二進制代碼，即使每條指令代碼化。連接線路在ZY15CompSys12BB 計算機組成原理教學實驗箱上運行，并顯示輸出實驗結(jié)果。3概要設(shè)計31 設(shè)計目的1. 在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺稍微復雜的模型計算機；2. 為其定義六條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上機調(diào)試掌握整機概念32 設(shè)計儀器 TDXCM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干；PC 機一臺。33 設(shè)計內(nèi)容部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實驗將能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

8、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(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)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。 本實驗采用六條機器指令：IN,OUT,STA,加 ADD,減 SUB,循環(huán)左移 RLC 其指格式如下：地址 內(nèi)容 助記符 說明 00 00 IN ；輸入開關(guān)數(shù)據(jù)R0，采集數(shù)據(jù)01 10 ADD0AH ；R0+0AHR002 0A ；地址03 20 STA0BH ； R00BH04 0B ；地址05 30 OUT0BH ；0BH BUS,輸出顯示06 0B ；地址07 40 SUB0AH ；R0-0AH R008 0A ；地址0

9、9 50 RLC0A 010B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,還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序.存儲器讀操作:撥動總清開關(guān) CLR 后,控制臺開關(guān) SWB,SWA 為”0 0”時,按 START微動開關(guān),可對 RAM 連續(xù)手動讀操作.存儲器寫操作:撥動總清開關(guān) CLR 后,控制臺開關(guān) SWB SWA 置為”0 1”時,按 START微動開關(guān)可對 RAM 進行連續(xù)手動寫入.啟動程序:撥動總清開關(guān) CLR 后,控制臺開關(guān) SWB SWA 置為“1 1”時,按 START微動開關(guān),既可轉(zhuǎn)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(guān) S

10、WB SWA 的狀態(tài)來設(shè)置,其定義如下表 3-1 讀寫變化SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動程序（RP）根據(jù)以上要素設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖,如圖 3-2：圖 3-1 數(shù)據(jù)通路框圖微代碼定義如表 1-2 所示：表 3-2 微代碼的定義微程序2423222120-19181716151413控制信號S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0表 3-3 A，B，P 字段內(nèi)容A 字段 B 字段 P 字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000.000000001LDRI001RS_G0

11、01P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC當擬定“取指令”微指令時，該微指令的判別測試字段為 P1 測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此 P1 測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計用指令寄存器的前 4 位（I7-I4）作為測試條件，出現(xiàn) 6 路分支，占用 6 個固定微地址單元。控制臺操作為 P4 測試，它以控制臺開關(guān) 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，剩下的其他地方就可以一條微

12、指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-IRP1SW-R0R0-299PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR2R0-DR1DR1+DR2-R0DR1-LEDRAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-ARR0-BUSBUS-RAMRAM-BUSBUS-DR1RAM-BUSBUS-DR2DR1-LEDDR1-LEDDR1-LEDR0-DR1DR1-DR2-R0R0-DR1帶進位循環(huán)右移299-G-R0R0-DR1當全部微程序設(shè)計完畢之后，應將每條微指令代碼化： 運行： 0

13、1 02 10 IN ADD STA OUT SUB RLC 10 11 12 13 14 1501 03 07 16 31 35 04 26 17 32 36 05 01 25 33 37 06 34 25 01 37 01 01 25 01PCARPC+1DR1RAMRAMBUSBUSDR1RAMBUSBUSDR1PCARPC+1P4DR1RAM 控制臺 00 20 WRITE（01） READ(00) RUN(11) 21 20 23 24 22 01 30 27 圖 3-1 微程序流程圖表 3-4 二進制微代碼表微地址S3CNRDM17 M16ABPuA5uA0000 0 0 0 0

14、001 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 000 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 000 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 101 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0

15、 000 11 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 0100 0 0 0 0 000 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 1 1 0 0 1150 0 1 1 0 001 10 0 00 0 10 0 00 1 1 1 0 1160 0 0 0

16、0 000 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 000 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 001 1 1 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 001 11 101 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 000 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 001 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 000 00 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250 0 0 0

17、 0 111 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 010 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 111 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 110 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1310 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0320 0 0 0 0 000 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1330 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0340 1 1

18、0 0 001 10 0 11 0 10 0 00 1 1 1 1 1350 0 0 1 1 001 10 0 01 0 00 0 00 1 1 1 1 0360 0 0 0 0 001 10 0 11 0 00 0 00 1 1 1 1 1370 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 00 1 0 1 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，先把他從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構(gòu)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

19、便識別所要求的操作。 “指令譯碼器：” （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(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備（INPUT DEVICE） ；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備（OUT DEVICE） 。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/E）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。4詳細設(shè)計41 系統(tǒng)需求分析一臺計算機所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一

20、臺特定的計算機只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計算機的機器語言。指令系統(tǒng)表征著計算機的基本功能和使用屬性，它是計算機系統(tǒng)設(shè)計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計主要括指令功能、操作類型的設(shè)計，尋址方式和指令格式的設(shè)計。 計算機的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，指令系統(tǒng)反映了計算機的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令是計算機執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計算機中所有機器指令的集合。通常性能較好的計算機都設(shè)置有功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實現(xiàn)需要復雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。 42 系統(tǒng)目標在基本模型機的基礎(chǔ)上改進并實現(xiàn) IN,OUT,S

21、TA,加 ADD,減 SUB,循環(huán)左移 RLC 六條指令。43 功能分析該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是對輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行連續(xù)的加、減及循環(huán)左移運算，并對其結(jié)果進行存儲，顯示等功能，從而得到一個簡易的復雜模型機所實現(xiàn)的功能。44 詳細步驟(1)按圖 4-1 連接實驗線路。 B7 BUS UNIT | | | B0W/R UNIT T4 T3 T2 T1 WE TS4 TS3 TS2 TS1 STATE UNIT H24 SIGNAL UNITB7 S3 | | |AUJ3 | | |B0 CN LDDR1 LDDR2 ALU-BALU UNIT B7 LDR0 | | RO-B | B0 R

22、EG UNIT B7 LDAR | LOAD | | PC-B B0 LDPC ADDRESS UNIT M24 | M18 | SE6 | | M19 | | SE1 LDDR1 LDDR2 P(1) P(4) ALU-B LDIP LDR1 RS-B LDAR LOAD PC-B M16 LDPC M17 MICRO-CONTROLLER SWB SWA SE6 | | | SE1 I7 | P(1) | P(4) | LOG UNIT I2 SWITCH UNIT SWB SWA I7 | | | I2 INT UNIT LDIR INPUT DEVICE D7 | | | D0 SW-

23、B A8 A9 Y0 EX UNIT Y1 D7 | | Y2 | D0 D7 LED-B | | | W/R D0 OUTPUT DEVICE A7 | | | A0 W/R D7 | | | D0 MAIN MEM CEAD7 D7 | | | | | |AD0 D0W/R EXT BUS B7 BUS UNIT | | | B0W/R UNIT T4 T3 T2 T1 WE TS4 TS3 TS2 TS1 STATE UNIT H24 SIGNAL UNITB7 S3 | | |AUJ3 | | |B0 CN LDDR1 LDDR2 ALU-BALU UNIT B7 LDR0 | | R

24、O-B | B0 REG UNIT B7 LDAR | LOAD | | PC-B B0 LDPC ADDRESS UNIT M24 | M18 | SE6 | | M19 | | SE1 LDDR1 LDDR2 P(1) P(4) ALU-B LDIP LDR1 RS-B LDAR LOAD PC-B M16 LDPC M17 MICRO-CONTROLLER SWB SWA SE6 | | | SE1 I7 | P(1) | P(4) | LOG UNIT I2 SWITCH UNIT SWB SWA I7 | | | I2 INT UNIT LDIR INPUT DEVICE D7 |

25、| | D0 SW-B A8 A9 Y0 EX UNIT Y1 D7 | | Y2 | D0 D7 LED-B | | | W/R D0 OUTPUT DEVICE A7 | | | A0 W/R D7 | | | D0 MAIN MEM CEAD7 D7 | | | | | |AD0 D0W/R EXT BUS4-1 實驗線路圖(2)寫程序聯(lián)機讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及表 52 微指令二進制表成十六進制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼微 將表 52 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。程 序$P0000$P

26、0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P080A$P0950$P0A01微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E016$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED99$M0D31821D$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M16028201$M17070A1

27、0$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A21C$M1C619A1F$M1D19881E$M1E01981F$M1F01A215 (3)運行程序.單步運行程序A 使編程開關(guān)處于”RUN的狀態(tài),STEP 為”STEP” 狀態(tài),STOP 為”RUN”狀態(tài)B 撥動總清處于 CLR (0_1),微地址清零,程序計數(shù)器清零,程序首址為 00H.C 單步運行一條微指令,每按動一次 START 鍵,即單步運行一條指令,對照微程序流程圖,觀察微地址顯示是否和流程一致.D 當運行結(jié)束后.可檢查存數(shù)單元中的結(jié)果是否和理論植一致. 連續(xù)運行程序A 使”START UNIT” 中的 STEP 開關(guān)置為”ECEX”狀態(tài).STOP 開關(guān)置為”RUN”狀態(tài). B 撥動 CLR 開關(guān),清微地址及程序計數(shù)器,然后按動 START,系統(tǒng)連續(xù)運行程序,稍后