廣東海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)-基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)講解

1、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程實(shí)習(xí)基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系別：信息學(xué)院班級(jí)：計(jì)科 1141指導(dǎo)教師：劉桃麗姓名學(xué)號(hào)分工成績(jī)鄧超榮201411621110共同完成何濤201411621114共同完成鄧周光201411621111共同完成1基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、設(shè)計(jì)要求1.1、分組設(shè)計(jì)一臺(tái)基本模型機(jī)，并在模型機(jī)上運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的程序。每組2-3 人，要求各組的指令系統(tǒng)不同。1.2、根據(jù)設(shè)計(jì)的圖紙，在驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行組裝，并調(diào)試成功。1.3、在組裝調(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：（1）總框圖（數(shù)據(jù)通路圖）（2）微程序流程圖（3）微指令格式（4）微程序代碼表（5）調(diào)試小結(jié)二、課程實(shí)習(xí)使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2、2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備TEC-9計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái) （含 74181 算術(shù)運(yùn)算器 ALU、74374寄存器堆 R0、 74161 程序計(jì)數(shù)器、 74273 地址寄存器 AR、 74273 指令寄存器 IR等），排線若干。2.3系統(tǒng)需求分析一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。 一臺(tái)特定的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的機(jī)器語言。指令系統(tǒng)表征著計(jì)算機(jī)的基本功能和使用屬性， 它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要括指令功能、 操作類型的設(shè)計(jì)， 尋址方式和指令格式的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)

3、的主要屬性， 而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令， 而指令系統(tǒng)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。 通常性能較好的計(jì)算機(jī)都設(shè)置有功能齊全、 通用性強(qiáng)、指令豐富的指令系統(tǒng)， 而指令功能的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。隨著社會(huì)科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，人們步入自動(dòng)化、智能化的生活階段。本次課程設(shè)計(jì)課題是基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)， 它正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。利用 CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理課程及實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和編程思想， 硬件設(shè)備自擬， 編寫指令的應(yīng)用程序， 用微程序控制器實(shí)現(xiàn)了一系列的指令功能， 最終達(dá)到將理論與實(shí)踐相聯(lián)系。 本次設(shè)計(jì)完成

4、了各指令的格式以2及編碼的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各機(jī)器指令微代碼， 形成具有一定功能的完整的應(yīng)用程序。部件實(shí)驗(yàn)過程中， 各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的， 本課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元的控制信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)特定指令的功能， 通過設(shè)計(jì)流程圖，編寫機(jī)器指令，微指令和控制信號(hào)程序。首先向存儲(chǔ)器（ RAM）中裝入數(shù)據(jù)和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動(dòng)程序執(zhí)行。另外，還需設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序：存儲(chǔ)器讀操作（READ），存儲(chǔ)器寫操作（WRITE），運(yùn)行程序 (RUN)。以上各微指令設(shè)計(jì)完畢后， 連接線路在 TEC-9 計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱運(yùn)行程序，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輸出。2.4功能分析該系統(tǒng)

5、實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的加、 減及循環(huán)左移運(yùn)算， 并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)， 顯示等功能， 從而得到一個(gè)簡(jiǎn)易的復(fù)雜模型機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能。2.5模塊功能IN 為單元字長(zhǎng)（ 8 位），含義是將數(shù)據(jù)開關(guān) 8 位數(shù)據(jù)輸入到 RO寄存器 ADD 為雙字長(zhǎng)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(nèi)容與內(nèi)存中以A 為地址單元的數(shù)相加，結(jié)果放在R0。STA為雙字長(zhǎng)指令。含義是將 R0中的內(nèi)容存儲(chǔ)到以第二字A 為地址的內(nèi)存單元中。AND為雙字長(zhǎng)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(nèi)容與內(nèi)存中以 A 為地址單元的數(shù)相與，結(jié)果放在 R0

6、。SUB 為雙字長(zhǎng)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(nèi)容與內(nèi)存中以 A 為地址單元的數(shù)相減，結(jié)果放在 R0。NOT 為雙字長(zhǎng)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(nèi)容求反，把結(jié)果放在 R0 中。JMP 為雙字長(zhǎng)指令，執(zhí)行該指令時(shí)，程序無條件轉(zhuǎn)移到第二字所指定的內(nèi)存單元地址。三、課程實(shí)習(xí)步驟3.1設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用所學(xué)過的計(jì)算機(jī)原理知識(shí)，在理解計(jì)算機(jī)各功能部件工作原理上，進(jìn)一步加深計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)和整機(jī)的概念， 將微程序控制器模塊、運(yùn)算器模塊同存儲(chǔ)器模塊聯(lián)機(jī)， 組成一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。 用微程序控制器模型機(jī)的數(shù)據(jù)桐廬，

7、 通過在夠早的模型機(jī)上運(yùn)行機(jī)器指令組成的簡(jiǎn)單程序， 掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系，建立機(jī)器的整機(jī)概念。3.2設(shè)計(jì)內(nèi)容通過自己設(shè)計(jì)微指令，同時(shí)設(shè)計(jì)了7 條機(jī)器指令： IN （輸入）、 ADD （相3加）、AND （邏輯與）、 STA（存數(shù)）、 SUB（相減）、 NOT（取反）、 JMP（無條件轉(zhuǎn)移），然后輸 入數(shù)據(jù)來驗(yàn)證這些操作。3.3基本原理A. 微程序控制的基本思想 :1. 若干微命令編制成一條微指令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作；2. 若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令；3. 微程序事先存放在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出。B. 基本組成 : 控制存儲(chǔ)器，微指令寄存器，微地址寄存器，地址

8、轉(zhuǎn)移邏輯?？刂拼鎯?chǔ)器 (CM): 用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，位于 CPU中。它是一種只讀型存儲(chǔ)器，要求速度快，讀出周期短。微指令寄存器 : 存放當(dāng)前由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息，分為微地址寄存器和微命令寄存器兩個(gè)部分。其中微地址寄存器決定將要訪問的下一條微指令的地址，微命令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測(cè)試字段 (P) 的信息。地址轉(zhuǎn)移邏輯 : 自動(dòng)完成修改微地址的任務(wù)。微程序控制器 : 微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。 它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動(dòng)作的微命令

9、的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機(jī)器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示， 這種表示稱為微指令。 這樣就可以用一個(gè)微指令序列表示一條機(jī)器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲(chǔ)在一種專用的存儲(chǔ)器中，稱為控制存儲(chǔ)器。C.微程序控制計(jì)算機(jī)的工作過程:下面通過計(jì)算機(jī)啟動(dòng)、執(zhí)行程序直到停機(jī)的過程，來說明微程序是如何控制計(jì)算機(jī)工作的 :計(jì)算機(jī)加電以后，首先由復(fù)位信號(hào) (Reset) 將開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址送入 PC內(nèi)，同時(shí)將一條 " 取指 " 微指令送入微指令寄存器中，并將其他一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值后，自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生節(jié)拍電位和工作脈沖。

10、為保證計(jì)算機(jī)正常工作， 電路必須保證開機(jī)后第一個(gè)機(jī)器周期信號(hào)的完整性， 在該 CPU周期末，產(chǎn)生開機(jī)后第一個(gè)工作脈沖。 然后計(jì)算機(jī)開始執(zhí)行程序，不斷地取出指令、執(zhí)行指令。程序可以存放在固定存儲(chǔ)器中， 也可以利用固化在只讀存儲(chǔ)器 (ROM)中的一小段引導(dǎo)程序， 將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部設(shè)備調(diào)入主存。 實(shí)現(xiàn)各條指令的微程 序是存放在微程序控制器中的。當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從微程序控制器中取出后放 在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并 進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)遇到停機(jī)指令或外來停機(jī)命令后，應(yīng)該待當(dāng)4前這條指令執(zhí)行完 畢后再停機(jī)或至少在本機(jī)器周期結(jié)束時(shí)停機(jī)。 要保證停機(jī)后

11、，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)能繼 續(xù)工作而且不出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。3.4數(shù)據(jù)通路圖注意：片選信號(hào) CE=0為有效電平， CE=1為無效電平。 WE=1為寫入， WE=0為讀出。 LOAD和 LDPC同時(shí)為“ 1”時(shí)，可將總線上的數(shù)據(jù)裝入到 PC中，LDPC為“ 1”，同時(shí) LOAD為“ 0”時(shí)，將 PC中的內(nèi)容加 1。 M=0為算術(shù)運(yùn)算， M=1為邏輯運(yùn)算。 CN=0表示運(yùn)算開始時(shí)低位有進(jìn)位，否則低位無進(jìn)位。53.5程序流程圖(SW)->PCP (4)PCARPC ARPC+1PC+1(SW)->BUSBUS->RAMRAM BUS ，673.6接線圖83.7測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試過程地址（二進(jìn)制

12、）內(nèi)容（二進(jìn)制）00000000IN（ 00000000）00000001ADD（ 00010000）00000010（ 00110010）00000011STA（ 00110000）00000100（ 00110011)（存數(shù)）00000101AND（ 00100000）00000110（ 00110100）00000111STA(00110000）00001000（ 00110001)（存數(shù)）00001001SUB（ 01000000）00001010（ 00010110）00001011STA（ 00110000）00001100（ 00110111)（存數(shù)）00001101NOT（ 0

13、1010000）00001110STA（ 00110000）00001111（ 00111000）（存數(shù)）00010000JMP（ 01100000）00010001（ 00000000）00110010(ADD )（ 00000001） （ ADD ）00110011(ADD STA)初始（ 00000000） （ ADD 結(jié)果存數(shù)）00110100(AND)（ 00000010）(AND)00110101(AND STA)初始（ 00000000 ） (AND 結(jié)果存數(shù) )00011110(SUB)（ 00000001）(SUB)00110111初始（ 00000000）(SUB 結(jié)果存數(shù)

14、 )00111000初始（ 00000000）(NOT 結(jié)果存數(shù) )注：根據(jù)實(shí)驗(yàn)連線圖連接好，使編程開關(guān)處于“ RUN”， STEP為“ STEP”狀態(tài)，STOP為“ RUN”狀態(tài)。撥動(dòng)總清開關(guān) CLR（ 0 1），微地址寄存器清零，此時(shí)用“ DATAUNIT” 單元的 8 位二進(jìn)制開關(guān)給出要寫入 RAM區(qū)的首地址（0000 0000 ），控制臺(tái)， SWA開關(guān)置為 “ 01”，按動(dòng)顯示 “ 010010”，再按動(dòng)一次 “ START”，微地址燈顯示“ 010100”，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，按動(dòng)一次 START鍵，即9完成該條指令的寫入。機(jī)器指令的首地址只要第一次輸入即可，PC

15、 會(huì)自動(dòng)加 1，所以按動(dòng) START，只有在微地址燈顯示“ 010100”時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫完。測(cè)試結(jié)果地址（二進(jìn)制）內(nèi)容（二進(jìn)制）00000000（IN ）0000001000110010(ADD )（ 00000001） （ ADD ）00110011(ADD STA)（ 00000011） （ ADD 結(jié)果存數(shù)）00110100(AND)（ 00000010）(AND)00110101(AND STA)（ 00000001 ） (AND 結(jié)果存數(shù) )00011110(SUB)（ 00000001）(SUB)00110111（ 00000000）(SUB 結(jié)果存數(shù) )001

16、11000（ 11111111）(NOT 結(jié)果存數(shù) )10四、總結(jié)在做這次計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)過程中，困難重重，可以說是身心疲憊，許多在課堂上沒有聽懂， 沒有學(xué)會(huì)的知識(shí)在課程設(shè)計(jì)的過程中暴露無遺，真是書到用時(shí)方恨少。還有，感覺在課堂上學(xué)到的還比較膚淺，表面，課后并沒有進(jìn)一步的深入思考和研究琢磨， 導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用和操作方面力不從心， 這點(diǎn)啟發(fā)我們應(yīng)該認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)課，多動(dòng)手，多思考，提高實(shí)踐能力。不懂就學(xué)，不懂就問。 積極的是我在發(fā)現(xiàn)問題和自己的不足之后， 把課本的內(nèi)容重新學(xué)習(xí)了一遍， 特別是與之相關(guān)的章節(jié)內(nèi)容， 對(duì)于一些學(xué)過還不懂的知識(shí)點(diǎn)，例如，數(shù)據(jù)通道看不懂，不了解指令具體的執(zhí)行過程，等等，

17、我就上網(wǎng)找資料，發(fā)帖求教，請(qǐng)問組員，同學(xué)，老師。此間，培養(yǎng)了自己的獨(dú)立學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考能力，同時(shí)也意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，增強(qiáng)了同學(xué)間的友誼，師生情誼?？偟膩碚f，這次課程設(shè)計(jì)還是有收獲的， 不僅學(xué)習(xí)鞏固了課本知識(shí)， 更重要的是思想覺悟提高了， 一些學(xué)術(shù)精神也從此萌芽了。 最后，特別感謝劉老師一學(xué)期以來的辛勤付出，諄諄教導(dǎo)，讓我們接受并獲得了新知識(shí)，新技能，開闊了視野，受益良多。參考文獻(xiàn)1 白中英 戴志濤 . 計(jì)算機(jī)組成原理（第五版·立體化教材）北京：科學(xué)出版社， 2013.32 白中英計(jì)算機(jī)組成原理（第五版·網(wǎng)絡(luò)版）北京：科學(xué)出版社，19983 張昆藏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京：科

18、學(xué)出版社， 19944 （美）普拉持（ Platt ，DS）著黃慧萍等譯 Microsoft NET 精髓北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.95 ，中國(guó)研究生招生信息網(wǎng)6 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 . 王誠(chéng)，宋佳興，董長(zhǎng)洪編著 . 清華大學(xué)出版社 ,2002.7 計(jì)算機(jī)組成原理 學(xué)習(xí)指導(dǎo)與訓(xùn)練 . 曠海蘭等編著 . 中國(guó)水利水電出版社 , 2004.8 計(jì)算機(jī)原理與設(shè)計(jì) . 宋煥章 張春元 王保恒 . 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社 , 2000.11附錄源程序微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE CE LDPCABPUA5 UA00 00000000111 0 11101 0 001000

19、00 10000000111 1 01 1 10 0 00000100 20000000001 0 00 0 00 0 10010000 30000000001 1 00 0 00 0 00001000 40000000000 1 10 0 00 0 00001010 50000000100 1 00 0 10 0 00001100 61001010100 0 11 0 10 0 00000010 70000000001 1 00 0 00 0 00011111 00000000100 0 11 1 00 0 00000011 10000000111 1 01 1 10 0 00000111 20000000111 1 01 1 10 0 00001111 30000000111 1 01 1 10 0 00101111 40000000111 1 01 1 10 0 00110011 50000000111 1 0