計算機組成原理課程設(shè)計基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)

1、課程設(shè)計（大作業(yè)）報告課程名稱：計算機組成原理設(shè)計題目：基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)院系:信息技術(shù)學院班級:計算機科學與技術(shù) 3班設(shè)計者:學號:指導教師：設(shè)計時間：昆明學院信息技術(shù)學院課程設(shè)計（大作業(yè)）任務(wù)書姓 名：院（系）：信息技術(shù)學院專業(yè)：計算機科學與技術(shù)學號：任務(wù)起止日期：課程設(shè)計題目：基本模型機設(shè)計與設(shè)計課程設(shè)計要求：本課程設(shè)計以ZE1603B十算機組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學實驗系統(tǒng)為平臺，設(shè)計完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計一個微程序控制器。2. 設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖，按微指令格式寫出微程序的為指令 代碼。3. 連接邏輯電路完成啟動、測試、編程、測試、效驗和運行，并觀

2、測運行過程及結(jié)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(guān)系，建立計算機整機的概念，掌握計算機的控制機制。7. 按指定的應(yīng)用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計，并設(shè)計相應(yīng)的機器指令代碼，按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)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 Z E1603B實驗系統(tǒng)并運行，實現(xiàn)應(yīng)用要求。工作計劃及安排：2017年6月19日上午：集中進行課程設(shè)計題目的講解和分解，提出學生需要掌握的硬件和軟件方面的知識和要求；以及在課

3、程設(shè)計期間的安全和紀律要求，熟悉 幵發(fā)環(huán)境（ZYE1603B（ 4401機房）。2017年6月19日下午：查閱資料、確定題目，了解各人（小組）設(shè)計安排，就設(shè) 計過程進行集中講解，解決設(shè)計過程存在的問題。2017年6月20日6月22日：在機房進行系統(tǒng)的設(shè)計。2017年6月23日上午：分組討論，進行交流，了解學生的掌握情況，對本周的學 習情況進行總結(jié)，對后續(xù)的設(shè)計提出要求；對存在的問題進行分析和解決。（機房） 2017年6月23日下午：答辯，成績評定。指導教師簽字 2017年6月19日課程設(shè)計（大作業(yè)）成績學號：姓名：指導教師： 課程設(shè)計題目：基本模型機設(shè)計與實現(xiàn) 總結(jié): 指導教師評語: 成績:填

4、表時間：指導教師簽名:目錄一、課程設(shè)計的教學目的二、課程設(shè)計任務(wù)和基本要求三、設(shè)計任務(wù)及分析四、設(shè)計原理五、操作步驟1 .本實驗設(shè)計機器指令程序如下表所示。2 .根據(jù)下圖連接線路3. 聯(lián)機寫程序4. 聯(lián)機運行六、實驗結(jié)果七、實驗總結(jié)八、參考書籍課程設(shè)計（大作業(yè)）報告一、課程設(shè)計的教學目的1. 在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗”的基礎(chǔ)上，進一步將其中 各單元組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺模型計算機。2. 本實驗定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試運行，形成 整機概念。課程設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計一臺基本模型機，并實現(xiàn)相關(guān)的指令、課程設(shè)計任務(wù)和基本要求本課程設(shè)計以TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)為

5、平臺設(shè)計完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計一個微程序控制器。2. 設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖，按微指令格式寫出微 程序的為指令代碼。3. 連接邏輯電路完成啟動，測試,編程,測試,效驗和運行，并觀測運 行過程及結(jié)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(guān)系，建立計算機整機的概念，掌握計算機的控制機制。7. 按指定的應(yīng)用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計，并設(shè)計相應(yīng)的 機器指令代碼，按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機器指令功能的微程序

6、 .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(yīng)用要求。三、設(shè)計任務(wù)及分析(1) 設(shè)計任務(wù)：從輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以A為間接地址的 內(nèi)存單元，將X與R).寄存器中的內(nèi)容丫執(zhí)行X ，結(jié)果送到以B為直 接地址的內(nèi)存單元保存。分析：A:給F0寄存器直接置入01H.B:從數(shù)據(jù)開關(guān)給間接地址為0CH的內(nèi)存單元置數(shù)，(03H).C:給R中的內(nèi)容取反，結(jié)果存在R)中.D:將間接地址OCH中直接地址OEH中的內(nèi)容(03H)放入DR1中,R。中的內(nèi)容放入DR2中,將DR1和DR2種的數(shù)進行異或運算,結(jié)果放在R)中.E:將F0中的內(nèi)容存在直接地址為ODH的內(nèi)存單元中.

7、四、設(shè)計原理模型機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(yīng)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(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN0000 0000“INPUT DEVICE中的開關(guān)狀態(tài)ROADDaddr00010000xxxxxxxx進制加法，R0+addr - R0STAaddr001000

8、00xxxxxxxx存數(shù)，ROf addrOUTaddr00110000xxxxxxxx輸出，addr f BUSJMPaddr01000000xxxxxxxx無條件轉(zhuǎn)移，addrf PC其中IN為單字長（8位）指令，其余為雙字長指令，xxxxxxxx為addr對應(yīng)的二進制地址碼。根據(jù)模型機的數(shù)據(jù)通路圖（如圖1所示）和指令的要求定義微代碼如下:微程序24212019181716151312109761控制信號S3S0MCNRDM17M16ABPuA5uA0表1微代碼定義A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P

9、1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表2 A、B、P字段表中卩A5卩A0為6位后續(xù)微地址，A B C為三個譯碼字段，分別由三 個控制位譯碼出多位。P字段中的P( 1)P(4)是四個測試字位。其功能是 根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進行譯碼， 使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實 現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。B字段中的RS-B RD-B RI-B分別為源寄 存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機器 指令

10、來進行三個工作寄存器 R0 R1及R2的選通譯碼。A字段中的LDRI為從 輸入設(shè)備組件中讀入數(shù)據(jù)使能控制信號。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(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的控制以便識別所要求的操作?！爸噶罴拇嫫鳌?實 驗板上標有“ INS DECODE的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強置微控器單 元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)得微程序首地址。本系統(tǒng)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(IN

11、PUT DEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUQEVICE。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，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當寫信號(W/R)有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，在數(shù)碼管顯示。圖1基本模型機數(shù)據(jù)通路圖(1) 運算器。運算器又由運算邏輯單元、數(shù)據(jù)暫存器、通用寄存器組 成。在圖1模型機的結(jié)構(gòu)圖中，ALU ALU_G和74299組成運算邏輯單元， 其中ALU是由2個4位的74LS181串聯(lián)成8位的運算器，ALU_G是 ALU-G 實現(xiàn)用于控制ALU的運算結(jié)果的輸出，74299用74LS299實現(xiàn)用于對A

12、LU 的運算結(jié)果進行移位運算；數(shù)據(jù)暫存器在圖 1中由DR1和DR2組成，DR1 和DR2都是用74LS273實現(xiàn)，它們用于存儲運算器進行運算的兩個操作數(shù)； 通用寄存器在圖1中由R0 R1和R2組成，R0 R1和R2都是用74LS374 實現(xiàn)，它們用作目的寄存器和源寄存器。（2）控制器?？刂破饔晌⒊绦蚩刂破?、 指令寄存器、 地址寄存器和程 序計數(shù)器組成。在圖 1 中微程序控制器表示為 MControl ，它里面存放了 指令系統(tǒng)對應(yīng)的全部微程序， 微程序控制器是由微控制存儲器和 3個138 譯碼器實現(xiàn)（A138 B138和P138）,用于產(chǎn)生控制信號來控制各個組件的 工作狀態(tài)；在圖1中指令寄存器表

13、示為IR，指令寄存器由一個74LS273 實現(xiàn)，用于存放當前正在執(zhí)行的指令；在圖 1 中地址寄存器表示為 AR， 地址寄存器由一個74LS273實現(xiàn)，在讀取或者寫入存儲器時用于指明要讀 取或?qū)懭氲牡刂?；程序計?shù)器在圖1中由PC_G和 PC組成，其中PC是由 八位二進制同步計數(shù)器實現(xiàn)，用于產(chǎn)生程序指針pc的下一個值，PC_G由PC-G實現(xiàn)，用于存儲程序的程序指針 pc的值。（3） 存儲器。存儲器在圖1中表示為MEN存儲器用靜態(tài)隨機存儲器 6116實現(xiàn)，用來存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線用于連接運算器、 存儲器、輸入輸出等模塊， 數(shù)據(jù)總線由 ccp_DataBus 實現(xiàn)。（ 5） 輸

14、入輸出。輸入輸出類似于鍵盤和顯示器。（6） 時序產(chǎn)生器。在圖1中T1、T2、T3和T4等控制信號都是由時序 產(chǎn)生器生產(chǎn)， 時序產(chǎn)生器由時序電路實現(xiàn)如圖 2所示，時序產(chǎn)生器一個周 期中產(chǎn)生四個脈沖信號T1T4,這四個脈沖信號用于控制組件的執(zhí)行順序， 組件在這些信號的控制下有序的執(zhí)行， 一個周期中完成一條微指令的執(zhí)行。系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖 1 所示，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) 5路分支，占用 5

15、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)SWBSWA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 可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。當全部微程序設(shè)計完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化：當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表 3即為將圖2的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的二進制微代碼表微地址S3 S2 S1 S0M16M CN WE M17ABP口 A5口 A0000 0 0 00 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 00 0 0 1 11 1 01 1 01 1

16、00 0 0 0 1 0020 0 0 00 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 00 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 00 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 00 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 10 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0 00 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 00 0 00 0 10

17、 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 00 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 00 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 00 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 00 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 01 0 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160 0 0 0 0 00 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0

18、0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 12

19、60 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0表3二進制代碼表WRITE ( 01 )RUN(11)42123PC AR24RAM BUS BUSPCAR22RAM BUS BUSEAD(OO)200130 DR010210OUT JMP1011140103071626041517IN ADD STA121301050125060101圖2微程序流程圖五、操作步驟1 本實驗設(shè)

20、計機器指令程序如下表所示地址（二進內(nèi)容（二進助記符說 明制）制）0000 00000000 0000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000 00010010 0000STA 0 8HR0- 0 8 H0000 00100000 1000地址0000 00110011 0000OUT 0 8H0 8 H BUS0000 01000000 1000地址0000 01010100 0000JMP00H00H- PC0000 01100000 0000跳轉(zhuǎn)地址實驗一：實驗中機器指令解釋表地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說 明0000 00000000 0000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000 0001

21、0001 0000ADD0AHRO+0AH R00000 00100000 1010地址0000 00110010 0000STA0BHR0- 0BH0000 01000000 1010地址0000 01010011 0000OUT0BH0BH LED0000 01100000 1011地址0000 01110100 0000JMP00H00H- PC0000 10000000 0000跳轉(zhuǎn)地址0000 10100000 0001加數(shù)，可自定0000 1011求和結(jié)果保存在0B單兀中實驗二：實驗中機器指令解釋表2 根據(jù)下圖連接線路基本模型機實驗接線圖3.聯(lián)機寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及表3

22、微指令二進制表編輯成十六進制的規(guī)定格式文件。微指令格式中的微指令代碼為將表3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(yīng)的十六進制數(shù)即可。使用聯(lián)機軟件的文件裝載將實驗程序和微程序下載到實驗箱中，并用軟件的讀出功能進行檢查。其中參考程序一對應(yīng)的文件名為“基本模型機1.TXT”，參考程序二對應(yīng)的文件名為“基本模型機 2.TXT”實驗一的機器指令：$P0000$P0120$P0208$P0330$P0408$P0540$P0600實驗二的機器指令：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01微程序

23、（以上兩程序公用）：$M00018110$M0300E004$M06959A01 $M0901ED83 $M0C01ED96$M0F00A015$M1200A017$M15070A01$M18068A11$M0101ED82$M0400B005$M0700E00D$M0A01ED87$M0D028201$M1001ED92$M1600D181$M0200C048$M0501A206$M08001001$M0B01ED8E$M0E00E00F$M1101ED94$M17070A104. 聯(lián)機運行首先使各個開關(guān)的狀態(tài)為：SIGNAL UNIT中的SP03開關(guān)設(shè)置為“ STEP狀 態(tài)，SP04開關(guān)設(shè)置為“ RUN狀態(tài)；CONTROL UNI的開關(guān)SP05處于“ NORM狀 態(tài)，SP06處于“ RUN 狀態(tài)；開關(guān)單元的開關(guān) SWB SW/為“11”。使開關(guān)單