廣東海洋大學計算機組成原理課程設計報告報告-基本模型機的設計實現(xiàn)分析模板

1、-. z.計算機組成與結構課程實習基本模型機的設計與實現(xiàn)系 別： 信息學院 班 級： 計科1141 指導教師： 桃麗 *分工成績 鄧超榮0 共同完成 何濤4 共同完成鄧周光1 共同完成基本模型機的設計與實現(xiàn)設計要求 1.1、分組設計一臺基本模型機，并在模型機上運行一個簡單的程序。每組2-3人，要求各組的指令系統(tǒng)不同。 1.2、根據(jù)設計的圖紙，在驗臺上進行組裝，并調(diào)試成功。 1.3、在組裝調(diào)試成功的基礎上，整理出設計圖紙和其他文件，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)試小結課程實習使用的實驗設備2.1 實驗設備TEC-9計算機組成

2、原理教學實驗系統(tǒng)一臺（含74181算術運算器ALU、74374寄存器堆R0、74161程序計數(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)設計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設計主要括指令功能、操作類型的設計，尋址方式和指令格式的設計。計算機的性能與它所設置的指令系統(tǒng)有很大的關系，指令系統(tǒng)反映了計算機的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設置又與機器的硬件結構密切相關。指令是計算機

3、執(zhí)行*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)需要復雜的硬件結構來支持。 隨著社會科技的發(fā)展，計算機被應用到各行各業(yè)，人們步入自動化、智能化的生活階段。本次課程設計課題是基本模型機的設計與實現(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。本次設計完成了各指令的格式以及編碼的設計，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

4、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)和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動程序執(zhí)行。另外，還需設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)。以上各微指令設計完畢后，連接線路在TEC-9計算機組成原理教學實驗箱運行程序，并將實驗結果顯示輸出。2.4 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，并對其結果進行存儲，顯示等功能，從而得

5、到一個簡易的復雜模型機所實現(xiàn)的功能。2.5 模塊功能 IN 為單元字長（8位），含義是將數(shù)據(jù)開關8位數(shù)據(jù)輸入到RO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寄存器的容與存中以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中的容存儲到以第二字A為地址的存單元中。 AND 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寄存器的容與存中以A為地址單元的數(shù)相與，結果放在R0。 SUB 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寄存器的容與存中以A為地址單元的數(shù)相減，結果放在R0。 NOT 為雙字長指

6、令，第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)地址，其含義是將R0寄存器的容求反，把結果放在R0中。 JMP 為雙字長指令，執(zhí)行該指令時，程序無條件轉移到第二字所指定的存單元地址。三、課程實習步驟3.1 設計目的綜合運用所學過的計算機原理知識，在理解計算機各功能部件工作原理上，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，將微程序控制器模塊、運算器模塊同存儲器模塊聯(lián)機，組成一臺基本模型計算機。用微程序控制器模型機的數(shù)據(jù)桐廬，通過在夠早的模型機上運行機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關系，建立機器的整機概念。3.2 設計容 通過自己設計微指令，同時設計了7條機器指令：IN（輸入）、AD

7、D（相加）、AND（邏輯與）、STA（存數(shù)）、SUB（相減）、NOT（取反）、JMP（無條件轉移），然后輸 入數(shù)據(jù)來驗證這些操作。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)行一條機器指令； 3. 微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機器指令時再取出。 B.基本組成:控制存儲器，微指令寄存器，微地址寄存器，地址轉移邏輯。 控制存儲器(CM):用來存放實現(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器，要求速度快，讀出周期短。 微指令寄存器:存放當前由控制存儲器讀出的一條微指令信息，分為微地址寄存

8、器和微命令寄存器兩個部分。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試字段(P)的信息。 地址轉移邏輯:自動完成修改微地址的任務。 微程序控制器:微程序控制器的基本任務是完成當前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當前指令的功能轉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作的微命令的集合進行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器。 C

9、.微程序控制計算機的工作過程: 下面通過計算機啟動、執(zhí)行程序直到停機的過程，來說明微程序是如何控制計算機工作的: 計算機加電以后，首先由復位信號(Reset)將開機后執(zhí)行的第一條指令的地址送入PC，同時將一條取指微指令送入微指令寄存器中，并將其他一些有關的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當電壓達到穩(wěn)定值后，自動啟動計算機，產(chǎn)生節(jié)拍電位和工作脈沖。為保證計算機正常工作，電路必須保證開機后第一個機器周期信號的完整性，在該CPU周期末，產(chǎn)生開機后第一個工作脈沖。然后計算機開始執(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器中，也可以利用固化在只讀存儲器(ROM)中的一小段引導程序，將要執(zhí)行

10、的程序和數(shù)據(jù)從外部設備調(diào)入主存。實現(xiàn)各條指令的微程 序是存放在微程序控制器中的。當前正在執(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 進行相應的處理。當遇到停機指令或外來停機命令后，應該待當前這條指令執(zhí)行完 畢后再停機或至少在本機器周期結束時停機。要保證停機后，重新啟動計算機能繼 續(xù)工作而且不出現(xiàn)任何錯誤。3.4 數(shù)據(jù)通路圖注意：片選信號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同時為1”時，可將總線上的數(shù)據(jù)裝入到PC中，LDPC為1”，同時LOAD為0”時，將PC中的容加1。M=

11、0為算術運算，M=1為邏輯運算。=0表示運算開始時低位有進位，否則低位無進位。3.5 程序流程圖(SW)-PC P (4)PCAR PC+1RAMBUS， PCAR PC+1(SW)-BUSBUS-RAM3.6 接線圖3.7 測試結果及分析3.7.1 測試過程地址（二進制）容（二進制）0000 0000IN （0000 0000）0000 0001ADD （0001 0000）0000 0010 （0011 0010）0000 0011STA （0011 0000）0000 0100 （0011 0011) （存數(shù)）0000 0101AND （0010 0000）0000 0110 （0011

12、 0100）0000 0111STA (0011 0000）0000 1000 （0011 0001) （存數(shù)）0000 1001SUB （0100 0000）0000 1010 （0001 0110）0000 1011STA （0011 0000）0000 1100 （0011 0111) （存數(shù)）0000 1101NOT （0101 0000）0000 1110STA （0011 0000）0000 1111 （0011 1000） （存數(shù)）0001 0000JMP （0110 0000）0001 0001 （0000 0000）0011 0010 (ADD ) （0000 0001） （

13、ADD）0011 0011 (ADD STA)初始 （0000 0000） （ADD結果存數(shù)）0011 0100 (AND) （0000 0010） (AND)0011 0101 (AND STA)初始 （0000 0000 ） (AND結果存數(shù))0001 1110 (SUB) （0000 0001） (SUB)0011 0111初始 （0000 0000） (SUB結果存數(shù))0011 1000初始 （0000 0000） (NOT結果存數(shù))注：根據(jù)實驗連線圖連接好，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（01），微地址寄存器清零，此時用

14、DATA UNIT”單元的8位二進制開關給出要寫入RAM區(qū)的首地址（0000 0000），控制臺，SWA開關置為01”，按動顯示010010”，再按動一次START”，微地址燈顯示010100”，此時數(shù)據(jù)開關的容置為要寫入的機器指令，按動一次START鍵，即 完成該條指令的寫入。機器指令的首地址只要第一次輸入即可，PC會自動加1，所以按動START，只有在微地址燈顯示010100”時，才設置容，直到所有機器指令寫完。3.7.2 測試結果地址（二進制）容（二進制）0000 0000 （IN） 0000 00100011 0010 (ADD ) （0000 0001） （ADD）0011 0011

15、 (ADD STA) （0000 0011） （ADD結果存數(shù)）0011 0100 (AND) （0000 0010） (AND)0011 0101 (AND STA) （0000 0001 ） (AND結果存數(shù))0001 1110 (SUB) （0000 0001） (SUB)0011 0111 （0000 0000） (SUB結果存數(shù))0011 1000 （1111 1111） (NOT結果存數(shù))四、總結在做這次計算機組成原理課程設計過程中，困難重重，可以說是身心疲憊，許多在課堂上沒有聽懂，沒有學會的知識在課程設計的過程中暴露無遺，真是書到用時方恨少。還有，感覺在課堂上學到的還比較膚淺，表

16、面，課后并沒有進一步的深入思考和研究琢磨，導致在實際應用和操作方面力不從心，這點啟發(fā)我們應該認真對待實驗課，多動手，多思考，提高實踐能力。不懂就學，不懂就問。積極的是我在發(fā)現(xiàn)問題和自己的不足之后，把課本的容重新學習了一遍，特別是與之相關的章節(jié)容，對于一些學過還不懂的知識點，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，我就上網(wǎng)找資料，發(fā)帖求教，請問組員，同學，老師。此間，培養(yǎng)了自己的獨立學習，獨立思考能力，同時也意識到了團隊合作的重要性，增強了同學間的友誼，師生情誼?？偟膩碚f，這次課程設計還是有收獲的，不僅學習鞏固了課本知識，更重要的是思想覺悟提高了，一些學術精神也從此萌芽了。最后，特

17、別感老師一學期以來的辛勤付出，諄諄教導，讓我們接受并獲得了新知識，新技能，開闊了視野，受益良多。參考文獻1 白中英 戴志濤. 計算機組成原理（第五版立體化教材）：科學，2013.32 白中英計算機組成原理（第五版網(wǎng)絡版）：科學，1998 3 昆藏計算機系統(tǒng)結構：科學，19944（美）普拉持（Platt，DS）著黃慧萍等譯MicrosoftNET精髓：機械工業(yè)，2003.95 .chinayz.，中國研究生招生信息網(wǎng) 6 計算機組成原理實驗指導書. 王誠，宋佳興，董長洪編著. 清華大學,2002. 7 計算機組成原理學習指導與訓練 . 曠海蘭等編著. 中國水利水電, 2004. 8 計算機原理與

18、設計. 宋煥章 春元 王保恒. ：國防科技大學, 2000.附錄 源程序微地址S3 S2 S1 S0 M WE CE LDPCA BPUA5UA0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 11 0 11101 0 00 1 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 0 0 0 0 0 1 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 01 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 0 0 01 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0 0 40 0 0 0 0 0 0 0 00 1 10 0 00 0 00 0

19、0 1 0 1 0 50 0 0 0 0 0 0 1 00 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0 0 61 0 0 1 0 1 0 1 00 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1 0 70 0 0 0 0 0 0 0 01 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1 1 00 0 0 0 0 0 0 1 00 0 11 1 00 0 00 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 0 0 0 1 1 1 20 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 0 0 1 1 1 1 30 0 0 0

20、 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 0 1 1 1 1 40 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 1 0 0 1 1 50 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 1 1 0 1 1 60 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 01 0 0 0 0 0 1 70 0 0 0 0 0 0 0 00 1 10 0 00 0 00 1 0 1 0 1 2 00 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 0 0 1 0 2 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 0 1 0 0 2 20 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 00 0 00