計(jì)算機(jī)組成原理組成課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-PAGE . z. . . . . 資料. . .計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目:中央處理器-微程序控制器設(shè)計(jì)院 系：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院班 級：2012級4班設(shè) 計(jì) 者：李雪飛曹項(xiàng)飛衛(wèi)妙珠指導(dǎo)教師：吳戴明設(shè)計(jì)時(shí)間：目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc360778995一、課題分析 PAGEREF _Toc360778995 h 4HYPERLINK l _Toc3607789961.1、設(shè)計(jì)目的 PAGEREF _Toc360778996 h 4HYPERLINK l _Toc3607789971.2、設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc360778997

2、h 4HYPERLINK l _Toc3607789981.3、課程設(shè)計(jì)題目分析 PAGEREF _Toc360778998 h 4HYPERLINK l _Toc360778999課題設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 PAGEREF _Toc360778999 h 4HYPERLINK l _Toc360779000讀/寫操作的認(rèn)識 PAGEREF _Toc360779000 h 5HYPERLINK l _Toc360779001二、總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc360779001 h 5HYPERLINK l _Toc3607790022.1、設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc360779002 h 6HY

3、PERLINK l _Toc3607790032.2功能設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc360779003 h 6HYPERLINK l _Toc360779004三、方案比擬 PAGEREF _Toc360779004 h 7HYPERLINK l _Toc360779005四、分步設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc360779005 h 8HYPERLINK l _Toc3607790064.1小組成員設(shè)計(jì)任務(wù)分配 PAGEREF _Toc360779006 h 8HYPERLINK l _Toc3607790074.2微程序控制器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc360779007 h 8HYP

4、ERLINK l _Toc3607790084.2.1 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc360779008 h 8HYPERLINK l _Toc3607790094.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 PAGEREF _Toc360779009 h 8HYPERLINK l _Toc3607790104.3、指令周期流程圖 PAGEREF _Toc360779010 h 9HYPERLINK l _Toc3607790114.4、機(jī)器指令設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc360779011 h 9HYPERLINK l _Toc3607790124.5系統(tǒng)組成框圖 PAGEREF _Toc360779012 h

5、 10HYPERLINK l _Toc3607790134.6、各部件功能 PAGEREF _Toc360779013 h 11HYPERLINK l _Toc3607790144.7微指令格式 PAGEREF _Toc360779014 h 12HYPERLINK l _Toc3607790154.8微程序流程圖 PAGEREF _Toc360779015 h 13HYPERLINK l _Toc3607790164.10數(shù)據(jù)連通圖和接線圖 PAGEREF _Toc360779016 h 14HYPERLINK l _Toc360779017五、設(shè)計(jì)成果 PAGEREF _Toc360779

6、017 h 15HYPERLINK l _Toc3607790185.1運(yùn)行結(jié)果 PAGEREF _Toc360779018 h 15HYPERLINK l _Toc3607790205.2課程設(shè)計(jì)的收獲 PAGEREF _Toc360779020 h 16HYPERLINK l _Toc360779021六、存在問題及改良建議 PAGEREF _Toc360779021 h 16HYPERLINK l _Toc360779023七、參考文獻(xiàn)及相關(guān)網(wǎng)址 PAGEREF _Toc360779023 h 17課題分析通過計(jì)算機(jī)組成原理理論課和幾次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，編寫相應(yīng)的微程序，完成由根本單元電路構(gòu)成

7、一臺根本模型機(jī)，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機(jī)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(jì)根本模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)根底上，完成這次的課程設(shè)計(jì)。這次的課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)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(jī)器指令到指令執(zhí)行完畢的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一條微程序。1.1、設(shè)計(jì)目的計(jì)算機(jī)組成與構(gòu)造課程設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)組成與構(gòu)造課程的后續(xù)設(shè)計(jì)性課程，通過設(shè)計(jì)一臺模型計(jì)算機(jī)，使學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)組成與構(gòu)造課程的根本內(nèi)容，掌握計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的根本方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力

8、和創(chuàng)新意識，為以后進(jìn)展計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)奠定根底。1.2、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)8位模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括運(yùn)算器，微程序控制器，存儲器,簡單輸入輸出接口和設(shè)備。在計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上搭建模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成運(yùn)算器、微程序控制器的設(shè)計(jì)調(diào)試任務(wù)，并用所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)編寫一個(gè)實(shí)現(xiàn)簡單功能的程序，在搭建的模型機(jī)系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運(yùn)行程序。最后總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完善所設(shè)計(jì)的模型機(jī)系統(tǒng)方案和電路圖，寫出完整的設(shè)計(jì)報(bào)告。1.3、課程設(shè)計(jì)題目分析基于我們對簡單和復(fù)雜模型機(jī)的理解和實(shí)驗(yàn)，我們對課程設(shè)計(jì)分析、課題設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、確定設(shè)計(jì)目標(biāo)確定所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的功能和用途。、確定指令系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、

9、指令的編碼、類型、需要設(shè)計(jì)哪些指令及使用的尋址方式。確定相對應(yīng)指令所包含的微操作。、總體構(gòu)造與數(shù)據(jù)通路總體構(gòu)造設(shè)計(jì)包括確定各部件設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路構(gòu)造。在此根底上，就可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實(shí)現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。綜合考慮計(jì)算機(jī)的速率、性能價(jià)格比、可靠性等要求，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)通路構(gòu)造，確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的操作就不同，計(jì)算機(jī)的構(gòu)造也就不一樣。、設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令所需要的機(jī)器周期數(shù)。對于微程序控制的計(jì)算機(jī)，根據(jù)總線構(gòu)造，需考慮哪些微操作可以安排在同一條微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中

10、。、確定微程序地址根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每個(gè)微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。、微指令代碼化根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼寫入到控制存儲器中的相應(yīng)單元中。、組裝、調(diào)試在總調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)展組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的正常運(yùn)行。讀/寫操作的認(rèn)識機(jī)器指令碼的前4位為操作碼。其中IN為單字長，其余為雙字長指令，*為addr對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。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(jì)三個(gè)控制臺操作微程序。存儲器讀操作READ：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為00時(shí)，按STAR

11、T微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作WRITE：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA設(shè)置為01時(shí)，按START微動開關(guān)可對RAM進(jìn)展連續(xù)手動寫入。啟動程序RUN：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA設(shè)置為11時(shí)，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號取址微指令，啟動程序運(yùn)行。上述三條控制臺指令用兩個(gè)開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：SWBSWA控制臺命令00讀內(nèi)存READ01寫內(nèi)存WRITE11啟動程序運(yùn)行RUN總體設(shè)計(jì)2.1、設(shè)計(jì)原理CPU由運(yùn)算器ALU、微程序控制器MC、通用存放器RO、指令存放器IR、程序計(jì)數(shù)器PC和地址存放器AR組成，如圖1

12、所示。這個(gè)CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU必須和主存掛接后，才有實(shí)際的意義，所以還需要在該CPU的根底上增加一個(gè)主存和根本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡單的模型計(jì)算機(jī)。圖1 根本CPU構(gòu)成原理圖2.2功能設(shè)計(jì)本模型機(jī)和前面微程序控制器實(shí)驗(yàn)相比,共有5條指令：IN(輸入)、ADD二進(jìn)制加法、OUT(輸出)、JMP(無條件轉(zhuǎn)移)、HLT停機(jī)，其指令格式如下：助記符 實(shí)現(xiàn)功能 機(jī)器指令代碼IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R0 0000 0000MUL(R0，R1)A

13、vB-R0 0101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000 HLTNOP1000 0000均為單字節(jié)指令，*為addr對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。微程序控制器實(shí)驗(yàn)的指令是通過手動給出的，現(xiàn)在要求CPU自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。方案比擬方案一：(1) 選定CPU中所使用的產(chǎn)要器件；(2) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)指令流的數(shù)據(jù)通路；(3) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通路。計(jì)算機(jī)的工作過程，實(shí)質(zhì)上是不同的數(shù)據(jù)流在控制信號作用下在限定的數(shù)據(jù)通路中進(jìn)展傳送。數(shù)據(jù)通路不同，指令所經(jīng)過的操作過程也不同，機(jī)器的構(gòu)

14、造也就不樣，因此數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。所謂數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，也就是確定機(jī)器各邏輯部件相對位置的總框圖。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)路的設(shè)計(jì)，目前還沒有非常標(biāo)準(zhǔn)的方法。主要是依據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)歷，并參考現(xiàn)有機(jī)器的三種典型形式單總線、雙總線或三總線構(gòu)造，根據(jù)指令系統(tǒng)的要求，可采用試探方法來完成。其主要步驟如下：(1) 對指令系統(tǒng)中的各條指令進(jìn)展分析，得出所需要的指令周期與操作序列，以便決定各器件的類型和數(shù)量。(2) 構(gòu)成一個(gè)總框圖草圖，進(jìn)展各邏輯部件之間的互相連接，即初步確定數(shù)據(jù)通路，使得由指令系統(tǒng)所包涵的數(shù)據(jù)通路都能實(shí)現(xiàn)，并滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。(3) 檢驗(yàn)全部指令周期的操作序列，確定所需要的控制點(diǎn)和控制信號。(4)

15、檢查所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通路，盡可能降低本錢，簡化線路。方案二:、用根本的五條機(jī)器指令編寫實(shí)驗(yàn)程序。程序如下：地址和內(nèi)容都是十六進(jìn)制，機(jī)器指令的前4位為操作碼。地址內(nèi)容助記符說明0000IN R0, 80H80H R0。數(shù)據(jù)80H從實(shí)驗(yàn)儀左下方INPUT DEVICE中的8位數(shù)據(jù)開關(guān)D7D0輸入，存入R0存放器。0110ADD R0, (0A)(R0)+(0A) R0。R0存放器的內(nèi)容與存儲器0A地址單元的內(nèi)容相加，結(jié)果存入R0存放器。020A0320STA(0B), R0R0 (0B)。R0存放器的內(nèi)容與存入存儲器0B地址單元。040B 0530OUT BUS, (0B)(0B) BUS。通過總線輸

16、出存儲器0B地址單元的內(nèi)容。060B 0740JMP 0000 PC。無條件轉(zhuǎn)移到00地址。0800 0A01 存儲器0A地址單元的數(shù)據(jù)，可自定。0B 求和結(jié)果保存在存儲器0B地址單元。微指令的微代碼如下：內(nèi)容是十六進(jìn)制十六進(jìn)制地址八進(jìn)制地址內(nèi)容十六進(jìn)制地址八進(jìn)制地址內(nèi)容00001081010D15018202010182ED010E160FE000020248C0000F1715A000030304E000102092ED01040405B000112194ED01050506A201122217A0000606019A95132301800107070DE00014241820000810

17、0110001525010A07091183ED01162681D1000A1287ED011727100A070B138EED011830118A060C1496ED01 、修改和編寫實(shí)驗(yàn)儀RAM和ROM數(shù)據(jù)。 方案比擬：由于方案二更符合本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，而且是基于我們平時(shí)做的根本模型機(jī)包括簡單模型機(jī)和復(fù)雜模型機(jī)兩局部的根底，所以做起來比擬容易。因此，我們選擇了方案二。分步設(shè)計(jì)4.1小組成員設(shè)計(jì)任務(wù)分配表一 任務(wù)分配表小組成員任務(wù)李雪飛曹項(xiàng)飛衛(wèi)妙珠設(shè)計(jì)機(jī)器指令執(zhí)行流程微程序流程圖分配微地址控制臺操作編碼編寫設(shè)計(jì)報(bào)告指令周期流程圖數(shù)據(jù)通路圖實(shí)驗(yàn)電路連接二進(jìn)制代碼表微指令格式微指令代碼化相關(guān)文

18、檔收集總體調(diào)試運(yùn)行4.2微程序控制器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求1將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中；2用單步執(zhí)行微指令方式執(zhí)行微程序并觀測所發(fā)出的控制信號；3每組編寫的程序必須有助記符表示的匯編語言源程序，并把源程序翻譯成機(jī)器指令代碼，并記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；4. 提交微程序流程圖、對應(yīng)的二進(jìn)制微代碼表 設(shè)計(jì)內(nèi)容1編寫出實(shí)現(xiàn)自定義指令系統(tǒng)的微程序；2將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中；3在實(shí)驗(yàn)箱調(diào)試和完成微程序控制器的設(shè)計(jì)工作；4.3、指令周期流程圖開場MMDIRMMAC取指指令MOV指令運(yùn)算指令MMIRMMIRALU運(yùn)算PC+1IRuIRDR2ACMMIRMMIRIRuIRIRuIR完畢圖 2 指令周期流

19、程4.4、機(jī)器指令設(shè)計(jì)表二 機(jī)器指令碼設(shè)計(jì):助記符實(shí)現(xiàn)功能機(jī)器指令代碼IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R00000 0000MUL(R0，R1)AvB-R00101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000 HLTNOP1000 0000表三 機(jī)器指令程序地址二進(jìn)制內(nèi)容二進(jìn)制助記符說明0000 00000000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001 000

20、00000 00110010 0000STA R0,11HR011H0000 01000001 00010000 0101 0011 0000OUT 11H11HLED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10HR00000 10010001 00000000 10100010 0000STA R0,12HR012H0000 1011 0001 00100000 11000011 0000OUT 12H12HLED0000 11010001 00100000 1

21、1100100 0000JMP 00H00HPC0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和結(jié)果0001 0011求差結(jié)果4.5系統(tǒng)組成框圖 圖3 復(fù)雜模型機(jī)控制器4.6、各部件功能1LDPC 微程序控制器輸出的PC加1信號。2LOAD 微程序控制器的輸出信號。LOAD0時(shí)，PC程序計(jì)數(shù)器處于并行置數(shù)狀態(tài)；LOAD1時(shí)，PC處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。3ALUBUS 微程序控制器的輸出信號，控制運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果是否送到總線BUS，低電平有效。4PCBUS 微程序控制器的輸出信號，控制程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容是否送到總線BUS，低電平有效。5R0BUS 微程序控制

22、器的輸出信號，控制存放器R0的內(nèi)容是否送到總線BUS，低電平有效。6SWBUS 微程序控制器的輸出信號，控制8位數(shù)據(jù)開關(guān)SW7SW0的開關(guān)量是否送到總線，低電平有效。7LDR0 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入存放器R0。8LDDR1 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運(yùn)算暫存器DR1。9LDDR2 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運(yùn)算暫存器DR2。10LDIR 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)指令輸入到指令存放器IR中。4.7微指令格式表四 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-

23、S0A字段B字段C字段MA5-MA0A、B、C各字段功能說明：A字段B字段C字段141312選擇11109選擇876選擇000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P010LDB010R0_B010保存011LDR0011保存011保存100保存100保存100保存101保存101保存101保存110保存110保存110保存111LDIR111保存111保存4.8微程序流程圖33IN-R001R0-OUT3101OUTOUTHUOADDININ0101320705060430343635030100NOPPC-ARPC+1MEM-IRR0-AIN-R1R0-AR1-O

24、UTPR1-BR1-BA+B=R0AB=R00101圖4 微程序流程圖4.9二進(jìn)制代碼表表五 二進(jìn)制代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 26 050000000000100110000001010504 B2 01 0000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000

25、000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 010001100001000000000000013218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D0000000001101101010111014.10數(shù)據(jù)連通圖和接線圖圖5 數(shù)據(jù)通路圖設(shè)計(jì)成果5.1運(yùn)行結(jié)果按照以下功能分