計算機硬件課程設計-簡單模型機設計

1、計算機硬件綜合課程設計報告 簡單模型機設計設計要求硬件：TDN-CM+計算機組成原理實驗系統(tǒng)一臺，PC機一臺，排線若干，串口線一根。軟件：CMP軟件設計目的通過對一個簡單計算機的設計，對計算機的基本組成、部件的設計、部件間的連接、 微程序控制器的設計、微指令和微程序的編制與調試等過程有更深的了解，加深對理論課程的理解。通過這次課程設計，建立整機的概念，對程序進行編輯，校驗，鍛煉理論聯(lián)系實際的能力。通過本次課程設計熟悉和訓練設計思路與實現(xiàn)方法。通過本次課程設計鍛煉團隊合作的能力和團隊問題的解決。設計電路及連線 設計電路及連線實驗圖如下圖1-1所示。圖 1-1 簡單模型機連線圖設計說明本次課程設計

2、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指令執(zhí)行結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。本次課程設計采用五條機器指令：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 微程序入口地址IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中 10ADD addrSTA addrOUT addrJM P addr 的開關狀態(tài)R0 0001 0000 R0

3、+addrR0 11 0010 0000 R0addr 12 0011 0000 addrBUS 13 0100 0000 addrPC 14其中，IN為單字長（8位），其余為雙字長， 為addr對應的二進制地址碼。設計數(shù)據(jù)通路框圖如圖1-2所示。微代碼定義如表1-1所示。圖 1-2 數(shù)據(jù)通路圖表1-124232221201918171615 14 1312 11 10 9 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0987選擇000001P（1）010011100P（4） 101110LDPC121110選擇000001RS-B0100111

4、00101ALU-B110PC-B A字段 B字段C字段151413選擇000001LDDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR設計步驟設計微程序流程圖，如圖1-3所示。運行微程序 01PCARPC+1RAMBUSBUSIR 02 10P(1)IN ADD STA OUT JMPPCARPC+1 10 11 12 13 14PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1SWR0RAMBUSBUSAR 03 07 16 RAMBUSBUSARRAMBUSBUSPCRAMBUSBUSAR 2601 04 15 R0BUSBUSRAMRAMBUSBUSDR2

5、 17RAMBUSBUSDR1 01 05R0DR1 25 DR1LED 06 01(DR1)+(DR2)R0 06 01 01 控制臺 00 八進制微地址 20P（4）KWE(01)RP(11) （SWB ,SWA)KRD(00)PCARPC+1PCARPC+1 21 20 23 24 22RAMBUSBUSDR1CSWDBUSBUSDR1 01 DR1LED DR1RAM 30 27 圖 1-3 微程序流程圖微指令代碼化，如下表1-2所示。表1-2微地址S3 S2 S1 S0 MCnWE A9 A8ABCuA5uA00 00 0000 00 1 10000001000100000 1000

6、0000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001000 40000000010110000000001010 50000000110100010000001100 61001010110011010000000010 70000000011100000000011011 00000000000010000000000011 10000000111101101100000111 20000000111101101100001111 30000000111101101100011101 4000000

7、0111101101100101101 50000001010000010000000011 60000000011100000000011111 70000000010100000000101012 00000000111101101100100102 10000000111101101100101002 20000000010100000000101112 30000000110000000000000012 40000000000100000000110002 50000011100001010000000012 60000000011010001100000012 7000001110

8、0001010000100003 0000001101000101000010001設計驗證程序的內(nèi)存映像（裝入起始地址00H）如下表1-3所示。表1-3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 00010001 0000ADD 0AHR0+0AHR00000 00100000 10100000 00110010 0000STA 0BHR00BH0000 01000000 10110000 01010011 0000OUT 0BH0BHLED0000 01100000 10110000 01110100 0000JMP 08

9、H00HPC0000 10000000 00000000 10010000 10100000 0001輸入自定的數(shù)據(jù)0000 1011求和結果的存儲單元建立聯(lián)機操作文件。為了從PC機下載工作程序和微程序，需要建立聯(lián)機操作文件，該文件是普通的文本文件，擴展名為TXT，可用記事本來建立。源程序如下：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M

10、0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11調試、執(zhí)行程序。首先打開CMP軟件，測試端口是否連接成功，然后裝入聯(lián)機操作文件，接著測試程序，測試值R0=FEH，置數(shù)據(jù)開關狀態(tài)11111110，根據(jù)提示撥動總清開關CLR（01）適時清零。在調試過程中，出現(xiàn)了一些問題，例如，出現(xiàn)提示窗口，提示源程序第幾行錯誤，經(jīng)檢查原來是數(shù)字0寫成

11、了字母O；觀察數(shù)據(jù)流通圖，有支路不通，就檢查該支路的連線，排查錯誤。設計結果和體會設計結果當R0=FEH時，求和結果為FFH，即0BH單元中存儲值為FFH，LED顯示FF。設計體會此次課程設計，讓我對計算機的基本組成、簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路組成、存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法、時序信號發(fā)生電路的組成原理、微程序控制器的設計思路和組成原理、微程序的編制、寫入過程有了進一步的了解，也讓我覺得自己的動手能力有 很大的提高；自信心也增強了，在課程設計過程中通過仔細查閱資料解決了遇到的問題，做到了理論與實踐相結合，鞏固和深化了自己的知識結構，收獲頗多。建議課程設計可以體現(xiàn)出團隊合作程度，緊密合作

12、加上明確分工，能夠大大地提高設計速度，在動手設計之前，最好將設計所需要的數(shù)據(jù)，程序準備好，為了判斷設計結果是否正確，有必要在準備階段計算理論值。仔細分析指令的每一位，以及微程序流程圖，理清思路，在設計時做到胸有成竹。復雜模型機設計一、設計要求硬件：TDN-CM+計算機組成原理實驗系統(tǒng)一臺，PC機一臺，排線若干，串口線一根。軟件：CMP軟件二、設計目的通過對一個簡單計算機的設計，對計算機的基本組成、部件的設計、部件間的連接、 微程序控制器的設計、微指令和微程序的編制與調試等過程有更深的了解，加深對理論課程的理解。通過這次課程設計，建立整機的概念，對程序進行編輯，校驗，鍛煉理論聯(lián)系實際的能力。通過

13、本次課程設計熟悉和訓練設計思路與實現(xiàn)方法。通過本次課程設計鍛煉團隊合作的能力和團隊問題的解決。設計電路及連線 設計電路及連線實驗圖如下圖2-1所示。圖 2-1 復雜模型機連線圖設計說明在簡單模型機的基礎上搭接移位控制電路，實現(xiàn)移位控制運算。新增4條移位運算指令：RL（左環(huán)移）、RLC（帶進位左環(huán)移）、RR（右環(huán)移）、RRC（帶進位右環(huán)移），其指令格式如下：助記符 操作碼RR 0101 0000RRC 0110 0000 RL0111 0000RLC1000 0000指令格式如表2-1所示。表2-124232221201918171615 14 1312 11 10 9 8 7654321S3S

14、2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0987選擇000001P（1）010011100P（4） 101110LDPC121110選擇000001RS-B010011100299-B101ALU-B110PC-B A字段 B字段C字段151413選擇000001LDDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR 數(shù)據(jù)通路圖如圖2-2所示。 T4299-B74299圖 2-2 數(shù)據(jù)通路圖設計步驟設計微程序流程圖，如圖2-3所示。運行微程序 01PCARPC+1RAMBUSBUSIR 02 20P(1)IN ADD STA OUT J

15、MP RR RRC RL RLCR0299R0299R0299PCARPC+1PCARPC+1 20 21 22 23 24 25 26 27 30R0299SWR0PCARPC+1PCARPC+1帶進位右環(huán)移 35 37 41RAMBUSBUSPC右環(huán)移左環(huán)移RAMBUSBUSAR 03 07 34 43 帶進位左環(huán)移RAMBUSBUSARRAMBUSBUSAR 31 299R0299R001 36 40 42299R0 04 17 44299R0 R0BUSBUSRAMRAMBUSBUSDR2 32 01 RAMBUSBUSDR1 01 01 05 01R0DR1 33 01 DR1LED

16、 06 01 (DR1)+(DR2)R0 01 01 控制臺 00 八進制微地址 20P（4）KWE(01)RP(11) （SWB ,SWA)KRD(00)PCARPC+1PCARPC+1 11 10 13 14 12RAMBUSBUSDR1CSWDBUSBUSDR1 01 DR1LED DR1RAM 15 16 圖 2-3 微程序流程圖微指令代碼化（十六進制表示），寫入操作文件后面。設計驗證程序的內(nèi)存映像（裝入起始地址00H）如下表2-2所示。表 2-2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 00010001 0000A

17、DD 0DHR0+0DHR00000 00100000 11010000 00111000 0000RLC將R0寄存器中的數(shù)據(jù)帶進位循環(huán)左移一位0000 01000000 0000IN“INPUT DEVICE”R00000 01010110 0000RRC將R0寄存器中的數(shù)據(jù)帶進位循環(huán)右移一位0000 01100111 0000 RL將R0寄存器中的數(shù)據(jù)循環(huán)左移一位0000 01110010 0000STA 0EHR00EH0000 10000000 11100000 10010011 0000OUT 0EH0EHLED0000 10100000 11100000 10110100 0000

18、JMP 00H00HPC0000 11000000 00000000 11010000 0001輸入自定的數(shù)據(jù)0000 1110求和結果的存儲單元建立聯(lián)機操作文件。為了從PC機下載工作程序和微程序，需要建立聯(lián)機操作文件，該文件是普通的文本文件，擴展名為TXT，可用記事本來建立。源程序如下：$P0000$P0110$P020D$P0380$P0400$P0560$P0670$P0720$P080E$P0930$P0A0E$P0B40$POC00$P0D01$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$

19、M0700E00F$M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A00E$M0B018001$M0C00200D$M0D068A09$M0E070A08$M0F028201$M10001001$M1101ED83$M1201ED87$M1301ED99$M1401ED9C$M1531821D$M1631821F$M17318221$M18313223$M1900E01A$M1A00A01B$M1B070A01$M1C00D181$M1D21881E$M1E019801$M1F298820$M20019801$M21118822$M22019801$M23198824$M24019801調試、執(zhí)行程序。首先打開CMP軟件，測試端口是否連接成