計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)習(xí)-簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)

PAGE福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院計(jì)算機(jī)類課程實(shí)習(xí)報(bào)告課程名稱：計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)習(xí)題目：簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)姓名：系：計(jì)算機(jī)專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)年級(jí)：09級(jí)學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱：2011年6月26日福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院計(jì)算機(jī)類課程實(shí)習(xí)報(bào)告結(jié)果評(píng)定評(píng)語(yǔ)：能夠參加課程實(shí)習(xí)，認(rèn)真完成任務(wù)（20分）實(shí)習(xí)報(bào)告格式符合要求，內(nèi)容完整（20分）流程圖、電路圖正確，文字?jǐn)⑹稣_（25分）對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解程度及分析問題的能力（35分）成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：評(píng)定日期：2010.7.32-目錄1．實(shí)習(xí)的目的和任務(wù)………………12．實(shí)習(xí)要求…………13．實(shí)習(xí)地點(diǎn)…………14．主要儀器設(shè)備……………………15．實(shí)習(xí)原理…………16．實(shí)習(xí)內(nèi)容…………66.1編寫程序………………………66.2連接試驗(yàn)線路…………………76.3寫程序…………76.4運(yùn)行程序………………………107．問題討論與分析…………………118．結(jié)束語(yǔ)……………119．參考文獻(xiàn)…………12簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)的目的和任務(wù)《計(jì)算機(jī)組成原理》是一門理論性和實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，學(xué)生僅僅通過課堂教學(xué)來獲取理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，通過親自動(dòng)手，鞏固課堂知識(shí)、提高綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)和方法獨(dú)立分析和解決問題的能力，并從成功和失敗的體驗(yàn)中得到鍛煉，才能夠掌握和運(yùn)用所學(xué)到的理論知識(shí)來解決實(shí)際問題，達(dá)到學(xué)以致用的目的。除此之外，《計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)習(xí)》為學(xué)生提供了一次學(xué)習(xí)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問題的鍛煉。

《計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)習(xí)》是學(xué)生學(xué)習(xí)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程期間的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實(shí)習(xí)總結(jié)計(jì)算機(jī)組成原理課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容：層次化設(shè)計(jì)方法、多路開關(guān)，邏輯運(yùn)算部件，微程序控制的運(yùn)算器設(shè)計(jì)、微程序控制的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。為將來從事專業(yè)工作打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)良好的職業(yè)道德和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。實(shí)習(xí)要求了解并掌握計(jì)算機(jī)組成原理設(shè)計(jì)的一般方法，具備初步的獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)能力；通過該課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，總結(jié)計(jì)算機(jī)組成原理課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，層次化設(shè)計(jì)方法、多路開關(guān)，邏輯運(yùn)算部件，微程序控制的運(yùn)算器設(shè)計(jì)、微程序控制的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。提高綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)和方法獨(dú)立分析和解決問題的能力。實(shí)習(xí)地點(diǎn)田家炳C404硬件實(shí)驗(yàn)室主要儀器設(shè)備（實(shí)驗(yàn)用的軟硬件環(huán)境）ZYE1603B計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)PC機(jī)一臺(tái)ZYE1603B計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀聯(lián)機(jī)軟件實(shí)習(xí)原理在第一部分的單元實(shí)驗(yàn)中，所有的控制信號(hào)是人為用SWITCH單元產(chǎn)生的，但是在實(shí)際的CPU中，所有的控制信號(hào)都是由CPU自動(dòng)產(chǎn)生的。所以在本次實(shí)驗(yàn)中我們用微程序來控制，自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，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)行結(jié)束的一個(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(duì)應(yīng)一段微程序。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了五條機(jī)器指令，其指令格式如下：助記符

機(jī)器指令碼

說明IN

00000000

；輸入，“INPUT”設(shè)備中的開關(guān)狀態(tài)→R0ADDaddr

00010000XXXXXXXX

；二進(jìn)制加法，R0＋［addr］→R0STAaddr

00100000XXXXXXXX

；存數(shù)，R0→［addr］OUTaddr

00110000XXXXXXXX

；輸出，［addr］→BUSJMPaddr

01000000XXXXXXXX

；無(wú)條件轉(zhuǎn)移，addr→PC機(jī)器指令碼的前4位為操作碼。其中IN為單字長(zhǎng)，其余為雙字長(zhǎng)指令，XXXXXXXX為addr對(duì)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(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。存儲(chǔ)器讀操作（READ）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“00”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。存儲(chǔ)器寫操作（WRITE）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA設(shè)置為“01”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)可對(duì)RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入。啟動(dòng)程序（RUN）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA設(shè)置為“11”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。上述三條控制臺(tái)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(tái)命令00讀內(nèi)存（READ）01寫內(nèi)存（WRITE）11啟動(dòng)程序運(yùn)行（RUN）根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖，如圖6-1。微代碼定義如表6-1所示。圖6-l

數(shù)據(jù)通路框圖表6-1

基本模型機(jī)微指令結(jié)構(gòu)圖微程序控制信

A字段B字段P字段151413控制信號(hào)121110控制信號(hào)987控制信號(hào)000

000

000

001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010

010

011LDDR2011

011

100LDIR100

100P4101LOAD101ALU_G101

110LDAR110PC_G110LDPC系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖6-2，當(dāng)擬定“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P1測(cè)試。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的高4位（I7—I4操作碼）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元?？刂婆_(tái)操作為P4測(cè)試，它以控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用一個(gè)微地址單元隨意填寫。當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表6-2即為將圖6-2的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。圖6-2

微程序流程圖表6-2

二進(jìn)制代碼表本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)制數(shù)碼開關(guān)，作為輸入設(shè)備（INPUT）；另一種是兩位十六進(jìn)制數(shù)LED數(shù)碼管，作為輸出設(shè)備（OUTPUTUNIT）。在輸入時(shí)，二進(jìn)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(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(hào)（WE）有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。6.實(shí)習(xí)內(nèi)容6.1編寫程序根據(jù)該模型機(jī)的指令系統(tǒng)，編寫一段程序。本程序從輸入設(shè)備（數(shù)碼開關(guān)）讀入數(shù)據(jù)，與0A單元的數(shù)據(jù)相加，然后送到輸出設(shè)備（LED數(shù)碼管）進(jìn)行顯示。本程序不斷地循環(huán)運(yùn)行，在運(yùn)行中可改變輸入開關(guān)（INPUT）的值，觀察輸出顯示的變化。設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下（機(jī)器碼和地址為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)）。地址

內(nèi)容

助記符

說明00

00

IN

；輸入開關(guān)數(shù)據(jù)→R0，采集數(shù)據(jù)01

10

ADD[0AH]

；R0＋[0AH]→R0，輸入數(shù)據(jù)與指定數(shù)據(jù)相加02

0A

；地址03

20

STA[0BH]

；R0→[0B]04

0B

；地址05

30

OUT[0BH]

；[0BH]→BUS，輸出顯示06

0B

；地址07

40

JMP[00H]

；00H→PC08

00

；跳轉(zhuǎn)地址0A

01

；加數(shù)，可自定0B

；求和結(jié)果保存在0B單元6.2連接試驗(yàn)線路按圖6-3連接實(shí)驗(yàn)線路（圖中箭頭表示需要接線的地方，接總線和控制信號(hào)時(shí)要注意高低位一一對(duì)應(yīng)，可用彩排線的顏色來進(jìn)行區(qū)分）。6.3寫程序（1）先將機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微代碼正確地寫入28C16中，由于在實(shí)驗(yàn)1.7微程序控制器的組成與微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中已將微代碼寫入E2PR0M芯片中，對(duì)照表2-5校驗(yàn)正確后就可使用。（2）使用控制臺(tái)WRITE和READ微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查，其操作如下：A．使SIGNALUNIT單元的SP03為“STEP”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)，CONTROLUNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)，開關(guān)SP06處于“RUN”狀態(tài)。B．撥動(dòng)開關(guān)單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使開關(guān)單元的SWB、SWA開關(guān)設(shè)置為“01”，按動(dòng)一次控制臺(tái)單元的觸動(dòng)開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010001”，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（輸入單元）置為要寫入的機(jī)器指令的內(nèi)容，按動(dòng)兩次START鍵后，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀WRITE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址總清后為零，以后每個(gè)循環(huán)PC會(huì)自動(dòng)加1。所以，每次按動(dòng)START，只有在微地址燈顯示

圖6-3

基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)接線圖C．校驗(yàn)。撥動(dòng)SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址清零。PC程序計(jì)數(shù)器清零，然后使SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“00”，按動(dòng)CONTROLUNIT的觸動(dòng)開關(guān)START，微地址燈將顯示“010000”，再按START，微地址燈顯示為“010010”，第三次按START，微地址燈顯示為“010111”，再按START后，此時(shí)OUTPUT單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內(nèi)容。不斷按動(dòng)START，以后每個(gè)循環(huán)PC會(huì)自動(dòng)加1程序機(jī)器指令：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01微程序（以上兩程序公用）：$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A116.4運(yùn)行程序手動(dòng)運(yùn)行程序（1）單步運(yùn)行程序A．使CONTROLUNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)，SP06處于“RUN”狀態(tài)，SIGNALUNIT中的SP03為“STEP”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)，SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“11”B．撥動(dòng)SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址清零，程序計(jì)數(shù)器清零，程序首址為00H。C．單步運(yùn)行微指令，每按動(dòng)一次CONTROLUNIT的START觸動(dòng)開關(guān)，即單步運(yùn)行一條微指令。對(duì)照微程序流程圖2-2，觀察微地址顯示燈MA5-MA0是否和流程一致。D．當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后，可檢查運(yùn)行結(jié)果是否和理論值一致。如果運(yùn)行結(jié)果保存在RAM的某一個(gè)單元中，則可以使用手動(dòng)寫入中的校驗(yàn)方法將其讀出。（2）連續(xù)運(yùn)行程序A．使CONTROLUNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)，SP06處于“RUN”狀態(tài)，SIGNALUNIT中的SP03為“RUN”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)，SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“11”B．撥動(dòng)SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址及程序計(jì)數(shù)器清零，然后按動(dòng)CONTROLUNIT的START觸動(dòng)開關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序，稍后將SIGNALUNIT中的SP04撥至“STOP”時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。C．停機(jī)后，可檢查運(yùn)行結(jié)果是否正確。如果運(yùn)行結(jié)果保存在RAM的某一個(gè)單元中，則可以使用手動(dòng)寫入中的校驗(yàn)方法將其讀出。7.問題討論與分析（1）寫機(jī)器指令時(shí)，清零后按單步，微地址顯示燈顯示“001100”后，輸入機(jī)器指令后按單步單步時(shí)一定要小心輕按，還要觀察微地址燈和數(shù)據(jù)總線燈是否對(duì)應(yīng)，若不對(duì)應(yīng)則有可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤。（2）在對(duì)微程序的內(nèi)存讀寫的設(shè)計(jì)當(dāng)中使用P（4）測(cè)試來判斷內(nèi)存是寫、是讀還是運(yùn)行。注意：微地址00對(duì)應(yīng)的后繼微地址一定要為001000，不然程序出錯(cuò)。（3）清零操作是通過跳線來實(shí)現(xiàn)的，若清零開關(guān)不好使，程序也會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤8.結(jié)束語(yǔ)（1）這次實(shí)習(xí)是我第一次嘗試計(jì)算機(jī)組成原理方面的試驗(yàn)，我一直堅(jiān)信自己的只是和能力，所以這次實(shí)習(xí)我盡量獨(dú)立完成，期間遇到過困難，但是在老師同學(xué)們的幫助下輕松解決了。（2）“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”在短暫的實(shí)習(xí)過程中，我深深的感覺到自己所學(xué)知識(shí)的膚淺和在實(shí)際運(yùn)用中的專業(yè)知識(shí)的匱乏，剛開始的一段時(shí)間里，對(duì)一些問題如專業(yè)知識(shí)等感到無(wú)從下手，茫然不知所措，這讓我感到非常的難