計算機組成原理課程設計

1、計算機信息工程學院計算機組成原理課 程 設 計 報 告題目： 模型機的設計與實現 專 業(yè)： 計算機科學與技術（網絡方向）班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 目 錄一、 設計概述21.1設計目的2二、設計原理及內容32.1設計基本原理32.2需執(zhí)行的機器指令32.3數據通路圖42.4微指令格式52.5微程序地址的轉移52.6機器指令的寫入、讀出和執(zhí)行6三、 設計步驟83.1編寫機器指令83.2繪制微程序流程圖83.3繪制微指令93.4連接實驗線路103.5寫指令103.5.1寫微指令103.5.2寫機器指令11四、運行結果11參考文獻12一、 設計概述1.1設計目的隨著社會科技

2、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，它正體現了這一點。利用CPU與簡單模型機來實現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了一系列的指令功能，最終達到將理論與實踐相聯系。本次設計完成了各指令的格式以及編碼的設計，實現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。在“微程序控制器的組成與微程序設計實驗”的基礎上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構造一臺基本模型計算機。1.掌握機器指令與微程序的對應關系。2.掌握機器指令的執(zhí)行流程。3.掌握機器指令的微程序

3、的編制、寫入。4.在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將組成系統(tǒng)，構成一臺基本模型計算機。5.為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調試，掌握整機概念。二、設計原理及內容2.1設計基本原理部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產生的，如運算器實驗中對74LS181芯片的控制，存儲器實驗中對存儲器芯片的控制信號，以及幾個實驗中對輸入設備的控制。而本次實驗將能在微程序控制下自動產生各部件單元控制信號，實現特定指令的功能。這里，計算機數據通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內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段微

4、程序。本系統(tǒng)使用兩種外部設備，一種是二進制代碼開關(DATA UNIT)，它作為輸入設備；另一種是發(fā)光二極管(BUS UNIT上的一組發(fā)光二極管)，它作為輸出設備。例如：輸入時，二進制開關數據直接經過三態(tài)門送到總線上，只要開關狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數據送到數據總線BUS上，驅動發(fā)光二極管顯示。2.2需執(zhí)行的機器指令本次設計采用五條機器指令；IN(輸入)、ADD（加）、OR(或)、OUT(輸出)、NOT(加3取反)、JMP(無條件轉移)，其指令格式如表2-1所示。助記符機器指令碼說明IN0000 0000“DATA UNIT”中的開關狀態(tài)R0ADD addr0001 0000

5、 XXXXXXXXR0+addraddrOR addr0010 0000 XXXXXXXXR0 OR addr-R0NOR addr0011 0000 XXXXXXXXOUT addr0100 0000 XXXXXXXXaddrBUSJMP addr0101 0000 XXXXXXXXaddrPC表2-1 機器指令格式表其中機器指令碼的最高8位為操作碼。IN為單字長(8位)，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應的二進制地址碼。2.3數據通路圖實驗系統(tǒng)的數據通路圖，如圖2.1所示。圖2.1 數據通路圖注意：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

6、。LOAD和LDPC同時為“1”時，可將總線上的數據裝入到PC中；LDPC為“1”，同時LOAD為“0”時，將PC中內容加1。M=0為算術運算，M=1為邏輯運算。CN=0表示運算開始時低位有進位，否則低位無進位。圖2.1中包括運算器、存儲器、微控器、輸入設備、輸出設備以及寄存器。這些部件的動作控制信號都有微控器根據微指令產生。需要特別說明的是由機器指令構成的程序存放在存儲器中，而每條機器指令對應的微程序存儲在微控器中的存儲器中。2.4微指令格式微指令字長共24位，其控制位順序如圖2.2所示。242322212019181716987654321S3S2S1S0MCnwECeLDPCABCuA5

7、uA4uA3uA2uA1uA0B字段121110選擇000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110SW-B111PC-BC字段987選擇000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101ARA字段151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR圖2.2 微指令格式圖其中UA5UA0為下一條微指令微地址，A、B、C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多種不同控制信號。A字段中的LDRi為打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分別為源寄存器

8、選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據機器指令來進行三個工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。C字段中的P(1)P(4)是四個測試字位。其功能是根據機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現微程序的順序、分支、循環(huán)運行，其原理如圖2.3所示。AR為算術運算是否影響進位及判零標志控制位，其為零有效。注意：根據后面的實驗接線圖，A字段的LDRi與數據通路圖中的LDR0為同一個信號。B字段的RS-B與數據通路圖中的R0-B為同一個信號。2.5微程序地址的轉移本實驗系統(tǒng)的指令寄存器(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，先把該指令從內

9、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，由二進制數構成，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。“指令譯碼器”(實驗板上標有“INS DECODE”的芯片)根據指令中的操作碼譯碼后的結果，將微控器單元的微地址修改為下一條微指令的地址。SWB地址修改要依靠實驗系統(tǒng)的微程序地址轉移電路來完成，該電路如圖2.3所示。圖2.3 微程序地址轉移電路注意：FC：進位標志FZ：0標志SWA、SWB存儲器讀寫控制標志P（1）P（4）：微指令C字段譯碼輸出結果I2I7：機器指令第2位第7位。2.6機器指令的寫入、讀出和執(zhí)

10、行為了向RAM中裝入機器指令程序和數據，檢查寫入是否正確，并能啟動機器指令程序執(zhí)行，還必須設計三個控制臺操作微程序。存儲器讀操作(KRD)：撥動總清開關CLR（使CLR從101）后，控制臺開關SWB、SWA置為“0 0”時，按START微動開關，可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作(KWE)：撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWB、SWA置為“0 1”時，按START微動開關可對RAM進行連續(xù)手動寫入。啟動程序：撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWB、SWA置為“1 1”時，按START微動開關，即可轉入到第25號“取指”微指令，啟動程序運行。上述三條控制臺指令用兩個開關SWB、SWA的狀態(tài)

11、來設置，其定義如表2-3所示。SWBSWA控制臺指令00讀內存(KRD)01寫內存(KWE)ll啟動程序(RP)表2-3 控制臺指令三個控制臺操作微程序的流程如圖2.4所示。PC-ARPC+1PC-ARPC+1圖2.4 控制臺操作微程序流程圖控制臺操作為P(4)測試，它以控制臺開關SWB、SWA作為測試條件，出現了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，余下的微指令可以存放在控制存儲器的其他任意單元中。當設計“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)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P(1)的測試結果出現多路分支。本機用指令寄存器的前6位(I

12、R7IR2)作為測試條件，出5路分支，占用5個固定微地址單元。三、 設計步驟3.1編寫機器指令設計各條機器指令代碼及數據，并為指令和數據分配存儲地址。本次設計機器指令程序如表3-1所示。地址內容助記符說明0100 00000000 0000IN“DATA UNIT”中的開關狀態(tài)R00100 00010001 0000ADD4BHR0+4BH4BH0100 00100100 10110100 00110010 0000OR4CHR0 or 4CHR00100 01000100 11000100 01010011 0000NOR4DH R0 or 4DH R00100 01100100 11010

13、100 01110100 0000OUT4DHBUS0100 10000100 11010100 10010101 0000JMP40H40HPC0100 10100100 00000100 10110011 0001內容自定義0100 11000011 0010內容自定義0100 11010011 0011內容自定義表3-1 本次設計機器指令程序3.2繪制微程序流程圖根據每條機器指令的功能，為每條機器指令畫出微程序流程圖，并為其中的每條微指令分配地址?？傮w微程序流程圖如圖3.1所示。圖3.1 總體微程序流程圖3.3繪制微指令根據控制位順序圖，可繪制下列微指令表3-2。地址S3S0MCnWEC

14、ELDPCABCuA5uA0KRD000000011101110100000000011110111000000000000000000000KWE000000011110111000000000100000110000RP000000011110111000000000000100000001100101100000101000NOR000000011110111000000000000110000000000000000011000000000000000010000000000110010001101000OUT00000001111011100000000000011000000000

15、0000000000000000表3-2 微指令表3.4連接實驗線路按圖3.2連接實驗線路，仔細查線路無誤后接通電源。圖3.2 實驗接線圖3.5寫指令3.5.1寫微指令將編程開關置為PROM(編程)狀態(tài)。將實驗板上“STATE UNIT”中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。用二進制模擬開關UA0UA5置微地址MA0MA5。在MK23MK0開關上置微指令代碼，24位開關對應24位顯示燈，開關置為“0”時燈亮，開關置為“l(fā)”時燈滅。啟動時序電路(按動啟動按鈕“START”)，即將微代碼寫入到E2PROM 2816的相應地址對應的單元中。重復步驟，將表3-2中的微代碼寫

16、入E2PROM 2816。寫完微指令后須進行校驗。將編程開關設置為READ(校驗)狀態(tài)。將實驗板的“STEP”開關置為“STEP”狀態(tài)。“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)。用二進制模擬開關UA0UA5置好微地址MA0MA5。按動“START”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MD23MD0的狀態(tài)(燈亮為“0”，滅為“1”)，檢查讀出的微代碼是否與寫入的相同。如果不同，則將開關置于PROM編程狀態(tài)，重新寫入微指令即可。3.5.2寫機器指令使用圖2.4所示的控制臺KWE和KRD微程序進行機器指令程序的裝入和檢查。使編程開關處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。

17、撥動總清開關CLR(101)，微地址寄存器清零。此時用“DATA UNIT”單元的8位二進制開關給出要寫入RAM區(qū)的首地址，控制臺SWB、SWA開關置為“0 1”，按動一次啟動開關START，微地址顯示燈顯示“”，再按動一次START，微地址燈顯示“”，此時數據開關的內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。若仔細閱讀KWE的流程，就不難發(fā)現，機器指令的首地址只要第一次給入即可，PC會自動加1，所以，每次按動START，只有在微地址燈顯示“時，才設置內容，直到所有機器指令寫完。寫完機器指令后須進行校驗。撥動總清開關CLR(101)后，微地址清零。此時用“DATA U

18、NIT單元的8位二進制開關置要讀的RAM區(qū)的首地址，控制臺開關SWB、 SWA為“0 0”，按動啟動START，微地址燈將顯示“，再按START，微地址燈顯示為“，第三次按START，微地址燈顯示為“”，此時總線單元的顯示燈顯示為該首地址的內容。不斷按動START，可檢查后續(xù)單元內容，注意：每次僅在微地址燈顯示為“”時，顯示燈的內容才是相應地址中的機器指令內容。四、運行結果使編程開關處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”。撥動總清開關CLR(101)，微地址清零。將“DATA UNIT”的8位數據開關(D7D0)設置為機器指令首地址。按動START啟動鍵，單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。當運行結束后，可檢查存數單元中的結果是否和理論值一致。使“STATE UNIT”中的STEP開關置為“EXEC”狀態(tài)。STOP開關置為“RUN”狀態(tài)。將“DATA UNIT”的8位二進制開關設置為機器指令程序首地址，然后按動START，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。停機后，可檢查存數單元結果是否正確。參考文獻1王健,王德君.計算機組成原理實驗指導書M.沈陽工程學院，20082白中英.計算機組成