简单模型机的设计说明书

1 简单模型机的设计说明书 该设计要求学生根据计算机组成原理课程所学知识，设计、开发一套简单的模型计算机。 通过对一个简单计算机的设计，以达到对计算机的基本组成、部件的功能与设计、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念，加深计算机时间和空间概念的理解。 一、 计算机组成原理课程设计的任务 1、查阅文献资料，一般在 5 篇以上； 2、以教学实验用模型机为背景，通过调研、分析现有的模型机，建立带 有8 位移位运算指令的整机模型。 3、完成系统编程与测试工作； 4、撰写设计说明书； 5、做好答辩工作。 二、 计算机组成原理课程设计的主要内容、功能及技术指标 1、 根据任务要求设计整机系统的方案。 2、 存储系统：使用模型机的存储模块，说明存储器的输入输出时序，模块连接方式等。 3、 运算器：使用模型机的器件，组成带有片间串行进位 8 位算术、逻辑运算功能的运算器。 4、 微程序控制器模块：使用教学机的系统，设计微程序控制器。 5、 设计模型机指令系统：（含设计微指令格式、微程序流程图，每条指令所对应的微程序等）。指令系统包括下列指令： 6、 了解并说明教学模型机的输入输出模块。 7、 利用指令系统，编制一个汇编语言小程序并进行调试通过。 8、 整机设计分模块进行，说明模块中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序，以及模块间数据和控制信号的来源、去向、功能、时序等。 三、 完成课程设计报告 1、 设计题目、设计任务、实验设备与器材； 2、 整机设计方案，设计原理与内容； 3、 画出模型机数据通路图； 4、 画出设计的模型机微程序流程图和微程序； 5、 说明指令系统的格式； 6、 说 明模块中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序，以及模块间数据和控制信号的来源、去向、功能、时序等。 7、 调试情况，调试过程中遇到的主要问题，是如何解决的；对设计和编码 2 的回顾讨论和分析；改进设想；经验和体会等； 四、 计算机组成原理课程设计提交的成果 1. 设计说明书一份，内容包括： 1) 中文摘要 100 字；关键词 3； 2) 前言； 3) 设计的目的及设计原理； 4) 模型机的逻辑结构及框图； 5) 运算器的物理结构； 6) 存储器系统的组成与说明； 7) 指令系统的设计与指令格式分析； 8) 微程序控制器的逻辑结构及功能； 9) 微程序的设计与实现（含微指令 格式、后续地址产生方法以及微程序入口地址的形成） 10) 系统调试报告； 11) 设计总结。 2. 刻制光盘一张。 五、 设计（论文）的主要参考文献 六、 各阶段时间安排（共 2 周）： 周次 日期 内容 地点 完成情况 教师签字 第 1周 星期一 教师讲解设计要求，准 备参考资料 教室 星期二、三 分析系统，方案设计 教室 星期四、五 编程 实验室 第 2周 星期一、二 调试系统 实验室 星期三、四 编写设计说明书 实验室 星期五 答辩 实验室 第一章：设计目的及设计原理 计目的 该设计要求学生根据计算机组成原理课程所学知识，设计、开发一套简单的 3 模型计算机 通过 对一个简单计算机的设计，以达到对计算机的基本组成、部件的 功能与 设计、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念，加深计算机 时间和空间 概念的理解。 程设计的主要内容、功能及技术指标 1、根据任务要求设计整机系统的方案。 2、存储系统：使用模型机的存储模块，说明存储器的输入输出时序，模块连接 方式等。 3、运算器：使用模型机的器件，组成带有片间串行进位 16 位算数逻辑运算功能的运算器，带有带 8 位自增、自减指令的整机模型。 4、微程序控制器模块：使用教学机的系统，设计微程序控制器。 5、设计模型机指令系统：（含设计微指令格式、微程序流程图，每条指令所对应的微程序等）。指令包括以下指令： 、了解并说明教学模型机的输入输出模块。 7、在自己设计的指令系统基础上，编制一个汇编语言小 程序并进行调试通过。 8、整机设计分模块进行，说明模块中数据和控制信息的来源、去向、功能、时序，以及模块间数据和控制信号的来源、去向、功能、时序等。 验设备与器材 验箱 ； 74位算术逻辑单元 /函数发生器，暂存器 74出缓冲 /显示驱动 74位寄存器 74 位二进制计数器 7474码器， 816 芯片，6264 芯片； 一台；排线若干 计原理 算器 本实验主要完成 8 位算术运算，逻辑运算并带 有移位功能的运算器。运算器由 2 片 74成，它是运算器的核心。它可以由两个 8 位二进制数进行多种算术或逻辑运算，具体由 74功能控制条件 M、 4 决定。两个参加运算的数分别来自两片 8 位锁存器 74算结果直接输出到缓冲器 74输出缓冲器发送到系统的数据总线上，以便进行移位操作或参加下一次运算。移位运算器由 74进位控制电路组成，实现移位运算。 储器 主存储器主要用于存放机器指令。本次设计采用 6264 存储器作为主存储器，它的地 址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器 74出，它的写信号，片选信号由写入方式决定。 制器 核心控制器主要完成接受机器指令译码器送来的代码，使系统控制转向相应的机器指令对应的首条代码程序入口，然后执行微代码所规定的操作。也就是说对当前的机器指令的功能进行解释和执行工作。更具体地讲，就是通过接受令译码器发来的信号，找到本条指令对应的首条微代码程序所在的微地址的入口，再通过系统时钟引入的时序节拍脉冲的控制，逐条读出微代码，微代码值再经过译码器译码，从而产生各部分电路所需的相应的控 制信号，将它们加到数据通路中相应的控制位，完成各自功能。即对该指令的功能进行解释和执行。一条指令解释和执行完之后，早继续执行下一条微指令对应的微地址入口，这样周而复始，即可实现机器指令的顺序，分支，循环运行。 入输出 本系统有两种外部 I/种是矩阵式键盘，它作为输入设备 一种是字符显示设备，它作为输出设备 键盘是计算机系统中最基本的输入设备，是一种通过按键直接向计算机输入信息的设备。 显示器作为终端设备独立存在，即键盘输入和显示输出是一个整体，通过标准的串行接口 与主机相连。 第二章：模型机的逻辑结构及框图 型机的逻辑结构 算器模块 运算器模块主要由运算器 74暂存器 30（ 74输出缓冲器 74及进位控制和判零 5 标志控制电路等构成。 运算器的核心部件是 74可以对两个 8 位的二进制数进行多种逻辑或算术运算，具体由其功能控制条件 M、 1、 决定，两个参加运算的数分别来自暂存器 算结果直接输出到输出缓冲器 输出缓冲器发送 到系统的数据总线上，以便进行移位操作或参加下次运算。 存器堆模块 寄存器堆模块为实验计算机提供了 4 个 8 位通用寄存器。它们用来保存操作数及中间运算结果，它对运算器的运算速度、指令系统的设计等都有密切的关系。 4 个寄存器均采用 74它的输入全部相连 后连到系统数据总线上 线上的数据具体写入哪个寄存器由各自的写入脉冲（ 制，个寄存器的输出共用一个排针 出，在使用时再连到系统总线上，具体由哪个寄存器读出，由各自的输出允许信号 控制 序计数器 序计数器 二片可预置的 4 位二进制同步计数器 74 （ 成，它具有接数、计数、清零等功能。程序计数器的输出采用三态传输器件 74 当控制台总清开关为“ 0”时（ 示灯灭），清零程序计数器，总清开关平时为“ 1”电平。 （ 1）停机状态启动时，程序计数器 工作情况 接数控制信号为 数工作脉冲为 时，且时钟脉冲 平正跳时，程序计数器 工作脉冲端 电平便正跳变，它把总线 的启动地址值接入程序计数器 74输入，启动地址可为 000 0的任意一个值，此时，当 时， 74输入端的数据被预置成输入端的数据，即初始化启动地址。 74输出经三态传输器件74制输出到 8 芯排针 号控制， =0 时，初始地址值由 出到内部数据总线上 （ 2）运行时 工作情况 当需要取下条指令或取指令的下一个字节时，应控制 计数状态， 程序计数器的低 4 位， 程序计数器的高 4 位，低4 位产生的进位信号 到高 4 位的进位输入端 于运行状态时， ，故只要控制 ，便使 计数状态，在 ，且时钟脉冲 跳时， 计数脉冲 跳变， 计数加 1 址寄存器 地址寄存器部分由地址寄存器和地址显示灯构成。地址寄存器采用 74它的输入直接连到系统总线 ，输出直接接到程序存储器 6264（ 地址输入端 出为三态。 当 =1，且时钟脉冲 跳变时， 74工作脉冲正跳，将总线上的地址值锁存到 74，由于 74此地址值直接输出到地址总线 ，地址显示灯 于显示地址值 电平亮，低电平灭 7 令寄存器模块 指令寄存器模块中指令寄存器 74输出部分以排针形式引出到 1分内部已连好，构成实验计算机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序跳转控制。 停和时序电路模块 本模块由三个部分组成：时钟脉冲源、单拍脉冲及消抖电路、时序控制电路和系统运行控制开关组。 (1)时钟信号源 时钟信号源由时基电路 555（ 可再触发单稳态多谐振荡器 74成。 555 时基电路产生一定频率的方波信号4一个单稳态 电路 74于延时，产生特定占空比的信号 间 T 的长短由外接的电阻和电容决定。 (2)单拍脉冲及消抖电路 在实验计算机中，配有单拍脉冲产生按钮，每按一次手动脉冲按钮，在其 输出一个正脉冲，在 输出一个负脉冲，用与非门来作为消抖电路时序控制电路和系统运行开关组 程序控制器模块电路 微程序控制器模块主要由微程序编程器、核心微控制器量两部分组成。 （ 1）微程序编程器 微 程 序 编 程 器 就 是 将 预 先 定 义 好 的 机 器 码 对 应 的 微 代 码 程制存储器中，并可以对控制存储器中的 数据进行校验。 （ 2）核心微控制器 核心微控制器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，使系统控制转向相应的机器指令对应的首条微代码程序的入口，然后执行微代码所规定的操作。也就是说对当前的机器指令的功能进行解释和执 8 行的工作 存储器单元电路 主存储器单元电路主要用于存放实验中的机器指令 存储器由一片 6264 组成，实际使用容量为 256 字节， 6264 有四个控制线 :一片选线， 二片选线， 线， 线。 存储器芯片种类繁多、容量不一样。当一片 能满足存储容量位数 (或字数 )要 求时，需要多片存储芯片进行扩展，形成一个容量更大、字数位数更多的存储器。扩展方法根据需要有位扩展、字扩展和字位同时扩展 3 种。 入输出设备 （ 1）输入设备单元 系统中用 8 个拨动开关作为输入设备，通过总线驱动器 74输出到系统的扩展数据总线 ，输入的数据显示在 个 ，高电平亮 ,低电平灭。 （ 2）输出设备单元 此单元设置两个七段数码管，用于显示需要输出的数据。七段数码管的译码电路由两片 组成。 型机的数据通路 此模型机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。 运算器由算术逻辑单元 (累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，它是执行部件。运算器有两个主要功能： (1)执行所有的算术运算； (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。控制器根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。存储器作为计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。输入设备为键 9 盘， 计算机键盘的功能就是及时发现被按下的键，并将该按键的信息送入计算机。 输出设备为显示器将输出的信息以字符的形式显示出来。 模型机运行的主要过程为首先将程序计数器 内容装入地址寄存器 后程序计数器的内容加 1，为下一条程序做准备；接着地址寄存器的内容放到地址总线上；从而使存储单元的内容传送的缓冲寄存器 后将缓冲寄存器的内容传送到指令寄存器。到这里完成了取指令。比如现在要做的操作为执行 令，操作控制器送一控制信号给 着 应控制信号对 零。如果接下来执行 作，取指令与上 面相同，然后从内存中读取操作数，操作数与累加器相加后存入累加器。 图 3据通路图 第三章：运算器的物理结构 实验中所用 16 位运算器数据通路如图 3示。其中运算器由四片 74并 串形成 16 位字长的 成，低 8 位运算器的输出经过一个三态门 74 座，进行调试时用 8 芯排线和内部数据总线 座 6 中的任一个相 10 连，低 8 位数据总线通过 示灯显示；高 8 位运算器的输出经过一个三态门 74到 座，调试时用 8 芯排线和高 8 位数据总线 座 8 位数据总线通过 示灯显示；参与运算的四个数据输入端分别由四个锁存器 74 ）锁存，调试时四个锁存器的输入并联后用 8 芯排线连至外部数据总线座 的任一个；参与运算的数据源来自于8 位数据开关 经过一三态门 74接连至外部数据总线 入的数据通过 示 表 34能表 11 运算器数据通路图 第四章：存储器系统的组成与说明 存储器的组成 存储器由一片 6264组成，实际使用容量为 256字节， 6264有四个控制线 :， 能表如下： 表 264功能表 储器的原理图 存储器原理图如图 示： 工作方式 I/O 输入 O /选择 X X H 读出 O L H L 写入 L L 写入 L L 选择 X L L 12 本机主存储器采用一级 。主要用于存放试验机的机器指令。它的数据总线挂在外部数据总线 ；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器 74出，地址值由 8 个 示，高电平亮，低电平灭；在手动方式下，输入数据由 8 位数据开关 供，并经一三态门 74至外部数据总线 验时将外部数据总线 8 芯排线连到内部数据总线时给出地址和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确 定。该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下 ，写信号由 W/R 提供，片选信号由 供；自动方式下，写信号由控制 供，片选信号由控制 供。 由于地址寄存器为 8 位，故接入 6264 的地址为 高 4位 地，所以其实际使用容量为 256 字节。 6264 有四个控制线： 一片选线、 二片选线、 线、 线。 E控制（对应开关 线直接接地、 线由W/R控制（对应开关 接接 +5V。 储器输入输出时序 形成时钟脉冲信号 方法如下：在时序电路模块中有两个二进制开关 “运行控制 ”和 “运行方式 ”。将 “运行控制 ”开关置为 “运行 ”状态、 “运行方式 ”开关置为 “连续 ”状态时，按动 “运行启动 ”开关，则 3 有连续的方波信号输出，此时调节电位器 示波器观察，使 实验中 “运行方式 ”开关置为 “单步 ”状态，每按动一次 “启动运行 ”开关，则 出一个正单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。 第五章：指令系统的设计与指令格式分析 据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数 据，且字长为 8 位，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 符号 尾 数 其中第 7 位为符号位，数值表示范围是： X1 令格式 模型机设计指令共 10 条，其中包括算术 逻辑指令、 I/O 指令 、访问和转移指令。 （ 1）算术逻辑指令 设计 6 条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 D 其中， 操作码， 源寄存器， 目的寄存器，并规定： 定的寄存器 00 01 10 1 2）访问指令及转移指令 模型机设计 2 条访问指令，即存数（ 取数（ 指令格 式为： 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 M D 14 D 其中， 操作码， 目的寄存器地址（ 令使用）。 D 为位移量（正负均可）， M 为寻址模式， 其定义如下： 寻址模式 M 有效地址 E 说 明 00 01 10 11 E=D E=(D) E=(D E=(D 直接寻址 间接寻址 相对寻址 本模型机规定变址寄存器 定为寄存器 （ 3） I/0 指令 输入（ 输出（ 令采用单字节指令，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 D 其中， 1 时，选中 “的开关组作为输入 设备， 0 时，选中 “ 中的数码块作为输出设备。 令系统 本模型机共有 10 条基本指令，其中算术运算类指令 6 条（ 访问内存指令和程序控制指令 4条（ I / O 指令 2 条 (下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。 汇编符号 指令格式 功能 110 00 111 rs rd N 100 01 rd 101 10 rd D 0 M 00 E D 0 M 01 E 15 010 rs rd EC 011 rs rd DC rs 000 rs rd rs+rd+BC rs 001 rs rd 六章：微程序控制电器的逻辑结构及功能 程序控制电路 微程序控制器的组成中，控制存储器采用 3 片 片，具有掉电保护功能，微命令寄存器 18 位，用 2 片 8D 触发器74一片 4D 触发器 74成。微地址寄存器 6 位，用三片正沿触发的双 D 触发器 74成，它们带有清零端和预置端。在不判别测试的情况下， 刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令的地址。当 刻进行测试判别时，转移逻辑满足条 件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“ 1”状态，完成地址修改。 指令格式 微指令格式 : 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 0 M E 0 A B C 字段 其中 下一条微指令微地址， A、 B、 C 为三个译玛字15 14 13 选择 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 8 7 选择 0 0 0 0 0 1 P(1) 0 1 0 P(2) 0 1 1 P(3) 1 0 0 P(4) 1 0 1 2 11 10 选择 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 299 0 1 1 0 1 1 16 段，分别由三个控制位译码出多种不同控制信号。 A 字段中的 打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。B 字段中的 别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器 选通译码。 C 字段中的 P(1)P(4)是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入 相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。算术运算是否影响进位及零标志位控制位。 第七章：微程序的设计与实现 控软件的设计 模型机的监控软件，详细如下： $4 1,6 1,8 2,1 0,0 O,8 0,10 $A 2,10 型机微程序流程图 17 微程序流程图（ 1） (1) W C C 1 行微程序 01 02 10 00（直接） 01（间接） 10（变址） 11（相对） 0 11 12 13 14 15 03 05 0A 0F 04 06 0C 1C 07 0D 1D 0E 1E 01 01 P(2) 1 1 20 20 21 18 (1) S D 行微程序 01 02 10 1+1 6 17 18 19 1A 1B 1F 23 29 2A 22 24 25 26 27 28 01 01 01 01 01 01 控 制 台 P(4) ( 0 08 写 09 08 0B 2B 2D 2C 2E 01 微程序流程图（ 2） 19 进制微代码表 微地址 2 0 M E 0 A B C 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 000 000 100 001000 01 0 0 0 0 0 1 0 1 1 110 110 110 000010 02 0 0 0 0 0 1 0 0 1 100 000 001 010000 03 0 0 0 0 0 1 0 0 1 010 000 000 000100 04 0 0 0 0 0 1 0 1 1 110 110 000 100000 05 0 0 0 0 0 1 0 0 1 110 000 000 000110 06 1 0 0 1 0 1 0 0 1 010 000 000 000111 07 0 0 0 0 0 1 0 0 1 110 000 000 100000 08 0 0 0 0 0 1 0 0 0 110 110 110 101101 09 0 0 0 0 0 1 0 0 0 110 110 110 101011 0A 0 0 0 0 0 1 0 0 1 010 000 000 001010 0B 0 0 0 0 0 1 0 1 1 000 000 000 000001 0C 0 0 0 0 0 1 0 1 1 011 001 000 001101 0D 1 0 0 1 0 1 1 1 1 110 101 000 001110 0E 1 0 0 1 0 1 0 1 1 010 101 000 100000 0F 0 0 0 0 0 1 0 0 1 010 000 000 011100 10 0 0 0 0 0 1 0 1 1 110 110 110 000011 11 0 0 0 0 0 1 0 1 1 110 110 110 000101 12 0 0 0 0 0 1 0 1 1 110 110 110 001010 13 0 0 0 0 0 1 0 1 1 110 110 110 001111 14 0 0 0 0 0 1 0 0 0 001 000 000 000001 15 0 0 0 0 0 1 1 1 0 110 010 000 000001 16 0 0 0 0 0 1 0 1 1 001 101 000 000001 17 0 0 1 1 0 0 1 1 1 001 001 000 000001 18 0 0 0 0 0 1 1 1 1 010 001 000 011111 19 0 0 1 1 1 1 0 1 1 011 010 000 100011 1A 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 001 000 101001 1B 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 010 000 101010 1C 0 0 0 0 0 1 0 0 1 011 000 000 011100 1D 1 0 0 1 0 1 0 1 1 110 101 000 011101 20 1E 1 0 0 1 0 1 0 1 1 010 101 000 100000 1F 0 0 0 0 0 1 0 0 1 011 000 000 100010 20 0 0 0 0 0 1 0 0 1 010 000 000 000001 21 0 0 0 0 0 1 0 0 1 110 000 000 000001 22 1 0 0 1 0 0 0 1 1 001 101 000 000001 23 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 010 000 100100 24 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 000 000 100101 25 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 000 000 100110 26 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 101 000 100111 27 0 0 0 0 0 1 0 1 1 010 000 000 101000 28 1 0 0 1 0 0 0 1 1 001 000 000 000001 29 0 0 0 0 0 1 0 1 1 001 101 000 000001 2A 0 0 0 0 0 1 0 1 1 001 101 000 000001 2B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 010 000 000 101100 2C 0 0 0 0 0 1 0 0 1 000 000 000 001001 2D 0 0 0 0 0 1 0 0 1 010 000 000 101110 2E 0 0 0 0 0 1 0 1 0 000 000 000 001000 程序的设计 $88105 $204067018005 $021 $3$511004 $16407 $1919233 $390211194567819091 $191998004 $80005 第八章：系统调试 线 22 a、跳线器 部拨在右边（自动工作方式）； b、跳线器 部 拨在左边； c、跳线器 部拨在右边，跳线器 在左边； d、跳线器 上短路片； e、 f、 g、 h、 i、 j、 k、 l、 m、 机读写程序 用 机软件的装载功能将 16 进制格式文 件（文件名为 入实验机即可。 行程序 （ 1）单步运行程序 a. “编程开关 ”置 “运行 ”状态， “运行方式 ”开关置为 “单步 ”状态 ,“运行控制 ”开关置为 “运行 ”状态。 b. 拨动总清开关 (0 1)，微地址清零， 数器清零，程序首地址为 c. 按动 “启动运行 ”开关，即单