计算机组成原理课程设计

精品文档辽 宁 工 业 大 学 计算机组成原理 课程设计（论文）题目：一台模型计算机设计与测试 寄存器寻址流程院（系）： 专业班级：学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： .课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室：学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目一台模型计算机设计与测试寄存器寻址流程课程设计（论文）任务将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机；用微程序控制器控制模型机数据通路；通过CPU运行九条机器指令（排除中断指令）组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机概念。主要设计内容：使用计算机组成原理实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。本次课程设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。要求：1、根据题目和实验箱中的所有电路，设计一台简单计算机,并绘制出电路原理图以及微程序流程图。2、认真独立完成所规定的设计内容(4000字左右)，严禁相互抄袭；3、撰写、打印设计说明书一份。指导教师评语及成绩平时成绩： 论文质量： 答 辩： 总成绩 ： 指导教师签字： 年 月 日.目 录第1章 一台模型计算机设计方案11.1 引言11.2 总体方案论述11.2.1从整体上阐述该设计题目实现方案11.2.2系统总体框图21.2.3各部分功能电路的作用3第2章 系统的硬件设计52.1 系统整体设计方案52.2 数据通路设计52.3 存储器的设计62.4 微程序控制器设计62.4.1寄存器寻址指令控制器设计62.4.2寄存器寻址与指令中断服务程序72.5 模型机的设计与调试8第3章 微程序的设计93.1微程序功能说明93.2微程序流程图12第4章 课程设计总结13参考文献14.第1章 一台模型计算机设计方案1.1 引言1.题目的意义：本次课程设计可以使用计算机组成原理实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。在前面的实验中，实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。而在本次课程设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。2.应用场合：操作数在寄存器中，由指令操作码中的rrr三位的值和PSW中RS1及RS0的状态，选中某个工作寄存器区的某个寄存器，然后进行相应的指令操作。 指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。把在指令中指出所使用寄存器(即：寄存器的助忆符)的寻址方式称为寄存器寻址方式。3.系统功能：进行寄存器寻址。1.2 总体方案论述1.2.1从整体上阐述该设计题目实现方案了解模型机的硬件系统，根据所提供的模型机的机器指令,画出用微命令表示的机器指令执行流程图，编写微程序，编写机器指令测试程序，在仿真软件上运行并检验所设计的微程序的正确性。为完成上述系统功能，选择和设计运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等电路组成一台简单的计算机系统。（1）利用机器指令系统编制简单程序，要求至少使用其中五条指令，对自己编制的简单程序进行译码，手工汇编成十六进制机器代码。并根据老师指定完成不同的子标题，即程序中必须包含子标题类型的指令。（2）参考计算机组成原理实验，再加上中断系统，完成本次实验的线路连接。接通电源之前应仔细检查连接，确认无误。（3）将上述任务（1）中的程序机器代码用控制台操作存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7SW0设置通用寄存器及内存相关单元的数据。（4）从地址20H执行程序，在程序执行中，按一次控制台的INTR。进入中断后，用单拍（DP）方式执行，直到返回主程序为止。列表记录中断系统中有关信号的变化情况，特别要记录好断点地址和R0的值。（5）重复执行（4）两次（6）将RAM中20H的单元内容由指令INTS改为INTC，重作（4），记录发生的现象。1.2.2系统总体框图 图1.1 系统总体框图1.2.3各部分功能电路的作用1. 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括： （1）执行数值数据的算术加减乘除等运算,执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为 ALU 的线路完成; （2）时存放参加运算的数据和中间结果,使用多个通用寄存器来实现; （3）运算器通常也是数据传输的通路 。 2.双端口存储器双端口存储器RAM由一片IDT7132（U36）及少量附加控制电路组成。IDT7132是2048字节的双端口静态随机存储器，本机实际使用256字节。IDT7132两个端口可同时进行读、写操作。具有记忆功能，用来保存信息，如数据，指令和运算结果等等。3.地址寄存器AR1和AR2地址寄存器AR1（U37）和AR2(U27,U28)提供双端口存储器的地址。AR1 是一片GAL22V10,具有加1功能，提供双端口存初期左端的第值。AR1从数据总线DBUS接受数据。AR1的控制信号是LDAR1和AR1_INC。当AR1_INC=1是，在T4的上升沿，AR1的值加1。当LDAR1=1时，在T4的上升沿，AR1的值加1；当LDAR1=1时，在T4的上升沿，将数据总线DBUS的数据打入地址寄存器AR1。AR2由2片74HC298组成，月两个数据输入端，一个来自程序计数器PC，另一个来自数据总线DBUS。AR2的控制信号是LDAR2和M3。M3选择数据来源，当M3=1时，选中数据总线DBUS；当M3=0是，选中程序计数器PC。LDAR控制合适接受地址，当LDAR2=1时，在T2的下降沿江选中的数据源上的数据打入AR2。4.指令寄存器IR 指令寄存器IR是一片74HC374(U20)。它的数据端从双端口存储器接受数据（指令）。当LDIR=1时，在LDIR=1时，在T4的上升沿将来自双端口存储器的指令打入指令寄存器IR保存。指令的操作码部分应连接到寄存器堆，选择参与运算的寄存器。在某些情况下，指令的操作数部分也参与新的计算。5.通用寄存器 通用寄存器：是那些你可以根据自己的意愿使用的寄存器，修改他们的值通常不会对计算机的运行造成很大的影响。通用寄存器最多的用途是计算。6.程序计数器程序计数器（PROGRAM COUNTER）是一个二进制16位的程序地址寄存器，专门用来存放下一条需要执行的指令在程序存储器中的地址，能自动加1。CPU执行指令时，它根据程序计数器（PC）中的地址从程序存储器中取出当前需要执行的指令码，并把它送给控制器分析执行，随后程序计数器（PC）中地址码自动加1，以便为CPU取下一条需要执行的指令码作准备。当下一个指令字节取出执行后，PC又自动加1，这样，程序计数器一次次加1，指令就被一个字节一个字节地执行。所以，需要执行程序的机器码必须在程序执行前预先一条条地按顺序放到程序存储器中，并为程序计数器设置成程序第一条指令的内存地址。8051程序计数器由16个触发器构成，故它的编码范围为0000H0FFFFH，共64KB。7.微程序控制器 它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。 控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。其工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微指令。读出一条微指令并执 行微指令的时间总和称为一个微指令周期。通常，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。 微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。 地址转移逻辑 在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改微地址的任务。 第2章 系统的硬件设计2.1 系统整体设计方案 总体设计方案中首先要确定整体控制系统的结构和类型。另外总体设计方案中还要包括硬件设计与软件设计两大部分，具体设计时一般采用“黑箱”设计方法，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体框图。总体设计中还应包括控制系统对现场工艺的要求，比如为了安装某个关键的现场仪表，需要改装某根管道；为了控制方案的实施，需要工艺人员的配合，增加现场气源等。总之，总体方案是整个控制系统设计的关键，要实现一个好的设计必然离不开对生产工艺的深入了解以及工艺技术人员的支持与配合。1.硬件总体方案设计 计算机控制系统的硬件总体设计主要包括以下方面的内容：系统的构成方式；现场设备及自动化仪表的选择；人机接口方式；系统的控制机箱结构设计；抗干扰措施等。2.软件总体方案设计 软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构、任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和算法的实现等。3.总体方案文档 其内容包括：（1）系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。（2）控制策略与算法。（3）系统的硬件结构与配置，主要的软件功能、结构、平台及实现框图。（4）方案的比较与选择。（5）抗干扰措施与可靠性设计。（6）机柜或机箱的结构与外形设计。（7）经费和进度计划的安排。（8）对现场条件的要求。2.2 数据通路设计1.数据通路：数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路。运算器与各寄存器之间的传送路径就是中央处理器内部数据通路。“数据通路”描述了信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器，都要加以控制。 建立数据通路的任务，是由“操作控制部件”来完成。数据通路的功能是实现CPU内部的运算器和寄存器以及寄存器之间的数据交换。2数据通路的基本结构数据通路的基本结构主要有两种方式：（1）CPU内部总线方式：将所有的寄存器的输入端和输出端都连接到一条或多条公共的通路上，这种结构比较简单，但是数据传输存在较多的冲突现象，性能较低，如果连接各部件的总线只有一条，则称单总线结构；如果CPU中有两条或更多的总线，则构成双总线结构和多总线结构。在双总线或多总线结构中，数据的传递可以同时进行。 （2）专用数据通路方式（不采用CPU内部总线方式）：根据指令执行过程中的数据和地址的流动放心安排连接线路，避免使用共享的总线，性能比较高，但硬件量大。2.3 存储器的设计双端口存储器RAM由一片IDT7132（U36）及少量附加控制电路组成。IDT7132是2048字节的双端口静态随机存储器，本机实际使用256字节。IDT7132两个端口可同时进行读、写操作。在本机中，左端口的数据连线数据总线DBUS，可进行读、写操作，右端口数据和指令总线INS连接，输出到指令寄存器IR，作为只读端口使用。存储器IDT7132有6个控制引脚：CEL，LRW，OEL，CER，RRW，OER。CEL，LRW，OEL控制左端口读、写操作；CER，RRW，OER控制右端口读、写操作。CEL为左端口选择引脚，低有效，为高时禁止左端口操作；LRW为高时，左端口进行读操作，LRW为低时，左端口进行写操作；OER为低时，将左端口读出的数据放到数据总线DBUS上。CER，RRW，OER控制右端口读、写操作的方式与CEL，LRW，OER控制左端口读、写操作的方式类似，不过右端口读出的数据放到指令总线上而不是数据总线上。本机设计中，OER已固定接地，RRW固定接高电平，CER由CER反相产生。当CER1时，右端口读出数据，并放到指令总线INS上；当CER0时，禁止右端口操作。左端口的OEL由LRW经反相产生，不需单独控制。当CEL0且LRW1时，左端口进行读操作；当CER0且LRW0时，在T3的上升沿开始进行写操作，将数据总线上的数据写入存储器。2.4 微程序控制器设计2.4.1寄存器寻址指令控制器设计1. 机器指令格式 表2.1 名称助记符功能指令格式R7 R6 R5 R4R3 R2R1 R0加法ADD Rd，RsRd+Rs-Rd0 0 0 0RS1 RS0RD1 RD0减法SUB Rd，RsRd-Rs-Rd0 0 0 1RS1 RS0RD1 RD0乘法MUL Rd，RsRd*Rs-Rd0 0 1 0RS1 RS0RD1 RD0逻辑与AND Rd，RsRd&Rs-Rd0 0 1 1RS1 RS0RD1 RD0存数STA Rd，RsRd-Rs0 1 0 0RS1 RS0RD1 RD0取数LDA Rd，RsRs-Rd0 1 0 1RS1 RS0RD1 RD0无条件转移指令JMP RsRs-Pc1 0 0 0RS1 RS0X X条件转移JC D若C=1则PC+D-PC1 0 0 1D3 D2D1 D0停机STP暂停运行0 1 1 0X XX X中断返回IRET返回断点1 0 1 0X XX X开中断INTS允许中断1 0 1 1X XX X关中断INTC禁止中断1 1 0 0X XX X 2. 控制台指令格式表2.2 SWCSWBSWA工作方式000PR， 启动程序001KRD，读双端口存储器010KWE，写双端口存储器011KLD，加载寄存器存器堆100KRR，读寄存器堆2.4.2寄存器寻址与指令中断服务程序1.指令流程分析 本次实验系统设计了12条基本的机器指令，均为单字长（8位）指令。指令格式如下：R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0指令操作码源操作数目标操作数2. 微程序控制器组成原理图图2-12.5 模型机的设计与调试2.5.1机器语言程序数据初值设计与程序执行过程及运算结果（1）存数读数：设初值R0=10H, 10H（内存单元）中的值为10H，执行LDA R1,R0，得R1=10H。 设初始值R0=01H, 01H（内存单元）中的值为01H，执行LDA R2,R0，得R2=01H。（2）寄存器寻址：设初值R0=10H, 10H（内存单元）中的值为10H，执行LDA R1,R0，得R1=10H。 设初始值R0=01H, 01H（内存单元）中的值为01H，执行LDA R2,R0，得R2=01H。 设初始值R3=3CH,执行JMP R3。即R3-PC，即地址由3BH转向3CH。 第3章 微程序的设计3.1微程序功能说明3.1.1取机器指令周期及ADD指令执行周期微程序代码 表3-1当 前 微 地 址 T J S2 S1 S0 M 1 L D D R 1 W R D L R W C E L # A L U BUS RS BUS # S W BUS # IAR BUS # L D E R M 3 AR1 INC L D A R 1 L D I A R M 4 P C INC PC ADD L D P C L D I R I N T C I N T S P3 P2 P1 P0 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 00 0 000 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1000 000111 07 0 000 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0000 000101 05 0 000 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0100 010000 10 0 000 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000 111011 3B 0 010 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000 110100 34 0 0000 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000 001111 0F 0 0000 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0010 000101 3.1.2指令流程测试与调试1. 接线时序发生器的输入TJI接控制存储器的输入TJ。控制器的输入C接运算器的ALU的C 。控制器的输入IR7,IR6,IR5,IR4依次指令寄存器的IR的输出IR7,IR6,IR5,IR4。共6条线。2.控制器的输出 LDIR(CER),LDPC(LDR4),PC-ADD,PC-INC,M4,LDIAR,LDAR1(LDAR2),AR1-INC,M3,LDER,IAR-BUS#,SW-BUS#,RS-BUS#,ALU-BUS#,CEL#,LRW,WRD,LDDR1(LDDR2),M1(M2),S2,S1,S0依次与数据通路的对应信号连接。共27条线。 令寄存器IR的输出IRO接双端口寄存器堆的RDO,WRO,IR1接RD1,WR1,IR2接RS0,IR3接RS1。共 6条线。合上电源，按CLR#按钮，使试验系统处于初始状态。3.用单拍（DP）方式执行一遍程序。令DP=1.DB=0.DZ=0.SWA=0.SWB=0.SWC=0令SWC=0。SWB=1.SWA=1 寄存器处于加载状态图3-1 KLD， 加载寄存器堆令SW7-SW0为FFH.按QD.令SW7-SW0为01H.按QD.图3-2 选用R1通用寄存器令SW7-SW0为3CH，按QD.令SWC=1.SWB=0.SWA=0 (KRR,读寄存器堆)令SW7-SW0为FFH，按QD.将开关打到DBUS，读数为3CH.图3-3分析:STA R1,R0.该程序执行为把R1的数给R0.读出R0的数为10H.1. 用连续方式执行一遍程序令DP=0.DB=0.DZ=0.SWA=0.SWB=0.SWC=0令SW7-SW0为FFH.按QD.令SW7-SW0为3CH.按QD.令SWC=1.SWB=0.SWA=0令SW7-SW0为FFH，按QD.令SW7-SW0为01H，按QD.将开关打到DBUS，读数为3CH.分析：单拍是DP=1，每次按动一次QD，只执行一次微指令。 连续方式是按动一次QD，指令全部执行完.3.2微程序流程图图3-4微程序流程图 第4章 课程设计总结通过一周的课程设计，使我对计算机组成原理这门课程有了更深一层的理解。计算机组成原理本身就是一门理论与实践紧密结合的学科，是计算机专业人员所必须熟练掌握的。 这次课程设计我获益良多，平时我们能见到的都是计算机的外部结构，在计算机组成原理的学习中，逐步对计算机的内部结构有了一些了解，但始终都停留在理论阶段。而在本次实验，让我们自己设计位运算器并验证验证运算器功能发生器（74LS181）的组合功能，让我对运算器的内部结构有了更深的了解，并且对计算机组成原理也有了更深层次的理解，同时这次课程设计还锻炼了我的实验动手能力，也培养了我的认真负责的科学态度。虽然课设时间比较短，