计算机组成原理课程设计---基本模拟机设计与实现.doc

课程设计（论文）任务书 软件 学院 软件+信息工程 专业 09- 3 班 一、课程设计(论文)题目基本模拟机设计与实现 二、课程设计(论文)工作自 2011 年 6 月 20 日起至 2011 年 6 月 24日止。三、课程设计(论文) 地点: 5#301 四、课程设计(论文)内容要求：1本课程设计的目的 (1) 在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。 (2) 为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。了解计算机组成应用程序编写。(3)培养学生分析、解决问题的能力，提高学生的论文写作能力。 2课程设计的任务及要求1）基本要求：（1）掌握机器指令与微指令的关系。在实验箱上连线，并实现所写程序段的功能。自己设计一个不少于五条指令的机器语言程序，其中包括减法指令中断服务程序。（2）结合操作系统的基本原理，进行程序设计；（3）对计算机组成原理有进一步认识和理解。2）创新要求： 在基本要求达到后，可进行创新设计，如改善算法性能、友好的人机界面等。3）课程设计论文编写要求（1）要按照书稿的规格打印与写课程设计论文 （2）论文包括目录、功能描述、设计思路、具体实现、运行调试与分析讨论、设计体会与小结、参考文献、附录（源代码）等 （3）课程设计论文装订按学校的统一要求完成4）答辩与评分标准： （1）考勤与学习态度：20分； （2）设计思路：20分；（3）代码实现：20分；（4）调试与分析：20分；（5）回答问题：10分；（6）论文规范性：10分。5）参考文献1 王爱英.计算机组成与结构（第四版）. 北京;清华大学出版社，2007 2 白中英.计算机组成原理. 北京;清华大学出版社，2002 6）课程设计进度安排1准备阶段(2学时):选择设计题目、了解设计目的要求、查阅相关资料2程序模块设计分析阶段（2学时）：程序总体设计、详细设计3代码编写调试阶段（6学时）：程序模块代码编写、调试、测试4撰写课程设计论文阶段（2学时）：总结课程设计任务和设计内容，撰写课程设计论文学生签名： 2011年 6月 25日课程设计(论文)评审意见（1）考勤与态度 （20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （2）设计思路（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （3）代码实现（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）调试与分析（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）回答问题（10分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（6）论文规范性 （10分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；评阅人： 职称： 讲师 2011 年6月27日 目录1.绪论- 1 -1.1课设目的及意义- 1 -1.2课设内容及要求- 1 -2.功能描述- 2 -2.1微程序控制电路- 2 -2.2微指令格式- 2 -2.3控制台微操作- 3 -2.4数据通路框图- 4 -3.设计思路- 5 -3.1设计思路- 5 -3.2设计代码表- 6 -4.机器指令程序- 7 -5.线路连接图- 8 -6.微程序流程及说明- 9 -7运行调试及结果分析- 11 -方法一：手动写入- 11 -方法二：联机读/写程序- 12 -8设计体会及总结- 16 -9.参考文献- 17 -第- 18 -页1.绪论1.1课设目的及意义（1） 在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。（2） 为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上级调试掌握整机的概念。（3） 掌握微程序计算机中指令和微指令的编码方法，深入理解机器指令在计算机中的运行过程。1.2课设内容及要求（1） 设计实现一个简单的模型机，该模型机由运算器、寄存器、译码电路、存储器、和存储微指令用的控制存储器组成。（2） 实现5条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）。（3） 可通过手动写入或联机的方式将机器指令程序和编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，观察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否符合设计要求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。（4） 要求学生动手操作实验设备，掌握微程序设计思想和设计方法。2.功能描述2.1微程序控制电路若采用手动写入方式实现基本模型机功能，则应先微代码手动写入控存2816中。控存采用3片ROM，微指令寄存器18位，用两片8D触发器和一片4D触发器组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器组成。在不判别的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行判别时，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”完成地址修改。实验电路有一个编程开关，具有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入控存2816中；当处于“校验状态”时，可以对写入控存的二进制代码进行验证；当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。2.2微指令格式微指令长24位，其控制位顺序如下：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8 A B CuA5uA4uA3uA2uA1uA0图2.1微代码定义示意图前面9位为直接控制字段，直接与相应的控制门连接。后面UA5-UA0为6位的后续微地址，即跳转地址。而中间的A、B、C三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。其含义如下:A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P(1)010LDDR1010RS-D010P(2)011LDDR2011RI-B011P(3)100LDIR100299-B100P(4)101LOAD101ALU-B101AR110LDAR110PC-B110LDPC 图2.2控制位含义示意图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，从而实验微程序的顺序、分支、循环运行。B字段中的RD-B、R0-B、RI-B分别为原寄存器选通信号、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警醒三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”根据指令的操作码进行译码，强置微控制单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序。2.3控制台微操作本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）。其中IN为单字长，其余为双字长指令。为了向RAM写入、读出机器指令，并能启动程序执行，还须设计三个控制台操作微程序。存储器读（KRD）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“0 0”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写（KWE）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“0 1”时，按START微动开关，可对RAM连续手动写操作。启动程序（RP）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“1 1”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下： SWBSWA控制台指令00读内存（KRD）01写内存（KWE）11启动程序（RP） 图2.3控制台指令定义示意图2.4数据通路框图3.设计思路 3.1设计思路计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出提条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成。即一条机器指令对应一个微程序。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制数码开关，作为输入设备（INPUT）；另一种是两位十六进制数LED数码管，作为输出设备（OUTPUT UNIT）。在输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上。只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号（WE）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。3.2设计代码表微地址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表3.1 二进制微代码表4.机器指令程序本程序从输入设备（数码开关）读入数据，与0A单元的数据相加，然后送到输出设备（LED数码管）进行显示。本程序不断地循环运行，在运行中可改变输入开关（INPUT）的值，观察输出显示的变化。本实验设计机器指令程序如下：地 址（二进制） 内 容（二进制） 助记符 说 明0000 0000 0000 0000 IN “INPUT DEVICE” 0000 0001 0001 0000 ADD 0AH R0+02H R00000 0010 0000 10100000 0011 0010 0000 STA 0BH R003H0000 0100 0000 10110000 0101 0011 0000 OUT 0BH 03H BUS0000 0110 0000 10110000 0111 0100 0000 JMP 00H 00HPC0000 1000 0000 00000000 10010000 1010 0000 0001 自定加数01H00 11 结果保存在0B单元5.线路连接图图5.1 实验连接图6.微程序流程及说明当拟定“取址”微指令时，该微指令的判别测试字段为P（1）测试。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P（1）测试结果出现多路分支。本次课程设计使用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。6.1 微程序流程图控制台操作为P（4）测试，它以控制台开关SWB，SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。当输入0000 0000（00）微地址的时候，就从控制台入口开始了流程，对应二进制代码表，微地址0 0的下一条微指令地址即为010000，对应的是20，也就走到了控制台的第二步P（4），当前正在执行的微指令从控制当做完判断后，就沿着那条分支继续走，存储器取出后放在微指令寄存器中，该寄存器的各个控制位的输出直接连到各个控制门上。进入到跳转地址图示如下：图6.2控制台流程图7运行调试及结果分析方法一：手动写入1）手动写入程序1.先将机器指令对应的微代码正确的写入2816中。2.使用控制台KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。A使编程开关处于“RUN”,STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。B拨动总清开关CLR（01），微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使控制台SWB、SWA开关置为“01”，按动一次启动开关START，微地址显示指示灯显示“010001”，再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动两次START键后，完成该条指令的写入。C写完程序后须进行检验。拨动总清开关CLR（01）后，微地址清零。PC程序计数器清零，然后使控制台开关SWB、SWA为“00”，按动启动START，微地址灯将显示“010000”，再按START，微地址灯显示为“010010”，第三次按START，微地址灯显示为“010111”，再按START后，此时输出单元的数码管显示为该首地址中的内容。不断按动START，以后每个循环PC会自动加1，可检查后续单元内容。2）手动运行程序1.单步运行程序：A使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。SWITCH单元的开关SWB、SWA为“11”。B拨动总清开关CLR（01），微地址清零，程序计数器清零。程序首址为00H。C单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微指令流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。D单步运行结束后，检查存数单元(0BH)中的结果是否和理论值一致。2.连续运行程序：使“STATE UNIT”中的STEP开关置为“ECEX”状态。STOP开关置为“RUN”状态，SWITCH单元的开关SWB、SWA为“11”。拨动CLR开关，清微地址及程序计数器，然后拨动START,系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。停机后，检查存数单元（0BH）结果是否正确。3）结果分析本实验求的结果为03H，根据实验原理从INPUT DEVICE中输入数据02给R0，取出01H,然后把这两个数进行相加，得到的结果为03H与理论上02H+01H=03H与实验结果一致方法二：联机读/写程序1） 联机写入程序按照规定格式，将机器指令及表22微指令二进制表成十六进制的如下格式文件。程 序 机器指令格式说明：$ P0000 $ X X X X$ P0110 机器指令代码$ P0202 十六进制地址$ P0320 $ P040B 微指令格式说明：$ P0530 $ M X X X X X X X X$P060B 微指令代码$P0740 十六进制地址$ P0800 注意：因系统文件格式要求，微指令格文件和$ P0201 控制存储器的微指令代码的第一字节（前8位）$ M00108101 与第三字节（后8位）对换一下。$ M0182ED01 $ M0248C000$ M0304E000$ M0505B000$ M0506A201$ M06019A95 $ M070DE000$ M08011000$ M0983ED01$ M0A87ED01$ M0B8EED01$ M0C96ED01$ M0D018202$ M0E0FE000$ M0F15A000$ M1092ED01$ M1194ED01$ M1217A000$ M13018001$ M14182000$ M15010A07$ M1681D100$ M17100A07$ M18118A062） 运行程序（1）将02送到R0寄存器中（2）将0AH所指向的数据01传到数据寄存器DR2中（3）将DR1与DR2中的数据相加，将结果03传到R0寄存器（4）将R0中数据03传送到0BH这个地址所指向的单元中（5）将地址0BH所指向的数据03输出8设计体会及总结8.1实验中出现的问题（1）原理不清当按照实验接线图接完全