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计算机原理课程设计报告 计算机组成原理课程设计报告姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 二一四年 月 日目 录第一章 课程设计任务概述11.1课设目的11.2 课设任务1第二章 题目解答22.1指令的执行流程22.1.1“异或”指令22.1.2 读取指令32.1.3 “JMP”指令42.2存储器42.3计算机运算器52.4硬件系统132.4.1输入设备132.4.2输出设备142.4.3存储器142.4.4运算器142.4.5控制器142.4.6采用门电路设计一个8位的全加器电路152.4.7 定点补码加减法装置逻辑框图152.5运算器的组成及设计.16第三章 个人总结203.1主要结论203.2 对实训的认识20参考文献20第一章 课程设计任务概述1.1课设目的通过课程设计，掌握计算机硬件的基本工作原理，并能利用所学知识，完成课设内容。理解计算机基本构造以及微观操作。对指令在计算机内部的执行过程进行深入了解，掌握存储器中的地址变换等。1.2 课设任务1 参考给出的或者课本上的计算机的硬件（应有中断功能）组成，写出完成下面给定的指令格式的指令的执行流程；（1）累加器内容完成“异或”运算“异或” 指令的指令格式操作码 DR SR（2）把一个内存单元中的内容读到所选择的一个累加器中。操作码 DR SR(3)以下五条机器指令为选做题目，给出指令执行流程（选做要求：(组号 mod 5)+1=红色题目编号）：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下：助记符 机器指令码 说明IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中的开关状态R0ADD addr 0001 0000 R0+addr R0STA addr 0010 0000 R0 addrOUT addr 0011 0000 addr BUSJMP addr 0100 0000 addrPC注释：本小组为第四组，选做题目为52 要求用128K16位的SRAM芯片设计512K16位的存储器，SRAM芯片有两个控制端：当 CS 有效时该片选中。当W/R=1时执行读操作，当W/R=0时执行写操作。用64K16位的EPROM芯片组成128K16位的只读存储器。试问：(1)数据寄存器多少位？(2)地址寄存器多少位？(3)共需多少片EPROM?画出此存储器组成框图。3设计计算机运算器（包括逻辑框图与指令系统，以及各指令的微程序流程图）（最少4条指令，指令转换成最少两条微指令）。4了解计算机的硬件系统。就计算机的运算器组成部分，说明对其认识。（1）采用门电路设计一个8位的全加器电路（2）定点补码加减法装置逻辑框图5 运算器的组成及设计模型机综合实验。第二章 题目解答2.1指令的执行流程指令的执行流程过程可以分为四部分：读取指令、分析指令、按指令规定的内容执行指令、检查有无中断请求。2.1.1“异或”指令1.“异或” 指令的指令格式:操作码 DR SRDR:目标寄存器(累加器) SR：源寄存器 2. 该指令执行流程:1、取指周期：T1：PC AR ；将PC的内容传给ART2：AR DR ；由AR规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR T3: DR IR ；DR的内容传送到IRPC+1 PC ；PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度2、执行周期：T1：SR Y ；将SR中的数据传送到暂存器Y中T2：AC+Y Z ；AC（累加器）中数据与Y 中数据加载至ALU做加法，结果暂存于Z中T3:Z AC ；将暂存器Z的内容传送到AC中2.1.2 读取指令1. 把一个内存单元中的内容读到所选择的一个累加器中。操作码 DR SR DR:目标寄存器(累加器) SR：源寄存器 2. 该指令执行流程:1、取值周期：T1：PC AR ；将PC的内容传给ART2：AR DR ；由AR规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR T3:DR IR ；DR的内容传送到IRPC+1 PC ；PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度2、执行周期：T1：AR M ；将AR的内容通过地址总线传给M M DR ；将M内存单元的内容通过数据总线传给DR（缓冲寄存器）DR AC ；将DR中的数据传送到AC（累加器）中PC-AR-ABUSDBUS-DR-IRPC+1IR-AR2.1.3 “JMP”指令1. “JMP”指令的指令格式:助记符 机器指令码 说明JMP addr 0100 0000 addrPC2. 该指令执行流程:这是无条件跳转指令，实现将程序执行地址从当前跳转指令所在位置转移到存储器地址为addr处。1、取指周期：T1：PC ； AR ； 将PC的内容传给ART2：AR DR ； 由AR规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DRT3: DR IR ；DR的内容传送到IRPC +1 PC ；PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度2、执行周期：T1：IR（地址字段） PC ；将指令中的存储器地址addr传送到PC，IR（地址字段）=add2.2存储器要求用128K16位的SRAM芯片设计 512K16位的存储器，SRAM芯片有两个控制端：当 CS 有效时该片选中。当W/R=1时执行读操作，当W/R=0时执行写操作。用64K16位的EPROM芯片组成128K16位的只读存储器。试问：(1)数据寄存器多少位？(2)地址寄存器多少位？(3)共需多少片EPROM？画出此存储器组成框图（1） 存储器的总容量为：512K*16位（SRAM）+128K*16位（EPROM）=640K*16位（数据字长16位）。可知数据寄存器16位。因为220=1024K640K，所以地址寄存器20位（2） 所需EPROM芯片数为（128K*2B）/（64K*2B）=2（片）设存储地址空间分配如下：画出此存储器组成框图：2.3计算机运算器设计计算机运算器（包括逻辑框图与指令系统，以及各指令的微程序流程图）解：设计了ADD（加）、AND（与）、XOR（异或）、NOT（非）4条微指令。 ADD：Ai-RDA-R1Ai+A-Ai将Ai和A从内存中取出，进行加运算后赋值给Ai，存到内存当中。AND：Ai-R1 A-R2 Ai & A-Ai将Ai和A从内存中取出，进行与运算后赋值给Ai，存到内存当中。XOR: Ai-R1; A-R2;Ai A-R3 将在寄存器1和寄存器2中分别读取数据载入到Ai和A，然后进行异或操作.所以在XOR微指令中需要用到来自内存/输出到内存M、输出IO、P+1、数据缓冲寄存器DR、指令寄存器IR、地址寄存器AR、寄存器1、寄存器2、寄存器3、跳转P1和跳转P2。NOT: Ai-R0 NOT Ai将在寄存器1中读取数据载入到Ai，然后进行非操作进行。所以在NOT微指令中需要用到来自内存/输出到内存M、输出IO、P+1、数据缓冲寄存器DR、指令寄存器IR、地址寄存器AR、寄存器1。2.3.1 运算器逻辑框图：图3-1 运算器逻辑框图2.3.2 微程序流程：ADD：PCARABUSDBUSDRIRPC+1PC0000P10010R1+R2R21000图3-2 微程序流程图1AND：PCARABUSDBUSDRIRPC+1PC0000P10011R1 & R2R21001图3-3 微程序流程图2XOR：PCARABUSDBUSDRIRPC+1PC0000P10011R1 R2R21011图3-4 微程序流程图3PCARABUSDBUSDRIRPC+1PCNOT：0000P10011R2R21101图3-4 微程序流程图4微指令格式表：ADD：PCARABUSDBUSDRIRPC+1PC0000P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR00000000000000001111100000012345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制R1+R2R20001P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR01001000000110000000000100012345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制助记符状态微地址微程序数据输出数据打入地址输出运算器移位控制uPCPCADDT11000240C028ALU直通寄存器R2加运算1TO000000007c0指令寄存器IRPC输出A输出写入1AND：PCARABUSDBUSDRIRPC+1PC0000P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR00000000000000001111100000012345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制R1 & R2R21001P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR01001000000100100000000100112345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制助记符状态微地址微程序数据输出数据打入地址输出运算器移位控制uPCPCANDT110012409009ALU直通寄存器R2与运算1TO000000007c0指令寄存器IRPC输出A输出写入1XOR：PCARABUSDBUSDRIRPC+1PC0000P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR00000000000000001111100000012345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制R1 R2R21101P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR01001000000101000000000101112345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制助记符状态微地址微程序数据输出数据打入地址输出运算器移位控制uPCPCXORT11011240A00BALU直通寄存器R2异或运算1TO000000007c0指令寄存器IRPC输出A输出写入1NOT：PCARABUSDBUSDRIRPC+1P0000P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR00000000000000001111100000012345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制R2R21011P2P1XORLDR2LDR4DR-YR4-YR3-YR2-YNOTLDDRLDAR01000010000000010000000110112345678910 1112131415161718192021222324252627LDR1LDR3操作控制ANDR1-XR2-XR4-XR3-XADDRDLDIRPC+1顺序控制助记符状态微地址微程序数据输出数据打入地址输出运算器移位控制uPCPCNOTT11101210080DALU直通寄存器R2取反运算1TO000000007c0指令寄存器IRPC输出A输出写入12.4硬件系统计算机硬件系统，是计算机硬件设备的总称，由输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器组成。是计算机的主要硬件结构。2.4.1输入设备将数据、程序、文字符号、图象、声音等信息输送到计算机中。常用的输入设备有，键盘、鼠标、数字化仪器、光笔、光电阅读器和图象扫描器以及各种传感器等。键盘是最常用也是最主要的输入设备，通过键盘，可以将英文字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。“鼠标”的标准称呼应该是“鼠标器”，全称：“橡胶球传动之光栅轮带发光二极管及光敏三极管之晶元脉冲信号转换器”或“红外线散射之光斑照射粒子带发光半导体及光电感应器之光源脉冲信号传感器” ，它用来控制显示器所显示的指针光标（pointer）。触摸屏（touch screen）是一种覆盖了一层塑料的特殊显示屏，在塑料层后是互相交叉不可见的红外线光束。用户通过手指触摸显示屏来选择菜单项。触摸屏的特点是容易使用。数字转换器（digitizer）是一种用来描绘或拷贝图画或照片的设备。把需要拷贝的内容放置在数字化图形输入板上，然后通过一个连接计算机的特殊输入笔描绘这些内容。随着输入笔在拷贝内容上的移动，计算机记录它在数字化图形输入板上的位置，当描绘完整个需要拷贝的内容后，图像能在显示器上显示或在打印机上打印或者存储在计算机系统上以便日后使用。除此之外的输入设备，还有游戏杆、光笔、数码相机、数字摄像机、图像扫描仪、传真机、条形码阅读器、语音输入设备等。2.4.2输出设备输出设备的作用是将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等。显示器是通过“显示接口”及总线与主机连接，待显示的信息是从显示缓冲存储器送入显示器接口的，经显示器接口的转换，形成控制电子束位置和强弱的信号。受控的电子束就会在荧光屏上描绘出能够区分出颜色不同、明暗层次的画面。打印机（Printer）是计算机最基本的输出设备之一，它将计算机的处理结果打印在纸上。绘图仪（plotter）能按照人们要求自动绘制图形的设备。它可将计算机的输出信息以图形的形式输出。主要可绘制各种管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图与计算机辅助设计图等。2.4.3存储器存储器将输入设备接收到的信息以二进制的数据形式存到存储器中。存储器有两种，分别叫做内存储器和外存储器微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。从使用功能上分，有随机存储器 （Random Access Memory，简称 RAM），又称读写存储器；只读存储器（Read Only Memory，简称为ROM）。外存储器的种类很多，又称辅助存储器。外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。2.4.4运算器运算器是完成各种算术运算和逻辑运算的装置，能进行加、减、乘、除等数学运算，也能作比较、判断、查找、逻辑运算等。由算术逻辑单元（ALU）、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器组成。2.4.5控制器控制器是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。2.4.6采用门电路设计一个8位的全加器电路Si=AiBiCi-1Ci=AiBi+(AiBi)Ci-18位的全加器电路表2- 全加器的真值表输入输出AiBiCi-1SiCi00000001100101001101100101010111001111112.4.7 定点补码加减法装置逻辑框图补码加法公式： x补+y补=x+y补 (mod 2)在模2意义下，任意两数的补码之和等于该两数之和的补码。补码减法运算公式：x-y补=x+(-y)补=x补+-y补从y补求-y补的法则是：对y补包括符号位“求反且最末位加1”，即可得到-y补。运算前，X、Y寄存器分别存储被加（减）数 和 加（减）数，计算结果存回X寄存器；F为加法器，能在命令XF和YF信号的控制下接收两个寄存器中的数据并完成加法运算，运算结果在FX命令信号的控制下接收回X寄存器中。为实现减运算，应将Y寄存器中补码数据的负数表示送到加法器F，这可以通过送Y寄存器中每位数据的反码并在F的最低位给出进位1输入信号变通完成，用/YF和1F控制命令实现。定点补码加减法装置逻辑框图2.5运算器的组成及设计. 实验步骤(1)移位/取反实验 在CPTH软件中的程序窗口输入下列程序 MOV A,#55HRR A RLC A CPL AEND 将程序另存为EX1.ASM将程序会变成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令。按快捷图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作。程序跟踪结果如图。(2)转移实验在CPTH软件中的程序窗口输入下列程序 LO:MOV A,#01LOOP:SUB A,#01 JB LOOP JZ LOOP JMP LO END 将程序另存为EX1.ASM将程序会变成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令。按快捷图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作。程序跟踪结果如下图。 1.移位/取反实验MOV A,#55:将累加器的值设为055H，以便下面观察。RRA： 本指令为两个周期。在T1状态，由上次取指操作取出的指令码为D0H，访问微程序存储器的20H单元，读出微指令值为0FFFCB7H，有效位为CN。FEN，及AEN，表示不带进位的位移，运算器控制S2S1S0=111（二进制）表示运算不运算，输出结果为A的值，X2X1X0=101（二进制）表示，运算器“右移”输出到总线，FEN将标志位保存，AEN将DBUS内容出入A中，upc加1取出下条微令。在TO状态，取出下条将要执行的指令。RLCA；本指令有两个状态周期。在T1状态微指令为0FFFED7H,CN=1表示带进位位移，S2S1S0=111表示ALU不做运算，直接输出A内容，X2XX1X0=110（二进制）表示，运算器“左移”输出到DBUS，AEN表示DBUS内容存入A中，FEN表示保存标志位。T0状态为取指操作。取出下条将要执行的指令。CPAL:本指令为两个周期。在T1状态，微指令为0FFFE96H，S2S1S0=110表示ALU做“取反”运算，X2X1X0=100（二进制）表示，运算器结果直通到DBUS，在存入A中，并保存标志位。T0状态为取指操作。取出下条将要执行的指令。2. 转移实验 程序的开始执行一条取指的微指令，读入程序第一条指令。MOV A,#01:将累加器的值设为01H，用于下面计算来产生进位标志和零标志。SUBA，#01：A值原为1，将A值第一次减1后，应产生“零标志”位。JC 02:由上条取指读出的指令码为0A0H，存入IR寄存器后，IR3、IR2的值为00（二进制），表示判进位跳转功能，指令码存入uPC后，从uM读出的微指令值为0C6FFFFH,表示以PC为地址从EM中读出数据02H并送到DBUS,ELP为低成有效的状态，与IR3、IR2组成进位跳转控制，此时若有进位，就会产生一个控制信号，将总线DBUS上的值02H打入PC,下条微指令取指时,就会从EM新的地址02中读指令码;此时若无进位,DBUS上的值被忽略,PC加1,下条取指操作按新PC取出指令码执行.当前无进位标志,顺序执行下条指令. JZ 02:由上条取指读出的指令码为0A4H,存入IR寄存器后,IR3、IR2的值为01（二进制），表示判零跳转功能，指令码存入uPC后，从uM读出的微指令值为0C6FFFFH,表示以PC为地址从EM中读出数据02H并送到DBUS，ELP为低成有效状态，与IR3，IR2组成零跳转控制，与上条指令相比，尽管微指令相同，由于指令码不同，上一个为判进位跳转，这个为判零跳转。此时若零标志位为1，即A=0时，就会产生一个控制信号，将总线DBUS上的值02H打入PC，下条微指令取指时，就会从EM新的地址02中读指令码，此时若零标志位为0，DBUS上的值被忽略，PC加1，下条取指操作按新PC取出指令码执行。由于A=0，标志位为1，产生PC打入信号，将DBUS上的值02H打入PC.下条取指操作，PC=02，以PC为地址从EM的02单元取出指令码执行，程序转到02地址。SUB A，#01:A值现为0，再减1后，A=0FFH,并产生“进位标志”位。JC 02 ：此为判进位跳转指令，此时由于进位标志位1，与ELP、IR3、IR2组成的电路产生PC打入信号