计算机组成原理与系统结构.doc

计算机组成原理与系统结构计算机组成原理与系统结构 课程设计课程设计 专业班级专业班级 学生姓名 学生姓名 学生学号 学生学号 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2011 年年 1 月月 目目 录录 一 课程设计的目的一 课程设计的目的 3 二 模型机的设计步骤二 模型机的设计步骤 3 三 实验装置三 实验装置 5 四 课题设计四 课题设计 5 1 数据格式和指令系统 5 2 数据通路 8 3 时序系统 8 4 微指令格式 9 5 微程序控制器 10 6 微程序流程图 10 7 微程序代码表 10 组装与调试 10 五 课设小结五 课设小结 11 六 附录六 附录 12 一 课程设计的目的一 课程设计的目的 通过对一个简单计算机的设计 对计算机的基本组成 部件的设计 部件间的连接 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 二 模型机的设计步骤二 模型机的设计步骤 设计一台完整的计算机 大致需按如下的顺序来考虑 1 确定设计目标确定设计目标 确定所设计计算机的功能和用途 2 确定指令系统确定指令系统 确定数据的表示格式 位数 指令的编码 类型 需要设计哪些指令及使用的寻址方 式 并给出具体的编码 比如指令的操作码 地址码等的位数及各种编码的含义 3 确定总体结构确定总体结构 寄存器 加法器 选择器的设置与数据通路的设计 总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构 在此基础上 就可 以拟出各种信息传输路径 以及实现这些传输所需要的微命令 对于部件设置 比如要确定运算器部件采用什么结构 控制器是微程序控制还是硬联 控制等 综合考虑计算机的速率 性能价格比 可靠性等要求 设计合理的数据通路结构 确 定采用何种方案的内总线及外总线 数据通路不同 执行指令所需要的操作就不同 计算 机的结构也就不一样 4 设计指令执行流程设计指令执行流程 数据通路确定后 就可以设计指令系统中每条指令的执行流程 根据指令的复杂程度 确定每条指令所需要的机器周期数 对于微程序控制的计算机 根据总线结构 需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中 哪些微操作不能安排在同 一条微指令中 5 确定微程序地址确定微程序地址 确定后续微地址的形成方法 确定每个微程序地址及分支转移地址 6 微指令代码化微指令代码化 根据微指令格式 将微程序流程中的所有微指令代码化 首先写出每个微地址以及该 地址对应的微指令代码 共 24 位二进制信息 如下表所示 微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABC UA5 UA0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0 其中 微地址表示控制存储器的地址 后面的 24 位表示微指令 然后将每个微地址和对应的微指令转换成 16 进制 并写在一行 格式为 M 前面 2 个 表示该微指令的在微控制器中的地址 后面 6 个 表示该微指令代码 如上述表中的四条微指令写成 M00018110 表示在控制存储器地址 00h 处的代码是 018110h M0101ED82 表示在控制存储器地址 01h 处的代码是 01ED82h M0200C048 表示在控制存储器地址 02h 处的代码是 00C048h M0300E004 表示在控制存储器地址 03h 处的代码是 00E004h 7 编写工作程序并代码化编写工作程序并代码化 编写测试用的工作程序 并写出内存映像 用二进制表示 然后代码化用 16 进制来表 示 格式为 P 前面 2 个 表示该内存的地址 后面 2 个 表示该地址的数 据 例如 P0044 表示在内存地址 00h 处的数据是 44h P0146 表示在内存地址 01h 处的数据是 46h 8 联机操作文件的建立联机操作文件的建立 为了从 PC 机下载工作程序和微程序 需要建立联机操作文件 该文件是普通的文本文 件 扩展名为 TXT 可用记事本来建立的 要求 a 测试用的工作程序排在文件的前面 每个内存地址及代码占一行 b 微指令代码排在文件的后面 每个微地址及微指令代码占一行 例如 下面是一个实验的文件 文件名 sample txt P0044 P0146 P0298 M00018108 M0101ED82 M0200C050 9 连接实验线路 连接实验线路 根据简单模型机的连线图连线 具体可参考数据通路图 10 下载工作程序和微程序 下载工作程序和微程序 使用唐都软件将工作程序和微程序下载到实验箱的内存和控制存储器中 其中 自带 电源线的实验箱用 NCMP53 软件 启动软件后使用 F4 装载 进行下载 外接电源线的实验 箱用 CMPP 软件 启动软件后在菜单中选择 转储 装载 进行下载 11 调试 调试 在总调试前 先按功能模块进行组装和分调 因为只有各功能模块工作正常后 才能 保证整机的正常运行 可以使用控制台命令 SWA SWB 的不同取值 或使用联机软件检 查内存程序是否正确 微程序是否正确 当所有功能模块都调试正常后 进入总调试 可以使用单步微指令方式执行工作程序 也可以直接使用连续方式执行程序 在执行过程中 可以通过联机软件的数据通路图查看 信息在计算机中的传送路径 更有利于掌握数据的通路结构 这样也可以直接验证程序和 微程序的正确性 如果运行结果不正确 需要返回来修改程序或微程序 每次修改后 需要重新完成第 10 步 将程序和微程序下载到实验箱中 三 实验装置三 实验装置 TDN CM 计算机组成原理教学实验系统一台 排线若干 四 四 课题设计课题设计 基本要求 设计一台模型计算机 纲要内容 1 数据格式和指令系统 2 数据通路 3 时序系统 4 微指令格式 5 微程序控制器 6 微程序流程图 7 微程序代码表 具体细作 1 1 数据格式和指令系统数据格式和指令系统 数据的位数 8 位 数据格式 定点数 指令的类型 按功能分 算逻运算 数据存取 程序控制 输入输出 按存取方式分 RR 型 RS 型 指令的格式和编码 指令长度 单字节 双字节 操作码格式 固定长度 4 位 操作数的位数 原寄存器 目的寄存器的表示 数据字节的含义 地址 数据 1 数据格式 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 其中 第 7 位为符号位 数值表示范围是 1 X 1 2 指令格式 模型机设计四大类指令共十六条 其中包括算术逻辑指令 访问及转移指令 I O 指 令和停机指令 1 算术逻辑指令 设计 9 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 其中 OP CODE 为操作码 Rs 为源寄存器 Rd 为目的寄存器 并规定 9 条算术逻辑指 令的名称 功能和具体格式 2 访内指令及转移指令 模型机设计 2 条访问指令 即存数 STA 取数 LDA 2 条转移指令 即无条件转 移 JMP 结果为零或有进位转移指令 BZC 指令格式为 其中 OP CODE 为操作码 Rd 为目的寄存器 D 为位移量 正负均可 M 为寻址方式 其定义如下 3 输入输出指令 格式如下 其中 addr 01 时 选中 INPUT DEVICE 中的开关组作为入设备 addr 10 时 选中 OUTPUT DEVICE 中的数码块作为输出设备 4 停机指令 格式如下 这类指令只有一条 即停机指令 HALT 3 指令系统 本道课设共设计有 16 条基本指令 其中算术逻辑指令 9 条 访内指令和程序控制指令 4 条 输入输出指令 2 条 其他指令 1 条 下表列出了各条指令的汇编符号 指令的功能 与格式 汇编符号功能指令格式 算术逻辑指令 MOV rs rd ADD rs rd RRC rd INC rd RLC rd AND rs rd XOR rs rd COM rd CLR rd rs rd rs rd rd rd右循环一位 rd 1 rd rd左循环一位 rs rd rd rs rd rd d rd r 0 rd 1000rsrd 1001rsrd 101000rd 110100r d 101100r d 1110rsrd 1100rsrd 111100r d 011100r d 访内指令 LAD X D rd STA X D rd JMP X D M rd rd M M PC 00X00rd D 00X01rd D 00X1000 D 这里 我们约定 rs在操作文件中的代码为 01 rd的代码为 10 2 2 数据通路数据通路 计算机的工作过程 实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进 行传送 数据通路不同 指令所经过的操作过程也不同 机器的结构也就不一样 因此数 据通路的设计是至关重要的 所谓数据通路的设计 也就是确定机器各逻辑部件相对位置 的总框图 如下图所示 数据通路结构框图 BZC X D若 Z 1 或 C 1 则 M PC 00X1100 D I O 指令 IN Ms rd OUT Ms rd Ms rd rd Ms 010001rd 010110rd 其他指令 HALT停机01100000 3 3 时序系统时序系统 时序波形图 4 4 微指令格式微指令格式 本次课设中 微指令格式采用水平型微指令 为命令编码采用直接表示法和字段直接 译码法相结合的混合表示法 以缩短微指令长度 后继地址采用断定方式 微指令格式如 下 23 9 8 6 5 0 操作控制字段 15 位 通过直接或字段译码方式对数据通路进行控制 下址字段 6 位 从而确定控制存储器容量为 64 个单元 判别测试字段 3 位 通过字段译码可用于规定 P 1 P 7 七种测试 以及一种不测试 P 0 在 P 0 000 情况下 按下址字段的地址直接取下一条微指令 这里只用 P1 P3 5 5 微程序控制器微程序控制器 微指令长度为 24 位 控制存储器即可采用 3 片 EPROM 2716 用位并联方式组成 当 只采用 1 片 EPROM 时 微指令可以用并串行方式从 EPROM 中读出 分段打入到微指令 控制字段 15 判别字段 3 下址字段 6 寄存器 微程序控制器的框图如下 6 6 微程序流程图微程序流程图 鉴于流程图比较大 所以放在了附录 7 7 微程序代码表微程序代码表 50 多条微指令的规模亦不可小觑 同上 表于附录 组装与调试组装与调试 本次设计的调试工作在通用实验板上仅加上微程序控制器即可 分调 按功能模块进行分调试实现总调的前提和基础 分调的重点是时序部分和微程 序控制器 分调工作首先应当调试时序部分 在时序部分调试正确后 可转入调试微程序 控制器 用 单步 方式读出微指令 以检验微指令码和字段译码是否正确 总调 当分调正常后 连接各功能部件 进行总调试 第一步是检查全部微程序流程 图 第二步是在内存中装入包括有全部指令系统的一段程序和有关数据 进一步可采用单 指令方式或连续方式执行 以验证机器执行指令的正确性 第三步是编写一段表演程序 令机器运行 第四步是实验验收 看是否与理论相符 五 课设小结五 课设小结 本次课程设计主要设计一台微程序控制的模型机 以对计算机能有一个整机的概念 完 成对计算机组成原理这门课程的综合应用 达到学习本书的作用 通过构思与设计 对于数 据选择器 移位器 加法器 运算器 存储器和微程序控制器 有了全新的认识 由于本次设计的部件较多 结构原理较复杂 刚开始会感觉无从下手 所以整个过程 采取至顶向下 从整体到局部的做法完成了设计 当然过程中也会有一些复杂的线路 偷 懒用集成电路板直接带过 设计重点在于全局的把握 通过这次设计 能清楚的了解计算 机的基本组成 基本原理和设计