模型计算机系统的设计与实现

课程设计说明书课程设计说明书 计算机组成与结构课程设计 计算机组成与结构课程设计 题题 目目 模模型型计计算算机机系系统统的的设设计计与与实实现现 学学生生姓姓名名 学学 院院 班班 级级 指指导导教教师师 2010 年 1 月 8 日 学校代码 学校代码 学学 号 号 计算机组成与结构课程设计报告 2 内蒙古工业大学课程设计 论文 任务书内蒙古工业大学课程设计 论文 任务书 课程名称 课程名称 计算机组成与结构课程设计计算机组成与结构课程设计 学院 学院 信息工程学院信息工程学院 班级 班级 计计07 07 3 3班班 学生姓名 学生姓名 武宝全武宝全 学号 学号 200710210023200710210023 指导教师 指导教师 董志学董志学 王晓荣王晓荣 邢红梅邢红梅 一 题目一 题目 模型计算机系统的设计与实现 二 目的与意义二 目的与意义 计算机组成与结构课程设计是 计算机组成与结构 课程的后续设计性课程 通过设计一 台模型计算机 使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容 掌握计算机设计与实现 的基本方法 培养学生实验动手能力和创新意识 为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠 定基础 三 要求三 要求 包括原始数据 技术参数 设计要求 图纸量 工作量要求等 设计一个8位模型计算机系统 包括运算器 微程序控制器 存储器 简单输入 输出接口和 设备 时序和启停控制等电路 要求学生自己定义一套简单的指令系统 制定系统的设计方案和 实现方法 画出所设计的模型机系统的电路原理图 在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统 完成微程序控制器的实验 调试过程 并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序 在搭建的模型机系统上输入 调试和运行程序 最后总结实验结果 完善模型机系统方案和电路图 写出完整的设计报告 四 工作内容 进度安排四 工作内容 进度安排 第一部分 模型计算机设计方案的制定 0 5周 第二部分 模型计算机的搭建和微程序控制器的设计 0 5周 第三部分 模型计算机的电路原理图设计 0 5周 第四部分 设计报告的撰写和答辩验收 0 5周 五 主要参考文献五 主要参考文献 1 王爱英主编 计算机组成与结构 第三版 北京 清华大学出版社 2000 2 计算机组成与系统结构实验指导书 自编 3 计算机组成原理与体系结构使用与实验指导 北京清大数电科教仪器中心 陈捷 编著 审核意见审核意见 系 教研室 主任 签字 系 教研室 主任 签字 指导教师下达时间指导教师下达时间 年年 月月 日日 指导教师签字 指导教师签字 计算机组成与结构课程设计报告 3 摘要摘要 本次课程设计要求设计实现一个简单 8 位模型计算机系统 包括用可编程器件 实现的运算器 微程序控制器 存储器 简单输入 输出接口和设备 时序和启停控制 等电路 通过自己定义的一套指令系统 主要实现算术 A 加 B A B 运算 逻辑 A B 置 B 运算 输入指令 输出指令和存储器存数指令 由微程序控制器按照微 指令格式给出下地址 并将结果存入存储器 用 Protel 电路设计软件画出所设计的 模型机系统的电路原理图 包括运算器 微程序控制器 存储器 简单输入 输出 设备 时序和启停等电路 用可编程器件 EPM7123 实现运算器 并借助 MAXPLUSII 软件实现其功能 在 QDKJ CMH CPLD 试验平台上调试并进行验证 关键字 微程序 控制器 存储器 计算机组成与结构课程设计报告 4 引言引言 通过俩周的组成与结构设计 设计一个 8 位模型计算机系统 包括用可编程器 件实现的运算器 微程序控制器 存储器 简单输入 输出接口和设备 时序和启停 控制等电路 设计工作是在之前的验证实验基础之上完成的 通过自己的思维 实 现微程序机的一些基本的逻辑运算 根据现有的二进制指令系统 条件为模型计算 机系统为 8 位模型机 运算器为 8 位运算器 数据总线和地址总线都为 8 位 输入 设备为 8 位开关 输出设备为 8 位发光二级管指示灯 在现有的芯片内烧制自行设 计的微指令 达到在输入一个数据后自加 减一 实现自行跳转 在设计完成后 再输入数据 04 后得出 07 的结果 并实现跳转 计算机组成与结构课程设计报告 5 目录 一 设计目的和任务 2 1 设计目的 2 2 设计任务 2 二 设计方案和模型机结构 3 1 运算功能 3 2 指令系统 3 3 设计总图 4 3 1 模型机的硬件系统简介 5 3 2 微指令格式表 6 3 3 控制信号引脚定义及说明 6 四 设计过程 7 4 1 用微命令输入的机器指令执行 7 4 2 机器指令测试程序编写 8 4 3 用微命令表示的机器指令执行流程图 9 五 实验结果记录与分析 10 5 1 实验数据输入及微指令集 10 六 实验中遇到的问题及解决方法 12 6 1 遇到问题 12 2 解决方法 12 七 总结和体会 12 附录 A 指令对照表 13 附录 B 电路图 14 计算机组成与结构课程设计报告 6 计算机组成综合设计计算机组成综合设计 一 设计目的和任务一 设计目的和任务 1 设计目的 设计目的 计算机组成综合设计是计算机科学与技术专业本科生的一门重要的设计性课程 通过设计一台模型计算机 使学生更好地理解计算机组成与系统结构课程的基本 内容 掌握计算机设计与实现的基本方法 培养学生实验动手能力和创新意识 为 将来进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础 2 设计任务 设计任务 设计一个 8 位模型计算机系统 包括用可编程器件实现的运算器 微程序控制 器 存储器 简单输入 输出接口和设备 时序和启停控制等电路 要求学生自己定义 运算器的功能 自己定义一套简单的指令系统 制定系统的设计方案和实现方法 画出所设计的模型机系统的电路原理图 在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统 完成运算器和 微程序控制器的实验调试过程 并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程 序 在搭建的模型机系统上输入 调试和运行程序 最后总结实验结果 完善所设 计的模型机系统方案和电路图 写出完整的设计报告 计算机组成与结构课程设计报告 7 二 设计方案和模型机结构二 设计方案和模型机结构 1 运算功能 运算功能 算术运算 R0 R0 R0 1 2 指令系统 指令系统 本次设计采用五条机器指令 IN 输入 ADD 二进制加法 OUT 输出 JMP 无条件转移 SUB 二进制减法 得指令格式表 前 4 位为操作码 指令格式 助记符 机器指令码 说明 输入 IN 0010 0000 R0 自加 ADD 0110 0000 addr R0 减 1 SUB 1000 0000 addr R0 1 输出 OUT 0100 0000 addr BUS 无条件跳转 JMP 1010 0000 addr pc 模型计算机设计方案的制定 IN R0 DATA 将数据从输入开关送到寄存器 指令码 20H ADD R0 ADD 实现 R0 的自加运算 结果送 R0 指令码 40H SUB R0 ADD 进行 R0 减 1 运算 结果送 RAM 指令码 60H OUT BUS ADD 将存储器单元地址的数送总线 指令码 80H JMP ADD 无条件地转移到 ADD 所指定的内存单元地址 指令码 E0H 3 设计总图 设计总图 计算机组成与结构课程设计报告 8 3 1 模型机的硬件系统简介 模型机的硬件系统简介 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 1 运算器又是有 299 74LS181 完成控制信号功能的算逻部件 暂存器 DR1 DR2 及三个通用寄存器 R0 R1 R2 等组成 2 控制器由程序计数器 PC 指令寄存器 IR 地址寄存器 AR 时序电路 控 制存储器及相应的译码电路组成 计算机组成与结构课程设计报告 9 3 存储器 RAM 是通过 CE 和 W R 两个微命令来完成数据和程序的的存放功能 的 4 输入设备是由置数开关 SW 控制完成的 5 输出设备有两位 LED 数码管和 W R 控制完成的 3 2 微指令格式表 微指令格式表 微指令格式表 3 3 控制信号引脚定义及说明 控制信号引脚定义及说明 1 UA4 UA0 微程序控制器的微地址输出信号 UA4 为高位 UA0 为低位 此信 号已接有指示灯 可监视地址变化 2 IR7 IR5 指示寄存器的 IR7 IR6 IR5 输出信号 输入至微程序控制器修 改地址信号 3 F0 F3 时钟源输出信号端 F0 输出频率为 250KHZ F1 输出频率为 500KHZ F2 输出频率为 1MHZ F3 输出频率为 2MHZ 4 T1 T4 时序信号发生器提供的 4 个标准时序输出信号 可以采用单拍或连 23222120191817161514131211 S3S2S1S0M CNLOAD CEWELDROLDDR1LDDR2 LDIR 选择运算器运算模式打入 PC RAM 片选 RAM 写打入 R0 打入 DR1 打入 DR2 打入 IR 109876543210 LDPCLDAR ALU BUS PC B US R0 BU S SW BUS P 1 UA 4 UA 3 UA 2 UA 1 UA 0 PC 1打入 AR 运算器 结果送 总线 PC 内容 送总线 R0 内容 送总线 开关内容 送总线 判别字下一微指令地址 计算机组成与结构课程设计报告 10 续两种方式输出 5 S2 S1 S0 有微程序控制器输出的 ALU 操作选择信号 以控制执行 16 种算 术操作或 16 种逻辑操作中的一种操作 6 SWE 微程序控制器的微地址修改信号 SWE 已接逻辑开关 先按下 CLR 清零 键 使微地址为全 0 时 将逻辑开关从 1 0 1 相当于负脉冲 微地 址修改为 10000 使机器处于写 RAM 的微程序 7 SRD 微程序控制器的微地址修改信号 SRD 已接逻辑开关 先按下 CLR 清零 键 使微地址为全 0 时 将逻辑开关从 1 0 1 相当于负脉冲 微地 址修改为 01000 使机器处于读 RAM 的微程序 8 CLR 清零信号输入端 已连接单次脉冲 P2 按键中任一个 9 LDAR 微程序控制器的输入信号 将程序计数器的内容打入到地址寄存器 AR 中 产生 RAM 的地址 10 CE 微地址控制器输出的 RAM 片选信号 CE 0 时 RAM6116 被选中 11 WE 微程序控制器输出的 RAM 读写控制信号 当 CE 0 时 如果 WE 0 为存 储器读 如果 WE 1 为存储器写 12 LDPC 微程序控制器输出的 PC 加 1 信号 13 LOAD 微程序控制器的输出信号 LOAD 0 时 PC 程序计数器处于并行置数 状态 LOAD 1 时 PC 处于计数状态 14 ALU BUS 微程序控制器的输出信号 控制运算器的运算结果是否送到总线 BUS 低电平有效 15 PC BUS 微程序控制器的输出信号 控制程序计数器的内容是否送到总线 BUS 低电平有效 16 R0 BUS 微程序控制器的输出信号 控制寄存器 R0 的内容是否送到总线 BUS 低电平有效 17 SW BUS 微程序控制器的输出信号 控制 8 位数据开关 SW7 SW0 的开关量 是否送到总线 低电平有效 18 LDR0 微程序控制器的输出信号 控制把总线上的数据打入寄存器 R0 19 LDDR1 微程序控制器的输出信号 控制把总线上的数据打入运算暂存器 DR1 计算机组成与结构课程设计报告 11 四 设计过程四 设计过程 4 1 用微命令输入的机器指令执行 用微命令输入的机器指令执行 地址指令码注释 0020IN 0140 R0 R0 R0 0260SUB 03 add 08 0480 OUT 05 add 08 06A0 JMP 07 add 00 08 4 2 机器指令测试程序编写机器指令测试程序编写 地址 指令 说明 00H 00000000 20H IN 01H 00000001 40H R0 R0 R0 02H 00000010 60H R0 1 03H 00000011 add 08H 04H 00000100 80H add 05H 00000101 add 08H 06H 00000110 A0H JMP 07H 00000111 00H 计算机组成与结构课程设计报告 12 4 3 用微命令表示的机器指令执行流程图用微命令表示的机器指令执行流程图 PC AR PC 1 SW R0 PC AR PC 1 PC AR PC 1 P1 R0 DR1 R0 DR1 RAM AR RAM PC RAM AR ALU R0 R0 DR2 ALU R0 SW PC 00001 00010 010010101001011 01100 01101 00001 00001 00001 00001 00011 00100 00101 00110 10100 10101 10110 00001 00000 RP 01000 ADD INSUB R0 RAM 00111 10011 OUTS RAM BUS JMPS 00001 SW PC PC AR SW RAM 10000 10001 10010 10001 SW PC RAM PC RAM PC WE 01000 01110 01111 01110 RD PC AR PC 1 BUS IR 计算机组成与结构课程设计报告 13 五 实验结果记录与分析五 实验结果记录与分析 5 1 实验数据输入及微指令集 实验数据输入及微指令集 P0SW7 SW 0 A7 A0D7 D0UA4 UA 0 PC7 PC 0 0000000 07H00H0000100H 00H01H0001001H Data 03 00H20H0100101H 00H03H0000101H 01H 02H 00010 02H 01H 40H 01010 02H 01H 03H 00011 02H 01H 03H 00100 02H 01H 06H 00001 02H 02H 03H 00010 03H 02H 60 H 01011 03H 03H 04H 00101 04H 03H 06H 00110 04H 03H 05H 00111 04H 08H 08H 10011 04H 08H 05H 00001 04H 04H 05H 00010 05H 04H 80H 01100 05H 05H 06H 10100 06H 08H 05H 10101 06H 08H 05H 00001 06H 06H 07H 00010 07H 06H A0H 01101 07H 07H 08H 10110 08H 07H 00H 00001 08H 计算机组成与结构课程设计报告 14 计算机组成与结构课程设计报告 15 六 实验中遇到的问题及解决方法六 实验中遇到的问题及解决方法 6 1 遇到问题遇到问题 设计过程中存在许多问题 运算器设计过于复杂无法实现 指令流程图设计 编写微程序过程中无法实现 编写的指令不合理 微程序在写入过程中无法实现 后期的执行过程中不是预期的结果 在制作电路图时遇到困难 6 2 解决方法解决方法 主动寻求老师的帮助 修改指令 重新试验 七 总结和体会七 总结和体会 总结总结 我们在做任何一件事的时候 首先应该要理清思路 弄懂我们到底要做什么和 我们应该怎么做 其中所要采取的方法和步骤是什么 以及在对一些可能出现的微 程序异 常或是常见问题的检测和修正方案的处理方法是什么 对于模型计算机系统 的设计与 实现 应该按照计算机组成与结构课程设计中的模型计算机系统的设计与 实现相关方 法流程等规定进行 写微程序并不是最首要的 应根据所要求的 详 细的进行分析 确定功能 然后确定其电路模型 选定开发方案 做到每一步思路 清晰 这样就能够很好的设计出所要求的模型计算机 其次 要谈谈我们这次设计的不足之处 本次课程设计是以小组为单位进行的 我们各自分配了任务 因此我们有些方面得到了强化 有些方面却缺少了锻炼 虽 然说人多力量大 但却多了些依赖思想 加之贪玩 不够细心 等因素 使得我们 之前的进度一直比较缓慢 直到下半段时间我们才每天全力投入设计之中去 说到 设计 我们如今已经可以避免发生一些原则性的错误 但是有一些细节我们还是做 计算机组成与结构课程设计报告 16 得不够 比如老师就给我们提出了图的一些画法问题 这些都是我们以后的设计中 应该提起重视和改进的 最后 还要感谢我们指导老师的细心指导 认真监督 以及给我们组的设计提 出的许多中肯意见 路漫漫其修远兮 如今我们已完成了大学里的一些内容 但仍 觉得自己还有很多东西要学 希望自己在以后的学习生活中还得不断的学习与进步 体会体会 两周时间的课程设计已经完成了 通过这次课程设计 不仅让我了解了模型机 的结构和怎么去设计微程序 更重要的还让我学会了 或者说是验证了 做事一