基本模型机设计与实现

武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 1 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 李亚勇李亚勇 专业班级 专业班级 软件工程软件工程 10011001 指导教师 指导教师 田小华田小华 工作单位 工作单位 计算机学院计算机学院 题题 目目 基本模型机设计与实现基本模型机设计与实现 初始条件 初始条件 1 完成 课程教学与实验 2 TDN CM 计算机组成原理教学实验系统 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体要 求 1 掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点 2 熟悉 TDN CM 教学实验系统的微指令格式 3 设计五条机器指令 并编写对应的微程序 4 在 TDN CM 教学实验系统中调试机器指令程序 确认运行结果 5 建立复杂指令系统计算机的整机概念模型 时间安排 时间安排 1 第 20 周周 5 6 月 29 日 全体集中讲解课程设计原理与方法 2 第 21 周周 1 5 7 月 2 6 日 分班实验 调试机器指令程序 指导教师签名 田小华指导教师签名 田小华 20122012 年年 7 7 月月 2 2 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 20122012 年年 7 7 月月 日日 组成原理课程设计组成原理课程设计 说明书说明书 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 2 一 课程设计题目 序号为 01 07 号的同学 绘制 8 位运算器实现的电路图 序号为 08 14 号的同学 绘制 8 位运算器进位控制电路的电路图 序号为 15 21 号的同学 绘制 8 位运算器移位运算电路图 序号为 22 28 号的同学 绘制静态存储器 6116 电路图 序号为 29 42 号的同学 绘制静态存储器 2114 电路图 二 课程设计要求 完整说明基本模型机的构建方法和操作过程 包括以下内容 基本模型机的实验原理 绘出数据通路框图 微指令格式 微程序流程图 微指令二进制代码表 实验步骤 十六进制格式文件 实验接线图 按照自已的序号 完成 基本模型机的 XYZ 逻辑框图设计 在教学实验系统中调试和实现基本模型机 用 A4 规格的复印纸 撰写设计报告 基本模型机设计与实现基本模型机设计与实现 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 3 摘要摘要 通过这次课设 我们应该掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点 并且熟悉 TDN CM 教学实验系统的微指令格式 在本次设计中 将会设计五条机器指令 并编写对应的微程序 然后在 TDN CM 教学实验系统中调试机器指令程序 确认运行结果 由此建立复杂指令系统计算机的整机概念模型 关键字 计算机 模拟机 微程序 机器指令 1 课程设计目的 运用 计算机组成原理 课程中理论知识 通过对知识的综合运用 加深对计算机 系统各模块的工作原理及相互联系的认识 建立计算机整机概念 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 锻炼学生的独立思考和动手能力 在掌握部件单元电路实验的基础上 进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算 机 并且绘制出 8 位运算器移位运算电路图 2 课程设计设备 TDN CM 计算机组成原理实验系统 排线若干 3 课程设计内容 3 1 课程设计原理 本课程设计采用六条机器指令 IN ADD STA TRY OUT JMP 并依照指令进行相关操作 其指令格式如下 内容 助计符 说明 0000 0000 IN R0 INPUT DEVICE 班号 R0 0001 0000 ADD 0AH R0 R0 0AH R0 0010 0000 STA R0 0BH R0 0BH 0011 0000 OUT 0BH 0BH LED 0100 0000 JMP 00H 00H PC 其中 IN 为单字长 8 位 其余为双字长指令 3 1 1 开关 SWA 和 SWB 的定义和数据通路框图 为了向 RAM 中装入程序和数据 先查写入是否正确 并能启动程序执行 还须设 计三台控制台操作 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 4 存储器度操作 拨动总清开关 CLR 后 控制台开关 SWB SWA 为 00 时 按 START 滚动开关 可对 RAM 连续手动读操作 存储器写操作 拨动总清开关 CLR 后 控制台开关 SWB SWA 为 01 时 按 START 滚动开关 可对 RAM 连续手动写操作 启动程序 拨动总清开关 CLR 后 控制台开关 SWB SWA 为 11 时 按 START 滚动 开关 即可转入到第 01 好 取址 微指令 启动程序运行 上述三条控制台指令用到的两个开关 SWB SWA 的状态设置 其定义如下 SWASWB 控制台指令 00 读内存 KRD 01 写内存 KWE 11 启动程序 RP 3 1 2 微指令格式 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 5 微程序流程图 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 6 3 1 3 微指令二进制代码表 八进制二 进 制 格 式十 六 进 制 格 式 微地址 S3S2S1S0MCnWEA9A8ABC A5 A0微地址微指令内容 00Q0 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 000H018110H 01Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 001H01ED82H 02Q0 0 0 0 0 0 0 0 11000000010 0 1 0 0 002H00C048H 03Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 0 1 0 003H00E004H 04Q0 0 0 0 0 0 0 0 10110000000 0 0 1 0 104H00B005H 05Q0 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 005H01A206H 06Q1 0 0 1 0 1 0 1 10011010000 0 0 0 0 106H959A01H 07Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 0 107H00E00DH 10Q0 0 0 0 0 0 0 0 00010000000 0 0 0 0 108H001001H 11Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 109H01ED83H 12Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 1 1 10AH01ED87H 13Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 1 1 1 00BH01ED8EH 14Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 1 00CH01ED96H 15Q0 0 0 0 0 0 1 0 10000010000 0 0 0 0 10DH028201H 16Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 1 10EH00E00FH 17Q0 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0 1 0 10FH00A015H 20Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 0 1 010H01ED92H 21Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 0 011H01ED94H 22Q0 0 0 0 0 0 0 0 10100001000 1 0 1 1 112H00A117H 23Q0 0 0 0 0 0 0 1 10000000000 0 0 0 0 113H018001H 24Q0 0 0 0 0 0 0 0 00100000000 1 1 0 0 014H002018H 25Q0 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 0 0 0 0 115H070A10H 26Q0 0 0 0 0 0 0 0 11010001100 0 0 0 0 116H00D181H 27Q0 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 1 0 0 0 017H070A10H 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 7 30Q0 0 0 0 0 1 1 0 10001010000 1 0 0 0 118H068B11H 3 1 43 1 4 机器指令程序设计 机器指令程序序列 地址 内容 助计符 说明 0000 0000 0000 0100 IN R0 INPUT DEVICE 班号 3 R0 0000 0001 0001 0000 ADD 0AH R0 R0 0AH R0 0000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0 0BH R0 0BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH LED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H PC 0000 1000 0000 0000 0000 1001 0000 1010 0000 1001 学号 09 号同学 0000 1011 求和结果 班号加学号 3 2 实验步骤 3 2 1 接线图 1 按微程序控制器实验的步骤输入并检验本页微指令代码表 3 2 2 接线图 2 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 8 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 9 3 2 3 操作步骤 3 2 3 1 模型机实验预备操作步骤 模型机实验预备操作步骤 按接线图 1 接线 按微程序控制器实验的步骤输入并检验上面的微指令代码表 1 将编程开关置为 PROM 编程 状态 2 将实验板上的 STATE UNIT 中的 STEP 置位为 STEP STOP 置为 RUN 3 用二进制模拟开关置微地址 MA5 MA0 4 在 MK24 MK1 开关上置微代码 24 位开关对应 24 位显示灯 开关量 0 亮 1 灭 5 启动时序电路 即将微代码写入到 EPROM2816 的相应地址单元中 6 重复 C E 步骤 将微代码表的内容写入 2816 7 将编程开关设置为 READ 校验 状态 8 将实验板上的 STATE UNIT 中的 STEP 置位为 STEP STOP 置为 RUN 9 9 用二进制模拟开关置好微地址 MA5 MA0 10 10 按动 START 键 启动时序电路 读出微代码 观察显示灯 MD24 MD1 的状态 检查读出的微代码是否与写入的相同如果不同则将开关置为 PROM 重新执行编程操作 3 2 3 23 2 3 2 模型机步骤 模型机步骤 微控器的编程开关拨至 RUN STEP STEP STOP RUN 按 KWE 过程写机器指令程序 CLR 0 1 SWB SWA 置 01 按动 START 地址寄存器 AR 010001 21Q 按动 START AR 010100 24Q 此时从数据开关置入要写入的机器指令 按动 START 完成写入 写入一条机器指令 不断按动 START 当 AR 010100 24Q 时 从数据开关置入机器指令 注意 可以重复写入机器指令 检查程序 CLR 0 1 SWB SWA 置 00 按动 START 地址寄存器 AR 010000 20Q 按动 START 地址寄存器 AR 010010 22Q 按动 START 地址寄存器 AR 010111 27Q 总线 LED 显示内存内容 不断按动 START 当 AR 010111 27Q 时 总线 LED 显示内存内容 查看内存内容 运行目标程序 微控器的编程开关拨至 RUN STEP STEP STOP RUN CLR 0 1 SWB SWA 置 11 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 10 每按动一次 START 键 就单步运行一条微指令 请对照微程序流程图 观察微地址显示灯是否和流程一致 运行一遍后 可检查存数单元 0BH 中的结果是否和理论值一致 4 课程设计总结 4 14 1 每条机器指令的微程序每条机器指令的微程序 IN 指令的微程序 01Q 000000011110110110000010 02Q 000000001100000001001000 10Q 000000000001000000000001 01Q 000000011110110110000010 ADD 指令的微程序 01Q 000000011110110110000010 02Q 000000001100000001001000 11Q 000000011110110110000011 03Q 000000001110000000000100 04Q 000000001011000000000101 05Q 000000011010001000000110 06Q 100101011001101000000001 01Q 000000011110110110000010 STA 指令的微程序 01Q 000000011110110110000010 02Q 000000001100000001001000 12Q 000000011110110110000111 07Q 000000001110000000001101 15Q 000000101000001000000001 01Q 000000011110110110000010 OUT 指令的微程序 01Q 000000011110110110000010 02Q 000000001100000001001000 13Q 000000011110110110001110 16Q 000000001110000000001111 17Q 000000001010000000010101 25Q 000001110000101000000001 01Q 000000011110110110000010 JMP 指令的微程序 01Q 000000011110110110000010 02Q 000000001100000001001000 15Q 000000011110110110010110 26Q 000000001101000110000001 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 11 01Q 000000011110110110000010 IN ADD STA TRY OUT JMP IN 指令的微程序地址为 01Q 02Q 10Q 01Q ADD 指令的微程序地址为 01Q 02Q 11Q 03Q 04Q 05Q 06Q 01Q STA 指令的微程序地址为 01Q 02Q 12Q 07Q 15Q 01Q OUT 指令的微程序地址为 01Q 02Q 13Q 16Q 17Q 25Q 01Q JMP 指令的微程序地址为 01Q 02Q 15Q 26Q 01Q 4 24 2 ADDADD 的理论计算过程及计算结果比较的理论计算过程及计算结果比较 软件工程 1001 班 第 09 号同学 班号 01H 序号 09H F X 加 Y 算术加 X R0 班号 00000001B 01H Y M 0A 学号 00001001B 09H ADD 0AH R0 功能 R0 加 M 0AH R0 00000001B 加 00001001B 00001010B 0AH 在实验时 LED 上显示结果为 10 因此结果正确 4 34 3 实验部分芯片介绍实验部分芯片介绍 4 3 14 3 1 运算器运算器 运算器模块主要由两片 74LS181 两片 74LS273 等构成 其中 74LS181 可通过控制 器相应的控制指令来进行某种运算 具体由 S0 S1 S2 S3 S4 M 来决定 具体功能 如下表 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 12 4 3 24 3 2 微指令寄存器 微指令寄存器 IRIR 当存储器中的数据是指令时 那么数据是从 RAM 送到总线 再从总线送到 IR 中 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 13 微指令寄存器 IR 由一片 74LS273 构成 其芯片介绍如下 5 5 8 8 位运算器进位运算器及功能位运算器进位运算器及功能 5 15 1 8 8 位进位运算器的总体设计位进位运算器的总体设计 运算器最高位进位输出 Cn 4 连接到一个锁存器 用 74LS74 实现 的输入端 D 锁 存器控制端的控制信号 AR 必须置为低电平 当 T4 脉冲来到时 进位结果就被锁存到进 位锁存器中了 发光二极管这时显示为 灭 同时也将本次的进位输出结果带进了下次 的运算中 作为下次的进位输入 74LS74 芯片图 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 14 武汉理工大学 计算机组成原理 课程设计说明书 15 进位运算实验原理图 6 课程设计体会 通过这次课程设计 学到了很多东西 随然本学期我们对 计算机组成原理 的内 容进行了深入全面的学习 但那毕竟都只是理论基础上的 并没有真正的实践 我认为 该次课程设计事实上为我们提供了一个很好的机会 而且我确实通过这次课程设计学到 了很多东西 首先是对计算机有了更深一步的认识与了解 其次是基本上掌握了模拟机 的设计与实现 与此同时 进一步的了解了计算机系统各模块的得基本工资原理 各部 件之间的设计与连接 微程序的控制器的设计 微指令和微程序的编制与调试等过程 加深了对计算机组成原理理论课程以及上学期实验的巩固 本次课程设计中 在各部分的设计中都花费了不少时间 特别是在微程序的调试时 花费的时间最多 首先是必须对功能模块进行组装和分调 只有各模块工作正常后才能 进行总调 在手动输入微程序指令的时候 正确无误的写出各条极其指令的二进制代码 也是一个难点 根据电路图连接线路也要多加注意 这就要求我们在操作时必须细心谨