计算机组成原理课程设计

1、课 程 设 计 课程名称计算机组成原理题目名称微程序控制器专业班级 学生姓名学 号指导教师二一四年十二月二十日目录摘要6一、设计需求71.1设计背景71.2设计目的71.3设计内容71.4设计要求7二、设计方案92.1设计思路92.2程序清单112.3指令流程图11三、调试过程153.1指令系统设计153.2 微程序设计15四、心得体会20五、参考文献21摘要随着社会科技的发展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化的生活阶段。本次课程设计课题是基本模型机的设计与实现，它正体现了这一点。利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程及实验中所学到的实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写

2、指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能，最终达到将理论与实践相联系。本次设计完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，本课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能，通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序。首先向存储器（RAM）中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行。另外，还需设计三个控制台操作微程序：存储器读操作（READ），存储器写操作（WRITE），运行程序(RUN)。以上各微指令设计完毕后，连接线路在ZY15Com

3、pSys12BB计算机组成原理教学实验箱运行程序，并将实验结果显示输出。这一课题的实现不仅使我们对各种微指令有了熟练的掌握，更对以后的学习、工作中有深远的影响。关键词：微指令，机器指令，READ，WRITE, RUN，ZY15CompSys12BB一、设计需求1.1设计背景通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，尝试设计六条机器指令，并编写相应的微程序，完成由基本单元电路构成一台基本模型机，再经过调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的正常工作控制信号。在设计基本模型机4的实验过程中，个别部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制

4、信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一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条微程序。本课程设计要求实现六条机器指令：IN（输入)，与AND（逻辑乘），STA（存数），OUT（输出），或OR（逻辑加），异或XOR（逻辑异）的输入，输出。重点主要在逻辑运算的设计中。1.2设计目的（1）巩固和深刻理解“计算机组成原理”课程所讲解的原理，加深对计算机各模块协同工作的认识（2）掌握微程序设计的思想和具体流程、操作方法。（3）培养学生独立工作和创新思维的能力，取得设计与调试的实践经验。（4）尝试

5、利用编程实现微程序指令的识别和解释的工作流程1.3设计内容按照要求设计一指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。1.4设计要求（1）仔细复习所学过的理论知识，掌握微程序设计的思想，并根据掌握的理论写出要设计的指令系统的微程序流程。指令系统至少要包括六条指令，具有上述功能和寻址方式。（2）根据微操作流程及给定的微指令格式写出相应的微程序（3）将所设计的微程序在虚拟环境中运行调试程序，并给出测试思路和具体程 序段（4）尝试用C或者Java语言实现所设计的指令系统的加载、识别和解释功能。（

6、5）撰写课程设计报告。二、设计方案2.1设计思路按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。从而可以想到如下指令：24位控制位分别介绍如下：XRD: 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。EMWR: 程序存储器EM写信号。EMRD: 程序存储器EM读信号。PCOE: 将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。EMEN: 将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。I

7、REN: 将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。EINT: 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。ELPPC: 打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。MAREN: 将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。MAROE: 将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。OUTEN: 将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。STEN: 将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。RRD: 读寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR: 写寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。C

8、N: 决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。FEN: 将标志位存入ALU内部的标志寄存器。WEN： 将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。AEN： 将数据总线DBUS的值打入累加器A中。X2:X1:X0: X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。具体如下：X2 X1 X0输出寄存器0 0 0IN_OE 外部输入门0 0 1IA_OE 中断向量0 1 0ST_OE 堆栈寄存器0 1 1PC_OE PC寄存器1 0 0D_OE 直通门1 0 1R_OE 右移门1 1 0L_OE 左移门1 1 1没有输出S2：S1：S0: S2、S1、S0三位组合决

9、定ALU做何种运算。具体如下：S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1A-W 减0 1 0A|W 或0 1 1A&W 与1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1A-W-C 带进位减1 1 0A A取反1 1 1A 输出A模型机的寻址方式分五种：累加器寻址：操作数为累加器A，例如“CPL A”是将累加器A值取反，还有些指令是隐含寻址累加器A，例如“OUT”是将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT。寄存器寻址：参与运算的数据在R0-R3的寄存器中，例如 “ADD A，R0”指令是将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。寄存器间接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数

10、据的地址在寄存器R0-R3中，例如 “MOV A，R1”指令是将寄存器R1的值做为地址，把存储器EM中该地址的内容送入累加器A中。存储器直接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。例如“AND A，40H”指令是将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。立即数寻址：参与运算的数据为指令的操作数。例如 “SUB A，#10H”是从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。2.2程序清单MOV A,#01H 立即数寻址，传送指令，将01h传送给累加器aLOOP:MOV R0,#01H 立即数寻址，将01h传送给r0ADD A,R0 寄存器

11、寻址，加法操作，将r0的值与a相加，结果存入a中SUB A,R0 寄存器间接寻址，减法将R0的值当作是内存地址，再将此地址的值与A相减，最后放入A。CPL A 累加器寻址，将a的值取反OUTJMP LOOP /无条件跳转，跳转到LOOP2.3指令流程图MOV A,#01HPC>MAR(PC+1>PC)MAR>EMEM>IR 、uPCEM>A（PC+1>PC）图1 立即数寻址，传送指令，将01h传送给累加器aPC>MAR(PC+1>PC)MOV R0,#01HMAR>EMEM>IR 、uPCEM>R0（PC+1>PC）图2

12、立即数寻址，将01h传送给r0 PC>MAR(PC+1>PC)MAR>EMEM>IR 、uPCW+A>A（PC+1>PC）R0>WADD A,R0 图3 寄存器寻址，加法操作，将r0的值与a相加，结果存入a中PC>MAR(PC+1>PC)SUB A,R0MAR>EMEM>IR 、uPCR0>MARMAR>EMEM>WA-W>A（PC+1>PC）图4 寄存器间接寻址CPPC>MAR(PC+1>PC) MAR>EMEM>IR 、uPCA>A（PC+1>PC） 图5 累

13、加器寻址，将a的值取反OUTPC>MAR(PC+1>PC)MAR>EMEM>IR 、uPCA>OUT（PC+1>PC）图6 OUT 将累加器的值送到输出端并输出JMP LOOPPC>MAR(PC+1>PC)MAR>EMEM>IR 、uPCIR>PC（PC+1>PC）图7 无条件跳转，跳转到LOOP三、 调试过程3.1指令系统设计本指令系统涉及8条指令，分别完成数据传送，进行加、减和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。具体指令设计如下：助记符机器码1机器码2机器码

14、3注释-FATCH-000000xx 00 - 03试验机占用，不可MOV A, #II000001xx 04 - 07IIMOV R?, #II000010xx 08 - OBIIADD A, R?000011xx 0C - 0FSUB A, R?000100xx 10 - 13CPL A000101xx 14 - 17OUT000110xx 18 - 1B JMP MM000111xx 1C - 1FMM3.2 微程序设计将窗口切换到“uM微程序”窗口，设计每条指令的微程序。每个程序开始要执行的第一条微指令应是取指操作，因为程序复位后，PC和uPC的值都为0，所以微程序的0地址处就是程序执

15、行的第一条取指的微指令。取指操作要做的工作是从程序存储器EM中读出下条将要执行的指令，并将指令的机器码存入指令寄存器IR和微程序计数器uPC中，读出下条操作的微指令。取指设计如下（CBFFFF）：图8 取指操作图MOV A，#01H 这条指令是把立即数1从存储器EM中取出，放入累加器A中。微程序设计如下（C7FFF7）：图9 取立即数并放入累加器AMOV R0,#01H这条指令是把立即数1从存储器EM中取出，放入寄存器R0中。微程序设计如下(C7FBFF)：图10 取立即数并放入寄存器R0ADD A,R0这条指令是寄存器寻址，将R0的值取出放入W中与A相加，再将结果放入A。它由三个指令周期。微

16、程序设计如下：第一步，把R0 的值放入累加器W中：图11 R0放入累加器W第二步，从D中读出A的值并与W相加，结果放到A中：图12 读出A值并与W相加SUB A,R0 这条指令是寄存器间接寻址，将以R0为地址的数值取出放入W中与A相减，再将结果放入A。它由四个指令周期。微程序设计如下：第一步，把R0 的值放入地址寄存器MAR中：图13 R0 的值放入地址寄存器MAR第二步，从MAR中读出以R0为地址的值放入累加器W中：图14 读出以R0为地址的值放入累加器W第三步， 将A的值与W值相减：图15 A的值与W值相减CPL A 将A的值取反在存入A中：图16 将A的值取反在存入A中OUT 将累加器的

17、值送到输出端并输出：图17 累加器的值送到输出端并输出JMP LOOP无条件跳转，跳转到LOOP：图18 无条件跳转，跳转到LOOP心得体会经过这次课程设计，我体会到自己所学的东西太少了，很多都不知道。虽然这次设计的只是一个小程序，但是这其间我还是学到了不少东西。在这次课程设计的过程，有些很基本的知识出现记混淆的现象，通过查书及询问同学，最终明白了。本次课程设计我们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。作为一个计算机系学生这是必需掌握的，使我们对数据选择器，移位器，加法器，运算器，存储器和微程序控制器，有了比较透彻的认识。由于计算机设计的部件较多，结构原理较复杂，对于我们这样的初设计者来说感到无从下手，所以我们在整个过程中采取由浅入深，由简单到复杂的放法，通过这次设计，使我们能清楚的了解计算机的基本组成，基本原理和设计步骤，设计思路和调试步骤，最终能清晰的建立起整机概念，为独立完成计算机设计奠定了基础。课程设计结束了，从中我们也学到了不少知识。虽然计算机组成原理的课程设计与学习已经结束，可我们学习之路并没