北华航天工业学院__计算机组成原理课设报告材料

1、实用标准文案M羊拒天工嚏母悦计算机组织与体系结构课程设计报告报 告 题目：复杂模型机系统设计及运行作者所在系部：计算机科学与工程系作者所在专业：网络工程作者所在班级：B11522作者姓名：张旭刚指导教师姓名：房好帅完成时间：2013/6/28北华航天工业学院教务处制文档目录1内容摘要2课程设计任务书3第1章绪论41.1 设计地点41.2 设计目的41.3 设计内容41.4 实验的环境41.5 课程设计的要求5第2章基础知识62.1 概述62.2 主要技术要点72.2.1 ALU 部件72.2.2 .存储体72.2.3 控制器7第3章系统设计与实现93.1 模型机结构93.2 程序设计原理103

2、.2.1 数据格式及指令格式 103.2.2 指令系统113.2.3 微指令设计 113.3 机器指令设计 133.4 联机实验143.4.1 实验流程143.4.2 实验连线143.4.3 实验步骤153.4.4 实验结果20总结21参考文献22内容摘要计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次 上。计算机系统的层次结构模型中，第 0层是硬件内核（逻辑线路），第1、2层是指令系统 和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。计算机组成原理涉及到的是第0、 1、2这3层。

3、本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的模型机，在实验中了解，熟 悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组 成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入 /输出系统的工作原理与功能。以及 增强自己的动手能力。课设主要依托组成原理实验室设备 EL-JY-II来完成的，在实验当中 利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。关键词模型机 微指令机器指令微地址 微代码课程设计任务书课题名称复杂模型机系统设计及运行完成时间2013.6.28指导教师房好帅职称讲师学生姓名张旭刚班级B11522总体设计要求和技术要点掌握计算机五大功能部件的组成及功能

4、，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，学 握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的 结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。(1)利用实验设备平台构造完整的模型机；(2)利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；(3)运用随机存储器RAMZ及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和 存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；(4)应用微程序控制器，往 EEPROM任意写24位微代码，读出微代码并验证具正 确性；(5)构造指令系统，定义至少15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算 术/逻辑运算以及输入输出处理。(6)完成指定功能的实现，

5、参加成果验收，撰写课程设计报告。工作内容及时间进度安排总计2周：1.6月17日：资料查阅、确定选题、系统总体设计2. 6月18日21日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3. 6月24日28日：系统调试与运行，现场验收设计成果4. 6月28日：上交设计告(打印稿及电子稿)课程设计成果1 .课程设计硬件系统及配套软件2 .课程设计报告书第1章绪论本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电 路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现(包括硬件和软件)。1.1 设计地点图书馆五楼计算机组成原理实验室。1.2 设计目的通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全

6、面的掌握，培养独立分析、 研究、开发和综合设计能力。1.3 设计内容掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握 计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构 与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。(1)利用实验设备平台构造完整的模型机；(2)利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；(3)运用随机存储器RAMUZ及地址和数据在计算机总线的传送关系， 实现运算器和存 储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；(4)应用微程序控制器，往EEPRO机任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确 性；(5)构造指令系统，定义至少1

7、5条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算 术/逻辑运算以及输入输出处理；(6)完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。1.4 实验的环境利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。系统采用“基板+T展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片 机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。1.5 课程设计的要求要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块;并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确；第2章基础知识2.1概述计算机系统是包

8、括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次上。计算机系统的层次结构模型中，第 0层是硬件内核（逻辑线路），第1、2层是指令系 统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。计算机组成原理涉及到的是 第0、1、2这3层。计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入 /输出五个部件组成微处理器结构图2-1微处理器结构（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，同时也是计算机内部数据信息的重要通路。运算器大体包括算术逻辑运算单元ALU通用寄存器组、专用寄存器以及附加

9、的控制线路(2)存储器是存放数据和程序的部件。计算机中的存储器按功能分为主存、辅存和高 速缓冲存储器CACHE由这3类存储器构成存储系统的层次结构。(3)控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄存器、 指令译码器和时序控制器等部件。(4)输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口2.2主要技术要点2.2.1 ALU 部件ALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。它的基本逻辑结构 是先行进位加法器。74181是国际流行的4位ALU中规模集成电路，能对两个 4位二进制 代码进行16种算术运算和16种逻辑运算，这两类运算由M信号选择。16种运算又由S3s

10、2S1SM位控制选择。用Cn表示ALU的最低位进位输入，用Cn +4表示ALU的进位输出 信号。2.2.2 . 存储体静态MO话储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。存储体是存储单元 的集合。地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写 电路。控制器根据CPU合出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。2.2.3 控制器CPU的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完 成。对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。控制器组成如下：(1)指令计数器：存放要执行的下一条指令的地址。(2)指令寄存器：存放现行指令。(3)指令译码器：

11、对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成 部件。(4)脉冲源及启停控制电路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟 脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生于停止，实现对机器的启 动和停机。(5)时序信号产生部件：以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。(6)操作控制信号形成部件：综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状 态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。(7)中断机构：对异常情况和外来请求处理。(8)总线控制逻辑：对总线信息传输控制。(9)操作控制信号形成部件产生指令所需要的操作控制信号序列

12、，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式 或可编程逻辑阵列PLA方式。微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控制步 编成一条微指令。微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。微指令的每一位代 表一个微命令，也即代表了操作控制信号。微指令序列称为微程序，每一条机器指令对应 一段微程序。计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。每条微指令 具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微指令的地址。实用标准文案第3章系统设计与实现3.1 模型机结构运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂

13、存器1由U3 U4两片74LS237构成，暂 存器2由U5-U6两片74LS237构成。微控器部分控存由U13-U15三片2816构成。除此之外， CPU的其它部分都由EP1K1C®成（其原理见系统介绍部分）。存储器部分由两片6116构成 16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为 00H-FFH输出设备有底板上的四个LED数码管及其译码器、驱动电路构成，当 D-G和W/R均为 低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。 在开关方式下，输入设备由16位电平开关及 两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，

14、数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接 送上数据总线，因而外加的数据输入电路可因不用。实用标准文案图3-1模型机结构3.2 程序设计原理3.2.1 数据格式及指令格式本模型机规定数据采用整数表示， 字长为16位。指令格式可设计四大类指令共16条, 其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。1 .算术逻辑指令设计九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：表3- 1算术逻辑指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，OP-CODE操作码，RS为源寄存器，RM目的寄存器，并规定如表3.2所示:表3-2寄存器选择定义RS或

15、RD选定的寄存器00R001R110R22 .访问指令及转移指令模型机设计两条访问指令，即存数、取数，转移指令，无条件转移（JMP）、指令格式如下:表33访问、转移指令格式文档7 65 40 0M3 21 0OP-CODERDD其中，OP-COD囱操作码，rd为目的寄存器地址。D为位移量，M为寻址模式，其定义如下:表3 4寻址模式定义寻址模式M功效地址E说明00E= D立即数寻址01E=(D)直接寻址10E=(PC)+D间接寻址3. I/O指令输入(IN)和输出(OUT脑令采用单字节指令，其格式如下:表35输入输出指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，addr=01

16、时，选中输入设备，addr=10时，选中输出设备3.2.2 指令系统 表3-6列出各条指令的格式、汇编符号和指令功能表3-6指令格式、汇编符号和指令功能汇编符号指令格式功能MOV rd, rsADD rd, rsSUB rd, rsINC rdAND rd, rsNOT rdROR rdROL rd1000 rs rd1001 rs rd1010 rs rd1011 rd rd1100 rs rd1101 rd rdrs- 一 rdrs+rd 一 rdrd-rs 一 rdrd+1 - rdrs /rd一 rdrd 一 rd1110 rd rd1111 rd rdAd 二 -rdMOVD, rd

17、MOV rd, D0010 00 rdD0010 01 rdDrd 一 DD 一 rdJMP DMOV rd, D0000 1000D0000 10 rdDA PCD- rdIN rd , KIN0100 10 rdKIN- rdOUT DISP, rd0100 01 rdRcH DISPrd或rs 00选择寄存器Ax 01选择寄存器BX 10选择寄存器CX3.2.3 微指令设计表3-7列出了本次实验所使用的微指令集微地址（八进制）微地址（二进制）微代码（十六进制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE5070001110

18、15FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B4624010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041EC330110110041F2340110000041F3350111010041F6360111103071F7370111113001F9401000000379C141100001010FC14

19、2100010011F4145100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011013003C1621100100003C1631100110025F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E103.3机器指令设计表3-8列出了本次实验所使用的机器指令集地址（十六进制）机器指令（十六进制）助记符说明00 H0048 HI

20、N Ax , KIN输入AX01 H0049HIN BX , KIN输入BX02 H0094 HADD AX, BXAX+BX f AX03 H00D0HNOT AXNot (AX) 一 AX04 H00F0 HROL AXAX循环左移一位05 H0082 HMOV CX , AXAX f CX06 H0046HOUT DISP, CXCX 一 DISP07 H00A4 HSUB AX, BXAX- BX 一 AX08 H00D0 HNOT AXNot (AX) 一 AX09 H00E0HROR AXAX循环后移一位0A H0082HMOV CX , AXAX f CX0B H0046 HOU

21、T DISP, CXCX 一 DISP0C H0094 HADD AX, BXAX+BX f AX实用标准文案0D H0082HMOV CX , AXAX > CX0E H0046 HOUT DISP, CXCX > DISP0F H0008HJMP 00H00H一 PC10H0000H3.4联机实验3.4.1实验流程01| PC-aARM+1PC->ARPC+1EARC41INOVTP1测试MS'ADDRAM >D BUS->1RSUBINC ANDNOT RORTo?RAWhD BUSD BUS->ARPC>ARPCTRAM-m BUSP2

22、M?JKIN(ID)27上加I01ourton|3ird->D BUSD_BUS->LT1* i兔 ra->D BUSLuOLrd->D BUSD_BUS->LT1lrs->D BUSD BCS->LT23Jrd->D_BUSD BUS->LT1kd-xrug rd-mg71D BUS->ARPZM.MOV(OD)TMPC I®1414025MOV f 01rd">D_BUSD BUS->RAtBUS-rd01D_lNPirr->D_BUSD BUS->idMaEED I01LTL*LT2-

23、>D BUS-：d卜BU&kdD BUS->LT2蓝LTl*LT2->D BUS->fdrd->D BUSD 0CS->LT1口 BUS->PCLTl+l->D BUS->rd图:微程序流程图j rdr>seg 空rd->D_BUSD BUS->LT1D BUS->rd图3-2微程序流程图3.4.2实验连线实用标准文案图3-3实验连线示意图3.4.3实验步骤(1)按照实验指导说明书连接硬件系统；(2)启动实验软件，打开实验课题菜单，选中实验课题并打开参数对话窗口；(3)微指令操作：写：在编辑框中打开实验指导书

24、中的微指令程序，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0010”写状态，然后按"W"按钮，微程序写入控制存储器电路，结果如图 3-2所示。图3-4 写微指令读：将实验箱上的 K4K3K2K1拨至“0100”读状态，在“读出微地址”栏中填入两 位八进制地址，按" R'按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中，如图 3-3所示图3-5 读取微指令保存：按“保存”按钮，微程序代码保存在一给定文件 （*MSM）中 打开：按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中,（4）机器指令操作：写：在编辑框中打开自己预先编辑好的程序 zcc.asm,将实验箱上的K

25、4K3K2K被至 “0101”运行状态，拨动“ CLR开关对地址和微地址清零，然后按“ W按钮，机器指令写 入存储器电路；（注：对于8位机，十六进制代码为2位；对于16位机，十六进制代码可 以是2位，也可以是4位。），结果如图3-4所示。文档图3-6写机器指令读：将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，在“读出指令地址”栏中 填入两位十六进制地址，拨动“ CLR开关对地址和微地址清零，然后按“读出”按钮，结 果如图3-5所示。君口 画晅周I剧确定I图3-7 读机器指令保存：按“保存”按钮，机器指令程序保存在一给定文件 （*ASM）中。打开：按“打开”按钮，打开已有的机器指令程序文件，并显示在编辑框中。单步：在运行状态下运行程序前，先拨动“ CLR开关对地址和微地址清零，然后每按一次“单步”按钮，执行一条微指令。可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果。连续：在连续运行程序前，先拨动“ CLR开关对地址和微地址清零，然后按“连续”按钮，可连续执行程序。可从实验箱的指示灯和显示LED观察连续运行的结果。程序中间会要求输入数据：图38输入第一个数据图39输