计算机组成原理课程设计讲义

计算机组成原理课程设计讲义第一页，共三十一页，编辑于2023年，星期五课程设计目的掌握整机动态工作过程了解微程序控制器的设计，构建指令系统组建模型机，编写应用程序进行调试第二页，共三十一页，编辑于2023年，星期五设计内容和要求1.设计内容（1）设计指令系统（2）编写微程序（3）实验接线（4）编写应用程序，选择实现下列要求的一种功能①输入两个一位十进制数，计算两数之和，并以BCD码输出②输入一个两位十进制数，求其负值的补码③输入几个数，统计奇数和偶数的个数2.设计要求（1）指令在8条以上（2）寻址方式包括：寄存器寻址、直接寻址、立即数寻址（3）数据由键盘输入（4）由数码管显示结果第三页，共三十一页，编辑于2023年，星期五报告要求手写统一封面第一页为任务书内容包括：设计目的、设计器材、设计要求、模型机结构、指令编码、微程序、应用程序、接线图、调试、结果分析、总结等。收报告截止日期：17周周五第四页，共三十一页，编辑于2023年，星期五EL-JY-Ⅱ组成原理实验仪介绍

第五页，共三十一页，编辑于2023年，星期五底板布局第六页，共三十一页，编辑于2023年，星期五模型机结构框图由4片74181构成16位ALUS3S2S1S0MCn选择运算功能ALU_G为三态门输出控制信号，低电平可输出LT1、LT2为数据暂存器，各由2片74273构成LDR1、LDR2两个暂存器接数控制，高电平有效由Ax、Bx、Cx构成寄存器堆LRi为寄存器堆的写控制，高电平有效

Ri－G为寄存器输出控制，低电平有效

MS0S1为移位寄存器功能选择，与ALU使用相同的控制信号

G-299为移位寄存器输出控制信号，低电平有效

在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个74244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，数据可由键盘或串口线输入，可以不用数据输入电路。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、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存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只用低八位CE为片选信号，低电平有效WE为读写信号，低电平写，高电平读LAR为地址寄存器的锁存控制，高电平有效LOAD为程序计数器的置数控制，高电平有效LPC为程序计数器的时钟控制，高电平有效PC-G为程序计数器的输出控制，低电平有效LDIR为指令寄存器的锁存控制，高电平有效第七页，共三十一页，编辑于2023年，星期五工作原理1．数据格式本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，其格式如下：其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768≤X<32767151413……0符号尾数第八页，共三十一页，编辑于2023年，星期五2．指令格式（1）算术逻辑指令设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下76543210OPrsrd第九页，共三十一页，编辑于2023年，星期五其中OP为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：OP011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROLrs或rd选定寄存器00Ax01Bx10Cx第十页，共三十一页，编辑于2023年，星期五（2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符MOV，但其操作码不同。转移指令只有一种，即无条件转移（JMP）。指令格式如下：7654321000MOPrdD第十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期五其中OP为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不相同，如下表所示：OP000110指令说明写存储器读存储器转移指令寻址模式M有效地址ED定义说明00E=（PC）+1立即数立即寻址10E=D直接地址直接寻址11E=100H+D直接地址扩展直接寻址第十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期五（3）I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下： 其中，当OP=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。76543210OPaddrrd第十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期五3．指令系统

含14条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条。输入输出指令2条。第十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期五汇编符号指令的格式功能MOVrd，rs1000rsrdrs→rdADDrd，rs1001rs

rdrs+rd→rdSUBrd，rs1010rsrdrd-rs→rdINCrd1011rdrdrd+1→rdANDrd，rs1100rsrdrs∧rd→rdNOTrd1101rdrd/rd→rdRORrd1110rdrd┌──→rd→─┐└───────┘ROLrd1111rdrd┌──←rd←─┐└───────┘基本指令表第十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期五汇编符号指令的格式功能MOV[D]，rd001000rdrd→[D]DMOVrd,[D]001001rd[D]→rdDMOVrd,D000001rdD→rdDJMPD0000

10

00D→PCDINrd,KIN010010rdKIN→rdOUTDISP，rd010001rdrd→DISP基本指令表(续）第十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期五4．设计微代码 微程序设计的关键技术之一是处理好每条微指令的下地址，以保证程序正确高效地进行。本系统采用分段编码的指令格式，采用断定方式确定下一条微指令的地址。第十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期五

控制场下地址场微指令寄存器MIR微地址形成电路控存CM微操作控制信号指令操作码状态条件微指令微地址断定方式微程序控制部件示图第十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期五每条微指令由24位组成，其控制位顺序如下：242322212019181716S3S2S1S0MCnWE1A1B151413121110987654321F1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0第十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期五控制存储器电路第二十页，共三十一页，编辑于2023年，星期五微地址形成电路第二十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期五微指令译码电路第二十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期五MS24—MS16对应于微指令的第24—16位，S3S2S1S0MCn为运算器的方式控制，WE为外部器件的读写信号，‘1’表示写，‘0’表示读；控制总线上的WR为外部读写控制电路的输出，其控制电路为第二十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期五1A、1B用于选通外部器件，通常接至底板IO控制电路的1A1B端，四个输出Y0Y1Y2Y3接外部器件的片选端。（注：Y3被系统占用，用于输入中断，Y0Y1Y2能被用户使用）。I/O控制电路由一片74LS139构成，用于为外部器件提供选通信号。其原理和逻辑关系如下图所示：I/O控制电路第二十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期五输

入输

出1A1BY0Y1Y2Y3000111101011011101111110第二十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期五Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三个字段的编码方案F1字段F2字段F3字段151413选择121110选择987选择000LRi000RAG000P1001LOAD001ALU-G001AR010LDR2010RCG010P3011自定义011自定义011自定义100LDR1100RBG100P2101LAR101PC-G101LPC110LDIR110299-G110P4111无操作111无操作111无操作LRi为寄存器堆的写控制，它与指令寄存器的第0位和第1位共同决定对哪个寄存器进行写操作LOAD为程序计数器的置数控制LDR1、LDR2为运算器的两个锁存控制LAR为地址寄存器的锁存控制LDIR为指令寄存器的锁存控制F1字段6个输出信号均为高电平有效RAG、RBG、RCG分别为寄存器Ax、Bx、Cx的输出控制ALU-G为运算器的输出控制PC-G为程序计数器的输出控制299-G为移位寄存器的输出控制F2字段6个输出信号均为低电平有效P1、P2、P3、P4位测试字，其功能是对机器指令进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支和循环运行AR为运算器的进位输出控制LPC为程序计数器的时钟控制F3字段6个输出信号均为高电平有效第二十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期五指令译码器电路第二十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期五设计三个控制操作微程序：存储器读操作（MRD）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。存储器写操作（MWE）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。启动程序（RUN）：拨动开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。 注：CA1、CA2由控制总线的E4、E5给出。键盘操作方式时由监控程序直接对E4、E5赋值，无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2，由开关来控制。

第二十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期五微程序流程图以CA1、CA2为测试条件13控制开关P4测试PC→AR，PC＋1(D_INPUT)→D_BUS→LT1LT1→RAM00MWE（10）1474PC→AR，PC＋1RAM→D_BUS→LT1LT1→LED10