计算机组成原理课设报告

沈阳工程学院计算机组成原理课程设计设计题目：基本模型机的设计与实现（第六组）系别班级学生姓名学号指导教师职称起止日期：2012年6月25日起——至2012年6月29日止

沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目：系别班级学生姓名学号指导教师职称课程设计进行地点：任务下达时间：2012年6月6日起止日期：2012年6月25日起——至2012年6月29日止教研室主任2012年6月4日批准一、课程设计的性质和任务《计算机组成原理课程设计》是实践性教学环节之一，是《计算机组成原理》课程的辅助教学过程，是计算机科学与技术专业的必修课。通过课程设计，结合实际的操作和设计，巩固课堂教学内容，使学生掌握单处理器计算机系统中微程序控制体系结构的工作原理和技术、各部件相互连接方式，将理论与实际相结合，对有关计算机硬件系统中的实际问题进行分析、简单设计，并在此基础上强化学生的实践意识、提高其实际动手能力和创新能力，从而为后续课程的学习以及将来的实际工作打好基础。二、课程设计的原始资料及依据查阅有关计算机组成原理的教材、实验指导书等资料，进一步熟悉微程序控制器原理，微指令的设计方法。在掌握运算器、存储器、微程序控制器等部件的单元电路实验的基础上，进一步将各部件组成系统，构造一台基本模型计算机。为给定的机器指令编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。三、课程设计的主要内容及要求1．认真阅读课程设计任务书和指导书，做好预习。掌握设计题目所要求的机器指令的操作功能。除4条必做指令外，每组另外设计1条机器指令。2条选做指令，供有能力的学生完成。全部机器指令如下：要求机器指令助记符操作功能说明必做IN“DATAUNIT”中的开关状态→R0必做ADD[addr]R0+[addr]→[addr]必做OR[addr]R0OR[addr]->R0必做JMPaddraddr→PC第1组NOT[addr],3第2组INC[addr],2[addr]+2[addr]第3组AO[addr],6[addr]OR6→R0第4组NRA[addr]第5组ROA[addr]第6组NOR[addr]第7组DEC[addr][addr]-1->R0第8组OAD[addr]第9组XOR[addr1],[addr2][addr1]XOR[addr2]R0第10组SUA[addr]R0-[addr]→[addr]选做SEC[addr]R0-[addr]-1→R0选做OUT[addr][addr]→BUS2．为所要设计的机器指令设计操作码和操作数，并安排其在RAM（6116芯片）中的地址，形成“机器指令表”。3．分析并理解数据通路图。根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图，并为其中的每条微指令分配地址。4．根据微指令格式编写每条微指令的二进制代码，形成“二进制微指令代码表”。5．全部微程序设计完毕后，按照课程设计指导书中给出的电路接线图连接线路。6．按照“实验四微程序控制实验”使用过的方法，将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中，校验正确后进行下一步。7．执行控制台操作微指令，进行机器指令程序的写入和检查。8．调试运行程序，检查结果是否和理论值一致。9．记录出现故障的现象，并对故障进行分析，找出排除故障的方法。10．独立思考，认真设计，完成题目要求的机器指令的操作功能，微程序运行稳定。。11．遵守课程设计时间安排。认真书写课程设计说明书，排版样式规范，避免相互抄袭。四、对课程设计说明书撰写内容、格式、字数的要求1．课程设计说明书是体现和总结课程设计成果的载体，主要内容包括：设计题目、设计目的、设备器材、设计原理、设计内容、设计步骤、实现方法及关键技术、遇到的问题及解决方法、设计总结等。一般不应少于3000字。2．在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、电路接线图、微指令代码表等图表进行说明。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。3．设计总结部分主要写本人设计期间所做工作简介、得到了哪些设计成果、以及自己的设计体会，包括通过课程设计有何收获，程序有哪些不足之处，哪里遇到了困难，解决的办法，以及今后的目标。4．课程设计说明书手写或打印均可，具体要求如下：手写时要用统一的课程设计用纸格式，用黑或蓝黑墨水工整书写；打印时采用A4纸，页边距均为20mm，目录、各章标题(如:2设计原理及内容)和设计总结等部分的标题用小三号黑体，上下各空1行，居中书写；一级节标题(如:2.1设计原理)采用黑体四号字，二级节标题(如:2.1.1数据通路)采用黑体小四号字，左对齐书写。正文采用宋体小四号字，行间距18磅，每个自然段首行缩进2个字。图和表的要有编号和标题，如：图2.1数据通路图；表1.1机器指令表。图题与表题采用宋体五号字。表格内和插图中的文字一般用宋体五号字，在保证清楚的前提下也可用更小号的字体。英文字体和数字采用TimeNewRoman字体，与中文混排的英文字号应与周围的汉字大小一致。页码用五号字，在每页底端居中放置。5．课程设计说明书装订顺序为：封面、任务书、成绩评定表、设计小组任务分配及自评、目录、正文、参考文献、设计总结。在左侧用订书钉装订，不要使用塑料夹。6．设计小组任务分配及自评处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员，并由设计组组长给出评语。包括该同学主要完成了哪些任务，课程设计期间的表现和态度如何，组长自己的评语由小组其他成员集体讨论后写出。五、时间进度安排顺序阶段日期计划完成内容备注1第1天（6月25日）阅读资料、系统分析设计2第2天（6月26日）系统分析设计、微程序编制3第3-4天（6月27-28日）微程序输入、调试及运行4第5天（6月29日）基本模型机运行验收、答辩5第6-7天（6月30-7月1日）撰写课程设计说明书六、主要参考资料（文献）[1]王健、王德君.计算机组成原理实验指导书.沈阳工程学院,2009[2]白中英.计算机组成原理(第4版).北京:科学出版社,2008[3]蒋本珊.计算机组成原理.北京:清华大学出版社,2005[4]唐朔飞.计算机组成原理(第2版).北京:高等教育出版社,2009沈阳工程学院计算机组成原理课程设计成绩评定表系（部）：班级：学生姓名：指导教师评审意见评价内容具体要求权重评分加权分工作态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况良好。0.15432工作能力认真阅读课程设计指导书及其他参考书籍，理解设计原理；能设计机器指令，独立绘制指令周期流程图，为微指令编码；线路连接正确，遇到问题能够深入分析并解决。0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计指导教师签名：年月日评阅教师评审意见评价内容具体要求权重评分加权分查阅资料查阅资料较广泛，有综合归纳资料的能力。0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以4）分加权分合计评阅教师签名：年月日答辩小组评审意见评价内容具体要求权重评分加权分学生汇报操作演示汇报准备充分，语言表达准确，概念清楚，描述正确；操作熟练、微程序运行正常；基本上反映了所完成任务的全部内容。0.55432答辩思路清晰；回答问题有理论依据，基本概念清楚；主要问题回答正确并迅速，有说服力。0.55432答辩小组评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计答辩小组教师签名：年月日课程设计总评成绩分计算机组成原理课程设计信安本101班第(六)设计小组任务分配及自评全体成员任务学号：姓名：学号：姓名：学号：姓名：分配微地址√√√控制台操作编码√实验电路连接√√IN指令√ADD指令√OR指令√JMP指令√新指令【NOR】√SEC指令（选做）OUT指令（选做）√总体调试、运行√√√解决关键技术问题√相关文档收集、书写、整理√√工作量排序36%32%32%设计小组自评吕齐：能够积极带动组员积极性，加强合作。带领本组提前、成功的完成了对所有任务设计与实现，细心为组员讲解、探讨并将选做内容也一并全部实现伍雪强：主要负责IN指令及ADD指令。在编写指令时积极负责，遇到不懂的问题时主动向其他组员请教，态度积极，并积极与组长进行微指令检查的工作。李爱飞：负责OR及JMP的设计及操作，并完成实验线路的连接，设计中积极主动，认真学习，态度积极。认真完成了自己的负责的内容并积极配合组长，共同探讨遇到的各种难点。沈阳工程学院课程设计报告目录PAGEI目录第一章设计概述 11.1设计题目 11.2设计目的 11.3设备器材 1第二章设计原理及内容 22.1设计基本原理 22.2需执行的机器指令 22.3数据通路图 32.4微指令格式 42.5微程序地址的转移 42.6机器指令的写入、读出和执行 5第三章设计步骤 73.1编写机器指令 73.2绘制微程序流程图 73.3绘制微指令 83.4连接实验线路 83.5写指令 93.5.1写微指令 93.5.2写机器指令 93.6运行程序 103.6.1单步运行程序 103.6.2连续运行程序 10第四章遇到的问题及解决方法 11设计总结 12沈阳工程学院课程设计报告第一章设计概述PAGE9第一章设计概述1.1设计题目认真阅读资料，掌握给定的机器指令的操作功能。分析并理解数据通路图。根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序，形成“二进制微指令代码表”。全部微程序设计完毕后，将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。进行机器指令程序的装入和检查。运行程序，检查结果是否和理论值一致。独立做出IN、ADD、OR、JMP、NOR和OUT指令。记录出现故障的现象，并对故障进行分析，说明排除故障的思路及故障性质。1.2设计目的1.掌握机器指令与微程序的对应关系。2.掌握机器指令的执行流程。3.掌握机器指令的微程序的编制、写入。4.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将组成系统，构成一台基本模型计算机。5.为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。1.3设备器材TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。沈阳工程学院课程设计报告第二章设计原理及内容第二章设计原理及内容2.1设计基本原理部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，如运算器实验中对74LS－181芯片的控制，存储器实验中对存储器芯片的控制信号，以及几个实验中对输入设备的控制。而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，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段微程序。本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关(DATAUNIT)，它作为输入设备；另一种是发光二极管(BUSUNIT上的一组发光二极管)，它作为输出设备。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线BUS上，驱动发光二极管显示。2.2需执行的机器指令本次设计采用五条机器指令；IN(输入)、ADD（加）、OR(或)、OUT(输出)、NOT(加3取反)、JMP(无条件转移)，其指令格式如表2-1所示。表2-1机器指令格式表助记符机器指令码说明IN00000000“DATAUNIT”中的开关状态→R0ADD[addr]00010000XXXXXXXXR0+[addr]→[addr]OR[addr]00100000XXXXXXXXR0OR[addr]->R0NOR[addr]00110000XXXXXXXXOUT[addr]01000000XXXXXXXX[addr]→BUSJMPaddr01010000XXXXXXXXaddr→PC其中机器指令码的最高8位为操作码。IN为单字长(8位)，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。2.3数据通路图实验系统的数据通路图，如图2.1所示。图2.1数据通路图注意：⒈片选信号CE=0为有效电平，CE=1为无效电平。⒉WE=1为写入，WE=0为读出。⒊LOAD和LDPC同时为“1”时，可将总线上的数据装入到PC中；LDPC为“1”，同时LOAD为“0”时，将PC中内容加1。⒋M=0为算术运算，M=1为逻辑运算。⒌CN=0表示运算开始时低位有进位，否则低位无进位。图2.1中包括运算器、存储器、微控器、输入设备、输出设备以及寄存器。这些部件的动作控制信号都有微控器根据微指令产生。需要特别说明的是由机器指令构成的程序存放在存储器中，而每条机器指令对应的微程序存储在微控器中的存储器中。2.4微指令格式微指令字长共24位，其控制位顺序如图2.2所示。图2.2微指令格式图其中UA5～UA0为下一条微指令微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多种不同控制信号。A字段中的LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。C字段中的P(1)～P(4)是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，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、循环运行，其原理如图2.3所示。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。注意：根据后面的实验接线图，A字段的LDRi与数据通路图中的LDR0为同一个信号。B字段的RS-B与数据通路图中的R0-B为同一个信号。2.5微程序地址的转移本实验系统的指令寄存器(IR)用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把该指令从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试[P(1)]，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”(实验板上标有“INSDECODE”的芯片)根据指令中的操作码译码后的结果，将微控器单元的微地址修改为下一条微指令的地址。地址修改要依靠实验系统的微程序地址转移电路来完成，该电路如图2.3所示。图2.3微程序地址转移电路注意：⒈FC：进位标志⒉FZ：0标志⒊SWA、SWB存储器读写控制标志⒋P（1）～P（4）：微指令C字段译码输出结果⒌I2～I7：机器指令第2位～第7位。2.6机器指令的写入、读出和执行为了向RAM中装入机器指令程序和数据，检查写入是否正确，并能启动机器指令程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作(KRD)：拨动总清开关CLR（使CLR从1→0→1）后，控制台开关SWB、SWA置为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作(KWE)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。启动程序：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第25号“取指”微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如表2-3所示。表2-3控制台指令SWBSWA控制台指令00读内存(KRD)01写内存(KWE)ll启动程序(RP)三个控制台操作微程序的流程如图2.4所示。图2.4控制台操作微程序流程图控制台操作为P(4)测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，余下的微指令可以存放在控制存储器的其他任意单元中。当设计“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前6位(IR7—IR2)作为测试条件，出5路分支，占用5个固定微地址单元。沈阳工程学院课程设计报告第三章设计步骤第三章设计步骤3.1编写机器指令设计各条机器指令代码及数据，并为指令和数据分配存储地址。本次设计机器指令程序如表3-1所示。表3-1本次设计机器指令程序地址内容助记符说明0100000000000000IN“DATAUNIT”中的开关状态→R00100000100010000ADD[4BH]R0+[4BH]→[4BH]01000010010010110100001100100000OR[4CH]R0or[4CH]→R001000100010011000100010100110000NOR[4DH]R0or[4DH]→R001000110010011010100011101000000OUT[4DH]→BUS01001000010011010100100101010000JMP[40H][40H]→PC01001010010000000100101100110001内容自定义0100110000110010内容自定义0100110100110011内容自定义3.2绘制微程序流程图根据每条机器指令的功能，为每条机器指令画出微程序流程图，并为其中的每条微指令分配地址。总体微程序流程图如图3.1所示。图3.1总体微程序流程图3.3绘制微指令 根据控制位顺序图，可绘制下列微指令表3-2。表3-2微指令表地址S3~S0MCnWECELDPCABCuA5~uA0KRD000000000000011101110100010000010000000000011110111000010010010010000000000000000000010000KWE010001000000011110111000010100010100000000100000110000010001RP010011000000011110111000010101010101000000000100000001011000000101100101100000101000010011NOR011011000000011110111000100001100001000000000110000000100010100010000000000011000000100011100011000000000010000000100100100100000110010001101000010011OUT0111000000000111101110001010011010010000000001100000001010101010100000000000000000000100113.4连接实验线路按图3.2连接实验线路，仔细查线路无误后接通电源。图3.2实验接线图3.5写指令3.5.1写微指令⑴将编程开关置为PROM(编程)状态。⑵将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。⑶用二进制模拟开关UA0～UA5置微地址MA0～MA5。⑷在MK23～MK0开关上置微指令代码，24位开关对应24位显示灯，开关置为“0”时灯亮，开关置为“l”时灯灭。⑸启动时序电路(按动启动按钮“START”)，即将微代码写入到E2PROM2816的相应地址对应的单元中。⑹重复⑶～⑸步骤，将表3-2中的微代码写入E2PROM2816。写完微指令后须进行校验。将编程开关设置为READ(校验)状态。将实验板的“STEP”开关置为“STEP”状态。“STOP”开关置为“RUN”状态。用二进制模拟开关UA0～UA5置好微地址MA0～MA5。按动“START”键，启动时序电路，读出微代码。观察显示灯MD23～MD0的状态(灯亮为“0”，灭为“1”)，检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新写入微指令即可。3.5.2写机器指令使用图2.4所示的控制台KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。⑴使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。⑵拨动总清开关CLR(1→0→1)，微地址寄存器清零。此时用“DATAUNIT”单元的8位二进制开关给出要写入RAM区的首地址，控制台SWB、SWA开关置为“01”，按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010001”，再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动一次START键，即完成该条指令的写入。若仔细阅读KWE的流程，就不难发现，机器指令的首地址只要第一次给入即可，PC会自动加1，所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“010100'’时，才设置内容，直到所有机器指令写完。写完机器指令后须进行校验。拨动总清开关CLR(1→0→1)后，微地址清零。此时用“DATAUNIT'’单元的8位二进制开关置要读的RAM区的首地址，控制台开关SWB、SWA为“00”，按动启动START，微地址灯将显示“010000"，再按START，微地址灯显示为“010010"，第三次按START，微地址灯显示为“010000”，此时总线单元的显示灯显示为该首地址的内容。不断按动START，可检查后续单元内容，注意：每次仅在微地址灯显示为“010000”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。3.6运行程序3.6.1单步运行程序⑴使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。⑵拨动总清开关CLR(1→0→1)，微地址清零。⑶将“DATAUNIT”的8位数据开关(D7～D0)设置为机器指令首地址。⑷按动START启动键，单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。⑸当运行结束后，可检查存数单元中的结果是否和理论值一致。3.6.2连续运行程序⑴使“STATEUNIT”中的STEP开关置为“EXEC”状态。STOP开关置为“RUN”状态。⑵将“DATAUNIT”的8位二进制开关设置为机器指令程序首地址，然后按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。⑶停机后，可检查存数单元结果是否正确。沈阳工程学院课程设计报告第四章遇到的问题及解决方法第四章遇到的问题及解决方法在此次计算机组成原理课程设计中我们小组遇到了不少问题。在设计机器指令代码时，由于对每条指令的操作数部分理解的不是很全面和到位，导致一些诸如求或操作的结果无法正确保存进纸面上指定的地址。在经过对机器指令代码仔细