计算机组成原理一台模型计算机的设计

计算机构成原理课程设计……一台模型计算机的设计

一、教学目的、任务与实验设备

1.教学目的

(1)融会贯穿本课程各章节的内容，通过知识的综合运用,加深对

计算机系统各模块的工作原理及互相联系的结识，加深计算机工作中

“时间一空间”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念。

(2)学习设计和调试计算机的基本环节和措施，提高使用软件

仿真工具和集成电路的基本技能。

(3)培养科学研究的独立工作能力，获得工程设计与组装调试的实

践和经验。

2.设计与调试任务

(1)按给定的数据格式和指令系统，在所提供的器件范畴内，设

计一台微程序控制的模型计算机。

⑵根据设计图纸，在MAX+PLUS平台上进行仿真，并下载到

EL教学实验箱上进行调试成功。

(3)在调试成功日勺基础上，整顿出设计图纸和其他文献。涉及：

①总框图(数据通路图);②微程序控制器逻辑图；②微程序流程图；

④微程序代码表;⑤元件排列图(或VHD程序清单)；⑥设计阐明书;

⑦调试小结。

2.实验设备

⑴PC机一台

(2)EL教学实验箱

(3)MAX+PLUSII配套软件

二、数据格式和指令系统

本模型机是一种8位定点二进制计算机，具有四个通用寄存器:R

o〜R&能执行11条指令，主存容量为256KBo

L数据格式

数据按规定采用定点补码表达法,字长为8位，其中最高位(第7

位)为符号位，小数点位置定在符号位背面,其格式如下：

76543210

符号尾数

数值相对于十进制数的表达范畴为：

—2-7

2.指令格式及功能

由于本模型机机器字只有8位二进制长度，故使用单字长指令和双

字长指令。

(1)LDRRi,D

格式743210

0000Ri不用

D

功能：

Ri-M(D)

(2)STRRi,D

格式743210

000Ri不用

i

D

功能:

M(D)=(Ri)

(3)ADDRi,R

格式743210

0010RiPJ

功能:

Ri+(Ri)+(Rj)

(4)SUBRi,Rj

格式74321

0

0011RiRj

功能:

Ri—(Ri)_(Ri)

(5)ANDRi,R

格式74c210

010RiRj

0

功能:

Ri—(Ri)A(Rj)

(6)ORRi,Rj

格式743210

0101RiRj

功能:

(10)OUTRizMj

格式743210

100RiMj

0

当M尸10时，选中实验箱的显示灯。功能：

(Mj)-R)

(11)HALT(停机指令)

格式743210

100不用不用

0

功能：

用于实现停机。

三、总体设计

总体设计的重要任务是

(1)选定CPU中所使用的产要器件；

(2)根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计指令流的数据

通路；

(3)根据指令系统、选用日勺器件和设计指标，设计数据流的数

据通路。

计算机的工作过程,实质上是不同的数据流在控制信号作用下在

限定的数据通路中进行传送。数据通路不同，指令所通过的操作过程

也不同,机器的构造也就不一样，因此数据通路的设计是至关重要的。

所谓数据通路的设计，也就是拟定机器各逻辑部件相对位置的总框

图。

数据远路的设计，目前还没有非常原则的措施。重要是根据设计

者的经验，并参照既有机器的三种典型形式(单总线、双总线或三总

线构造)，根据指令系统的规定，可采用试探措施来完毕。其重要环节

如下：

(1)对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周

期与操作序列，以便决定各器件的类型和数量。

(2)构成一种总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，

即初步拟定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，

并满足技术指标的规定。

(3)检查所有指令周期的操作序列，拟定所需要的控制点和控

制信号。

(4)检查所设计的数据通路，尽量减少成本，简化线路。

以上过程可以反复进行，以便得到一种较好的方案。

图1给出了一种没有考虑乘法除法指令操作的总框图参照方案，

注意，在此方案拟定之后，应当检查所选用的各个器件与否满足数据

通路的规定。事实上，数据通路的设计与器件的选择应同步进行而不

能分离地工作。另一方面，接入总线的器件都要有三态输出,以便与

总线连接。止匕外，在信息传送过程中应当注意器件原码和反码输出时

配合关系。

图1所示的方案采用单总线构造，使用的许多器件都是三态输出,

这种方案便于总线B勺连接和扩展，但缺陷是指令和数据的传送都要通

过总线，因此对总线日勺使用权就要分派得当。此外，执行算术逻辑指

令时，先将第一种操作数由通用寄存器Ri送至缓冲寄存器DR】，然

后再由通用寄存器号取第二个操作数送至缓冲寄存器DR2,之后送

往ALU进行运算。显然，执行一条算术逻辑指令的时间相应要长某些。

图1模型机数据通路框图

四、微程序控制器

数据通路框图一旦拟定，指令流与数据流的通路也就随之最后拟

定，因而运算器和控制器的大部分构造也就拟定下来了。

图1中各功能器件上还标注了控制点及其控制信号.这些控制信

号就是微程序控制器进行设计的根据。

1.微指令格式

微指令格式建议采用水平型微指令，微命令编码采用直接表达法

和分段直接译码法相结合的混合表达法,以缩短微指令长度。后继地

址采用断定方式。微指令格式如下：

控制字段鉴别字段下址字段

同窗们应根据本模型的具体状况来拟定各字段的长度。

2.微程序控制器

根据微指令和微程序的长度，拟定控制存储器需选用几片

EPROM(2716)用位扩展方式构成。

3.微程序设计

将机器的所有指令系统采用微指令序列实现的过程，叫做微程序

设计。一条机器指令相应一种微程序,11条机器指令应当相应11个

微程序。

微指令格式拟定后，微程序的横向设计在于对的地选择数据通路,

纵向设计在于拟定后继微指令地址.事实上，微程序设计的核心在于

纵向设计,即如何拟定下一条微指令的地址。一般的做法是先拟定微

程序分支处的微地址，由于微程序分支处需要进行鉴别测试。这些微

地址拟定后来，就可以在一种“微地址表”中把相应日勺微地址单元填

进去，以免背面的设计中反复使用而未发现,以致导致设计错误。

五、输入输出

输入输出是人机联系的重要手段，输入可采用开关、键盘等方式，

输出可采用字符显示或打印输出等方式。考虑到成本与设备因素，本

模型机采用最简朴向二进制开关输入和发光二极管显示的措施，换句

话说，本模型机中只使用两种“外部设备”：一种是二进制代码开关,

它作为输入设备;另一种是发光二极管，它作为输出设备。

本设计为了节省器件，输入输出时可以不设立专门的数据缓冲寄

存器。例如输入时，二进制开关数据直接通过三态门送到总线上，只

要开关状态不变，输入的信息也就不变。输出时，将输出数据送到数

据总线BUS上，驱动发光二极管进行显示。

如果采用正规日勺输入输出措施，可采用相应日勺器件构成接口电

路。

六、组装与调试

1.元器件的布局与连接

由图1看出，数据通路一旦拟定之后，在调试过程中将会很少有

变化。因此从组装和调试的角度来看，模型机总框图可划分为如下三

个相对独立的功能模块：

(1)运算器、存储器和系统总线

(2)时序产生器

(3)微程序控制器

本模型机所使用的器件较多，布线的工作量相称大，但愿同窗们

认真、细致地工作。

元器件布局的一般原则是尽心能地按功能电路相对集中，这样做

的好处是各器件之间的连线较短，同步也便于组装和调试.

为了安装和调试检查以便，集成电路应当以相似方向排列。一般

总是把集成电路片的定位缺口向左，此时它的电源脚在左上角，接地

脚在右下角。这种排列有助于设立电源线与地线。规整日勺布线不仅对

调试维修带来以便,也可以保证线路可靠地工作，任何马马虎虎的接

线将会给调试带来难以想象的后果，因此在布线前必须对布线质量予

以高度注重。

2.分调试

按功能模块进行分调是实现总调的前提和基础，由于只有各功能

模块工作正常后，才干保证全机的对时运营。为此必须一步一种脚印、

精心做好分调试，切不可赶急图快，以免在未做好分调的状况下进入

总调，而最后又不得不返回头来重新分调。分调的重点放在时序产生

器和微程序控制器上。

3.总调

当各模块分调正常后，可将控制器发出的控制信号线接到相应时