计算机组成原理课程设计――基本模型机

1、课课程程设设计计说说明明书书题目： 1、 基本模型机设计与实现 2、 扩展 8255 并行口设计 院 系： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010 年 月 日课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 硬件硬件教研室教研室学学 号号 *学生姓名学生姓名*专业（班级）专业（班级）计算机 07 级 3 班设设计计题题目目基本模型机（算术运算，包括 IN,OUT,STA,加 ADD,减 SUB,循环左移 RLC 六条指令）设设计计技技术术参参数数微指令，程序，微程序控制器设设计计要要求求设计机器指令和微指令，将机器指令和微指令编写成规定格式的

2、十六进制文件，然后下载到实验箱上模拟验证。工工作作量量1、画出流程图,编写微指令代码和程序2、课程设计说明书 1000 字工工作作计计划划第 13 周 学习微程序控制器第 14 周 画出流程图,设计微指令，将机器指令和微指令编写成规定格式的十六进制文件第 15 周 连线,在实验箱上运行参参考考资资料料计算机组成原理 第三版（网络版） 白中英主编计算机组成原理实验指导书指导教师签字指导教师签字教研室主任签字教研室主任签字 20092009 年年 9 9 月月 2828 日日 课程设计（论文）成绩评定表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日摘要摘要随着社会科技的发展，计算机被应用到各行各业，

3、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

4、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 ZY15CompSys12BB 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：关键词：微指令，机器指令，READ，WRITE, RUN，ZY15CompSys12BB目录目录摘要摘要 .IIIIII1设计背景 .1 12设计目标 .1 13概要设计 .2 231 设计目的.232 设计仪器.233 设计

5、内容.24详细设计 .8 841 系统需求分析.842 系统目标.843 功能分析.844 详细步骤.85总结 .1212参考文献（资料） .13131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

6、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。2设计目标在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，将第一部分中的各单元组成系统，构造一台基本模型计算机。本次课程设计主要是为其定义六条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。用微程序控制器实现以下指令功能，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，自拟编写加 ADD,减 S

7、UB,循环左移 RLC 的应用程序。全部微指令设计完毕后，编写二进制代码，即使每条指令代码化。连接线路在ZY15CompSys12BB 计算机组成原理教学实验箱上运行，并显示输出实验结果。3概要设计31 设计目的1. 在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台稍微复杂的模型计算机；2. 为其定义六条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念32 设计仪器 TDXCM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干；PC 机一台。33 设计内容部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，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

8、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个微程序。 本实验采用六条机器指令：IN,OUT,STA,加 ADD,减 SUB,循环左移 RLC 其指格式如下：地址 内容 助记符 说明 00 00 IN ；输入开关数据R0，采集数据01 10 ADD0AH ；R0+0AHR002 0A ；地址03 20 STA0BH ； R00BH04 0B ；地址05 30 OUT0BH ；0BH BUS,输出显示06 0B ；地址07 40 SUB0AH ；R0-0AH R008 0A ；地址0

9、9 50 RLC0A 010B为了向 RAM 中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动程序执行,还必须设计三个控制台操作微程序.存储器读操作:拨动总清开关 CLR 后,控制台开关 SWB,SWA 为”0 0”时,按 START微动开关,可对 RAM 连续手动读操作.存储器写操作:拨动总清开关 CLR 后,控制台开关 SWB SWA 置为”0 1”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“1 1”时,按 START微动开关,既可转入到第 01 号“取址”微指令,启动程序运行.上述三条控制台指令用两个开关 S

10、WB SWA 的状态来设置,其定义如下表 3-1 读写变化SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）根据以上要素设计数据通路框图,如图 3-2：图 3-1 数据通路框图微代码定义如表 1-2 所示：表 3-2 微代码的定义微程序2423222120-19181716151413控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0表 3-3 A，B，P 字段内容A 字段 B 字段 P 字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000.000000001LDRI001RS_G0

11、01P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为 P1 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 P1 测试结果出现多路分支。本次课程设计用指令寄存器的前 4 位（I7-I4）作为测试条件，出现 6 路分支，占用 6 个固定微地址单元。控制台操作为 P4 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，剩下的其他地方就可以一条微

12、指令占用控存一个微地址单元随意填写。PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-IRP1SW-R0R0-299PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR2R0-DR1DR1+DR2-R0DR1-LEDRAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-ARR0-BUSBUS-RAMRAM-BUSBUS-DR1RAM-BUSBUS-DR2DR1-LEDDR1-LEDDR1-LEDR0-DR1DR1-DR2-R0R0-DR1带进位循环右移299-G-R0R0-DR1当全部微程序设计完毕之后，应将每条微指令代码化： 运行： 0

13、1 02 10 IN ADD STA OUT SUB RLC 10 11 12 13 14 1501 03 07 16 31 35 04 26 17 32 36 05 01 25 33 37 06 34 25 01 37 01 01 25 01PCARPC+1DR1RAMRAMBUSBUSDR1RAMBUSBUSDR1PCARPC+1P4DR1RAM 控制台 00 20 WRITE（01） READ(00) RUN(11) 21 20 23 24 22 01 30 27 图 3-1 微程序流程图表 3-4 二进制微代码表微地址S3CNRDM17 M16ABPuA5uA0000 0 0 0 0

14、001 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 000 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 000 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 101 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0

15、 000 11 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 0100 0 0 0 0 000 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 001 11 1 01 1 01 1 00 1 1 0 0 1150 0 1 1 0 001 10 0 00 0 10 0 00 1 1 1 0 1160 0 0 0

16、0 000 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 000 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 001 1 1 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 001 11 101 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 000 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 001 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 000 00 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250 0 0 0

17、 0 111 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 010 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 111 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 110 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1310 0 0 0 0 000 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0320 0 0 0 0 000 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1330 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0340 1 1

18、0 0 001 10 0 11 0 10 0 00 1 1 1 1 1350 0 0 1 1 001 10 0 01 0 00 0 00 1 1 1 1 0360 0 0 0 0 001 10 0 11 0 00 0 00 1 1 1 1 1370 0 0 0 0 001 10 1 00 0 10 0 00 1 0 1 0 1下面介绍指令寄存器（IR）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把他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

19、便识别所要求的操作。 “指令译码器：” （实验板上标有“INS DECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部 I/O 设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUT DEVICE） ；另一种是数码块，它作为输出设备（OUT DEVICE） 。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上，当写信号（W/E）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。4详细设计41 系统需求分析一台计算机所能执行的各种指令集合称为指令系统或指令集。一

20、台特定的计算机只能执行自己指令系统中的指令。因此，指令系统就是计算机的机器语言。指令系统表征着计算机的基本功能和使用属性，它是计算机系统设计中的核心问题。指令系统的设计主要括指令功能、操作类型的设计，寻址方式和指令格式的设计。 计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系，指令系统反映了计算机的主要属性，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。指令是计算机执行某种操作的命令，而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。 42 系统目标在基本模型机的基础上改进并实现 IN,OUT,S

21、TA,加 ADD,减 SUB,循环左移 RLC 六条指令。43 功能分析该系统实现的功能是对输入的数据可以和内存中的数据进行连续的加、减及循环左移运算，并对其结果进行存储，显示等功能，从而得到一个简易的复杂模型机所实现的功能。44 详细步骤(1)按图 4-1 连接实验线路。 B7 BUS UNIT | | | B0W/R UNIT T4 T3 T2 T1 WE TS4 TS3 TS2 TS1 STATE UNIT H24 SIGNAL UNITB7 S3 | | |AUJ3 | | |B0 CN LDDR1 LDDR2 ALU-BALU UNIT B7 LDR0 | | RO-B | B0 R

22、EG UNIT B7 LDAR | LOAD | | PC-B B0 LDPC ADDRESS UNIT M24 | M18 | SE6 | | M19 | | SE1 LDDR1 LDDR2 P(1) P(4) ALU-B LDIP LDR1 RS-B LDAR LOAD PC-B M16 LDPC M17 MICRO-CONTROLLER SWB SWA SE6 | | | SE1 I7 | P(1) | P(4) | LOG UNIT I2 SWITCH UNIT SWB SWA I7 | | | I2 INT UNIT LDIR INPUT DEVICE D7 | | | D0 SW-

23、B A8 A9 Y0 EX UNIT Y1 D7 | | Y2 | D0 D7 LED-B | | | W/R D0 OUTPUT DEVICE A7 | | | A0 W/R D7 | | | D0 MAIN MEM CEAD7 D7 | | | | | |AD0 D0W/R EXT BUS B7 BUS UNIT | | | B0W/R UNIT T4 T3 T2 T1 WE TS4 TS3 TS2 TS1 STATE UNIT H24 SIGNAL UNITB7 S3 | | |AUJ3 | | |B0 CN LDDR1 LDDR2 ALU-BALU UNIT B7 LDR0 | | R

24、O-B | B0 REG UNIT B7 LDAR | LOAD | | PC-B B0 LDPC ADDRESS UNIT M24 | M18 | SE6 | | M19 | | SE1 LDDR1 LDDR2 P(1) P(4) ALU-B LDIP LDR1 RS-B LDAR LOAD PC-B M16 LDPC M17 MICRO-CONTROLLER SWB SWA SE6 | | | SE1 I7 | P(1) | P(4) | LOG UNIT I2 SWITCH UNIT SWB SWA I7 | | | I2 INT UNIT LDIR INPUT DEVICE D7 |

25、| | D0 SW-B A8 A9 Y0 EX UNIT Y1 D7 | | Y2 | D0 D7 LED-B | | | W/R D0 OUTPUT DEVICE A7 | | | A0 W/R D7 | | | D0 MAIN MEM CEAD7 D7 | | | | | |AD0 D0W/R EXT BUS4-1 实验线路图(2)写程序联机读/写程序按照规定格式，将机器指令及表 52 微指令二进制表成十六进制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代码微 将表 52 中的 24 位微代码按从左到右分成 3 个 8 位，将此三个 8 位二进制代码化为相应的十六进制数即可。程 序$P0000$P

26、0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P080A$P0950$P0A01微程序$M$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E016$M$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED99$M0D31821D$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M$M$M15070A01$M$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A21

27、C$M1C619A1F$M1D19881E$M1E01981F$M1F01A215 (3)运行程序.单步运行程序A 使编程开关处于”RUN的状态,STEP 为”STEP” 状态,STOP 为”RUN”状态B 拨动总清处于 CLR (0_1),微地址清零,程序计数器清零,程序首址为 00H.C 单步运行一条微指令,每按动一次 START 键,即单步运行一条指令,对照微程序流程图,观察微地址显示是否和流程一致.D 当运行结束后.可检查存数单元中的结果是否和理论植一致. 连续运行程序A 使”START UNIT” 中的 STEP 开关置为”ECEX”状态.STOP 开关置为”RUN”状态. B 拨动 CLR 开关,清微地址及程序计数器,然后按动 START,系统连续运行程序,稍后将”STOP”拨至”STOP”时