计算机组成与结构课程设计

1、目录引 言- 1 -第1章 概述- 2 -第2章 实验计算机的研制- 3 -2.1 课程设计任务- 3 -2.2 课程设计内容- 3 -2.3 参考资料- 4 -2.4 课程设计的基本步骤- 4 -2.4.1 实验计算机的设计- 4 -2.4.2 设计整机逻辑框图- 5 -2.4.3 设计指令系统- 6 -2.5 确定微操作控制信号及其实现方法- 7 -2.5.1 运算器模块(ALU)- 7 -2.5.2寄存器堆模块（REG）- 7 -2.5.3 指令部件模块（1-PC）- 7 -2.5.4 内存模块(MEM)- 7 -2.5.5 总线缓冲模块(BUS)- 8 -2.5.6 启停和时序模块(R

2、-P)- 8 -2.5.7 微程序控制模块(MPG)- 8 -2.6 设计微指令格式- 10 -2.7 确定微程序控制方式- 12 -2.7.1 确定微程序入口地址形成方法- 12 -2.7.2 确定控存的顺序控制方法- 13 -2.8 编写各指令的微程序- 13 -2.9 设计实验接线表- 13 -2.10 编写调试程序- 14 -2.11 编写应用程序- 14 -第3章 实验计算机的组装- 15 -3.1 器件排列- 15 -3.2 信号连线- 15 -3.3 实验接线板安装- 15 -第4章 实验计算机的调试- 16 -4.1 调试准备- 16 -4.1.1测控制台复位功能- 16 -4

3、.1.2 测控制抬启动功能- 16 -4.1.3 输入微程序- 16 -4.1.4 输入程序- 16 -4.2 程序调试- 16 -结论与展望- 17 -致 谢- 18 -参考文献- 19 -引 言计算机是信息世界最重要的产物，因为有了计算机，使的整个世界各行各业都比未使用计算机时提高几个档次。21世纪是信息的时代，以计算机为核心的信息技术是21世纪科技发展的大趋势。计算机组成原理是计算机科学与工程技术所学专业的一门核心课程，它的特点是知识面广、内容多、难度大、更新快，在基础课与专业课之间起着承上启下的重要作用。因此，计算机组成原理的学习就显得犹为重要。学习的理论知识归根到底是为了用于实践。计

4、算机组成原理课程设计是将所学的计算机组成原理的理论知识运用于实践，使我们对书本上抽象空洞的理论知识知识更加了解，有一个新的认识。并能够提高动手设计实验计算机的能力，为我们以后的实践打下基础。本次课程设计利用FDCES实验仪提供的硬件资料（功能模块、控制台及外设等），按照设计、组装、调试等步骤研制一台微程序控制的实验计算机。FD-CES是一台多功能的计算机实验设备，它提供了构成计算机的基本功能模块和键盘、打印机两种外设，提供了智能化控制台供实验者代码化调试运行实验计算机，还提供了联接PC机调试运行实验计算机的软硬接口。由于实验计算机的研制中，硬件资料都已提供，并不需要再另行设计。因此，本次课程设

5、计最关键的设计是微程序的设计。根据软件工程的思想，做系统一定要有次序和对系统做总体把握。因此，本次实验计算机的研制仍然通过标准化的步骤进行设计。第1章 概述1.1 论述如今,计算机的应用无处不在，不论是科研单位和企业,大部分的事情都有计算机来完成.现在,计算机的普及率已经在超出人们想象的速度发展,个人电脑使用已经成为新的时尚.1.2 课题意义计算机科学与技术是一门实践性很强的学科，与科学实验在现实世界中的作用类似，实践环节在计算机科学技术中的作用十分明显。课程设计补充了课堂教学的不足，可对理论学习的结果进行认真分析和验证，增强学生在方法说上的技能，培养学生分析问题解决问题的能力。通过本次课程设

6、计知道计算机组成原理的现实运用，为以后工作打下基础。1.3 主要内容本课题解决的问题是研制一台性能有所要求的简单实验计算机。1.4 最终目的研制的计算机将内存某一单元内容(非零)扩大4倍后存入另一个单元(程序自编).第2章 实验计算机的研制2.1 课程设计任务利用 FDCES 实验仪提供的硬件资源（功能模块、控制台及外设等），按设计、组装、调试等步骤研制一台微程序控制的实验计算机。2.2 课程设计内容题四：研制一台性能如下的实验计算机。（1） 不使用外设。（2） 运算器采用多累加器结构。（3） 操作数寻址方式有：直接地址寻址立即数寻址寄存器直接寻址（4） 指令系统如下8条指令组成：表 2-1

7、指令系统指令编码指令助记符指令功能第一字节第二字节I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I00 0 0 Ai X AjADD Ai,Aj(Ai)+(Aj)-Ai0 0 1 Ai X AjMOV Ai,Aj(Aj)-Ai0 1 0 Ai X AjSL Ai,Aj(Aj)算术左移一位送Ai0 1 1 Ai X XXd7-d0MOV Ai,#dataData-Ai0 1 1 Ai 0 a9a8a7-a0LD Ai,addr(addr)-Ai1 1 0 X X 0 a9 a8a7-a0ST Ai,addr(Ai)-addr1 1 0 X X 0 a9 a8a7-a0JMP addraddr-PC1

8、 1 1 X X 0 a9 a8A7-a0JZ addr若 ZD=1 则 addr-pc,否则PC加1(5) 能执行将内存某一单元内容（非零）扩大4倍后存入另一个单元（程序自编）。2.3 参考资料计算机组成与结构实验指导书。2.4 课程设计的基本步骤整个课程设计的过程分为三个阶段：设计、组装、调试。2.4.1 实验计算机的设计确定设计总要求：（1） 本次实验不使用外设。（2） 运算器采用多累加器结构。（3） 能执行将内存某一单元内容（非零）扩大4倍后存入另一个单元（程序自编）。（4） 实验计算机指令系统规模：（5） 微操作控制信号的实现方法直接地址寻址立即数寻址寄存器直接寻址2.4.2 设计整

9、机逻辑框图 图 2-1 整机逻辑框图2.4.3 设计指令系统 表 2-2 指令格式设计表指令助记符指令功能节拍微操作控制信号ADD Ai,Aj(Ai)+(Ri)-AT0(PC)-PCO-IABB1-B1OAB A,B,CT,OT,MOV Ai,Aj(Ai)AjT1(Ai)IDBTMPALUAA,B,RR,CT,OT,Cn,M,S3,S2,S1,S0X0,X1,CAT2(A)BUFFERIDBAjOB,A,B,WRSL Ai,Aj(Aj)算术左移一位送AiT1(Ai)左环移一位X0,X1,SA,SB,CPT2(ACT)IDBODBAiB2,B3,WR,A,BMOV Ai,#dataAddr-AT

10、1(PC)-LAB-OAB(M)-ODB-IDB(PC)+1-PC1(A)-ACT Cn+4-CYSA,SB,CPLD Ai,addr(addr) AiT1(PC)IABOABPCO,B1(M)ODBIDBIR2RC,B2,B3,CL(PC)+1PCIP+1,CKT2IR2IABOABOI,BI(M)ODBIDBAiRC,B2,B3,WR,A,BST Ai,addr(addr)-addrT1(PC)IABOAB(M)ODBIDBIR2PCO,B1RC,B2,B3,CLJMP addraddrPCT1(PC)IABOABPCO,B1(M)ODBIDBIR2RC,B2,B3,CL(PC)+1PCI

11、P+1,CKT2IR2IABPCOI,LPJZ addr若ZD=1则addrPC否则PC加1T1(PC)IABOABPCO,B1(M)ODBIDBIR2RC,B2,B3,CL(PC)+1PCIP+1,CKT2(IR1,IR2)IABIAB条件成立PCOILP2.5 确定微操作控制信号及其实现方法2.5.1 运算器模块(ALU)ZC = M12*CP = m13*SA 接XO接M16SB接X1接M17P0接A0接SRP2接A7接SLCA接S3-S0接M23-M20Cn接M19M接M18CG接M11CC接OB接M8OT接M10CT接+5V 2.5.2寄存器堆模块（REG） WR=MO*RR接M1A

12、接IOB接I1 2.5.3 指令部件模块（1-PC） CL=M14*P+1接M6G1接M7CK接POCLR接+5VOI接M15 2.5.4 内存模块(MEM)RC=M2+WC=M3+ 2.5.5 总线缓冲模块(BUS) B1,B3接RFB2=RC+IAB*IAB10KA接IAB0PA接IAB1 2.5.6 启停和时序模块(R-P)DR接M5RCP接 2.5.7 微程序控制模块(MPG)MLD 接M4MP+1接+5VMIG接地MD10-M6接地MD5接I7MD4接I6MD3接I5MD2接I2MD1-MD0接+5V微操作信号的实现利用TTL实验板以及若干74系列TTL集成电路,可实施4.1中所列的

13、微操作信号,见下图所示:RR-M1A-I0B-I1B1-B3-BFDR-M5RCP-MLD-M4MP+1-+5VMCLR-R0MCLK-POMIG-GNDMD1-GNDMD9-GNDMD8-GNDMD7-GNDMD6-GNDMD5-17MD4-16MD3-15MD2-12MD1-+5VMD0-+5VP+1-M6GI-M7CI-CK-CLR-+5VOI-M15SA-X0SB-X1图 2-2 FD-CES实验仪调机板原理图(一)图2-3 FD-CES实验仪调机板原理图(二)2.6 设计微指令格式微指令长24位，若微指令采用全水平不编码控制场的格式，那么至多可有24个微操作控制信号可由微码直接实现。

14、如果采用分组编码译码，那么n位微码通过二进位可实现2n个互斥的微操作控制信号（即它们不可能在同一节拍内激活）。本阶段设计任务是决定双位长的微指令是否分段定义、各段段长；决定微指令各码位含义和有效性；对其中尚需用硬件作后继处理才能产生有效的RC信号（注：RC为读内存控制信号，负脉冲有效）。对于那些允许同时有效且有效性一致的微操作控制信号可以合用一个微码表示。如果实验计算机指令系统规模较小，功能也不太复杂，那么通常情况下推荐采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。下表描述的是本课题样机的微指令：表 2-3 微指令格式设计表指令助记符号位23 22 21 201918 17 1615 14 13 12

15、11 10 9 87 6 5 43 2 1 0信号S3 S2 S1 S0Cn M X1 X0OI CL CP SCG OT LP OBGI P+1 DR MLD WC RC RR WR有效电平* * * * * * *0 1 1 *0 0 0 00 1 0 00 0 0 1微地址0 0 0 00 0 0 01 0 0 00 1 1 10 1 1 01 0 1 0取消微指令000H0 0 0 00 0 0 01 0 0 00 1 1 10 1 1 01 0 1 0001002ADD Ai,Aj0030 0 0 00 0 0 01 0 0 00 1 1 11 0 1 11 1 0 00041 0

16、0 10 0 1 11 0 0 11 0 1 1 1 0 1 10 1 0 00050 0 0 00 0 0 01 0 0 01 1 1 01 0 1 01 1 1 1006MOV Ai,Aj0070 0 0 00 0 1 1 1 0 1 00 1 1 11 0 1 11 1 0 00080 0 0 00 0 0 01 0 1 11 1 1 01 0 1 01 1 1 10090 0 0 00 0 0 01 0 0 01 1 1 01 0 1 01 1 1 100ASL Ai,Aj00B0 0 0 00 0 0 01 0 0 00 1 1 11 0 1 11 1 0 000C 0 0 1 10

17、 0 1 11 0 0 11 0 1 11 0 1 11 1 0 000D0 0 0 00 0 0 01 0 0 01 1 1 01 0 1 01 1 1 100EMOV Ai,#data00F0 0 0 00 0 0 00 0 0 01 1 1 11 1 1 01 0 0 1010011012LD Ai,addr0130 0 0 00 0 0 01 1 1 01 1 1 11 1 1 11 0 1 00140 0 0 00 0 0 00 1 1 01 1 1 11 1 0 11 1 0 1015 016 ST Ai,addr0170 0 0 00 0 0 01 1 1 01 1 1 11 1

18、 1 1 1 0 1 00180 0 0 00 0 0 00 0 1 01 1 1 11 0 1 00 1 0 101901AJMP addr01B0 0 0 00 0 1 11 0 0 10 1 1 10 1 1 11 1 0 001C0 0 0 00 0 0 01 0 0 01 1 1 01 0 1 01 1 1 1 01D01EJZ addr01F0 0 0 00 0 1 11 0 0 10 1 1 10 1 1 11 1 0 00200 0 0 00 0 0 01 0 0 01 1 1 01 0 1 01 1 1 1 021 0222.7 确定微程序控制方式 这阶段设计任务包括设计各微

19、程序入口地址的形成方法和控存的顺序控制（即下地址形成）方法。2.7.1 确定微程序入口地址形成方法 比较简易的方法是以指令操作码（8位）为核心，扩展成11位的微程序地址即MD10MD0，这种方法称为“按操作码散转”。如果指令系统仅8条指令，IR1的I7.I6.I5为指令操作码，每条指令执行不超过4拍，即微程序可由多至4条微指令组成。表 2-4 按指令操作码散转表指令操作码I7I6I5微程序首址MD10MD000000101001110010111011100300700B00F01301701B01F2.7.2 确定控存的顺序控制方法控存的顺序控制方法即控存的下地址的确定方法。根据FD-CES

20、实验仪提供的微程序控制模块的组成原理，推荐采用记数增量方法。即每段微程序执行过程中MPC加1记数，指向下一条微指令地址。2.8 编写各指令的微程序根据指令流程和微指令的格式仔细地逐条填写微指令各码位。为减少填写错误，可先把本条微指令用到的微码（微操作控制信号）按预定的有效性填入，检查无误后，再对本条微指令用不到的微码（微操作控制信号）填入与预定的有效性相反的代码，核对无误后，最后将这双位微码缩写成6位十六进制微指令。2.9 设计实验接线表这张接线表须仔细设计，因为它是组装实验计算机的依据。（1）为避免遗漏，应按模块逐个归纳整理，明确各模块中各器件各控制信号的处理方法。（2）对于模块中不用的器件

21、，也应有所处理。（3）尽量减少外接器件，以降低实验计算机成本、节省接线时间、提高实验计算机可靠性。2.10 编写调试程序2.11 编写应用程序 内存地址 指令 指编码 注释 002H 4 0 4 003H 3 0 3 004H LDA1，002 88 （002）=4=A1 005H 02 006H LDA0,003 80 (003)=3=A0 007H 03 008H MOV A2 1 70 1=A2 009H 01 00AH INC A0,A1 64 (A0)=3,3+1=A0 00BH ADD A0,A1 09 A1+A1=A1 00CH JA0 021 08 00DH 21 (A0)=1

22、跳转到021H 00EH SUB A0,A2 06 (A0)减1 00FH JMP 00BH D0 跳转00BH 020H 0B 021H ST A1,025H A8 把运算结果放入025H中 022H 25 023H HALT FF 024H 025H链入首地址004H,按load链和连续运行STRT,查看025地址单元内容应为C.第3章 实验计算机的组装实验计算机的组装,是指用TTL器件实验斑实施前面设计的实验接线表。在正式组装前,先检验将要使用的该实验接线板,认清该板信号接线插座上做标信号,检验将要使用的集成电路型号。3.1 器件排列 把要用的集成电路等元器件按功能相对集中地排列,同一条

23、面包板上的电路插入方向仅可能一致。3.2 信号连线 用红导线将各集成电路”+5”连通,用黑导线将各集成电阶”地”连通。 根据所设计的实验计算机接线图表按不同功能部件逐个连线,不同规模块或不同类型的信号线最好用不要颜色导线,以便查线和改线. 以上两步不仅要严格按照设计方案实施,防止接错线或用错器件以造成逻辑错误,还要注意组装工艺.因为规整的元器件排列和布线,不但使装配出的实验计算机整洁美观,而且使线路工作可靠,对调试和维修带来便利.如果元器件排列和接线杂乱无章,不可靠,这不仅外观不整洁,更重要的是电路可靠性差、往往动一根线会使很多线松动,而由于接触不良造成的故障最难捉摸和排除,会给实验计算机的调

24、试和维修带来很大隐患。3.3 实验接线板安装把实验接线板通过接插件可靠地安装到FD-CES实验仪上并锁定。然后用万用表电阻档(最好x1 档)检查面包板上所插备器件的” +5V”和”地”是否分别和FD-CES的” +5V”和”地”相通,以保证加电后备器件能在正常电源条件下工作.谨防” +5V”和”地”短路.第4章 实验计算机的调试4.1 调试准备4.1.1测控制台复位功能 加电按RET键,应显示 CPU READY 字样,表示实验仪监控程序开始工作.此时信号RO应为”0”,RF应为”1”,表示处于停机状态.4.1.2 测控制抬启动功能 按START 或STEP 键,应显示出C.P.U.R.E.A.D.Y字样,此时信号RO应为”1”,RF应为应为”0”,表示处于运行态.4.1.3 输入微程序 将开关M/CM置右端,在停机状态从键盘或从外存中EEPROM将微程序输入到控存,也可通过PC机串行口将已存PC机中的微程序代码文件(MOP.