計算機(jī)組成原理課程設(shè)計：基本模型機(jī)及利用64M×8位設(shè)計128M×16位存儲器

課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 軟件工程 指導(dǎo)教師： 田小華 工作單位： 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 題 目: 基本模型機(jī)及利用64M8位設(shè)計128M16位存儲器 初始條件：1.完成課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn) 2.TD-CMA計算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1.掌握復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)的微控制器功能與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.熟悉TD-CMA教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的微指令格式3.設(shè)計五條機(jī)器指令,并編寫對應(yīng)的微程序4.在TDN-CMA教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中調(diào)試機(jī)器指令程序,確認(rèn)運(yùn)行結(jié)果5.建立復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)的整機(jī)概念模型時間安排： 1.第19周周1(6月23日):全體集中講解課程設(shè)計原理與方法 2.第19周6月25日:實(shí)驗(yàn),調(diào)試機(jī)器指令程序指導(dǎo)教師簽名： 2014年 6 月 18 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2014 年 月 日目 錄1課程設(shè)計目的32課程設(shè)計設(shè)備33課程設(shè)計內(nèi)容33.1課程設(shè)計原理43.1.1機(jī)器指令微程序43.1.2微指令格式53.1.3數(shù)據(jù)通路圖53.1.4微程序流程圖63.1.5微指令二進(jìn)制微代碼表73.1.6機(jī)器指令程序73.2 實(shí)驗(yàn)步驟83.2.1按圖接線83.2.2寫入和校驗(yàn)93.2.3運(yùn)行程序104課程設(shè)計總結(jié)124.1程序運(yùn)行截圖124.1.1初始截圖124.1.2結(jié)果截圖134.2課程設(shè)計收獲144.2.1課設(shè)心得144.2.2課設(shè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)144.2.3課設(shè)注意事項(xiàng)14附：利用64M8位設(shè)計128M16位存儲器15基本模型計算機(jī)設(shè)計1課程設(shè)計目的 掌握計算機(jī)功能模塊的原理和關(guān)系,建立計算機(jī)整機(jī)概念2課程設(shè)計設(shè)備TDN-CM+計算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),排線若干3課程設(shè)計內(nèi)容 本次課程設(shè)計實(shí)現(xiàn)一個簡單的CPU，由此構(gòu)建一個簡單模型計算機(jī)。CPU由ALU、微控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器(AR)組成，如下圖所示。 該CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備執(zhí)行機(jī)器指令的功能。在CPU基礎(chǔ)上，增加一個主存和基本的輸入輸出部件，構(gòu)成一個簡單的模型計算機(jī)。3.1課程設(shè)計原理3.1.1機(jī)器指令微程序 本次課程設(shè)計采用IN,ADD,OUT,JMP等機(jī)器指令：機(jī)器指令S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8ABCUA5UA4UA3UA2UA1UA0IN0 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 0ADD0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 0OUT0 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 0JMP0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 1 1 1 1 0具體代碼如下：地 址 內(nèi) 容 助 記 符 說 明 0000 0000 0010 0000 ； START：IN R0 學(xué)號R0 0000 0001 0000 0000 ； ADD R0, R0 R0+ R0 R0 0000 0010 0011 0000 ； OUT R0 R0LED 0000 0011 1110 0000 ； JMP START 跳轉(zhuǎn)至00地址 0000 0100 0000 0000 ； 0000 0101 0101 0000 ； HLT 停機(jī) 指令碼中高4位位操作碼，JMP為雙字節(jié)指令，其余為單字節(jié)指令。微控制器實(shí)驗(yàn)的指令是手動給出的，現(xiàn)在要求CPU自動從存儲器讀取機(jī)器指令并執(zhí)行。3.1.2微指令格式課程設(shè)計在微控制器實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了PC、AR和主存，在微指令中應(yīng)增加相應(yīng)的控制位，其微指令格式見表5-1-1。3.1.3數(shù)據(jù)通路圖根據(jù)以上設(shè)計要求，相關(guān)的數(shù)據(jù)通路圖見圖5-1-3。3.1.4微程序流程圖 系統(tǒng)涉及到的微程序流程圖，詳見圖5-1-4。當(dāng)擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P測試。指令譯碼原理見圖3-2-3所示，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的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)使用指令寄存器的高6位（IR7-IR2） 作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址，微程序流程圖上的單元地址均為16進(jìn)制編碼的地址。3.1.5微指令二進(jìn)制微代碼表 當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢，應(yīng)將每條微指令代碼化，見表5-1-2。表5-1-2 二進(jìn)制表微代碼表地址十六進(jìn)制內(nèi)容高五位S3S2S1S0A字段B字段C字段MA5MA000Q00 00 0100000000000000000001Q00 6D 4300000000011011010103Q10 70 7000010000011100000104Q00 24 0500000000001001000005Q04 B2 010000010010110010001DQ10 51 4100010000010100010130Q00 14 0400000000000101000032Q18 30 0100011000001100000033Q28 04 0100101000000001000035Q00 00 350000000000000000003CQ00 6D 5D0000000001101101013.1.6機(jī)器指令程序設(shè)計一段機(jī)器指令程序：從IN單元讀入自己的學(xué)號，存放于R0,將R0和R0相加，結(jié)果存于R0,再將R0的值送到OUT單元顯示。機(jī)器指令程序如下，地址和內(nèi)容均為二進(jìn)制： 地 址 內(nèi) 容 助 記 符 說 明 0000 0000 0010 0000 ； START：IN R0 學(xué)號R0 0000 0001 0000 0000 ； ADD R0, R0 R0+ R0 R0 0000 0010 0011 0000 ； OUT R0 R0LED 0000 0011 1110 0000 ； JMP START 跳轉(zhuǎn)至00地址 0000 0100 0000 0000 ； 0000 0101 0101 0000 ； HLT 停機(jī) 3.2 實(shí)驗(yàn)步驟3.2.1按圖接線3.2.2寫入和校驗(yàn) 3.2.2.1手動寫入和校驗(yàn)手動寫入微程序?qū)㈤_關(guān)KK1置為“停止”，KK3置“編程”，KK4置“控存”，KK5置為“置數(shù)”擋；使用CON單元的SD5SD0給出微地址，IN單元給出低8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低8位；開關(guān)KK5置為“加1”擋；IN單元給出中8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的中8位；IN單元給出高8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高8位；重復(fù)、四步，將表5-1-2的微代碼寫入EPROM2816芯片手動校驗(yàn)微程序?qū)K1置為“停止”，KK3置為“校驗(yàn)”，KK4置為“控存”，KK5置為“置數(shù)”使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，MC單元的數(shù)據(jù)指示燈M7M0顯示該單元的低8位；將開關(guān)KK5置為“加1”擋；連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，MC單元的數(shù)據(jù)指示燈M15M8顯示該單元的中8位；MC單元的數(shù)據(jù)指示燈M23M16顯示該單元的高8位；重復(fù)、四步，完成對微代碼的校驗(yàn)。手動寫入機(jī)器指令程序?qū)K1置為“停止”，KK3置為“編程”，KK4置為“主存”，KK5置為“置數(shù)”使用CON單元的SD05SD00給出地址，IN單元給出該單元應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該存儲器單元；開關(guān)KK5置為“加1”擋；IN單元給出下一個地址（地址自動加1）應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該存儲器單元中；然后地址會又加1，只需在IN單元輸入后續(xù)地址（地址自動加1）應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，即可完成對該單元的寫入。亦可、兩步，將所有機(jī)器指令寫入主存芯片中。手動校驗(yàn)機(jī)器指令程序 將KK1置為“停止”，KK3置為“校驗(yàn)”，KK4置為“主存”，KK5置為“置數(shù)”使用CON單元的SD07SD00給出地址，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)；開關(guān)KK5置為“加1”擋；連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，地址自動加1，CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)；此后每兩次按動開關(guān)ST，地址自動加1，CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行該操作，直至完成校驗(yàn)。3.2.2.2聯(lián)機(jī)寫入和校驗(yàn)聯(lián)機(jī)軟件提供微程序和機(jī)器指令程序下載功能，但是微程序和機(jī)器指令程序在下載時有規(guī)定的格式，詳見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。選擇聯(lián)機(jī)軟件的“轉(zhuǎn)儲裝載”功能，在打開文件對話框中選擇相關(guān)文件，軟件自動將機(jī)器指令程序和微程序?qū)懭胫付▎卧＿x擇聯(lián)機(jī)軟件的“轉(zhuǎn)儲刷新指令區(qū)”功能，可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。對照文件檢查微程序和機(jī)器指令程序是否正確。3.2.3運(yùn)行程序3.2.3.1本機(jī)運(yùn)行將開關(guān)KK1、KK3置為“運(yùn)行”檔，按動CON單元的總清開關(guān)CLR，將使PC、AR和微程序地址為00H，程序可以從頭開始運(yùn)行，暫存器A，B，指令寄存器IR和OUT單元也會被清零。將KK2置為“單步”檔，每按動一次ST按鈕，即可單步運(yùn)行一條微指令，對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。每運(yùn)行完一條微指令，觀察一次CPU內(nèi)總線和地址總線，對照數(shù)據(jù)通路圖，分析總線上的數(shù)據(jù)是否正確；結(jié)果正確后請截取屏幕并保留屏幕文件，作為結(jié)果放到課程設(shè)計報告中。當(dāng)模型機(jī)執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)據(jù)是否為OUT單元值的2倍；按下CON單元的總清開關(guān)CLR，將IN單元的數(shù)據(jù)改變?yōu)閷W(xué)號的2倍，再次執(zhí)行機(jī)器指令程序，從OUT單元顯示的數(shù)據(jù)判斷程序執(zhí)行是否正確，結(jié)果正確后請?jiān)俅谓厝∑聊徊⒈Ａ羝聊晃募?，作為結(jié)果放到課程設(shè)計報告中，方便比較結(jié)果。3.2.3.2聯(lián)機(jī)運(yùn)行將KK1、KK3置為“運(yùn)行”檔，進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“實(shí)驗(yàn)簡單模型機(jī)”，打開簡單模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖。按動CON單元的總清開關(guān)CLR，然后通過軟件運(yùn)行程序，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序，當(dāng)模型機(jī)執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)據(jù)是否為OUT單元值的2倍。在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀測指令的執(zhí)行過程，并觀察軟件中地址總線、數(shù)據(jù)總線以及微指令顯示和下位機(jī)是否一致。4課程設(shè)計總結(jié)4.1程序運(yùn)行截圖4.1.1初始截圖 輸入C6，保存屏幕文件如下。4.1.2結(jié)果截圖 OUT單元顯示的數(shù)據(jù)為8C，截圖如下。4.2課程設(shè)計收獲4.2.1課設(shè)心得本次課程設(shè)計，我在存儲器架構(gòu)如何用64M8位設(shè)計128M16位存儲器中花費(fèi)了不少時間。而基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)，通過觀察模型機(jī)上的操作流向來檢查錯誤收獲較大，模型機(jī)能比較準(zhǔn)確的看出自己出錯的地方。通過修改以及同學(xué)的幫助指導(dǎo)下得到正確結(jié)果。在此次課程設(shè)計中，很多計算機(jī)組成原理的知識在實(shí)際中得到運(yùn)用，對計算機(jī)組成原理的很多內(nèi)容有了一個直觀和更深刻的認(rèn)識，自身理論知識和動手能力得到很大提升，有很大收獲。4.2.2課設(shè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)接線完畢后,合同組同學(xué)進(jìn)行了