武漢理工計算機組成原理課程設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)課 程設(shè)計課程名稱計算機組成原理設(shè)計題目模型機設(shè)計與實現(xiàn)班級軟件zyl302學(xué)號姓名指導(dǎo)教師田小華日期2015年6月16日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 軟件zyl302指導(dǎo)教師：田小華工作單位：計算機學(xué)院題目：基本模型機的設(shè)計及實現(xiàn)初始條件：1. 完成計算機組成原理課程教學(xué)與實驗2. td-cma計算機組成原理教學(xué)實驗系統(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)計算機的微控制器功能與結(jié)構(gòu)特點2. 熟悉td-cma教學(xué)實驗系統(tǒng)的微指令格式3. 設(shè)計五條機器指令,并編寫對應(yīng)的微程序4. 在tdn-cma教學(xué)實驗系統(tǒng)中調(diào)試

2、機器指令程序，確認(rèn)運行結(jié)果5. 建立復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機的整機概念模型時間安排：1. 第14周一周五：集中講解課程設(shè)計原理與方法2. 第16周周一周五：進(jìn)行課程設(shè)計實驗,調(diào)試機器指令程序，3. 第17周周一周五（6 j1 18日6 j 25日）：撰寫課程設(shè)計報告指導(dǎo)教師簽名:2015年6月 2日基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)1課程設(shè)計目的：(1) 建立計算機整機概念，掌握計算機功能模塊的原理和關(guān)系；(2) 掌握一個簡單cpu的組成原理；(3) 在掌握不見單元電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其構(gòu)造成一臺基本模型計算機。2課程設(shè)計設(shè)備：(1) pc 機一臺；(2) td-cma實驗系統(tǒng)一套，排線若干。3課程設(shè)計內(nèi)容3.

3、 1課程設(shè)計原理木次課程設(shè)計實現(xiàn)一個簡單的cpu,由此構(gòu)建一個簡單模型計算機。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，如圖5-1-1所示。圖511基本cpu構(gòu)成原理圖該cpu在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備執(zhí)行機器指令的功能。在cpu基礎(chǔ)上，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。3.1.1課程設(shè)計用到的機器指令課程設(shè)計采用五條機器指令：in, add, out, jmp, hlt,對應(yīng)的源程序內(nèi)容如下:地址內(nèi)容助記符說明000000000010 0000；start：in ro學(xué)號fr。0000

4、00010000 0000；add ro,ror°+ ro r（）000000100011 0000；out rorolled000000111110 0000；jmp start跳轉(zhuǎn)至00地址000001000000 0000000001010101 0000；hlt停機指令碼中高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 器實驗的指令是手動給出的，現(xiàn)在要求cpu自動從存儲器讀取機器指令并執(zhí) 行。3.1.2微指令格式課程設(shè)計在微控制器實驗的基礎(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-le表5-m微指令格式a字段b字段c字

5、段141312選擇000nop001lda010ldb011ldro100保留101load110ldar111ldir11109選擇000nop001alu.b010roj011保盤100保田101保留110pc b111876選擇000nop001p<1>010保目3011保留100保留101ldpc110保g111保g3232221201918-1514-1211-98-65-0m23m22wrrdioms3-s0a字段b字段c字段ma5-ma03. 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-l-3o圖5-1-3 數(shù)據(jù)通路圖3.1.4微程序流程圖系統(tǒng)涉及到的微

6、程序流程圖，詳見圖5-l-4o當(dāng)擬定“取指”微指令時，該微 指令的判別測試字段為pl測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的 公用微指令，因此pl的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機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。1(6圖3-2-3指令譯碼原理圖oc>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-l-2o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字段昭mao00q00 00 010000000000000000

7、0000000101q00 6d 4300000000011011010100001103q10 70 7000010000011100000111000004q00 24 0500000000001001000000010105q04 b2 010000010010110010000000011dq10 51 4100010000010100010100000130q00 14 0400000000000101000000010032q18 30 0100011000001100000000000133q28 04 0100101000000001000000000135q00 00 350

8、000000000000000001101013cq00 6d 5d0000000001101101010111013.1.6機器指令程序設(shè)計一段機器指令程序:從in單元讀入自己的學(xué)號，存放于ro,將r。和r。相加， 結(jié)果存于r。,再將r。的值送到out單元顯示。機器指令程序如下，地址和內(nèi)容 均為二進(jìn)制：地址內(nèi)容助記符說明0000000000100000；start：in ro學(xué)號一r°0000000100000000；addro,roro+ ro ro0000001000110000；outroro-led0000001111100000;jmpstart跳轉(zhuǎn)至00地址000001

9、00000000000000010101010000；11lt停機3. 2實驗步驟3.2.1按圖5-1-5接線:8 5-1-5實驗接線圖3.2.2寫入實驗程序，并進(jìn)行校驗。3. 2. 2. 1手動寫入或校驗手動寫入微程序 將開關(guān)kk1置為“停止”，kk3置“編程”，kk4置“控存”，kk5置為“置數(shù)” 使用con單元的sd5sdo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 到該單元的中8位；in單元給出低8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按

10、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芯片手動校驗微程序 將kk1置為“停止”,kk3置為“校驗”,kk4置為“控存”，kk5置為“置數(shù)” 使用con單元的sdossd。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mo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)指示燈顯示該單元的中8位；mc 單元的數(shù)據(jù)指示燈m23顯示該單元的高8位； 重復(fù)、四步，完成對微代碼的校驗。手動寫入機器指令程序 將kk1置為“停止”,kk3置為“校驗”，kk4置為“主存”，kk5置為“置數(shù)

11、” 使用con單元的s%sd。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；然后地址會乂加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，將所有機器指令寫入主存芯片中。手動校驗機器指令程序 將kk1置為“停止”，kk3置為“校驗”，kk4置為“主存”，kk5置為“置數(shù)” 使用con單元的sd°7sd。給出地址，連續(xù)兩

12、次按動開關(guān)st, cpu內(nèi)總線的數(shù) 據(jù)指示燈口d。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d?do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 口d。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。3. 2. 2. 2聯(lián)機寫入和校驗聯(lián)機軟件提供微程序和機器指令程序下載功能，但是微程序和機器指令程序在下 載時有規(guī)定的格式，詳見實驗指導(dǎo)書。選擇聯(lián)機軟件的“轉(zhuǎn)儲裝載”功能， 在打開文件對話框中選擇相關(guān)文件，軟件自動將機器指令程序和微程序?qū)懭胫付?單元。選擇聯(lián)機軟件的“轉(zhuǎn)儲刷新指令區(qū)”功能，可

13、以讀岀下位機所有的機器 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器指令程序是否正確。3. 3運行程序3. 3. 1本機運行將開關(guān)kk1、kk3置為“運行”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)

14、模型機執(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 請再次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，方便比較結(jié)果。3. 3. 2聯(lián)機運行將kk1、kk3置為“運行”檔，進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“實驗簡單 模型機”，打開簡單模型機數(shù)據(jù)通路圖。按動con單元的總清開關(guān)clr,然后通過軟件運行程序，選擇相應(yīng)的功能命令， 即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序，當(dāng)模型機執(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

15、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是否一致。4實驗結(jié)果4. 1初始狀態(tài)連接好線路后，進(jìn)入軟件，將微程序和機器程序以指定的格式寫入到以txt為后綴的文本文件中并進(jìn)行裝載。實驗初始狀態(tài)如下圖所示:b8r88w8 仇igbgggbgggsxgalellllnlllmllszlpglltia *! okifr kwjq o q4. 2運仃結(jié)果我在班里的序號是15h,通過加法器等一系列運行，最終在out端輸出了我的序號的2倍，即2ah。聯(lián)機運行圖如下圖所示：i.388;gb8g8 8x8«92ltl22xttmpl

16、87;lftal»lctoipzj5課程設(shè)計總結(jié)5. 1給出每條機器指令的微程序：in, add, out, jmpin 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100010q： 00000000000100000000000101q： 000000011110110110000010add 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100011q： 00000001111011011000001103q： 00000000

17、111000000000010004q： 00000000101100000000010105q： 00000001101000100000011006q： 10010101100110100000000101q： 000000011110110110000010out 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100013q： 00000001111011011000111016q： 00000000111000000000111117q： 00000000101000000001010125q： 0000011

18、1000010100000000101q： 000000011110110110000010jmp 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100015q： 000000011110110110010110 26q： 000000001101000110000001 01q： 0000000111101101100000105. 2課程設(shè)計心得總結(jié)本次計算機組成原理課程設(shè)計是構(gòu)造一臺簡單的基本模型計算 機以及為其定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序上機調(diào)試。通過本 次課程設(shè)計，我掌握了一個簡單cpu的組成原理。實驗過程中也遇到 了一些困難，但是在老師和同學(xué)的幫助下我順利解決了這些問題，覺 得計算機組成原理是一門基礎(chǔ)而且重要的課，作為軟件工程的學(xué)生