基本模擬機(jī)設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)組成原理課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 班級(jí)： 13級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（朝）學(xué)號(hào)： 姓名： 題目： 成績(jī)： 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)的目的和意義綜合運(yùn)用所學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)，人為模擬各部件單元中的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)常用部件電路及之間的信息通路的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加強(qiáng)理論知識(shí)與應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)踐和鍛煉。通過這次設(shè)計(jì)能夠鞏固所學(xué)的知識(shí)，使自己的設(shè)計(jì)水平和對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，以及分析問題、解決問題的能力得到全面提高。二、設(shè)計(jì)班級(jí)13級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（朝）三、設(shè)計(jì)安排1. 設(shè)計(jì)時(shí)間為一周（第十七周）。2. 周一上午動(dòng)員，分配設(shè)計(jì)任務(wù)。3. 周五提交設(shè)計(jì)報(bào)告，并以答辯的方式考核。4. 按照統(tǒng)一安排積極與指導(dǎo)

2、教師保持聯(lián)系，取得老師的指導(dǎo)和幫助。5. 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)樓313室四、成績(jī)?cè)u(píng)定1. 平時(shí)成績(jī)10%，電路原理圖占30%，設(shè)計(jì)報(bào)告占30%，設(shè)計(jì)答辯占30%。2. 設(shè)計(jì)過程要保證具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不能抄襲他人的設(shè)計(jì)成果，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)雷同情況按不及格處理；如不參加設(shè)計(jì)、參加無設(shè)計(jì)報(bào)告按不及格處理。五、設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包含題目、系統(tǒng)概述（設(shè)計(jì)的目的和意義）、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體說明（含操作過程）、結(jié)論、認(rèn)識(shí)體會(huì)等幾部分，要對(duì)設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行論述與說明。 2. 文中符號(hào)、圖、表要符合國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。3. 要畫出必要的電路原理圖。4. 編寫程序及課程設(shè)計(jì)報(bào)告（不少于1500字）。六、設(shè)計(jì)題目及要求6.1

3、8位算術(shù)邏輯運(yùn)算器設(shè)計(jì)參考：實(shí)驗(yàn)教程中算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)（1）系統(tǒng)使用的芯片：74LS181、74LS273、74LS245、LED及各種開關(guān)；（2）能實(shí)現(xiàn)8位二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；（3）能顯示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、顯示運(yùn)算結(jié)果；6.2 位帶進(jìn)位控制的運(yùn)算器設(shè)計(jì)參考：實(shí)驗(yàn)教程中進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)（1）系統(tǒng)使用的芯片：74LS181、74LS273、74LS245、74LS74、LED及各種開關(guān)；（2）能實(shí)現(xiàn)8位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算，并產(chǎn)生進(jìn)位；（3）能顯示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、顯示運(yùn)算結(jié)果及進(jìn)位情況；6.3 微程序控制器設(shè)計(jì) 參考：實(shí)驗(yàn)教程中微程序控制器實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)現(xiàn)5條機(jī)器指令功能：IN、 ADD、 ST

4、A、OUT、JMP； （2）設(shè)計(jì)出上述指令的微程序流程圖及二進(jìn)制代碼表； （3）編制微程序、寫入CM中并運(yùn)行微程序，觀查結(jié)果； 6.4 硬布線控制器設(shè)計(jì)參考：實(shí)驗(yàn)教程中硬布線控制器實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)現(xiàn)X+Y功能，即由輸入部分輸入兩個(gè)數(shù)據(jù)，輸出顯示結(jié)果。 （2）寫出硬布線控制器的設(shè)計(jì)步驟； （3）輸入3組數(shù)據(jù)，觀查結(jié)果，掌握硬布線控制器的組成原理； 6.5 基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)參考：實(shí)驗(yàn)教程中基本模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（1）給出模型機(jī)的設(shè)計(jì)方案（包括指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)）；（2）畫出所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的硬件連接圖，針對(duì)所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)編寫出相應(yīng)的微程序；（3）對(duì)所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試。6.6 復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)參考

5、：實(shí)驗(yàn)教程中復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（1）給出模型機(jī)的設(shè)計(jì)方案（包括指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)）；（2）畫出所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的硬件連接圖，針對(duì)所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)編寫出相應(yīng)的微程序；（3）對(duì)所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試。計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告1設(shè)計(jì)題目基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1TDN-CM+或 TDN-CM+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)。 2 PC 微機(jī)一臺(tái)。 3實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。 2 為其定義五條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念 4實(shí)驗(yàn)原理 部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將在微程序 控制下自動(dòng)產(chǎn)生

6、各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制 將由微程序控制器來完成，CPU 從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序。 本實(shí)驗(yàn)采用五條機(jī)器指令I(lǐng)N （輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸 出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前位為操作碼）： 其中 IN 為單字長(zhǎng)（位），其余為雙字長(zhǎng)指令，××××××××為addr 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。 為了向 RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動(dòng)程

7、序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì) 三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。 存儲(chǔ)器讀操作（KRD）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR 后，控制臺(tái)開關(guān) SWB、SWA 為“”時(shí),按 START 微動(dòng)開關(guān)，可對(duì) RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。 存儲(chǔ)器寫操作（KWE）：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR 后，控制臺(tái)開關(guān) SWB、SWA 置為“” 時(shí)，按 START 微動(dòng)開關(guān)可對(duì) RAM 進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入。 啟動(dòng)程序：撥動(dòng)總清開關(guān) CLR 后，控制臺(tái)開關(guān) SWB、SWA 置為“”時(shí)，按 START 微動(dòng)開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第 01 號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。 上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開關(guān) SWB、SWA 的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下： 根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖，如圖

8、6.5-1。微代碼定義如表 6.5-1 所示。 系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖 6.5-2，這里“取指”是公用微指令，為了能確定不同機(jī)器指令有各自不同的微程序轉(zhuǎn)向，我們?cè)谶@里以指令寄存器的前位（IR7IR4）作為測(cè)試條 件，引入了 P（1）指令測(cè)試字段，如此，對(duì)于 5 條機(jī)器指令，就可以有路 P（1）測(cè)試分支，對(duì)于每一指令分別予以微程序解釋。 控制臺(tái)操作為 P（4）測(cè)試，它以控制臺(tái)開關(guān) SWB、SWA 作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了路分支，占用個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單元地址為進(jìn)制。 當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后

9、，應(yīng)將每條微指令代碼化，表 6.5-2 即為將圖 6.5-2 的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。 下面介紹指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一 條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到指令寄存器中，然后再對(duì)其進(jìn)行譯碼、執(zhí)行。指令劃分為操作 碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P（1），通過節(jié)拍脈沖 T4的控制以便識(shí)別所要求的操作。“指令譯碼器”（實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片）根據(jù)指令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。 本系統(tǒng)有兩種外部 I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)

10、制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備（INPUT DEVICE）；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備（OUTPUT DEVICE）。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)， 將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(hào)（W/R）有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼 塊顯示。 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下： 5實(shí)驗(yàn)步驟 (1) 按圖 6.5-3 連接實(shí)驗(yàn)線路。 (2) 寫程序 方法一：手動(dòng)寫入 先將機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微代碼正確地寫入 2816 中，由于在實(shí)驗(yàn)三微程序控制實(shí)驗(yàn)中已將微代碼寫入 E2PROM 芯片中，對(duì)照表 6校驗(yàn)正確后就可使用。 使用控制臺(tái) KWE 和

11、 KRD 微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。 . 使編程開關(guān)處于“RUN”，STEP 為“STEP”狀態(tài)，STOP 為“RUN”狀態(tài)。 . 撥動(dòng)總清開關(guān) CLR （101），微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制臺(tái) SWB、SWA 開關(guān)置為“0 1”，按動(dòng)一次啟動(dòng)開關(guān) START，微地址顯示燈顯示 “010001”，再按動(dòng)一次 START，微地址燈顯示“010100”，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，按動(dòng)兩次 START 鍵后，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀 KWE 的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址總清后為零，以后每個(gè)循環(huán) PC會(huì)自動(dòng)加 1，所以，每次按動(dòng) START，只

12、有在微地址燈顯示“010100”時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫完。 . 寫完程序后須進(jìn)行校驗(yàn)。撥動(dòng)總清開關(guān) CLR （101）后，微地址清零。PC 程序計(jì)數(shù)器清零，然后使控制臺(tái)開關(guān) SWB、SWA 為“”，按動(dòng)啟動(dòng) START，微地址燈將顯示“010000”，再按START，微地址燈顯示為“010010”，第三次按 START，微地址燈顯示為“010111”，再按 START 后，此時(shí)輸出單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內(nèi)容。不斷按動(dòng) START，以后每個(gè)循環(huán)PC 會(huì)自動(dòng)加 1，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。每次在微地址燈顯示為“010000”時(shí)，是將當(dāng)前地址中的機(jī)器指令寫入到輸出設(shè)備中顯示。 方法二

13、：聯(lián)機(jī)讀寫程序 按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及表 6.5-2 微指令二進(jìn)制表編輯成十六進(jìn)制的如下格式文件。 微指令格式中的微指令代碼為將表 6.5-2 中的24 位微代碼按從左到右分成 3 個(gè) 8 位，將此三個(gè) 8 位二進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。 用聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】”功能將該格式文件裝載入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即可。 (3) 運(yùn)行程序 方法一：本機(jī)運(yùn)行 單步運(yùn)行程序 . 使編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP 為“STEP”狀態(tài)，STOP 為“RUN”狀態(tài)。 . 撥動(dòng)總清開關(guān) CLR（10 1），微地址清零，程序計(jì)數(shù)器清零。程序首址為00H。 . 單步運(yùn)行一條微指令，每按動(dòng)一次 START

14、鍵，即單步運(yùn)行一條微指令。對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。 . 當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元（0BH）中的結(jié)果是否和理論值一致。 連續(xù)運(yùn)行程序 . “STATE UNIT”中的 STEP 開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)。STOP 開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。 . 撥動(dòng) CLR 開關(guān)，清微地址及程序計(jì)數(shù)器，然后按動(dòng) START，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序，稍后將 STOP 撥至“STOP”時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。 . 停機(jī)后，可檢查存數(shù)單元（0BH）結(jié)果是否正確。 方法二：聯(lián)機(jī)運(yùn)行 聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令及微指令后，選擇“【運(yùn)行】【通路 圖】【復(fù)雜模型機(jī)】”功能菜單打開相應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通路圖

15、，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、 監(jiān)控、調(diào)試程序。） 總清開關(guān) CLR 清零（101）后,將使程序首址及微程序地址為 00H，程序可從頭開始運(yùn)行。 6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)結(jié)果理論值結(jié)果是否與理論值相等020303是050607是070808是040505是060707是080909是7結(jié)論（包括完成功能、不足、進(jìn)一步的工作等）這次我們一組做的題目是基本模型機(jī),這個(gè)模型機(jī)需要包括輸入INT、輸出OUT、 存數(shù)STA、加ADD、跳轉(zhuǎn)JMP、與AND這六個(gè)運(yùn)算,我們實(shí)訓(xùn)在實(shí)驗(yàn)課階段已經(jīng)安排了關(guān)于簡(jiǎn)單模型機(jī)的學(xué)習(xí),所以我們對(duì)設(shè)計(jì)充滿了好奇。老師給我們講授了基本的實(shí)訓(xùn)課時(shí)分配,我覺得原理很清晰,我們需要將相應(yīng)的

16、機(jī)器指令碼設(shè)計(jì)出來,通過計(jì)算機(jī)程序?qū)⑵漭斎氲竭B接好的實(shí)驗(yàn)箱上去,關(guān)于從SNUA0的24位二進(jìn)制代碼,我學(xué)習(xí)過基本模型機(jī)指令結(jié)構(gòu)圖,了解到微地址是以八進(jìn)制來設(shè)計(jì)的,S3CN是邏輯算術(shù)運(yùn)算,WE=1時(shí)代表寫,WE=0時(shí)代表讀, UA5UA0代表下址這些知識(shí)雖然很簡(jiǎn)單,但確實(shí)是我規(guī)劃主程序流程圖的最重要依據(jù),關(guān)于A字段,B字段,P字段,從指導(dǎo)書上的對(duì)應(yīng)意義可以輕松的得出。關(guān)于機(jī)器指令程序階段的部分,對(duì)我來說是最難的部分,按照我先設(shè)計(jì)的流程圖將相應(yīng)的地址的內(nèi)容準(zhǔn)確的告訴給實(shí)驗(yàn)箱,一切銜接起來讓我覺得這個(gè)實(shí)訓(xùn)很有趣味,中間走了很多彎路,當(dāng)我們請(qǐng)教銀老師問題時(shí)，老師很細(xì)心的給我們講解,很清晰,很明了,我們很慶幸有她做我們的指導(dǎo)老師。其實(shí),這個(gè)課程設(shè)計(jì)并不難,老師是想給我們找點(diǎn)計(jì)算機(jī)組成原理的自己的感覺,所有的都是由那些瑣碎的知識(shí)結(jié)合在一起構(gòu)成的。期間,最耽誤時(shí)間、考驗(yàn)?zāi)托暮图?xì)心的就是指令的存儲(chǔ)和機(jī)器指令的輸入。8認(rèn)識(shí)體會(huì)通過一周的課程實(shí)習(xí)，對(duì)