計算機(jī)組成原理模型機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)

1、學(xué)號： 武漢華夏理工學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱 計算機(jī)組成原理 題 目 模型機(jī)設(shè)計與實現(xiàn) 專 業(yè) 班 級 姓 名 成 績 指導(dǎo)教師 田 小 華 2016 年 12 月 27 日武漢華夏理工學(xué)院信息工程系課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱： 計算機(jī)組成原理 指導(dǎo)教師： 田小華 班級名稱： 開課教研室： 軟件與信息安全 一、課程設(shè)計目的與任務(wù)理解計算機(jī)系統(tǒng)各個功能部件的功能、結(jié)構(gòu)和工作原理，正確理解各功能部件之間的相互關(guān)系及其在計算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用；掌握計算機(jī)系統(tǒng)各個功能部件的設(shè)計和分析技術(shù)，包括數(shù)據(jù)與指令的編碼、存儲器、運算器、輸入輸出接口等。在此基礎(chǔ)上，使學(xué)生通過理論與實踐的結(jié)合，利用基本模

2、型計算機(jī)的構(gòu)建與調(diào)試實驗，完整地建立計算機(jī)硬件的整機(jī)模型，掌握中央處理器的基本結(jié)構(gòu)和控制流程，掌握機(jī)器指令執(zhí)行的基本過程，熟悉微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)和微程序設(shè)計技術(shù)的主要技巧，理解一條機(jī)器指令與一段微程序的關(guān)系，明確高級語言指令與微指令的對應(yīng)關(guān)系，充分理解控制信息流利用數(shù)據(jù)通路完成對數(shù)據(jù)流的加工處理的過程。通過課程設(shè)計，使學(xué)生將所學(xué)專業(yè)知識綜合運用，在實踐活動中積累經(jīng)驗，增長才干，訓(xùn)練學(xué)生獨立工作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新精神，養(yǎng)成務(wù)實嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。二、課程設(shè)計的內(nèi)容與基本要求1.按給定的數(shù)據(jù)格式、機(jī)器指令格式和微指令格式，利用基本的數(shù)字邏輯器件，設(shè)計臺微程序控制的模型計算

3、機(jī)。 2.設(shè)計五條機(jī)器指令:IN,ADD,STA,OUT,JMP，并用微指令編寫微程序，實現(xiàn)每條機(jī)器指令的功能。 3.在TD-CMA教學(xué)實驗平臺上實現(xiàn)基本模型機(jī)方案： 建立數(shù)據(jù)通路，定義開關(guān)SWA及SWB的功能；確定微程序控制流程，掌握控制臺操作；輸入編寫的五條機(jī)器指令的微程序序列；輸入實驗機(jī)器指令程序序列； 設(shè)計基本模型的物理連線；完成微程序的調(diào)試，實現(xiàn)實驗機(jī)器指令程序的功能。完成模型機(jī)調(diào)試任務(wù)后，整理課程設(shè)計資料，撰寫課程設(shè)計報告。課程設(shè)計報告內(nèi)容包括： 模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖；微程序控制器邏輯模塊圖；微程序控制流程圖；元件排列圖；設(shè)計說明書； 調(diào)試小結(jié)。三、課程設(shè)計步驟及時間進(jìn)度和場地安排計算

4、機(jī)組成原理課程設(shè)計將安排在第17周, 地點在信息系實驗樓523教室。具體安排如下：1第17周周1（1節(jié)）(12月26日) ：集中講解課程設(shè)計原理與方法，3-203教室2第17周周1（2-4節(jié)）：完成模型機(jī)的實驗線路連接 3第17周周2：調(diào)試模型機(jī)，記錄實驗結(jié)果，撰寫課程設(shè)計報告 4第17周周5：檢查課程設(shè)計報告，打印提交課程設(shè)計報告軟件工程1151班時間安排：周次星期一星期二星期五第17周第1-4節(jié)第1-4節(jié)第1-4節(jié)地 點實驗樓523實驗樓523實驗樓523四、課程設(shè)計考核及評分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計考核將綜合考慮學(xué)生考勤和參與度，課程設(shè)計方案正確性和實驗結(jié)果的正確性，獨立完成實驗環(huán)節(jié)的情況，以及課程

5、設(shè)計報告書的質(zhì)量。具體評分標(biāo)準(zhǔn)如下：序號評分項目分?jǐn)?shù)1學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真、遵守紀(jì)律102設(shè)計分析合理性103設(shè)計方案正確性、可行性204設(shè)計結(jié)果正確性305設(shè)計報告的規(guī)范性106實踐環(huán)節(jié)的獨立性與主動性107設(shè)計驗收10總得分/等級注：最終成績以五級分制記。優(yōu)（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、60分以下為不及格2目 錄第一章 課程設(shè)計.11.1課程設(shè)計題目.11.2課程設(shè)計目的.11.3實驗設(shè)備 .1第二章 概要設(shè)計.12.1 課程設(shè)計原理.12.2數(shù)據(jù)通路框圖.22.3 微指令格式.22.4 微程序流程圖.32.5微指令二進(jìn)制代碼表.42.6 實驗步

6、驟 .5第三章 實驗過程屏幕截圖 . .73.1調(diào)試部分截圖 .73.2調(diào)試整體圖 .83.3運行結(jié)果 .9第四章 設(shè)計總結(jié) .94.1給出每條機(jī)器指令的微程序(十六進(jìn)制格式) .94.2設(shè)計體會 .10附表答辯和評語表 . .12第一章 需求分析1.1課程設(shè)計題目基本模型機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)1.2課程設(shè)計目的在掌握計算機(jī)系統(tǒng)組成及內(nèi)部工作機(jī)制、理解計算機(jī)各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上，深入掌握信息流和控制信息流的流動過程，進(jìn)一步加深計算機(jī)系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識和整機(jī)的概念，培養(yǎng)開發(fā)和調(diào)試計算機(jī)的技能。1.3實驗設(shè)備TDN-CM組成原理實驗系統(tǒng)，排線若干，微機(jī)第二章 概要設(shè)計2.1 課程設(shè)計原理采用五

7、條機(jī)器指令:IN,ADD,STA,OUT,JMP 地 址（二進(jìn)制） 內(nèi)容（二進(jìn)制） 助記符 說 明 0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE(班號)”R0 0000 0001 0001 0000 ADD 0AH,R0 R0+0AH R0 0000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0,0BH R00BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH LED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 0

8、0H PC 0000 1000 0000 0000 0000 1001 0000 1010 0001 1111 學(xué)號為31號同學(xué) 0000 1011 求和結(jié)果(班號加學(xué)號)2.2數(shù)據(jù)通路框圖簡單的模型計算機(jī)是由運算器、控制器、存儲器、總線、輸入輸出和時序產(chǎn)生器組成。在模型機(jī)中，我們將要實現(xiàn)RAM的讀寫指令，寄存器的讀寫指令，跳轉(zhuǎn)指令，ALU的加、減、與、或指令。把通用寄存器作為累加器A，進(jìn)行左、右移等指令，整體構(gòu)成一個單累加器多寄存器的系統(tǒng)。如圖1所示：圖1數(shù)據(jù)通路框2.3 微指令格式 當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，如圖2所示：圖2 微指令格式2.4 微程序流程圖微程序流程圖如

9、圖3所示：圖3 微程序流程2.5微指令二進(jìn)制代碼表 表1 微指令二進(jìn)制代碼表八進(jìn)制二 進(jìn) 制 格 式微地址S3 S2 S1 S0 M CnWEA9A8ABCA5A000Q0 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 001Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 002Q0 0 0 0 0 0 0 0 11000000010 0 1 0 0 003Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 0 1 0 004Q0 0 0 0 0 0 0 0 10110000000 0 0 1 0 105Q0 0 0 0 0 0 0 1

10、 10100010000 0 0 1 1 006Q1 0 0 1 0 1 0 1 10011010000 0 0 0 0 107Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 0 110Q0 0 0 0 0 0 0 0 00010000000 0 0 0 0 111Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 112Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 1 1 113Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 1 1 1 014Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 1

11、 015Q0 0 0 0 0 0 1 0 10000010000 0 0 0 0 116Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 1 117Q0 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0 1 0 120Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 0 1 021Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 0 022Q0 0 0 0 0 0 0 0 10100001000 1 0 1 1 123Q0 0 0 0 0 0 0 1 10000000000 0 0 0 0 124Q0 0 0 0 0 0 0 0

12、 00100000000 1 1 0 0 025Q0 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 0 0 0 0 126Q0 0 0 0 0 0 0 0 11010001100 0 0 0 0 127Q0 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 1 0 0 0 030Q0 0 0 0 0 1 1 0 10001010000 1 0 0 0 12.6 實驗步驟2.6.1實驗接線圖:如下圖2-6。（注意：接線過程中不得有任何錯誤!） 圖4 實驗接線圖2.6.2操作步驟 微控器編程開關(guān)撥至RUN,“STEP”STEP,“STOP”RUN 實驗箱利用COM1口與微機(jī)連接，實驗箱加電

13、，啟動微機(jī)：進(jìn)入安裝實驗系統(tǒng)的目錄，例如D：CMP；對實驗箱復(fù)位；桌面上選擇:CMP圖標(biāo)，運行CMP.EXE，進(jìn)入實驗運行環(huán)境；選擇轉(zhuǎn)載菜單的裝載功能: C:TANGDUCMPSAMPLEEX1.TXT選擇數(shù)據(jù)通路圖標(biāo)：開關(guān)置班號,內(nèi)存0AH單元置學(xué)號CLR:101運行菜單的連續(xù)功能功能，若運行正確，將在“OUTPUT”模塊看到十六進(jìn)制的結(jié)果：班號+學(xué)號的和EX1文本文件內(nèi)容如下：機(jī)器指令程序：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01機(jī)器指令對應(yīng)的微程序：$M00018110$M0101ED82$M0200C048

14、$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11第三章 實驗過程屏幕截圖 3.1調(diào)試部分截圖圖5 數(shù)據(jù)通路3.2調(diào)試整體圖圖6 實驗操作界面3.3運行結(jié)果圖7 運行結(jié)果第四章 設(shè)計總結(jié)4.1每條機(jī)器指令的微程

15、序(十六進(jìn)制格式) IN:01Q: 01ED82H02Q: 00C048H10Q: 01ED92HADD:01Q: 01ED82H02Q: 00C048H11Q: 01ED94H03Q: 00E004H04Q: 00B005H05Q: 01A206H06Q: 959A01HSTA:01Q: 01ED82H02Q: 00C048H11Q: 01ED87H 03Q: 00E00DH04Q: 028201HOUT:01Q: 01ED82H02Q: 00C048H11Q: 01ED8EH03Q: 00E00FH04Q: 00A015H05Q: 070A01HJMP:01Q: 01ED82H02Q: 0

16、0C048H11Q: 01ED96H03Q: 00D181H4.2設(shè)計體會 本次課程設(shè)計要求我們設(shè)計一臺微程序控制的模型機(jī)，設(shè)計基本模型機(jī)的指令系統(tǒng)（包括邏輯與，邏輯或，算術(shù)加，減運算，輸入，輸出，轉(zhuǎn)移，傳送指令），設(shè)計的目的是讓我們增加自己的動手能力，真正的達(dá)到理論與實際的結(jié)合。本次實驗大體上分為兩步。首先，是連接電路。其次，裝載課程設(shè)計指導(dǎo)書上設(shè)計的程序并測試運行，通過觀察運行情況和數(shù)據(jù)在總線上的流動，了解各功能部件的工作原理和工作機(jī)制以及流程圖各指令的含義，并裝載運行、檢驗運行結(jié)果。這學(xué)期的學(xué)習(xí)后，讓我對計算機(jī)的組成有了一個初步的認(rèn)識，它的內(nèi)部有很多的奧妙，理論性很強(qiáng)的。在這次課程設(shè)計中

17、，我在實驗設(shè)計中結(jié)合理論學(xué)了不少東西。因為課程設(shè)計是要求將以前在課堂上學(xué)的理論知識運用到實際的設(shè)計當(dāng)中去，所以在設(shè)計過程中，我碰到各種各樣的問題。為了解決這些問題，我仔細(xì)認(rèn)真的去翻閱自己以前學(xué)過但是以為已經(jīng)了解熟悉的東西。這在無形中幫助我加深對所學(xué)知識的了解及運用能力，并且讓我明白什么地方是我們真正需要去關(guān)注的。而且這樣我對課本以及以前學(xué)過的知識有了一個更好的總結(jié)與理解。課程設(shè)計需要我不但通過翻閱復(fù)習(xí)以前學(xué)過的知識而且需要查閱更多的相關(guān)信息。通過這次課程設(shè)計，我更進(jìn)一步了解了計算機(jī)的組成，尤其對運算器、存儲器和微程序控制器，有了非常透徹的認(rèn)識。并且對線路的連接與模型機(jī)的各個硬件的結(jié)構(gòu)，以及微程

18、序微指令的一些編制與設(shè)計有了一定的了解。從一種微觀的角度更加了解計算機(jī)模型機(jī)，這樣我對于計算機(jī)的了解更加深入。對于計算機(jī)的工作原理也有部分更深入的認(rèn)識。還體會到了實踐動手和合作的重要性，以及做事要有計劃和順序.這次通過實驗的方法來學(xué)習(xí)計算機(jī)原理這門課程，感覺受益匪淺。開始看計算機(jī)原理，覺得很多東西匪夷所思，不可理解，更不用提這次試驗了。很多原理性的東西如果不是真正和硬件結(jié)合起來，只限于紙上談兵，或者只作些簡單的照搬模式的小實驗，那么事隔一段時間，恐怕很難有什么知識能在頭腦中留下什么印象。完成這次研制工作后，我們對很多原理有了更加感性化的認(rèn)識，并且體會到了手工設(shè)計的艱辛，鍛煉了動手能力和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)作風(fēng)。實驗使我們對這門課的興趣增加了，希望能有時間做一些更加深入的探索和研究。通過本次課程設(shè)計，真正的發(fā)現(xiàn)理論與實際結(jié)合得重要性，有時并不是理論知識學(xué)得好動手能力就會高，當(dāng)真正動起手來發(fā)現(xiàn)自己需要學(xué)得知識還是很多的，在以后的學(xué)習(xí)中，自己一定要加強(qiáng)理論與實際的結(jié)合，讓自己達(dá)到新型社會需要人才的標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計過程中質(zhì)疑（或答辯）記