計算機組成原理課程設(shè)計基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)

1、課程設(shè)計（大作業(yè)）報告課程名稱：計算機組成原理設(shè)計題目：基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)院系：信息技術(shù)學(xué)院班級：計算機科學(xué)與技術(shù)3班設(shè)計者：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：昆明學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計（大作業(yè)）任務(wù)書姓名：院（系）：信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)號：任務(wù)起止日期：課程設(shè)計題目：基本模型機設(shè)計與設(shè)計課程設(shè)計要求:本課程設(shè)計以ZYE1603B計算機組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實驗系統(tǒng)為平臺，設(shè)計完成。1 .按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計一個微程序控制器。2 .設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖，按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。3 .連接邏輯電路完成啟動、測試、編程、測試、效驗和運行，并觀測運

2、行過程及結(jié)果。4 .將微程序控制器模塊與運算器模塊，存儲器模塊聯(lián)機，組成一臺模型計算機。5 .用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。6 .通過在模型機上運行由機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關(guān)系，建立計算機整機的概念，掌握計算機的控制機制。7 .按指定的應(yīng)用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計，并設(shè)計相應(yīng)的機器指令代碼，按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機器指令功能的微程序。在PC機上編輯機器指令和微程序，裝載代碼到ZYE1603B實驗系統(tǒng)并運行，實現(xiàn)應(yīng)用要求。工作計劃及安排：2017年6月19日上午：集中進行課程設(shè)計題目的講解和分解，提出學(xué)生需要掌握的硬件和軟件方面的知識和要求；以及在課程設(shè)計

3、期間的安全和紀律要求，熟悉開發(fā)環(huán)境（ZYE1603B（4401機房）。2017年6月19日下午：查閱資料、確定題目，了解各人（小組）設(shè)計安排，就設(shè)計過程進行集中講解，解決設(shè)計過程存在的問題。2017年6月20日6月22日：在機房進行系統(tǒng)的設(shè)計。2017年6月23日上午：分組討論，進行交流，了解學(xué)生的掌握情況，對本周的學(xué)習(xí)情況進行總結(jié)，對后續(xù)的設(shè)計提出要求；對存在的問題進行分析和解決。（機房）。2017年6月23日下午：答辯，成績評定。指導(dǎo)教師簽字2017年6月19日課程設(shè)計（大作業(yè)）成績5指導(dǎo)教師:課程設(shè)計題目：基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)總結(jié):指導(dǎo)教師評語:成績:填表時間:指導(dǎo)教師簽名:目錄課程設(shè)計

4、（大作業(yè)）報告一、課程設(shè)計的教學(xué)目的1. 在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗”的基礎(chǔ)上，進一步將其中各單元組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺模型計算機。2. 本實驗定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試運行，形成整機概念。課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一臺基本模型機，并實現(xiàn)相關(guān)的指令。二、課程設(shè)計任務(wù)和基本要求本課程設(shè)計以TDN-CM+算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)為平臺設(shè)計完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計一個微程序控制器。2. 設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖,按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。3. 連接邏輯電路完成啟動,測試,編程,測試,效驗和運行,并觀測運行過程及結(jié)果。4. 將微程序控制器模塊與

5、運算器模塊,存儲器模塊聯(lián)機,組成一臺模型計算機。5. 用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。6. 通過在模型機上運行由機器指令組成的簡單程序,掌握機器指令與微指令的關(guān)系,建立計算機整機的概念,掌握計算機的控制機制。7. 按指定的應(yīng)用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計,并設(shè)計相應(yīng)的機器指令代碼,按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機器指令功能的微程序.在PC機上編輯機器指令和微程序，裝載代碼到TDN-CM+實驗系統(tǒng)并運行，實現(xiàn)應(yīng)用要求。三、設(shè)計任務(wù)及分析（1）設(shè)計任務(wù)：從輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以A為間接地址的內(nèi)存單元，將X與R.寄存器中的內(nèi)容Y執(zhí)行X?，結(jié)果送到以B為直接地址的內(nèi)存單元保存。（2）分析：A

6、:給R0寄存器直接置入01H.B：從數(shù)據(jù)開關(guān)給間接地址為0CH的內(nèi)存單元置數(shù)，（03H）.C:給R0中的內(nèi)容取反，結(jié)果存在R中.D：將間接地址0CH中直接地址0EH中的內(nèi)容（03H）放入DR1中，R0中的內(nèi)容放入DR2中，將DR1和DR2#的數(shù)進行異或運算，結(jié)果放在R中.E:將R0中的內(nèi)容存在直接地址為0DH的內(nèi)存單元中.四、設(shè)計原理模型機在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一段微程序。本實驗采用五條機器指令：IN

7、（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN00000000“INPUTDEVICE中的開關(guān)狀態(tài)fROADDaddr00010000X乂乂乂乂乂乂乂進制加法，R0+addrfR0STAaddr00100000XXXXXXXX存數(shù)，RO->addrOUTaddr00110000X乂乂乂乂乂乂乂輸出，addrBUSJMPaddr01000000X乂乂乂乂乂乂乂無條件轉(zhuǎn)移，addrfPC其中IN為單字長（8位）指令，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應(yīng)的二進制地址碼根據(jù)模型機的數(shù)據(jù)通

8、路圖(如圖1所示)和指令的要求定義微代碼如下:微程序24212019181716151312109761控制信號S3S0MCNRDM17M16ABPuA5uA0表1微代碼定義A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表2A、B、P字段表中AA5AA0為6位后續(xù)微地址，ARC為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出

9、多位。P字段中的P(1)P(4)是四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。B字段中的RS-RRD-BRI-B分別為源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機器指令來進行三個工作寄存器R0R1及R2的選通譯碼。A字段中的LDRI為從輸入設(shè)備組件中讀入數(shù)據(jù)使能控制信號。指令寄存器(IR)用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構(gòu)成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試P(1)

10、,通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作。“指令寄存器”(實驗板上標有“INSDECODE的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)得微程序首地址。本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUTDEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUDEVICE例如：輸入時，二進制開關(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，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當寫信號(W/R)有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，在數(shù)碼管顯示。(1) 運算器。運算器又由運算邏輯單元、數(shù)據(jù)暫存器、通用寄存器組成。在圖1模

11、型機的結(jié)構(gòu)圖中，ALUALU_GF口74299組成運算邏輯單元，其中ALU是由2個4位的74LS181串聯(lián)成8位的運算器，ALU_GtALU-G實現(xiàn)用于控制ALU的運算結(jié)果的輸出，74299用74LS299實現(xiàn)用于對ALU的運算結(jié)果進行移位運算；數(shù)據(jù)暫存器在圖1中由DR1和DR2組成，DR1和DR州是用74LS273實現(xiàn)，它們用于存儲運算器進行運算的兩個操作數(shù)；通用寄存器在圖1中由R。R1和R2組成，RRR1和R2都是用74LS374實現(xiàn)，它們用作目的寄存器和源寄存器。(2) 控制器?？刂破饔晌⒊绦蚩刂破?、指令寄存器、地址寄存器和程序計數(shù)器組成。在圖1中微程序控制器表示為MControl,它里

12、面存放了指令系統(tǒng)對應(yīng)的全部微程序，微程序控制器是由微控制存儲器和3個138譯碼器實現(xiàn)(A13&B138和P138),用于產(chǎn)生控制信號來控制各個組件的工作狀態(tài)；在圖1中指令寄存器表示為IR,指令寄存器由一個74LS273實現(xiàn)，用于存放當前正在執(zhí)行的指令；在圖1中地址寄存器表示為AR地址寄存器由一個74LS273實現(xiàn)，在讀取或者寫入存儲器時用于指明要讀取或?qū)懭氲牡刂罚怀绦蛴嫈?shù)器在圖1中由PC_3口PC組成，其中PC是由八位二進制同步計數(shù)器實現(xiàn)，用于產(chǎn)生程序指針pc的下一個值，PC_GttPC-G實現(xiàn)，用于存儲程序的程序指針pc的值。(3) 存儲器。存儲器在圖1中表示為MEN存儲器用靜態(tài)隨機

13、存儲器6116實現(xiàn)，用來存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。(4) 數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線用于連接運算器、存儲器、輸入輸出等模塊，數(shù)據(jù)總線由ccp_DataBus實現(xiàn)。(5) 輸入輸出。輸入輸出類似于鍵盤和顯示器。(6) 時序產(chǎn)生器。在圖1中T1、T2、T3和T4等控制信號都是由時序產(chǎn)生器生產(chǎn)，時序產(chǎn)生器由時序電路實現(xiàn)如圖2所示，時序產(chǎn)生器一個周期中產(chǎn)生四個脈沖信號T1T4,這四個脈沖信號用于控制組件的執(zhí)行順序，組件在這些信號的控制下有序的執(zhí)行，一個周期中完成一條微指令的執(zhí)行。系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖1所示，當擬定“取指令”微指令時，該微指令的判別測試字段為P1測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微

14、指令，因此P1測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計用指令寄存器的前4位(I7-I4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元?？刂婆_操作為P4測試，它以控制臺開關(guān)SWBSW卻為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。當全部微程序設(shè)計完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化：當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表3即為將圖2的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的二進制微代碼表。微地址S3S2S1S0MCNWEM17M16ABPaA5科A000000000011000000100010000010

15、000000111101101100000100200000000110000000100100003000000001110000000000100040000000010110000000001010500000001101000100000011006100101011001101000000001070000000011100000000011011000000000000100000000000111000000011110110110000011120000000111101101100001111300000001111011011000111014000000011110110

16、110010110150000001010000010000000011600000000111000000000111117000000001010000000010101200000000111101101100100102100000001111011011001010022000000001010000000010111230000000110000000000000012400000000001000000001100025000001110000101000000001260000000011010001100000012700000111000010100001000030000

17、001101000101000010000表3二進制代碼表運行:0101圖2微程序流程圖五、操作步驟1.本實驗設(shè)計機器指令程序如下表所示地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說明0000000000000000IN:將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000000100100000STA08HR0->08H0000001000001000地址0000001100110000OUT08H08H>BUS0000010000001000地址0000010101000000JMP00H00H>PC0000011000000000跳轉(zhuǎn)地址實驗一：實驗中機器指令解釋表地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說

18、明0000000000000000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000000100010000ADD0AHRO+0AH>R00000001000001010地址0000001100100000STA0BHR0>0BH0000010000001010地址0000010100110000OUT0BH0BH>LED0000011000001011地址0000011101000000JMP00H00H>PC0000100000000000跳轉(zhuǎn)地址0000101000000001加數(shù)，可自定00001011求和結(jié)果保存在0B單兀中實驗二：實驗中機器指令解釋表2.根據(jù)下圖連接線路算術(shù)

19、邏料年元Al.U G ZMIJ>DW2 LDDH1Av寄存器單元PU_GLDAKLOAD LDPCVI匚Hin- O微控制借單元m c LDH。LDJH CH1 PC.GLDAR LOAD LDPC地址指針單元*IUH7 H -i CE.R.O *E-H.IWART*-存儲舞單元A£0O LDIR指令單元V9 r-vVE O,E一1LMur *O TE一輸出單元¥G 口 tJ O SW_C 輸入單元;=>!>基本模型機實驗接線圖3 .聯(lián)機寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及表3微指令二進制表編輯成十六進制的規(guī)定格式文件。微指令格式中的微指令代碼為將表3中的24

20、位微代碼按從左到右分成3個8位，將此三個8位二進制代碼化為相應(yīng)的十六進制數(shù)即可。使用聯(lián)機軟件的文件裝載將實驗程序和微程序下載到實驗箱中，并用軟件的讀出功能進行檢查。其中參考程序一對應(yīng)的文件名為“基本模型機”，參考程序二對應(yīng)的文件名為“基本模型機”。實驗一的機器指令：$P0000$P0120$P0208$P0330$P0408$P0540$P0600實驗二的機器指令：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01微程序（以上兩程序公用）：$M00018110$M0300E004$M06959A01$M0901ED83$M0

21、C01ED96$M0F00A015$M1200A017$M15070A01$M18068A11$M0101ED82 $M0400B005 $M0700E00D $M0A01ED87 $M0D028201 $M1001ED92 $M $M $M1600D181$M0200C048$M0501A206$M08001001$M0B01ED8E$M0E00E00F$M1101ED94$M17070A104 .聯(lián)機運行首先使各個開關(guān)的狀態(tài)為：SIGNALUNIT中白SP03開關(guān)設(shè)置為“STEP狀態(tài)，SP04開關(guān)設(shè)置為“RUN狀態(tài)；CONTROLUNI的開關(guān)SP05處于“NORM狀態(tài)，SP06處于“RUN狀態(tài)；開關(guān)單元的開關(guān)SWBSWAJ“11”。使開關(guān)單元白總消開關(guān)CLR（1c