計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）報(bào)告 課程名稱：計(jì)算機(jī)組成原理 設(shè)計(jì)題目： 基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 院 系：信息技術(shù)學(xué)院 班 級(jí)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)3班 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2017.6.192017.6.23 昆明學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）任務(wù)書姓 名： 院（系）：信息技術(shù)學(xué)院專 業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號(hào)：任務(wù)起止日期：課程設(shè)計(jì)題目：基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)要求：本課程設(shè)計(jì)以ZYE1603B計(jì)算機(jī)組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)完成。1.按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器。2.設(shè)計(jì)給定機(jī)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

2、令代碼。3.連接邏輯電路完成啟動(dòng)、測(cè)試、編程、測(cè)試、效驗(yàn)和運(yùn)行，并觀測(cè)運(yùn)行過程及結(jié)果。4.將微程序控制器模塊與運(yùn)算器模塊，存儲(chǔ)器模塊聯(lián)機(jī)，組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)。5.用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路。6.通過在模型機(jī)上運(yùn)行由機(jī)器指令組成的簡(jiǎn)單程序，掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系，建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念，掌握計(jì)算機(jī)的控制機(jī)制。7.按指定的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行匯編指令格式及功能設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器指令代碼，按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序。在PC機(jī)上編輯機(jī)器指令和微程序，裝載代碼到ZYE1603B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求。工作計(jì)劃及安排：2017年6月19日上午：集中進(jìn)行課程設(shè)計(jì)題目的講解和分

3、解，提出學(xué)生需要掌握的硬件和軟件方面的知識(shí)和要求；以及在課程設(shè)計(jì)期間的安全和紀(jì)律要求，熟悉開發(fā)環(huán)境（ZYE1603B）（4401機(jī)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(jì)安排，就設(shè)計(jì)過程進(jìn)行集中講解，解決設(shè)計(jì)過程存在的問題。 2017年6月20日6月22日：在機(jī)房進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2017年6月23日上午：分組討論，進(jìn)行交流，了解學(xué)生的掌握情況，對(duì)本周的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)提出要求；對(duì)存在的問題進(jìn)行分析和解決。（機(jī)房）。 2017年6月23日下午：答辯，成績(jī)?cè)u(píng)定。指導(dǎo)教師簽字 2017年 6月19 日 課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）成績(jī)學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)教師：

4、課程設(shè)計(jì)題目：基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總結(jié)：指導(dǎo)教師評(píng)語：成績(jī)：填表時(shí)間：指導(dǎo)教師簽名：目錄一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的5二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求6三、設(shè)計(jì)任務(wù)及分析6四、設(shè)計(jì)原理7五、操作步驟121本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下表所示。12根據(jù)下圖連接線路143聯(lián)機(jī)寫程序144. 聯(lián)機(jī)運(yùn)行15六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果16七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)17八、參考書籍17課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）報(bào)告一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的1. 在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其中各單元組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)。2. 本實(shí)驗(yàn)定義五條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試運(yùn)行，形成整機(jī)概念。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)一臺(tái)基本模型機(jī)，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)

5、的指令。二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求本課程設(shè)計(jì)以TDN-CM+計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器。2. 設(shè)計(jì)給定機(jī)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(dòng),測(cè)試,編程,測(cè)試,效驗(yàn)和運(yùn)行,并觀測(cè)運(yùn)行過程及結(jié)果。4. 將微程序控制器模塊與運(yùn)算器模塊,存儲(chǔ)器模塊聯(lián)機(jī),組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)。5. 用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路。6. 通過在模型機(jī)上運(yùn)行由機(jī)器指令組成的簡(jiǎn)單程序,掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念,掌握計(jì)算機(jī)的控制機(jī)制。7. 按指定的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行匯編指令格式及功能

6、設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器指令代碼,按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序.在PC機(jī)上編輯機(jī)器指令和微程序,裝載代碼到TDN-CM+實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求。三、設(shè)計(jì)任務(wù)及分析(1)設(shè)計(jì)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R0.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: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R0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種的數(shù)進(jìn)行

7、異或運(yùn)算,結(jié)果放在R0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(jì)原理模型機(jī)在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生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： IN（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）：助記符機(jī)器指令碼說明IN0000 0000“INPUT DEVICE”中的開關(guān)狀態(tài)ROADDaddr00010000

8、15;×××××××進(jìn)制加法，R0+addr R0STAaddr00100000××××××××存數(shù)，RO addrOUTaddr00110000××××××××輸出，addrBUSJMPaddr 01000000××××××××無條件轉(zhuǎn)移，addrPC其中IN 為單字長(zhǎng)（位）指令，其余為

9、雙字長(zhǎng)指令，××××××××為addr 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。根據(jù)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖（如圖所示）和指令的要求定義微代碼如下：微程序24212019181716151312109761控制信號(hào)S3S0MCNRDM17M16ABPuA5uA0表1 微代碼定義A字段B字段P字段151413控制信號(hào)121110控制信號(hào)987控制信號(hào)000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101

10、ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表2 A、B、P字段表中A5A0 為6 位后續(xù)微地址，A、B、C 為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯碼出多位。P 字段中的P（1）P（4）是四個(gè)測(cè)試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。B 字段中的RS-B、RD-B、RI-B 分別為源寄存器選通信號(hào)、目的寄存器選通信號(hào)及變址寄存器選通信號(hào)，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1 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(hào)。指令寄存器(IR)用來保存當(dāng)前正在

11、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(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?！爸噶罴拇嫫鳌?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結(jié)果強(qiáng)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(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUT 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

12、，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS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，在數(shù)碼管顯示。圖基本模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖（1） 運(yùn)算器。運(yùn)算器又由運(yùn)算邏輯單元、數(shù)據(jù)暫存器、通用寄存器組成。在圖1模型機(jī)的結(jié)構(gòu)圖中，ALU、ALU_G和74299組成運(yùn)算邏輯單元，其中ALU是由2個(gè)4位的74LS181串聯(lián)成8位的運(yùn)算器，ALU_G是ALU-G實(shí)現(xiàn)用于控制ALU的運(yùn)算結(jié)果的輸出，74299用74LS299實(shí)現(xiàn)用于對(duì)ALU的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行移位運(yùn)算；數(shù)據(jù)暫存器在圖1中由DR1和DR2組成，DR1和DR2都是用74LS273實(shí)現(xiàn)，它們用于存儲(chǔ)運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)；通用寄存器在

13、圖1中由R0、R1和R2組成，R0、R1和R2都是用74LS374實(shí)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绦蚩刂破鳌⒅噶罴拇嫫?、地址寄存器和程序計(jì)數(shù)器組成。在圖1中微程序控制器表示為MControl，它里面存放了指令系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的全部微程序，微程序控制器是由微控制存儲(chǔ)器和3個(gè)138譯碼器實(shí)現(xiàn)（A138、B138和P138），用于產(chǎn)生控制信號(hào)來控制各個(gè)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(gè)74LS273實(shí)現(xiàn)，用于存放當(dāng)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(gè)74LS273實(shí)現(xiàn)，在讀取或者寫入存儲(chǔ)器時(shí)用于指明要讀取或?qū)懭氲牡刂罚怀?/p>

14、序計(jì)數(shù)器在圖1中由PC_G和PC組成，其中PC是由八位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，用于產(chǎn)生程序指針pc的下一個(gè)值，PC_G由PC-G實(shí)現(xiàn)，用于存儲(chǔ)程序的程序指針pc的值。（3） 存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器在圖1中表示為MEN，存儲(chǔ)器用靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器6116實(shí)現(xiàn)，用來存儲(chǔ)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(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出等模塊，數(shù)據(jù)總線由ccp_DataBus實(shí)現(xiàn)。（5） 輸入輸出。輸入輸出類似于鍵盤和顯示器。（6） 時(shí)序產(chǎn)生器。在圖1中T1、T2、T3和T4等控制信號(hào)都是由時(shí)序產(chǎn)生器生產(chǎn)，時(shí)序產(chǎn)生器由時(shí)序電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示，時(shí)序產(chǎn)生器一個(gè)周期中產(chǎn)生四個(gè)脈沖信號(hào)T1T4，這四個(gè)脈沖信號(hào)用于

15、控制組件的執(zhí)行順序，組件在這些信號(hào)的控制下有序的執(zhí)行，一個(gè)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(dāng)擬定“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P1測(cè)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P1測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計(jì)用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元?？刂婆_(tái)操作為P4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3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他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。當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化：當(dāng)全

16、部微程序設(shè)計(jì)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(jìn)制微代碼表。微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE M17 M16ABPA 5A0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0

17、00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 0

18、 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 0 1 0 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0

19、 0220 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0

20、10 0 00 1 0 0 0 0表3 二進(jìn)制代碼表 00P4 WRITE（01） READ(00) RUN(11) 21 20 23PC>AR PC+1PC>AR PC+1 24 22RAM>BUS BUS>DR1RAM>BUS BUS>DR1 01DR1>RAMDR1>RAM 30 27 PC->ARPC+1RAM->BUSBUS->IRP1SW->R0PC->ARPC+1PC->AR PC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1RAM->BUSBUS->DR2R0->DR

21、1DR1+DR2->R0DR1->LEDRAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->ARR0->BUSBUS->RAMRAM->BUSBUS->DR1DR1->LEDRAM->BUSBUS->PC 運(yùn)行： 01 02 10 IN ADD STA OUT JMP 10 11 12 13 14 01 03 07 16 26 04 15 17 01 05 01 25 06 01 01圖2 微程序流程圖五、操作步驟1本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下表所示。地址(二進(jìn)制)內(nèi)容(二進(jìn)制)助記符說 明0000 0000000

22、0 0000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000 00010010 0000STA 0HR0>0H0000 00100000 1000地址0000 00110011 0000OUT 0H0H> BUS0000 01000000 1000地址0000 01010100 0000JMP 00H00H>PC0000 01100000 0000跳轉(zhuǎn)地址實(shí)驗(yàn)一：實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令解釋表地址(二進(jìn)制)內(nèi)容(二進(jìn)制)助記符說 明0000 00000000 0000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000 00010001 0000ADD 0AHRO+0AH>R00000 00100000 101

23、0地址0000 00110010 0000STA 0BHR0>0BH0000 01000000 1010地址0000 01010011 0000OUT 0BH0BH>LED0000 01100000 1011地址0000 01110100 0000JMP 00H00H>PC0000 10000000 0000跳轉(zhuǎn)地址0000 10100000 0001加數(shù)，可自定0000 1011求和結(jié)果保存在0B單元中實(shí)驗(yàn)二：實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令解釋表根據(jù)下圖連接線路基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)接線圖3聯(lián)機(jī)寫程序按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及表3微指令二進(jìn)制表編輯成十六進(jìn)制的規(guī)定格式文件。微指令格式中的微指令代碼

24、為將表3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。使用聯(lián)機(jī)軟件的文件裝載將實(shí)驗(yàn)程序和微程序下載到實(shí)驗(yàn)箱中，并用軟件的讀出功能進(jìn)行檢查。其中參考程序一對(duì)應(yīng)的文件名為“基本模型機(jī)1.TXT”，參考程序二對(duì)應(yīng)的文件名為“基本模型機(jī)2.TXT”。實(shí)驗(yàn)一的機(jī)器指令： $P0000 $P0120 $P0208$P0330 $P0408 $P0540$P0600實(shí)驗(yàn)二的機(jī)器指令：$P0000 $P0110 $P020A$P0320 $P040B $P0530$P060B $P0740 $P0800$P0A01微程序（以上兩程序公用）：$M00018110 $M0

25、101ED82 $M0200C048$M0300E004 $M0400B005 $M0501A206$M06959A01 $M0700E00D $M08001001$M0901ED83 $M0A01ED87 $M0B01ED8E$M0C01ED96 $M0D028201 $M0E00E00F$M0F00A015 $M1001ED92 $M1101ED94$M1200A017 $M13018001 $M14002018$M15070A01 $M1600D181 $M17070A10$M18068A114. 聯(lián)機(jī)運(yùn)行首先使各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)為：SIGNAL UNIT中的SP03開關(guān)設(shè)置為“STEP”狀態(tài)，SP04開