計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)-有帶進(jìn)位加法和立即數(shù)尋址方式的模型機(jī)

1、目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327828848 摘要 PAGEREF _Toc327828848 h - 2 - HYPERLINK l _Toc327828849 第一章 題目與要求 PAGEREF _Toc327828849 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828850 1.1課程設(shè)計(jì)題目 PAGEREF _Toc327828850 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828851 1.2 課程設(shè)計(jì)目的 PAGEREF _Toc327828851 h - 3 - HYPERLINK l _Toc3278288

2、52 1.3 課程設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc327828852 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828853 1.4 設(shè)計(jì)目標(biāo) PAGEREF _Toc327828853 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828854 第二章 準(zhǔn)備知識(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備 PAGEREF _Toc327828854 h - 4 - HYPERLINK l _Toc327828855 2.1 準(zhǔn)備知識(shí) PAGEREF _Toc327828855 h - 4 - HYPERLINK l _Toc327828856 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置 PAGEREF _Toc327828856

3、 h - 6 - HYPERLINK l _Toc327828857 第三章 模型機(jī)的設(shè)計(jì)驟 PAGEREF _Toc327828857 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828858 3.1確定設(shè)計(jì)目標(biāo) PAGEREF _Toc327828858 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828859 3.2確定指令系統(tǒng) PAGEREF _Toc327828859 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828860 3.3確定總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc327828860 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828861

4、 3.4設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程 PAGEREF _Toc327828861 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828862 確定微程序地址 PAGEREF _Toc327828862 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828863 微指令代碼化 PAGEREF _Toc327828863 h - 8 - HYPERLINK l _Toc327828864 編寫(xiě)工作程序并代碼化 PAGEREF _Toc327828864 h - 8 - HYPERLINK l _Toc327828865 聯(lián)機(jī)操作文件的建立 PAGEREF _Toc327828865 h - 9

5、 - HYPERLINK l _Toc327828866 連接實(shí)驗(yàn)線路 PAGEREF _Toc327828866 h - 9 - HYPERLINK l _Toc327828867 3.5調(diào)試 PAGEREF _Toc327828867 h - 10 - HYPERLINK l _Toc327828868 第四章 實(shí)驗(yàn)步驟 PAGEREF _Toc327828868 h - 11 - HYPERLINK l _Toc327828869 4.1程序的內(nèi)存映象 PAGEREF _Toc327828869 h - 11 - HYPERLINK l _Toc327828870 4.2流程圖 PAGE

6、REF _Toc327828870 h - 12 - HYPERLINK l _Toc327828871 4.3微程序 PAGEREF _Toc327828871 h - 12 - HYPERLINK l _Toc327828872 4.4程序分析： PAGEREF _Toc327828872 h - 13 - HYPERLINK l _Toc327828873 第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) PAGEREF _Toc327828873 h - 15 - HYPERLINK l _Toc327828874 謝 辭 PAGEREF _Toc327828874 h - 16 - HYPERLINK l _Toc

7、327828875 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc327828875 h - 17 -摘要在高新技術(shù)日新月異的今天，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為整個(gè)社會(huì)發(fā)展的源動(dòng)力，電子領(lǐng)域的發(fā)展更是令人目不暇接，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，遍跡了千家萬(wàn)戶，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快。 使設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視，通過(guò)設(shè)計(jì)?？梢栽O(shè)計(jì)出更好更新的科技產(chǎn)品，這將給科技的發(fā)展帶來(lái)很好的積極作用，也使科技的水平得到一定的高。此次課程設(shè)計(jì)的目的是從硬件的角度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，掌握計(jì)算機(jī)最基本的工作原理。為培養(yǎng)在計(jì)

8、算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析、研究、開(kāi)發(fā)等方面的能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。了解硬件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位，以硬件為核心，疊加不同層次的軟件，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過(guò)程有更深的了解，加深對(duì)理論課程的理解。為今后的科研打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。第一章 題目與要求1.1課程設(shè)計(jì)題目有帶進(jìn)位加法和立即數(shù)尋址方式的模型機(jī)1.2 課程設(shè)計(jì)目的通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成，部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過(guò)程有更深的了解，在此基礎(chǔ)上完成一臺(tái)基本計(jì)算機(jī)的組成設(shè)

9、計(jì)，從而加深對(duì)理論課程的理解，鍛煉自己的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力。1.3 課程設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)模型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)共包含五條機(jī)器指令：IN(輸入)、ADC(帶進(jìn)位加法)、OUT(輸出)、STA（存數(shù)）、JMP（無(wú)條件轉(zhuǎn)移），加法指令的尋址方式為立即數(shù)尋址。其中IN指令為單字長(zhǎng)（8位），其余為雙字長(zhǎng)指令。使用R0寄存器作為工作寄存器。問(wèn)題描述本題目設(shè)計(jì)的是一臺(tái)具有輸入、輸出、帶進(jìn)位加法、儲(chǔ)存和跳轉(zhuǎn)功能的模型計(jì)算機(jī)，并寫(xiě)出工作程序和測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)。1.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)在設(shè)計(jì)完本程序后，所設(shè)計(jì)模型機(jī)能夠完成從一個(gè)外設(shè)輸入一個(gè)數(shù)到指定的寄存器中，另外輸入立即數(shù)并將其存入另一個(gè)、寄存器中，兩數(shù)進(jìn)行進(jìn)位

10、相加并將結(jié)果保存到第一個(gè)寄存器，輸出結(jié)果，并顯示。另外，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)至開(kāi)始。指令格式助記符號(hào)機(jī)器指令碼功 能IN0000 0000Input - R0ADC Imm1110 0000 XXXX XXXXR0+Imm+CY - R0STA addr0010 0000 XXXX XXXXR0 - addrOUT addr0011 0000 XXXX XXXXaddr - LEDJMP addr0100 0000 XXXX XXXXaddr - PC第二章 準(zhǔn)備知識(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.1 準(zhǔn)備知識(shí)微指令格式微指令字長(zhǎng)共24位，其控制位順序如下表所示：A字段B字段C字段151413選擇121110選擇98

11、7選擇000000000001LDRi001RS-B001P(1)010LDDR1010RD-B010P(2)011LDDR2011RI-B011P(3)100LDIR100299-B100P(4)101LOAD101ALU-B101AR110LDAR110PC-B110LDPC表中uA0uA5為6位的下一條微指令的地址,A、B、C為3個(gè)譯碼字段,分別由三個(gè)控制位譯碼出多位。C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，其原理如圖2所示。圖中I7I2為指令寄存器的72位輸出，SE5SE1為

12、微控器單元微地址鎖存器的強(qiáng)制端輸出。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS-B、R0-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)器指令進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼，其原理圖如圖3所示，圖中I0I3為指令積存器的第03位，LDRi為打入工作寄存器信號(hào)的譯碼器使能控制位。（2）指令譯碼電路圖 2-1指令譯碼電路（3）寄存器譯碼電路圖2-2寄存器譯碼電路圖2-3微程序控制電路2.2 實(shí)驗(yàn)裝置 計(jì)算機(jī)組成原理THTJZ-2型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)，排線若干。 計(jì)算機(jī)組成原理控制軟件。第三章 模型機(jī)的設(shè)計(jì)驟設(shè)計(jì)一臺(tái)

13、完整的計(jì)算機(jī)，大致需按如下的順序來(lái)考慮：3.1確定設(shè)計(jì)目標(biāo)確定所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的功能和用途。3.2確定指令系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、指令的編碼、類(lèi)型、需要設(shè)計(jì)哪些指令及使用的尋址方式，并給出具體的編碼，比如指令的操作碼，地址碼等的位數(shù)及各種編碼的含義。3.3確定總體結(jié)構(gòu)（寄存器、加法器、選擇器的設(shè)置與數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含確定各部件設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，就可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實(shí)現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。對(duì)于部件設(shè)置，比如要確定運(yùn)算器部件采用什么結(jié)構(gòu)，控制器是微程序控制還是硬聯(lián)控制等。綜合考慮計(jì)算機(jī)的速率、性能價(jià)格比、可靠性等要求，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)

14、，確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的操作就不同，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。3.4設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程。根據(jù)指令的復(fù)雜程度，確定每條指令所需要的機(jī)器周期數(shù)。對(duì)于微程序控制的計(jì)算機(jī)，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需考慮哪些微操作可以安排在同一條微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。確定微程序地址確定后續(xù)微地址的形成方法，確定每個(gè)微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。微指令代碼化根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化。首先寫(xiě)出每個(gè)微地址以及該地址對(duì)應(yīng)的微指令代碼（共24位二進(jìn)制信息），如下表所示：微地址S3 S2 S1 S0 M C

15、N WE A9 A8ABCUA5UA00 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 00 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0其中：微地址表示控制存儲(chǔ)器的地址，后面的24位表示微指令。 然后將每個(gè)微地址和對(duì)應(yīng)的微指令轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，并寫(xiě)在一行，格式為：$M*，前面2個(gè)*表示該微指令的在微控制器中的地址，后面6個(gè) *表示

16、該微指令代碼。如上述表中的四條微指令寫(xiě)成：$M00018110：表示在控制存儲(chǔ)器地址00h處的代碼是018110h。$M0101ED82：表示在控制存儲(chǔ)器地址01h處的代碼是01ED82h。$M0200C048：表示在控制存儲(chǔ)器地址02h處的代碼是00C048h。$M0300E004：表示在控制存儲(chǔ)器地址03h處的代碼是00E004h。編寫(xiě)工作程序并代碼化編寫(xiě)測(cè)試用的工作程序，并寫(xiě)出內(nèi)存映像，用二進(jìn)制表示。然后代碼化用16進(jìn)制來(lái)表示，格式為：$P*，前面2個(gè)*表示該內(nèi)存的地址，后面2個(gè)*表示該地址的數(shù)據(jù)。例如： $P0044：表示在內(nèi)存地址00h處的數(shù)據(jù)是44h。$P0146：表示在內(nèi)存地址0

17、1h處的數(shù)據(jù)是46h。聯(lián)機(jī)操作文件的建立為了從PC機(jī)下載工作程序和微程序，需要建立聯(lián)機(jī)操作文件，該文件是普通的文本文件，擴(kuò)展名為T(mén)XT，可用記事本來(lái)建立的，要求：測(cè)試用的工作程序排在文件的前面，每個(gè)內(nèi)存地址及代碼占一行；微指令代碼排在文件的后面，每個(gè)微地址及微指令代碼占一行；例如，下面是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的文件(文件名：sample.txt)：$P0044$P0146$P0298$M00018108$M0101ED82$M0200C050連接實(shí)驗(yàn)線路根據(jù)如圖3-1的實(shí)驗(yàn)線路圖連接實(shí)驗(yàn)線路。使用唐都軟件將工作程序和微程序下載到實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)存和控制存儲(chǔ)器中。其中，自帶電源線的實(shí)驗(yàn)箱用NCMP53軟件，啟動(dòng)軟件

18、后使用F4裝載進(jìn)行下載；外接電源線的實(shí)驗(yàn)箱用CMPP軟件，啟動(dòng)軟件后在菜單中選擇轉(zhuǎn)儲(chǔ)/裝載進(jìn)行下載。圖 3-13.5調(diào)試在總調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的正常運(yùn)行。可以使用控制臺(tái)命令SWA、SWB的不同取值，或使用聯(lián)機(jī)軟件檢查內(nèi)存程序是否正確，微程序是否正確。當(dāng)所有功能模塊都調(diào)試正常后，進(jìn)入總調(diào)試?？梢允褂脝尾轿⒅噶罘绞綀?zhí)行工作程序，也可以直接使用連續(xù)方式執(zhí)行程序。在執(zhí)行過(guò)程中，可以通過(guò)聯(lián)機(jī)軟件的數(shù)據(jù)通路圖查看信息在計(jì)算機(jī)中的傳送路徑，更有利于掌握數(shù)據(jù)的通路結(jié)構(gòu)。這樣也可以直接驗(yàn)證程序和微程序的正確性。如果運(yùn)行結(jié)果不正確，需要返回來(lái)修改程序或微

19、程序，每次修改后，需要重新完成第10步，將程序和微程序下載到實(shí)驗(yàn)箱中。第四章 實(shí)驗(yàn)步驟 在測(cè)試程序裝入內(nèi)存后，機(jī)器自動(dòng)執(zhí)行控存中00號(hào)的微指令，產(chǎn)生控制臺(tái)命令，其流程如下（01為取指微指令的地址）：4.1程序的內(nèi)存映象本設(shè)計(jì)的工作程序的內(nèi)存映象(裝入起始地址00H)如下：地址(二進(jìn)制)內(nèi)容(二進(jìn)制)助記符說(shuō) 明十六進(jìn)制代碼0000 00000000 0000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器00000000 00010001 0000ADD OAH01100000 00100000 1010RO+0AHR0020A0000 00110010 0000STA 0BH03200000 01000000 1

20、011R00BH040B0000 01010011 0000OUT 0BH05300000 01100000 10110BHLED060B0000 01110100 0000JMP 0107400000 10000000 000101HPC08010000 10100000 0001輸入自定的數(shù)據(jù)0A014.2流程圖本設(shè)計(jì)的程序流程圖如下：4.3微程序微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0（后續(xù)地址）十六進(jìn)制代碼0 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 00300E0040 40 0 0 0 0 0 0 0 1

21、0 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 10400B0050 50 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 00501A2060 61 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 106959A010 90 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 10901ED834.4程序分析：程序思想如下：首先將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器，然后送到ALU單元執(zhí)行ADD操作，加法完成后將結(jié)果再送到R0寄存器，然后STA跳轉(zhuǎn)，將R0寄存器的數(shù)據(jù)送到0BH，然后送顯示器顯示，送顯后立即JMP指

22、令回到微程序的01步，即繼續(xù)執(zhí)行ADD加法，一直循環(huán)。微程序中，當(dāng)A9=0，A8=0時(shí)，選中Y0； 當(dāng)A9=0，A8=1時(shí)，選中Y1； 當(dāng)A9=1，A8=0時(shí)，選中Y2； 當(dāng)A9=1，A8=1時(shí)，選中Y3 微指令解釋?zhuān)褐噶钪蠸3CN為全0表示不執(zhí)行任何運(yùn)算操作，A9，A8如開(kāi)始解釋的表示選擇外設(shè)，均為1表示選中擴(kuò)展單元（EX UNIT）的Y3，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)接線圖可知，Y3表示不做任何操作，A，B，C字段為根據(jù)實(shí)驗(yàn)線路圖中起作用的單元，從09開(kāi)始A，B，C分別為110，110，110表示LDAR，PC-B，LDPC有效（附錄圖3），根據(jù)數(shù)據(jù)通路圖，即是PC-AR，PC并自動(dòng)+1，UA5UA0為00

23、0011，即下址為下一條微指令地址03H。09執(zhí)行完后根據(jù)下址到達(dá)03，其中 A9，A8為01即是選中Y1，Y1與WE相連表示存儲(chǔ)器工作，即RAM-BUS-AR，后續(xù)地址為04H。04指令中，A，B，C字段分別為011，000，000表示LDDR2有效，即表示將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳送到DR2寄存器中，RAM-BUS-DR2，后續(xù)地址為05H。05這條指令的A，B，C字段為010，001，000，即是LDDR1，RS-B有效，表示叫R0的數(shù)據(jù)傳送到DR1寄存器中，R0-DR1，后續(xù)地址為06H。06指令既為ADD運(yùn)算，S3CN為100101，A，B，C字段為001，101，000，即LDRi，ALU-

24、B邏輯運(yùn)算單元有效，執(zhí)行運(yùn)算操作，將DR1和DR2中的數(shù)據(jù)相加，完成后將結(jié)果傳送到R0，（DR1）+（DR2）-R0。即完成了一次加法操作。ADD指定完成后有JMP跳轉(zhuǎn)到01H。一直循環(huán)進(jìn)行加法運(yùn)算。微指令代碼如下：$M00018110$M0700E00D$M0E00E00F$M15070A01$M0101ED82$M08001001$M0F00A015$M1600D181$M0200C048$M0901ED83$M1001ED92$M17070A10$M0300E004$M0A01ED87$M1101ED94$M18068A11$M0400B005$M0B01ED8E$M1200A017$M

25、0501A206$M0C01ED96$M13018001$M06959A01$M0D028201$M140020181.測(cè)試數(shù)據(jù)：FEH結(jié)果為：FE-FF-00-02-03-04-FF-00-02- 做循環(huán)加法一直循環(huán),每次加1。2.結(jié)果分析：ADD執(zhí)行的是不產(chǎn)生進(jìn)位的加法，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是每次在原來(lái)的數(shù)據(jù)上加01H。不產(chǎn)生進(jìn)位加。測(cè)試數(shù)據(jù)中 FF+01后會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位，控制信號(hào)CN=1，AR=0，把上次運(yùn)行結(jié)果帶入下次運(yùn)算，進(jìn)位產(chǎn)生的01就自動(dòng)帶入到下次運(yùn)算中，最后結(jié)果為00+01=02。 第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過(guò)程有更深的了解，加深了對(duì)組成原理理論課程的理解。