計算機組成原理課程設計基本模型機設計與實現(xiàn)

1、課程設計（大作業(yè)）報告課程名稱：設計題目：基本模型機設計與實現(xiàn)院 系：信息技術學院班 級：設計者：學 號：指導教師：設計時間：昆明學院信息技術學院課程設計（大作業(yè)）任務書姓名：院（系）：信息技術學院專 業(yè)：計算機科學與技術學 號： 課程設計題目：基本模型機設計與設計課程設計要求:本課程設計以ZYE1603B計算機組成原理及系統(tǒng)結構教學實驗系統(tǒng)為平臺，設計完成。按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設計一個微程序控制器。設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。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果。將微程序控制器模塊與運算器模塊，存儲器

2、模塊聯(lián)機，組成一臺模型計算機。用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。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系， 建立計算機整機的概念，掌握計算機的控制機制。按指定的應用項目進行匯編指令格式及功能設計，并設計相應的機器指令代碼，按 照模型機數(shù)據(jù)通路設計實現(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：集中進行課程設計題目的講解和分解，提出學生需要掌握的硬 件和軟件方面的知識和要求；以及在課程設計期間的安全和紀律要求，熟悉開發(fā)環(huán)境（ZYE1603B）（4401 機

3、房）。2017年6月19日下午：查閱資料、確定題目，了解各人（小組）設計安排，就設計過程進行集中講解，解決設計過程存在的問題。2017年6月20日6月22日：在機房進行系統(tǒng)的設計。2017年6月23日上午：分組討論，進行交流，了解學生的掌握情況，對本周的學習情況進行總結，對后續(xù)的設計提出要求；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。指導教師簽字2017年6月19日課程設計（大作業(yè)）成績學號姓名指導教師:課程設計題目：基本模型機設計與實現(xiàn)總結：指導教師評語：成績：填表時間:指導教師簽名:目錄課程設計（大作業(yè)）報告一、課程設計的教學目的在“微程序控制器的組成

4、與微程序設計實驗”的基礎上，進一步將其中 各單元組成系統(tǒng)構造一臺模型計算機。本實驗定義五條機器指令，編寫相應的微程序，并上機調試運行，形成 整機概念。課程設計內容設計一臺基本模型機，并實現(xiàn)相關的指令。二、課程設計任務和基本要求本課程設計以TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)為平臺設計完成。按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設計一個微程序控制器。設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。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果。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。用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。

5、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 與微指令的關系，建立計算機整機的概念，掌握計算機的控制機制。按指定的應用項目進行匯編指令格式及功能設計,并設計相應的 機器指令代碼，按照模型機數(shù)據(jù)通路設計實現(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)應用要求。三、設計任務及分析（1）設計任務：從輸入設備讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以A為間接地址的 內存單元，將X與R。寄存器中的內容Y執(zhí)行X禮結果送到以B為直 接地址的內存單元保存。（2）分析：A:給R0寄存器直接置入01H.B:從數(shù)據(jù)開關給間接地址為0CH的內存單元置數(shù)，（03H）.C

6、:給Ro中的內容取反，結果存在Ro中.D:將間接地址0CH中直接地址0EH中的內容（03H）放入。日1中，R。中的內容 放入DR2中，將DR1和DR2種的數(shù)進行異或運算，結果放在R。中.E:將R0中的內容存在直接地址為0DH的內存單元中.四、設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從內存中取出一條 機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一 條機器指令對應一段微程序。本實驗采用五條機器指令：IN （輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、 OUT （輸出）、JMP （無

7、條件轉移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN0000 0000“INPUT DEVICE ”中的開關狀態(tài) ROADDaddr00010000XXXXXXXX進制加法，R0+addrf R0STAaddr00100000XXXXXXXX存數(shù)，RO addrOUTaddr00110000XXXXXXXX輸出，addr BUSJMPaddr01000000XXXXXXXX無條件轉移，addrPC其中IN為單字長(8位)指令，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應的二進制地址碼。根據(jù)模型機的數(shù)據(jù)通路圖(如圖1所示)和指令的要求定義微代碼如下:微程序242120191

8、81716151312109761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2 A、B、P字段表中UA5UA0為6位后續(xù)微地址，A、B、C為三個譯碼字段，分別由三 個控制位譯碼出多位。P字段中的P (1)P (4)是四個測試字位。其功能是

9、根據(jù)機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實 現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。B字段中的RS-B、RD-B、RI-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R0、R1及R2的選通譯碼。A字段中的LDRI為從 輸入設備組件中讀入數(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)，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要

10、求的操作。“指令寄存器”(實 驗板上標有“ INS DECODE ”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結果強置微控器單 元的微地址，使下一條微指令指向相應得微程序首地址。本系統(tǒng)使用兩種外部設備，一種是二進制代碼開關，它作為輸入設備(INPUT DEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設備(OUPUT DEVICE)。例如：輸入時，二 進制開關數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關狀態(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。圖1基本模型機數(shù)據(jù)通路圖運算器。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

11、。在圖1模型機的結構圖中，ALU、ALU_G和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_G是ALU-G 實現(xiàn)用于控制ALU的運算結果的輸出，74299用74LS299實現(xiàn)用于對ALU 的運算結果進行移位運算；數(shù)據(jù)暫存器在圖1中由DR1和DR2組成，DR1 和DR2都是用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R0、R1和R2組成，R0、R1和R2都是用74LS374 實現(xiàn)，它們用作目的寄存器和源寄存器?？刂破?。控制器由微程序控制器、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

12、MControl，它里面存放了 指令系統(tǒng)對應的全部微程序，微程序控制器是由微控制存儲器和3個138 譯碼器實現(xiàn)(A138、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 取或寫入的地址；程序計數(shù)器在圖1中由PC_G和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_G由 PC-G實現(xiàn)，用于存儲程序的程序指針pc的值。存儲器。存儲器在圖1中表示

13、為MEN，存儲器用靜態(tài)隨機存儲器 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

14、指令是所有微程序都使用的公用微 指令，因此P1測試結果出現(xiàn)多路分支。本次課程設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SWB，SWA作為測試條件，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。當全部微程序設計完畢之后，應將每條微指令代碼化：當全部微程序設計完畢后， 應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化而成 的二進制微代碼表。微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE M17 M16ABPrA

15、5.RA0000 0 0 00 0 01 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 00 0 00 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 00 0 00 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 00 0 00 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 00 0 01 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 10 1 01 10 0 11 0 10 0 00 0 0

16、 0 0 1070 0 0 00 0 00 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 00 0 00 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 00 0 10 10 0 00 0 10 0 00 0

17、0 0 0 1160 0 0 00 0 00 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 00 0 00 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 00 0 01 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 00 0 00 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 00 0 01 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 00 0 00 00 1 00 0 00 0 00 1

18、 1 0 0 0250 0 0 00 1 11 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 00 0 00 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 00 1 11 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 00 1 10 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0PC-ARPC+1PC-ARPC+1RUN(11)JMP13141626170125PC-AR PC+1SW-R0. 1本實驗設計機器指令程序如下表所示。助記符PC-ARPC+1地址（二進制）進制明0000 0000RAM-000S000R

19、AM-bNJUSRAM將輸入數(shù)據(jù)送AM寄B存S器0000 00010000 00100000 00110000 0100BUS001PC-ARPC+1PC-ARPC+1RUN(11)JMP13141626170125PC-AR PC+1SW-R0. 1本實驗設計機器指令程序如下表所示。助記符PC-ARPC+1地址（二進制）進制明0000 0000RAM-000S000RAM-bNJUSRAM將輸入數(shù)據(jù)送AM寄B存S器0000 00010000 00100000 00110000 0100BUS0012 000000000 1000BUS0 8BUSR00 8HBUS-PCR0-0011 000

20、0R0-BUUT 0 8 H0000 1000BUS-RAM地址0 8 HJ- BUS M BUSJSWL0000 0101100 0000JMPJ00H0)H-PC0000 01100000 000 0000 01100000 000 dr1idr2-r0, 實驗跳轉地址dr1-LEd實驗中機器指令解釋表DR1-LED地址（二進制）內容（二進制）助記符說明0000 00000000 0000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000 00010001 0000ADD 0AHRO+0AHR00000 00100000 1010地址0000 00110010 0000STA 0BHR00BH0000 0

21、1000000 1010地址0000 01010011 0000OUT 0BH0BHLED0000 01100000 1011地址0000 01110100 0000JMP 00H00HPC0000 10000000 0000跳轉地址0000 10100000 0001加數(shù)，可自定0000 1011求和結果保存在0B單兀中實驗二：實驗中機器指令解釋表根據(jù)下圖連接線路基本模型機實驗接線圖聯(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的十六進制數(shù)即可。使用

22、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的文件名為“基本模型機”，參考程序二對應的文件名為“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$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08

23、001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11聯(lián)機運行首先使各個開關的狀態(tài)為：SIGNAL UNIT中的SP03開關設置為“STEP”狀 態(tài)，SP04開關設置為“RUN”狀態(tài)；CONTROL UNIT的開關SP05處于“NORM”狀 態(tài)，SP06處于“RUN”狀態(tài)；開關單