計算機組成課設報告

計算機組成課設報告《計算機組成與系統(tǒng)結構》課程設計報告報 告 題目：RISC模型機的設計及實現(xiàn)作者所在系部： 計算機科學與工程系作者所在專業(yè)： 計算機科學與技術作者所在班級： B08515作者姓名：張健(31)指導教師姓名： 楊 立完成時間： 2010-12-24北華航天工業(yè)學院教務處制目 錄目錄................................................................................................................................1內容摘要............................................................................................................................2關鍵詞................................................................................................................................2課程設計任務書................................................................................................................3第1章緒論....................................................................................................................41.1設計地點.......................................................................................................41.2設計目的.......................................................................................................41.3設計內容.......................................................................................................41.4實驗的環(huán)境：...............................................................................................5第2章基礎知識..............................................................................................................52.1概述...............................................................................................................52.2主要技術要點...............................................................................................62.2.1ALU部件....................................................................................62.2.2.存儲體........................................................................................62.2.3控制器.......................................................................................6第3章系統(tǒng)設計與實現(xiàn)..................................................................................................73.1模型機結構...................................................................................................73.2程序設計原理...............................................................................................73.2.1數(shù)據(jù)格式及指令格式.................................................................73.2.2指令系統(tǒng).....................................................................................83.3機器指令設計...............................................................................................93.4聯(lián)機實驗...................................................................................................103.4.1實驗連線.....................................................................................103.4.2實驗步驟......................................................................................113.4.3實驗測試：.................................................................................13第4章實驗總結............................................................................................................13參考資料..........................................................................................................................141內容摘要計算機系統(tǒng)是包括計算機硬件和軟件的一個整體， 兩者不可分割，但處于不同的層次上。計算機系統(tǒng)的層次結構模型中，第 0層是硬件內核(邏輯線路)，第1、2層是指令系統(tǒng)和實現(xiàn)該指令系統(tǒng)所采用的技術（組合邏輯技術、微程序控制技術、 PLA 控制技術），第3、4層為系統(tǒng)軟件，第 5層為應用軟件，第 6層是系統(tǒng)分析。計算機組成原理涉及到的是第 0、1、2這3層。本次計算機組成原理的課程設計主要是實現(xiàn)一個較完整的模型機，在實驗中了解，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、 運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的結構與功能、輸入 /輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。以及增強自己的動手能力。課設主要依托組成原理實驗室設備 EL-JY-II 來完成的，在實驗當中利用了實驗設備廠商開發(fā)的工具以及部分源程序代碼。在此說明。在實驗中我要感謝楊老師的辛勤付出， 每天來到實驗室指導我們進行實驗， 在此特別提出感謝。同時也要感謝我的搭檔，正是我們相互配合完成了本次課程設計。關鍵詞模型機，微指令，機器指令，地址，微地址，微代碼74LS181 ALU 74LS273 74LS244 61162課程設計任務書課題名稱復雜模型機系統(tǒng)設計及運行完成時間2010-12-24指導教師楊立職稱教授學生姓名張健班級B08515總體設計要求和技術要點掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的結構與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。（1）利用實驗設備平臺構造完整的模型機；（2）利用運算器74LS181執(zhí)行算術操作和邏輯操作；3）運用隨機存儲器RAM以及地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關系，實現(xiàn)運算器和存儲器協(xié)同工作，讀寫數(shù)據(jù)，檢查結果是否正確；4）應用微程序控制器，往EEPROM里任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確性；（5）構造指令系統(tǒng)，定義至少 10條機器指令，實現(xiàn)比較完整的模型機功能；6）利用微程序控制器控制模型機運行，實現(xiàn)基于重疊和流水線技術的CPU技術。工作內容及時間進度安排總計2周：1.12月17日：資料查閱、選題、系統(tǒng)總體設計2.12月18日-12月24日：熟悉開發(fā)環(huán)境和工具，模塊設計、代碼編制3.12月25日－28日：系統(tǒng)調試與運行，成果驗收4.12月28日：上交設計報告課程設計成果3課程設計硬件系統(tǒng)及配套軟件課程設計報告書第1章 緒論本課程設計綜合運用運算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、總線等部件和輔助電路，完成一個較完整的模型計算機設計和實現(xiàn)（包括硬件和軟件）。1.1設計地點計算機組成原理實驗室；1.2設計目的通過課程設計對計算機組成和系統(tǒng)結構的基礎知識進行全面的掌握，培養(yǎng)獨立分析、研究、開發(fā)和綜合設計能力。1.3設計內容掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的結構與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。1）利用實驗設備平臺構造完整的模型機；2）利用運算器74LS181執(zhí)行算術操作和邏輯操作；3）運用隨機存儲器RAM以及地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關系，實現(xiàn)運算器和存儲器協(xié)同工作，讀寫數(shù)據(jù)，檢查結果是否正確；4）應用微程序控制器，往EEPROM里任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確性；5）構造指令系統(tǒng)，定義至少10條機器指令，實現(xiàn)比較完整的模型機功能；（6）利用微程序控制器控制模型機運行，實現(xiàn)基于重疊和流水線技術的 CPU技術。要求畫出系統(tǒng)模塊框圖：按從上到下的設計方法，將整個設計依功能劃分成若干模塊；并確定各個模塊的輸出、輸入端口及要完成的功能。檢查模塊邏輯功能是否正確；41.4實驗的環(huán)境：利用EL-JY-II 型計算機組成與系統(tǒng)結構實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“基板+擴展板（CPU板）”形式；系統(tǒng)公共部分如數(shù)據(jù)輸入/輸出和顯示、單片機控制、與PC機通訊等電路放置在基板上，微程序控制器、運算器、各種寄存器、譯碼器等電路放置在擴展板上。第2章基礎知識2.1概述計算機系統(tǒng)是包括計算機硬件和軟件的一個整體，兩者不可分割，但處于不同的層次上。計算機系統(tǒng)的層次結構模型中，第0層是硬件內核(邏輯線路)，第1、2層是指令系統(tǒng)和實現(xiàn)該指令系統(tǒng)所采用的技術（組合邏輯技術、微程序控制技術、 PLA 控制技術），第3、4層為系統(tǒng)軟件，第 5層為應用軟件，第 6層是系統(tǒng)分析。計算機組成原理涉及到的是第 0、1、2這3層。計算機硬件主要由運算器、存儲器、控制器和輸入 /輸出五個部件組成。圖2.1微處理器結構（1）運算器是進行算術運算和邏輯運算的部件，運算數(shù)據(jù)以二進制格式給出，同時也是計算機內部數(shù)據(jù)信息的重要通路。運算器大體包括算術邏輯運算單元 ALU、通5用寄存器組、專用寄存器以及附加的控制線路。（2）存儲器是存放數(shù)據(jù)和程序的部件。計算機中的存儲器按功能分為主存、輔存和高速緩沖存儲器 CACHE，由這3類存儲器構成存儲系統(tǒng)的層次結構。（3）控制器是計算機的核心部件，協(xié)調計算機系統(tǒng)的正常工作，主要包括指令寄存器、指令譯碼器和時序控制器等部件。（4）輸入輸出部件包括各類輸入輸出設備和相應的接口。2.2主要技術要點 部件ALU部件是一種能進行多種算術運算和邏輯運算的組合邏輯電路。它的基本邏輯結構是先行進位加法器。74181是國際流行的4位ALU中規(guī)模集成電路，能對兩個4位二進制代碼進行16種算術運算和16種邏輯運算，這兩類運算由M信號選擇。16種運算—— ——又由S3S2S1S0四位控制選擇。用Cn表示ALU的最低位進位輸入，用Cn+4表示ALU的進位輸出信號。 存儲體靜態(tài)MOS存儲器芯片由存儲體、地址譯碼和控制電路等部分組成。存儲體是存儲單元的集合。地址譯碼器把二進制表示的地址轉換為譯碼輸入線上的高電位，驅動相應的讀寫電路?？刂破鞲鶕?jù)CPU給出的讀或寫命令，控制被選中的存儲單元讀出或寫入。 控制器CPU的硬件完成的是讀取指令，分析指令后產(chǎn)生相應的控制信號，用于指令的執(zhí)行完成。對指令的讀取和譯碼分析就是控制器的功能?？刂破鹘M成如下：（1）指令計數(shù)器：存放要執(zhí)行的下一條指令的地址（2）指令寄存器：存放現(xiàn)行指令（3）指令譯碼器：對指令操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應的控制信號給操作信號形成部件（4）脈沖源及啟?？刂齐娐罚好}沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，作為整個機器的時鐘脈沖，啟停線路可以開放或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生于停止，實現(xiàn)對機器的啟動和停機。（5）時序信號產(chǎn)生部件：以時鐘脈沖為基礎，具體產(chǎn)生不同指令對應的周期、節(jié)拍、工作脈沖等時序信號。操作控制信號形成部件產(chǎn)生指令所需要的操作控制信號序列， 用以控制計算機各部6分的操作，它是整個控制的核心。該部件的組成可用微程序方式，也可用組合邏輯方式或可編程邏輯陣列 PLA方式。微程序控制方式的基本思想是把機器指令的每一操作控制步編成一條微指令。微指令的格式可分為水平型微指令和垂直型微指令。 微指令的每一位代表一個微命令，也即代表了操作控制信號。微指令序列稱為微程序，每一條機器指令對應一段微程序。計算機指令系統(tǒng)所對應的所有的微程序存放在微程序存儲器中。每條微指令具有唯一的微地址，執(zhí)行微程序時，采用微指令地址生成技術產(chǎn)生下一條微指令的地址。第3章系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3.1模型機結構運算器ALU由U7-U10四片74LS181構成，暫存器1由U3、U4兩片74LS237構成，暫存器2由U5-U6兩片74LS237構成。微控器部分控存由U13-U15三片2816構成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理見系統(tǒng)介紹部分）。存儲器部分由兩片6116構成16位存儲器，地址總線只有低八位有效，因而其存儲空間為00H-FFH。輸出設備有底板上的四個 LED數(shù)碼管及其譯碼器、驅動電路構成，當D-G和W/R均為低電平時將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。在開關方式下，輸入設備由16位電平開關及兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機方式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或上位機輸入，然后由監(jiān)控程序直接送上數(shù)據(jù)總線，因而外加的數(shù)據(jù)輸入電路可因不用3.2程序設計原理 數(shù)據(jù)格式及指令格式（1）數(shù)據(jù)格式本模型機規(guī)定數(shù)據(jù)采用整數(shù)表示，字長為 16位。（2）指令格式模型機設計四大類指令共16條，其中包括算術邏輯指令、I/O指令、訪問及轉移指令和停機指令。算術邏輯指令。設計九條算術邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：表3.1算術邏輯指令格式7 6 5 4 3 2 1 07OP-CODEaddrRD其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，并規(guī)定：表3.2寄存器選擇定義RS或RD選定的寄存器00R001R110R2訪問指令及轉移指令。模型機設計兩條訪問指令，即存數(shù)、取數(shù)，轉移指令，無條件轉移(JMP)、指令格式如下：表3.3訪問、轉移指令格式7654321000MOP-CODERDD其中，OP-CODE為操作碼，rd為目的寄存器地址。D為位移量，M為尋址模式，其定義如下：表3.4尋址模式定義尋址模式M有效地址E說明00E=D立即數(shù)尋址01E=(D)直接尋址10E=(PC)+D間接尋址3I/O指令。輸入(IN)和輸出(OUT)指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：表3.5輸入輸出指令格式7654 32 10OP-CODE addr RD其中，addr=01時，選中輸入設備，addr=10時，選中輸出設備。 指令系統(tǒng)本實驗共14條基本指令，其中算術邏輯指令8條，訪問內存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，表3.6列出各條指令的格式、匯編符號和指令功能。表3.6各條指令的格式、匯編符號和指令功8能定義匯編符號指令格式功能MOVrd,rs1000rsrdrs→rdADDrd,rs1001rsrdrs+rd→rdSUBrd,rs1010rsrdrd-rs→rdINCrd1011rdrdrd+1→rdANDrd,rs1100rsrdrsrd→rdNOTrd1101rdrdrd→rdRORrd1110rdrdrdROLrd1111rdrdrdMOV[D],rd001000rdrd→[D]DMOVrd,[D]001001rd[D]→rdDJMPD00001000D→PCDMOVrd,D000010rdD→rdDINrd,KIN010010rdKIN→rdOUTDISP,rd010001rdRd→DISPrd或rs00選擇寄存器Ax01選擇寄存器BX10選擇寄存器CX3.3機器指令設計地址機器碼助記符號說明000048INAX,KIN鍵盤輸入－AX010049INBX,KIN鍵盤輸入－BX020094ADDAX,BXAx+Bx→Ax030082MOVCX,AXAX→CX040046OUTDISP,CXCX→LED050049INBX,KIN鍵盤輸入－BX0600A4SUBAX,BXAx–Bx→Ax0700F0ROLAX左移(乘2)080082MOVCX,AXAX→CX9090046OUTDISP,CXCX→LED0A0049INBX,KIN鍵盤輸入－BX0B00A4SUBAX,BXAX–BX→AX0C0082MOVCX,AXAX→CX0D0046OUTDISP,CXCX→LED0E00E0RORAX右移(除2)0F0082MOVCX,AXAX→CX100046OUTDISP,CXCX→LED1100D0NOTAXAX→Ax120082MOVCX,AXAX→CX130046OUTDISP,CXCX→LED1400B0INCAXAX+1→AX150082MOVCX,AXAX→CX160046OUTDISP,CXCX→LED170008JMP00H00H→PC1800003.4 聯(lián)機實驗 實驗連線控制接口AO1 BO1 LDRO1 LDRO2 ALU-GOU AROUT STATUSLIR1LIR2AIU--GARS3-S0G-299運算器接口1A1BY2D-GD15----D0控制總線I/OY1W/RW/R控制輸出顯示BD15——BD0AD7——AD0MA7——MA0MD17——MD0數(shù)據(jù)總線地址總線主存儲器電路圖3.1實驗連線示意圖

WEI WEOUAJ1 G299OUTD15--D0 F4F3F2FW/R T4T3T2WECE10 實驗步驟（1）按照實驗指導說明書連接硬件系統(tǒng)；（2）啟動實驗軟件，打開實驗課題菜單，選實驗課題打開實驗課題參數(shù)對話窗口：微指令操作:1寫：在編輯框中輸入實驗指導書中的微指令程序(格式：兩位八進制微地址+空格+六位十六進制微代碼)，將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0010”寫狀態(tài)，然后按"寫入"按鈕,微程序寫入控制存儲器電路 ;讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0100”讀狀態(tài)，在“讀出微地址”欄中填入兩位八進制地址，按“讀出”按鈕,則相應的微代碼顯示在“讀出微代碼”欄中;保存：按“保存”按鈕,微程序代碼保存在一給定文件(*.MSM)中;打開：按“打開”按鈕,打開已有的微程序文件,并顯示在編輯框中.機器指令操作:寫：在編輯框中輸入自己設計的機器指令程序(格式：兩位十六進制地址+空格+2位或4位十六進制代碼),或直接自己預先編輯好的程序GENGGAI.MSM，將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0101”運行狀態(tài)，撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，然后按“寫入”按鈕,機器指令寫入存儲器電路；（注：對于8位機，十六進制代碼為2位；對于16位機，十六進制代碼可以是2位，也可以是4位。)讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0101”運行狀態(tài)，在“讀出指令地址”欄中填入兩位十六進制地址，撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，然后按"讀出"按鈕圖3.2微指令的讀寫保存：按"保存"按鈕,機器指令程序保存在一給定文件(*.ASM)中;打開：按"打開"按鈕,打開已有的機器指令程序文件,并顯示在編輯