計算機組成原理課程設計-基本模型機

課程設計說明書題目：1、基本模型機設計與實現2、擴展8255并行口設計院系：專業(yè)班級：學號：學生姓名：指導教師：2010年

課程設計（論文）任務書計算機科學與工程學院硬件教研室學號“““““““*******學生姓名****專業(yè)（班級）計算機07級3班設計題目基本模型機（算術運算，包括IN,OUT,STA，加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC六條指令）設計技術參數微指令，程序，微程序控制器設計要求設計機器指令和微指令，將機器指令和微指令編寫成規(guī)定格式的十六進制文件，然后下載到實驗箱上模擬驗證。工作量1、畫出流程圖，編寫微指令代碼和程序2、課程設計說明書1000字工作計劃第13周學習微程序控制器第14周畫出流程圖，設計微指令，將機器指令和微指令編寫成規(guī)定格式的十六進制文件第15周連線，在實驗箱上運行參考資料計算機組成原理第三版（網絡版）白中英主編計算機組成原理實驗指導書指導教師簽字教研室主任簽字2009年9月28日

摘要隨著社會科技的發(fā)展，計算機被應用到各行各業(yè)，人們步入自動化、智能化的生活階段。本次課程設計課題是基本模型機的設計與實現，它正體現了這一點。利用CPU與簡單模型機來實現計算機組成原理課程及實驗中所學到的實驗原理和編程思想，硬件設備自擬，編寫指令的應用程序，用微程序控制器實現了一系列的指令功能，最終達到將理論與實踐相聯系。本次設計完成了各指令的格式以及編碼的設計，實現了各機器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應用程序。部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產生的，本課程設計將能在微程序控制下自動產生各部件單元的控制信號，實現特定指令的功能，通過設計流程圖，編寫機器指令，微指令和控制信號程序。首先向存儲器（RAM）中裝入數據和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動程序執(zhí)行。另外，還需設計三個控制臺操作微程序：存儲器讀操作（READ），存儲器寫操作（WRITE），運行程序（RUN）。以上各微指令設計完畢后，連接線路在ZY15CompSys12BB計算機組成原理教學實驗箱運行程序，并將實驗結果顯示輸出。這一課題的實現不僅使我們對各種微指令有了熟練的掌握，更對以后的學習、工作中有深遠的影響。關鍵詞：微指令，機器指令，READ，WRITE,RUN，ZY15CompSys12BB目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要III\o"CurrentDocument"1設計背景1\o"CurrentDocument"2設計目標1\o"CurrentDocument"3概要設計2\o"CurrentDocument"3.1設計目的2\o"CurrentDocument"3.2設計儀器2\o"CurrentDocument"3設計內容2\o"CurrentDocument"4詳細設計8\o"CurrentDocument"1系統(tǒng)需求分析8\o"CurrentDocument"4.2系統(tǒng)目標8\o"CurrentDocument"4.3功能分析8\o"CurrentDocument"4.4詳細步驟85總結12\o"CurrentDocument"參考文獻（資料）131設計背景通過計算機組成原理理論課和幾次實驗的學習，嘗試設計六條機器指令，并編寫相應的微程序，完成由基本單元電路構成一臺基本模型機，再經過調試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產生各部件單元的正常工作控制信號。在設計基本模型機4的實驗過程中，個別部件單元的控制信號是人為模擬產生的，而本課程設計將能在微程序控制下自動產生各部件單元控制信號，實現特定指令的功能。這里，計算機數據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條微程序。本課程設計要求實現六條機器指令：IN（輸入），與AND（邏輯乘），STA（存數），OUT（輸出），或OR（邏輯加），異或XOR（邏輯異）的輸入，輸出。重點主要在邏輯運算的設計中。2設計目標在“微程序控制器的組成與微程序設計實驗”的基礎上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構造一臺基本模型計算機。本次課程設計主要是為其定義六條機器指令，編寫相應的微程序，并上機調試運行，形成整機概念。用微程序控制器實現以下指令功能，設計各指令格式以及編碼，并實現各機器指令微代碼，根據定義的機器指令，自擬編寫加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC的應用程序。全部微指令設計完畢后，編寫二進制代碼，即使每條指令代碼化。連接線路在ZY15CompSys12BB計算機組成原理教學實驗箱上運行，并顯示輸出實驗結果。3概要設計1設計目的在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統(tǒng)構造一臺稍微復雜的模型計算機；為其定義六條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上機調試掌握整機概念2設計儀器TDX-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干；PC機一臺。3設計內容部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產生的，而本次實驗將能在微程序控制下自動產生各部件單元控制信號，實現特定指令的功能，這里，計算機數據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個微程序。本實驗采用六條機器指令：IN,OUT,STA,加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC其指格式如下：地址內容助記符說明0000IN；輸入開關數據一R0，采集數據0110ADD[0AH]；R0+[0AH]fR0020A；地址0320STA[0BH]；R0f[0BH]040B；地址0530OUT[0BH]；[0BH]-BUS，輸出顯示060B；地址0740SUB[0AH]；R0-[0AH]-R0080A；地址0950RLC0A010B為了向RAM中裝入程序和數據，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設計三個控制臺操作微程序.存儲器讀操作:撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWB,SWA為”00”時，按START微動開關，可對RAM連續(xù)手動讀操作.存儲器寫操作:撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWBSWA置為”01”時，按START微動開關可對RAM進行連續(xù)手動寫入.

啟動程序:撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWBSWA置為“11”時，按START微動開關，既可轉入到第01號“取址”微指令，啟動程序運行.上述三條控制臺指令用兩個開關SWBSWA的狀態(tài)來設置，其定義如下根據以上要素設計數據通路框圖，如圖3-2：圖3-1數據通路框圖表根據以上要素設計數據通路框圖，如圖3-2：圖3-1數據通路框圖SWBSWA控制臺指令00讀內存（KRD）01寫內存（KWE）11啟動程序（RP）A字段P字段15A字段P字段151413控制信號000001LDRI121110控制信號,000001RS_G987控制信號000001P1微代碼定義如表1-2所示：微程序2423222120-19181716151413控制信號S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0表3-2微代碼的定義表3-3A，B，P字段內容B字段010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC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指令，因此P1測試結果出現多路分支。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6路分支，占用6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:運行:INADDSTAOUTSUBRLC1011SW->R0PC->ARPC+1――31RAM->BUSBUS->AR~「32RAM->BUSBUS->DR2133R0->DR1DR1-DR2->R0R0->DR101―125DR1->LED+15R0->299^5帶進位循環(huán)右移]36299-G->R0^7R0->DR1―1―25DR1->LED01控制臺+00圖3-1微程序流程圖表3-4二進制微代碼表微地址s3~cnRDABPuA5~uA0000000000110000001000100000100000001111011011000001002000000001100000001001000030000000011100000000001000400000000101100000000010105000000011010001000000110061001010110011010000000010700000000111000000001011010000000000001000000000001110000000111101101100000111200000001111011011000011113000000011110110110001110

1400000001111011011001100115001100011000001000011101160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000101000001000000001270000011100001010000100003000000110100010100001000131000000001110000000000100320000000010110000000001013300000001101000100000011034011000011001101000011111350001100110001000000111103600000001100110000001111137000000011010001000010101下面介紹指令寄存器（IR）：指令寄存器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，先把他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求的操作?！爸噶钭g碼器:”（實驗板上標有“INSDECODE”的芯片）根據指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設備，一種是二進制代碼開關，它作為輸入設備（INPUTDEVICE）；另一種是數碼塊，它作為輸出設備（OUTDEVICE）。例如：輸入時，二進制開關數據直接經過三態(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，將輸出數據送到數據總線上，當寫信號（W/E）有效時，將數據打入輸出鎖存器，驅動數碼塊顯示。4詳細設計1系統(tǒng)需求分析一臺計算機所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺特定的計算機只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計算機的機器語言。指令系統(tǒng)表征著計算機的基本功能和使用屬性，它是計算機系統(tǒng)設計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設計主要括指令功能、操作類型的設計，尋址方式和指令格式的設計。計算機的性能與它所設置的指令系統(tǒng)有很大的關系，指令系統(tǒng)反映了計算機的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設置又與機器的硬件結構密切相關。指令是計算機執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計算機中所有機器指令的集合。通常性能較好的計算機都設置有功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實現需要復雜的硬件結構來支持。2系統(tǒng)目標在基本模型機的基礎上改進并實現IN,OUT,STA,加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC六條指令。3功能分析該系統(tǒng)實現的功能是對輸入的數據可以和內存中的數據進行連續(xù)的加、減及循環(huán)左移運算，并對其結果進行存儲，顯示等功能，從而得到一個簡易的復雜模型機所實現的功能。4.4詳細步驟(1)按圖4-1連接實驗線路。一TS4一TS3一TS2=TS1STATEUNITSIGNALUNITLDIPZLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITLDDR1LDDR2ALU-BINTUNIT口OOLDIR□ldriOREGUNITMICRO-CONTROLLERW/R一TS4一TS3一TS2=TS1STATEUNITSIGNALUNITLDIPZLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITLDDR1LDDR2ALU-BINTUNIT口OOLDIR□ldriOREGUNITMICRO-CONTROLLERW/RB7I||B0B7|||B0AD7|||AD0RS-BLDARLOADLDR0~~RO-B口PC-BM16LDPCM17PC-B口LDPCADDRESSUNIT—LDAR―LOAD□寫程序聯機讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及表5-2微指令二進制表成十六進制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼微將表5-2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即可。序$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P080A$P0950$P0A01微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E016$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED99$M0D31821D$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M16028201$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A21C$M1C619A1F$M1D19881E$M1E01981F$M1F01A215(3)運行程序.單步運行程序A使編程開關處于”RUN’的狀態(tài),STEP為”STEP”狀態(tài),STOP為”RUN”狀態(tài)’B撥動總清處于CLR(0_1),微地址清零，程序計數器清零，程序首址為00H..C單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條指令,對照微程序流程圖,觀察微地址顯示是否和流程一致.D當運行結束后.可檢查存數單元中的結果是否和理論植一致..連續(xù)運行程序A使”STARTUNIT”中的STEP開關置為”ECEX”狀態(tài).STOP開關置為”RUN”狀態(tài).B撥動CLR開關，清微地址及程序計數器，然后按動START，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將”STOP”撥至”STOP”時，系統(tǒng)停機.C停機后，可檢查存數單元結果是否正確..若聯機運行程序時，進入DEBUG調試界面，總清開關CLR清零后，程序首址為00H.按相應功能鍵既可聯機運行調試程序。5總結經過這次課程設計，我體會到自己所學的東西太少了，很多都不知道。雖然這次設計的只是一個小程序，但