計算機組成原理課程設(shè)計---由基本單元電路構(gòu)成

1、<p><b>　　計算機組成原理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　設(shè)計題目 由基本單元電路構(gòu)成 </p><p>　　一臺基本模機 </p><p>　　專業(yè)班級 計算機科學與技術(shù)1041班 </p><p&

2、gt;　　姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　時 間 2013年1月5日 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　課程設(shè)計成績評定表<

3、;/b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 課程設(shè)計概述 …………………………………………………1</p><p>　　1.1課程設(shè)計內(nèi)容 ……………………………………………………1</p><p>　　1.1.1 設(shè)計背景 …………………………………………………1</p>

4、;<p>　　1.1.2 實驗要求 …………………………………………………1</p><p>　　1.1.3 實驗?zāi)康?…………………………………………………1</p><p>　　1.1.4 實驗儀器 …………………………………………………2</p><p>　　1.2課程設(shè)計分析 ……………………………………………………2</p>&

5、lt;p>　　1.2.1 系統(tǒng)需求分 ………………………………………………2</p><p>　　1.2.2 系統(tǒng)目的 …………………………………………………2</p><p>　　1.2.3 功能分析 …………………………………………………2</p><p>　　2 實驗原理 ………………………………………………………3</p><p&

6、gt;　　2.1 機器指令 ………………………………………………………3</p><p>　　2.2 微指令 …………………………………………………………4</p><p>　　3 實驗步驟 ………………………………………………………8</p><p>　　3.1 實驗連線 ………………………………………………………8</p><p>　　

7、3.2 讀寫微程序和程序 ……………………………………………9</p><p>　　4 實驗結(jié)果與分析………………………………………………12</p><p>　　5 設(shè)計小結(jié)及體會………………………………………………13</p><p>　　6 參考文獻………………………………………………………14</p><p><b>

8、　　1 課程設(shè)計概述</b></p><p><b>　　1.1課程設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　1.1.1 設(shè)計背景</p><p>　　通過計算機組成原理理論課和幾次實驗的學習，嘗試設(shè)計六條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺基本模型機，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的正

9、常工作控制信號。</p><p>　　在設(shè)計基本模型機的實驗過程中，個別部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本課程設(shè)計將能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(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)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(yīng)一條微程序。</p><p>　　本課程設(shè)計要求

10、實現(xiàn)六條機器指令：IN（輸入)，與ADD（加法），RL（左環(huán)移），STA(存儲)，OUT（輸出），JMP（跳轉(zhuǎn)）。重點主要在邏輯運算的設(shè)計中。</p><p>　　1.1.2 實驗要求</p><p>　　1、由基本單元電路構(gòu)成一臺基本模型機。</p><p>　　2、設(shè)計至少六條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，使之實現(xiàn)兩個同學的學號后兩位相加，然后乘以2。</

11、p><p>　　3、調(diào)試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的控制信號正常工作。</p><p>　　4. 設(shè)計程序完整指定的任務(wù)</p><p>　　1.1.3 實驗?zāi)康?lt;/p><p>　　1、掌握時序信號發(fā)生電路組成原理。</p><p>　　2、掌握微程序控制器的設(shè)計思想和組成原理。</p>

12、;<p>　　3、掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。</p><p>　　4、在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將其組成系統(tǒng)以構(gòu)造一臺基本模型實驗計算機。</p><p>　　5、設(shè)計六條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機調(diào)試，掌握整機軟硬件組成概念。</p><p>　　6、熟悉用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。</p>

13、<p>　　7、學習設(shè)計與調(diào)試計算機的基本步驟及方法。</p><p>　　1.1.4 實驗儀器</p><p>　　DVCC-C8JH計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干；</p><p><b>　　PC機一臺。</b></p><p><b>　　1.2課程設(shè)計分析</b>&

14、lt;/p><p>　　1.2.1系統(tǒng)需求分析</p><p>　　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(shè)計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計主要括指令功能、操作類型的設(shè)計，尋址方式和指令格式的設(shè)計。 </p><p>　

15、　計算機的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)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(shè)置又與機器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。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(shè)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(xiàn)需要復雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。 </p><p><b>　　1.2.2系統(tǒng)目標</b></p>&

16、lt;p>　　在基本模型機的基礎(chǔ)上改進并實現(xiàn)IN,加ADD,循環(huán)左移RL，存儲STA，輸出OUT,跳轉(zhuǎn)JMP六條指令。</p><p><b>　　1.2.3功能分析</b></p><p>　　該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是對輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行加及循環(huán)左移運算，并對其結(jié)果進行存儲，顯示等功能，從而得到一個簡易的基本模型機所實現(xiàn)的功能。</p>

17、<p><b>　　2.實驗原理</b></p><p><b>　　2.1機器指令</b></p><p>　　在部件試驗中，我們是人為用二進制開關(guān)來模擬一些控制信號來完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本課程設(shè)計中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，即一條機器指令對應(yīng)一個微程序。</p><p>　　本設(shè)計的規(guī)定項目

18、采用六條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、RL（循環(huán)左移1位）、STA（將X存入直接地址中）、OUT（輸出）、JMP（跳轉(zhuǎn)至指定位置，繼續(xù)執(zhí)行）其指令格式如下表2-1（前四位是操作碼）：</p><p><b>　　表2-1</b></p><p>　　1、IN為單字長指令，含義是將輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)放入R0中</p><p>　　

19、2、 ADD為雙字長指令，其含義是根據(jù)指令提供的地址將內(nèi)存中的數(shù)取出放入DR2，與DR1中的數(shù)相加，結(jié)果放在R0。</p><p>　　3、RL為單字長指令，其含義是將R0中的數(shù)據(jù)左移一位。</p><p>　　4、STA為雙字長指令，第二個字是要存放的地址，含義是將R0中的內(nèi)容存儲到第二字為地址的內(nèi)存單元中。</p><p>　　5、OUT為雙字長指令，含義是根據(jù)

20、指令提供的地址，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)取出由數(shù)碼管進行顯示。</p><p>　　6、JMP為單字長指令， 含義是跳轉(zhuǎn)到指定位置繼續(xù)指令的執(zhí)行。</p><p>　　本設(shè)計的機器指令如下：</p><p><b>　　表2-2</b></p><p>　　按照如下規(guī)定的格式，用聯(lián)機軟件建立將機器指令及微指令的二進制代碼編輯成十六

21、進制的*.txt類型文件。（微指令格式中的微指令代碼為將表中的24位微代碼按從左到右分成三個八位，將此三個八位二進制代碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十六進制數(shù)即可），并用聯(lián)機軟件的轉(zhuǎn)儲功能將該式文件裝載到試驗系統(tǒng)中。</p><p>　　機器指令格式說明： $PXX XX</p><p>　　微指令格式說明： $MXX XXXXXX</p><p>　　啟動程序：當控制臺開關(guān)SW

22、B、SWA置為“1 1”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取指”微指令，啟動程序運行。</p><p>　　按照數(shù)據(jù)通路可畫出機器指令的微程序流程圖如圖2所示。當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)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P(1)的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本實驗中共出現(xiàn)8路分支，分別對應(yīng)8種機器指令。占用8個固定的微地址單元。</p>

23、<p><b>　　2.2微指令</b></p><p>　　2.2.1 微指令格式</p><p>　　微指令長共24位，其控制位順序如下：</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù),檢查寫入是否正確,并能啟動程序執(zhí)行,還必須設(shè)計三個

24、控制臺操作微程序.</p><p>　　存儲器讀操作:撥動總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWB,SWA 為”0 0”時,按START微動開關(guān),可對RAM連續(xù)手動讀操作.</p><p>　　存儲器寫操作:撥動總清開關(guān)CLR后,控制臺開關(guān)SWB SWA置為”0 1”時,按START微動開關(guān)可對RAM進行連續(xù)手動寫入.</p><p>　　啟動程序:撥動總清開關(guān)CLR后,

25、控制臺開關(guān)SWB SWA置為“1 1”時,按START微動開關(guān),既可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令,啟動程序運行.</p><p>　　上述三條控制臺指令用兩個開關(guān)SWB SWA 的狀態(tài)來設(shè)置,其定義如下：</p><p><b>　　表2-3</b></p><p>　　根據(jù)以上要素設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖,如圖：</p><p

26、>　　圖2-2 數(shù)據(jù)通路框圖</p><p>　　微代碼定義如表2-4所示：</p><p>　　表2-4 微代碼的定義</p><p>　　A字段 B字段 C字段</p><p>　　表2-5 A，B，C字段內(nèi)容</p><p&g

27、t;　　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(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測試條件，出現(xiàn)6路分支，占用6個固定微地址單元。</p><p>　　控制臺操作為P4測試，它以控制臺開關(guān)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

28、一條微指令占用控存一個微地址單元。</p><p>　　2.2.2微指令代碼</p><p><b>　　表2-6</b></p><p>　　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(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，由二進制數(shù)構(gòu)成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作

29、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?！爸噶罴拇嫫鳌?實驗板上標有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強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。</p><p>　　本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進制代碼開關(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，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)

30、直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)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，并在數(shù)碼管顯示。</p><p><b>　　3 實驗步驟</b></p><p><b>　　3.1 實驗接線</b></p><p>　　將 ALUO2 連 BUS4，

31、a～k 與實驗</p><p>　　a、跳線器 J1～J12 全部撥在右邊 （自動工作方式 ）； b、跳線器 J16、J18、J23、J24 全部撥在左邊 ； c、跳線器 J13～J15、J19、J25 全部撥在右邊 ； d、跳線器 J20～J22、J26、J27 連上短路片 ； e、UJ1 連 UJ2，JSE1 連 JSE2，SJ1 連 SJ2； f、MBUS 連 BUS2；</p>&

32、lt;p>　　g、REGBUS 連 BUS5；</p><p>　　h、PCBUS 連 EXJ2；</p><p>　　i、 ALUBUS 連 EXJ3；</p><p>　　j、 ALUO1 連 BUS1；</p><p>　　k、EXJ1 連 BUS3；</p><p>　　l、 ALUO2 連 BUS

33、4。</p><p>　　檢查接線無誤后接通電源 </p><p>　　3.2 讀寫微程序和程序（1）手動方法寫微程序參看實驗三，手動方法寫代碼程序 （機器指令 ）步驟如下 ： </p><p>　　通過上一步將機器指令對應(yīng)的微代碼正確地寫入E2ROM 2816芯片后，再進行機器指令程序 的裝入和檢查。 </p><p>　　A. 將 “編

34、程開關(guān)”置“運行 ”位置，“運行方式 ”開關(guān)置 “單步 ”位置。 </p><p>　　B. 撥動總清開關(guān)（ 0→ 1），微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使控制開關(guān) SWC、SWA 開關(guān)置為“ 0 1”，按動一次 “啟動運行 ”開關(guān)，微地址顯示燈 LUA0～LUA5 顯示 “ 001001”，再按動一次“啟動運行 ”開關(guān)，微地址顯示燈 LUA0～LUA5 顯示“ 001100”，此時數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入

35、的機器指令，再按動一次“啟動運行 ”開關(guān)，即完成該條指令的寫入。若仔細閱讀微程序流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機器指令的首地址只要第一次給入即可，PC 會自動加 1。所以，每次按動 “啟動運行 ”開關(guān)，只有在微地址燈顯示“ 001100”時，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機器指令寫完。 </p><p>　　C. 寫完程序后須進行檢驗。撥動總清開關(guān) (0→ 1)后，微地址清零，PC 程序計數(shù)器清零，然后 使控制開關(guān) SWC、SWA 為

36、 “ 0 0”，按動 “啟動運行 ”開關(guān)，微地址燈將顯示 “ 001000”，再按 “啟動運行 ”開關(guān)，微地址燈顯示為 “ 001010”，再按動 “啟動運行 ”開關(guān)，微地址燈顯示為 “ 001110”，此時總線數(shù)據(jù)顯示燈 LZD0～LZD7 顯示為該首地址的內(nèi)容 ，再按動一次 “啟動運 行 ”開關(guān) ，微地址燈顯示為“ 010000”，2 位數(shù)碼管即顯示 RAM 中的程序。不斷按動“啟動運 行 ”開關(guān)，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容 。 </

37、p><p>　　注意：每次僅在微地址燈顯示為 “ 010000”時，2 位數(shù)碼管顯示的內(nèi)容才是相應(yīng)地址中的機器 指令內(nèi)容 。 </p><p>　　（2）聯(lián)機讀 /寫微程序和程序 </p><p>　　用聯(lián)機軟件的裝載功能將 16 進制格式文件（文件名為 C8JHE2）裝入實驗機即可（詳細操作見 隨機軟件的 README）。 </p><p>&

38、lt;b>　　我們的程序代碼：</b></p><p><b>　　表3-1</b></p><p><b>　?。?）運行程序 </b></p><p><b>　　① 單步運行程序 </b></p><p>　　A.“編程開關(guān) ”置 “ 運行 ”狀態(tài)，“運

39、行方式”開關(guān)置 為“單步”狀態(tài) ，“運 行控制 ”開關(guān)置為 “運行 ”狀態(tài)。</p><p>　　B. 撥動總清開關(guān) (0→ 1)，微地址清零 ，PC 計數(shù)器清零 ，程序首地址為 OOH。 </p><p>　　C. 按動 “啟動運行 ”開關(guān)，即單步運行一條微指令。對照微程序流圖觀察微地址顯示燈 是否和流程一致。 </p><p><b>　　② 連續(xù)運行

40、程序 </b></p><p>　　A.“編程開關(guān)”置“ 運行 ”狀態(tài)，“運行方式 ”開關(guān)置為“連續(xù) ”狀態(tài) ，“運行控制 ”開關(guān)置為“運行 ”狀態(tài) 。</p><p>　　B.撥動總清開關(guān)，清微地址及 PC 計數(shù)器，按動 “啟動運行 ”開關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)行程序。如果 要停止程序的運行，只需將 “運行控制 ”開關(guān)置為 “停止 ”狀態(tài)，系統(tǒng)就停機。 </p><p

41、>　　C. 本實驗的運行結(jié)果 最終顯示在輸出設(shè)備 2 位數(shù)碼管上 。</p><p>　　其中本小組的程序運行會輸出結(jié)果兩次，在程序運行過程中需要人工從外設(shè)輸入兩外兩人的學號，第一次輸入可在清零之后程序運行之前，輸入08H（十進制：8），第二次輸入要在程序第一次輸出結(jié)果之后，第二次程序流程中得輸入之前，通過外設(shè)輸入18H（十進制：24）。</p><p><b>　　實驗結(jié)

42、果圖如下：</b></p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　4 運行結(jié)果及結(jié)果分析</p><p>　　本程序是針對我們小組四人的學號設(shè)計的，先將其中兩人的學號輸入內(nèi)存，然后兩外兩人的學號通過外部設(shè)備手動輸入，整個程序運行結(jié)束一共輸出結(jié)果兩次。根據(jù)我們的程序代碼可看出我們事先輸入內(nèi)存的學號分別是04H，12

43、H。通過外部設(shè)備輸入的學號分別是08H，18H。運行結(jié)果分別是18H，54H。</p><p><b>　　具體分析如下：</b></p><p>　　本小組學號分別為：十進制：04,08，18，,24.轉(zhuǎn)化成16進制分別為：04H，08H,12H，18H。</p><p>　　轉(zhuǎn)化成二進制分別為：04=0000 0100</p>

44、<p>　　08=0000 1000</p><p>　　18=0001 0010</p><p>　　24=0001 1000</p><p><b>　　實現(xiàn)加法運算：</b></p><p><b>　　0000 0100</b></p><p>　　+ 0

45、000 1000</p><p><b>　　0000 1100</b></p><p><b>　　另外兩人的學號相加</b></p><p><b>　　0001 0010</b></p><p>　　+ 0001 1000</p><p><

46、b>　　0010 1010</b></p><p>　　兩數(shù)相加之和X2相當于和左移一位，將上述兩和分別進行左移一位為：</p><p>　　0000 1100左移之后為0001 1000 即18H</p><p>　　0010 1010左移之后為0101 0100 即54H</p><p><b>　　5 設(shè)計小

47、結(jié)及體會</b></p><p>　　本次實驗大體上分為三步。首先，是連接電路。其次，裝載課程設(shè)計指導書上設(shè)計的程序并測試運行,通過觀察運行情況和數(shù)據(jù)在總線上的流動,了解各功能部件的工作原理和工作機制以及流程圖各指令的含義。最后，自己設(shè)計程序并裝載運行并檢驗運行結(jié)果。對于自己要設(shè)計的程序首先根據(jù)題目要求寫出它的匯編格式，再根據(jù)這個匯編格式寫出機器指令并設(shè)計出微程序流程圖。最后根據(jù)所設(shè)計的微程序流程圖寫

48、出其微指令代碼。這些工作完成后把所設(shè)計的機器指令和微程序代碼改寫成指定的格式裝載到實驗系統(tǒng)上運行，觀察運行過程和設(shè)計目的是否一致。如果不一致,要進行適當?shù)男薷闹钡揭恢聻橹?。?jīng)過多次修改，最終實現(xiàn)設(shè)計要求。通過這次實驗設(shè)計是我加深了對機器指令和微指令的理解和計算機計算流程的了解。</p><p>　　經(jīng)過這次課程設(shè)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(shè)計的只是一個小程序，但是這其間我還是學到了不

49、少東西。在這次課程設(shè)計的過程，有些很基本的知識出現(xiàn)記混淆的現(xiàn)象，通過查書及詢問同學，最終明白了。</p><p>　　在此次的設(shè)計中，感謝老師對我們的幫助和指導。過程還不夠完善，希望老師繼續(xù)指導。</p><p>　　6 參考文獻（資料）</p><p>　　[1] 張昆藏．計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)．北京：科學出版社，1994</p><p>　　[2

50、] (美)普拉持(Platt，D．S)著．黃慧萍等譯．Microsoft．NET精髓．北京：機械工業(yè)出版社，2003.9</p><p>　　[3] 白中英．計算機組成原理(第二版)．北京：科學出版社，1998</p><p>　　[4] 白中英．計算機組成原理(第三版·網(wǎng)絡(luò)版) ．北京：科學出版社，1998 </p><p>　　[5]計算機組成原理實驗