計算機(jī)組成原理課程設(shè)計--基本模型機(jī)的實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　計算機(jī)組成原理課程設(shè)計總結(jié)報告</p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>　　系 別：計算機(jī)與通信工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)</p><p>　　班 級：09—2班</p><p><b>　　學(xué)

2、 號：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師: </b></p><p>　　時間：2011年12月26日至2011年12月28日</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　一、題目：基本模型機(jī)的實(shí)現(xiàn)</p><p>&l

3、t;b>　　二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備</b></p><p>　　模型機(jī)的結(jié)構(gòu)以及各個部件的輸入輸出以及其他控制信號。</p><p>　　了解該模型機(jī)的微指令的格式：包括控制字段對應(yīng)的控制信號、后續(xù)直接地址字段確 定下一條微指令的方式、P測試字段的修改后續(xù)直接地址字段的規(guī)則</p><p>　　指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的讀寫</p><

4、p><b>　　控制存儲器的讀寫</b></p><p><b>　　三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造一臺基本模型計算機(jī)。</p><p>　　為其定義5條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。</p><p><b>　　

5、四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　1Dais-CMX16+ 計算器組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺。</p><p><b>　　五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　計算機(jī)是在讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令的循環(huán)中完成程序的自動運(yùn)行。讀取指令是將內(nèi)存中的指令讀取到指令寄存器IR，同時程序計數(shù)器PC自加操作指向下一條指令；分析指令

6、是將指令的操作碼OP做P1測試，找到解釋該指令執(zhí)行的第一條微指令的入口地址；執(zhí)行指令是從控制存儲器中依次讀取該指令對應(yīng)的多條微指令向全機(jī)各個部件發(fā)送微命令，完成指令要求的動作。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)沒有指令系統(tǒng)，不能執(zhí)行任何指令。</p><p><b>　　六、實(shí)驗(yàn)綜合</b></p><p>　　在模型機(jī)上設(shè)計和實(shí)現(xiàn)簡單的指令系統(tǒng)，要求如下：</p><p

7、>　　每組實(shí)現(xiàn)2條新的不同類型的指令（同類型算一條，例如減法和異或運(yùn)算都是運(yùn)算類指令），指令的助記符和編碼自己設(shè)定。</p><p>　　設(shè)計方案應(yīng)該包括：指令系統(tǒng)及指令格式、指令對應(yīng)的程序、指令流程圖、微指令代碼表</p><p>　　利用含有新指令的指令系統(tǒng)編寫簡單的程序，程序甚至可以沒有意義，在模型機(jī)上運(yùn)行。</p><p>　　能夠?qū)崿F(xiàn)的簡單指令提示如

8、下：</p><p>　　求補(bǔ)指令(NREQ)</p><p><b>　　清零指令(CLR)</b></p><p>　　自增、自減指令(INC，DEC)</p><p>　　交換指令(XCHE)</p><p>　　寄存器間接尋址指令(JJXZ)</p><p>　　相

9、對尋址指令(XDXZ)</p><p>　　暫停指令(STOP)</p><p>　　入棧、出棧指令(PUSH、POP)</p><p>　　左、右移位指令(SHL、SHR)</p><p><b>　　中斷指令(INT)</b></p><p><b>　　計算機(jī)組成原理</b&

10、gt;</p><p><b>　　課程設(shè)計總結(jié)報告</b></p><p><b>　　1　模型機(jī)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　Dais-CMX16+硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。該十六位原理計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與原理組成由實(shí)驗(yàn)平臺、開關(guān)電源、軟件三大部分組成。實(shí)驗(yàn)平臺上有16位運(yùn)算源寄存器AX和BX、16位通用寄存器CX和

11、DX、16位運(yùn)算器ALU、12位地址寄存器AR、12位程序計數(shù)器PC、16位雙向I/O單元、16位主存、16位指令寄存器IR、8位指令譯碼寄存器ID、16位堆棧指示器SP、單級中斷源、11位微程序計數(shù)器uPC，擁有一個35位字長的微控制器和24位字長的組合邏輯控制器，并設(shè)置了一組24位字長的二進(jìn)制模擬開關(guān)，系統(tǒng)提供邏輯筆和24個按鍵操作環(huán)境。配有字符式LCD、USB通信口、RS232通信口及外設(shè)擴(kuò)展區(qū)。</p><p

12、>　　圖1.1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　注意：本機(jī)中的16位寄存器均可以當(dāng)作2個8位寄存器來使用，高字節(jié)用H命名，低字節(jié)用L命名，AX的高字節(jié)記作AH，低字節(jié)記作AL；CX的高字節(jié)記作CH，低字節(jié)記作CL。16位I/O單元可以作為2個8位I/O單元使用，高字節(jié)記作IOH，低字節(jié)記作IOL。</p><p>　　其硬件組成如下表所示。</p><p>

13、;　　2　微指令結(jié)構(gòu)和名字段含義</p><p>　　微程序控制器的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）控制存儲器CM</p><p>　　控制存儲器用來存放解析指令的微程序，由2片6264和1片6116共三片靜態(tài)存儲器平行組成。它們的地址通路由11位微程序計數(shù)器μPC供給，其尋址范圍為2K(0~7FFh)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)對應(yīng)的40位微指令格式如下，其中操作控制位19位

14、，P測試位5位，后續(xù)直接地址位11位，保留位5位。微指令采用了重疊結(jié)構(gòu)定義，控制存儲器分時輸出24位微控位(操作控制位19位和P測試位5位)和11位后續(xù)直接地址位。</p><p>　　24個微控制位如圖2-10所示：</p><p>　　圖2-10　微指令格式</p><p>　?。?）微程序計數(shù)器μPC</p><p>　　圖2-11所示

15、的微程序計數(shù)器μPC由3片161構(gòu)成，輸出11微地址驅(qū)動控制存儲器，從控存對應(yīng)單元讀取微指令，微指令的19位操作控制位直接輸出或譯碼輸出各種微命令信號，11位直接后續(xù)地址位和5位P測試位通過微地址轉(zhuǎn)移邏輯共同決定下一條微指令的微地址。本模型機(jī)中微指令的地址可以由后續(xù)直接地址采用鏈?zhǔn)酱鎯Ψ绞酱_定，也可以由現(xiàn)行微程序計數(shù)器微址加1采用順序存儲方式確定。</p><p>　　圖2-11　微程序控制器原理圖</p&

16、gt;<p><b>　　微程序的執(zhí)行過程</b></p><p>　　圖2-11所標(biāo)示的字號表示微程序控制的全部工作過程。</p><p>　　1）啟動取指微指令或微程序，根據(jù)程序計數(shù)器PC所提供的指令地址，從指令存儲器中取出所要執(zhí)行的機(jī)器指令，送入指令寄存器IR中，并且完成PC+1，指向機(jī)器指令的下址單元。</p><p>　

17、　2）根據(jù)ID譯碼器中的指令碼，把微地址轉(zhuǎn)移邏輯產(chǎn)生的解釋機(jī)器指令第一條微指令的微地址打入μPC。</p><p>　　3）從μPC所指定的控制存儲器單元分時輸出微操作控制字段與下續(xù)微地址控制字段。</p><p>　　4）微指令的操作控制字段經(jīng)譯碼或直接產(chǎn)生一組微命令，控制有關(guān)功能部件完成微程序所規(guī)定的微操作。 </p><p>　　5）微指令的直接地址字

18、段和P測試字段及當(dāng)前的狀態(tài)標(biāo)記、中斷請求標(biāo)志送往微地址形成電路，產(chǎn)生下條微指令的地址，進(jìn)入讀取與執(zhí)行下條微指令。如此循環(huán)，直到一條機(jī)器指令的微程序全部執(zhí)行完畢。</p><p><b>　　微指令格式及編碼</b></p><p>　　如圖2-10所示，本系統(tǒng)微指令綜合采用了字段的直接控制法和編碼表示法，把微指令操作控制字段劃分為若干個子字段，每個子字段的所有微命令進(jìn)

19、行統(tǒng)一編碼。</p><p>　　本控制器微指令字長35位，其中24個微控位分別由P測試字段、源尋址字段、運(yùn)算控制字段、目的尋址字段及直接控制字段組成； 11位后續(xù)直接地址位M34~M24輸出下一條微指令的十一位的后續(xù)微地址。</p><p><b>　?。?）P測試字段</b></p><p>　　五位P測試位決定是否需要對微指令給出的11位

20、后續(xù)直接地址進(jìn)行修改以及如何修改來確定下一條微指令在控存的地址。</p><p>　?、費(fèi)0定義為Ids，微程序結(jié)束測試位。微程序的最后一條微指令該位為0，否則為1。</p><p>　　②M1定義為Icz，進(jìn)位標(biāo)志測試位。當(dāng)Icz為“0”時，利用進(jìn)位標(biāo)志CY修改微總線uBUS的11位直接后續(xù)地址最后一位ud0，形成2路分支。</p><p>　　③M2定義為IR，

21、指令操作碼的測試位，當(dāng)IR為“0”時，利用8位操作碼OP修改微總線uBUS的11位直接后續(xù)地址的ud8~ud1，形成256路分支。</p><p>　　④M3定義為中斷控位IE，中斷請求測試位。每條指令執(zhí)行末尾進(jìn)入公操作，通過檢查該位判斷外設(shè)是否有中斷請求，如果有中斷請求轉(zhuǎn)入中斷處理過程；否則轉(zhuǎn)入取值的微指令從指存取下一條指令執(zhí)行。</p><p>　?、軲4定義為Iu，微指令尋址方式測試

22、位，當(dāng)Iu為“0”時，以微指令的11位后續(xù)直接地址作為下一條微指令的地址；該方式是微指令的鏈?zhǔn)酱鎯?；?dāng)Iu為“1”時，以uPC+1，即當(dāng)前微指令地址加1作為下一條微指令的地址，該方式是微指令的順序存儲。</p><p><b>　　（2）源編碼字段</b></p><p>　?、費(fèi)5定義為運(yùn)算源控位ALU，當(dāng)ALU=“1”時運(yùn)算器以AX、BX寄存器為源，若ALU=“0

23、”運(yùn)算器以當(dāng)前源編碼的定義為源。</p><p>　　②M6定義為字長控位W，當(dāng)W=“0”時當(dāng)前總線寬度為十六位字總線；當(dāng)W=“1”時當(dāng)前總線寬度為八位字節(jié)總線。</p><p>　　③M7定義為源奇偶特性控位XP，當(dāng)XP=“0”時工作寄存器源為偶字節(jié)，；當(dāng)XP=“1”時工作寄存器源為奇字節(jié)。</p><p>　　④M10~M8分別定義X2、X1、X0，組成源尋址的

24、編碼段；</p><p><b>　　（3）運(yùn)算字段</b></p><p>　?、費(fèi)13~M11分別定義S2、S1、S0，組成運(yùn)算方式選擇字段。</p><p>　?、贛14定義了CN，是運(yùn)算的最低位有效進(jìn)位。</p><p>　　③M15定義了M，當(dāng)M=“0”時，ALU做算數(shù)運(yùn)算；當(dāng)M=“1”時，ALU做邏輯運(yùn)算。&

25、lt;/p><p><b>　?。?）目標(biāo)編碼字段</b></p><p>　?、費(fèi)16定義為目的奇偶控位OP，當(dāng)OP=“0”時為工作寄存器的以偶字節(jié)為操作目標(biāo)，當(dāng)OP=“1”時工作寄存器以奇字節(jié)為操作目標(biāo)。</p><p>　　②M19~M17分別定義O2、O1、O0，組成目的尋址的編碼段。</p><p><b&g

26、t;　　（5）直接控制字段</b></p><p>　?、費(fèi)20定義為寄存器與Cache選擇控位R/M，當(dāng)R/M=“1”時，選擇寄存器組為ALU的工作區(qū)；當(dāng)R/M=“0”時，選擇Cache為ALU的工作區(qū)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)備無Cahce，所以該位衡“1”。</p><p>　　②M21定義為主存及指令寄存器IR寫命令MWR，當(dāng)MWR=“0”、IR=“1”時執(zhí)行主存的寫入操作。當(dāng)MWR=

27、“0”、IR=“0”時執(zhí)行指令寄存器寫入操作。</p><p>　?、跰22定義為程序計數(shù)器使能控位IP，當(dāng)IP=“0”時，執(zhí)行PC+1；當(dāng)IP=“0”、E/M=“0”時執(zhí)行PC地址的裝載。</p><p>　?、躆23定義為指存與數(shù)存的地址選擇控位E/M，當(dāng)E/M=“1”時主存以當(dāng)前程序指針PC驅(qū)動指令地址總線；當(dāng)E/M=“0”時主存以當(dāng)前AR驅(qū)動數(shù)據(jù)地址總線。</p>&

28、lt;p><b>　?。?）下址段</b></p><p>　　由M34~M24組成μPC~μPC共11位后續(xù)直接地址。</p><p><b>　　指令格式說明</b></p><p>　　定義指令格式以及對應(yīng)的操作碼</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器指令為：IN（輸入）、INC（自增）

29、、CLR（清零），其指令格式如下：</p><p><b>　　程序清單</b></p><p>　　指令存儲器000h～002h單元內(nèi)容依次為：20 40 60 00 01</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器：0100h單元為操作數(shù)（預(yù)置）</p><p><b>　　5 指令流程圖</b><

30、/p><p><b>　　001</b></p><p><b>　　600</b></p><p>　　ININCCLR</p><p>　　6406806C0</p><p><b>　　6816C1</b></p><p&

31、gt;<b>　　001</b></p><p><b>　　6C2</b></p><p><b>　　001</b></p><p><b>　　6C3</b></p><p><b>　　6C4</b></p>&

32、lt;p><b>　　6 微指令代碼表</b></p><p>　　根據(jù)微指令流程圖每條微指令的功能寫出微代碼</p><p><b>　　表2 微指令代碼表</b></p><p><b>　　7 心得體會</b></p><p>　　通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實(shí)

33、的掌握了有關(guān)計算機(jī)組成原理方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。</p><p>　　在課程設(shè)計過程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在胡老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今

34、后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅！</p><p>　　我認(rèn)為，在這學(xué)期的課程設(shè)計中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用

35、的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。</p><p>　　回顧起此課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說得是苦中有甜，可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識