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

1、<p>　　計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)</p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 計(jì)算機(jī)組成原理 </p><p>　　設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱： 基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　班 級(jí)： 計(jì)科115 &

2、lt;/p><p>　　2014 年 6 月 13 日</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目是在掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及內(nèi)部工作機(jī)制,理解計(jì)算機(jī)各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加深計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)和整機(jī)的概念,在設(shè)計(jì)實(shí)踐中提高應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)分析問題和解決問題的能力。學(xué)會(huì)微程序的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步掌握微程序控制

3、器的工作原理，并體會(huì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣對性能發(fā)揮的重要性,培養(yǎng)科學(xué)研究的獨(dú)立工作和創(chuàng)新能力，取得設(shè)計(jì)與調(diào)試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)以TDN-CM++計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)完成。</p><p>　　按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器。</p><p>

4、　　設(shè)計(jì)給定機(jī)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。</p><p>　　連接邏輯電路完成啟動(dòng),測試,編程,測試,效驗(yàn)和運(yùn)行,并觀測運(yùn)行過程及結(jié)果。</p><p>　　將微程序控制器模塊與運(yùn)算器模塊,存儲(chǔ)器模塊聯(lián)機(jī),組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)。</p><p>　　用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路。</p><p>　　

5、通過在模型機(jī)上運(yùn)行由機(jī)器指令組成的簡單程序,掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念,掌握計(jì)算機(jī)的控制機(jī)制。</p><p>　　按指定的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行匯編指令格式及功能設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器指令代碼,按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序.在PC機(jī)上編輯機(jī)器指令和微程序,裝載代碼到TDN-CM++實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求。</p><p>　　三、設(shè)計(jì)任務(wù)及分析：<

6、;/p><p>　　(1)設(shè)計(jì)任務(wù): 從輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以A為間接地址的內(nèi)存單元，將X與R0.寄存器中的內(nèi)容Y執(zhí)行X ⊕，結(jié)果送到以B為直接地址的內(nèi)存單元保存。</p><p><b>　　(2)分析:</b></p><p>　　A:給R0寄存器直接置入01H.</p><p>　　B:從數(shù)據(jù)開關(guān)給間接地址為0

7、CH的內(nèi)存單元置數(shù),(03H).</p><p>　　C:給R0中的內(nèi)容取反,結(jié)果存在R0中.</p><p>　　D:將間接地址0CH中直接地址0EH中的內(nèi)容(03H)放入DR1中, R0中的內(nèi)容放入DR2中,將DR1和DR2種的數(shù)進(jìn)行異或運(yùn)算,結(jié)果放在R0中.</p><p>　　E:將R0中的內(nèi)容存在直接地址為0DH的內(nèi)存單元中.</p><

8、;p><b>　　四、設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　在部件實(shí)驗(yàn)中，我們是人為用二進(jìn)制開關(guān)模擬一些控制信號(hào)來完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本課程設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成。計(jì)算機(jī)從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的機(jī)器指令程序如下:<

9、/p><p>　　地址(二進(jìn)制) 內(nèi)容(二進(jìn)制) 助記符 </p><p>　　0000 0000 0000 0000 STA R0，01H </p><p>　　0000 0001 0000 0001 </p><p>　　00

10、00 0010 0001 0000 IN R0，[[0CH]]； </p><p>　　0000 0011 0000 1100 </p><p>　　0000 0100 0010 0000 NOT R0；</p><p>　　0

11、000 0101 0011 0000 XOR R0，[[0CH]]；</p><p>　　0000 0110 0000 1100 </p><p>　　0000 0111 0100 0000 MOV [0DH]，R0；</p><p>　　0000 1000 0000 1101<

12、/p><p>　　0000 1001 0101 0000 OUT [0DH]； </p><p>　　0000 1010 0000 1101 </p><p>　　0000 1011 0110 0000 HLT；</p><p><b>　　數(shù)據(jù)區(qū)

13、：</b></p><p>　　0000 1100 0000 1110</p><p>　　0000 1110 0000 0000</p><p>　　0000 1101 0000 0000</p><p>　　本設(shè)計(jì)的匯編指令如下:</p><p>　　指令

14、 注釋</p><p>　　STA R0，01H； 將01H存在寄存器R0中</p><p>　　IN [[0CH]]; 給間接地址為0CH的內(nèi)存單元單元中置數(shù)</p><p>　　NOT R0; 給R0中的內(nèi)容取反</p><p>

15、;　　XOR R0,[[0CH]]; 將間接地址為0CH的內(nèi)存單元的內(nèi)容和寄存器R0中的內(nèi)容執(zhí)行 </p><p>　　異或運(yùn)算，結(jié)果存入寄存器R0</p><p>　　MOV [0DH] , R0 ; 將寄存器R0中的內(nèi)容存入直接地址為0DH的內(nèi)存單元中</p><p>　　OUT [0DH] ; 輸出0DH中的內(nèi)容<

16、;/p><p>　　HLT ; 停機(jī)</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(dòng)程序執(zhí)行，還設(shè)計(jì)了三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。</p><p>　　存儲(chǔ)器讀操作(KRD):撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，當(dāng)控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA置為“00”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)讀操作。</p>&

17、lt;p>　　存儲(chǔ)器寫操作(KWE):撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，當(dāng)控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA置為“01”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入。</p><p>　　啟動(dòng)程序：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，當(dāng)控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA置為“11”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取指”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。</p><p>　　上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開關(guān)SWB、SWA的狀

18、態(tài)來設(shè)置，其定義如表1：</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖如圖1所示。</p><p>　　微指令格式如表2所示。當(dāng)微指令格式確定以后，下一步就是確定后續(xù)微指令地址。通常的方法是先確定微程序分支處的微地址，因?yàn)槲⒊绦蚍种幮枰M(jìn)行判斷測試。這些微地址確定以后，就可以在一個(gè)“微地址表”中將

19、分支微指令填入相應(yīng)得分支地址單元，避免以后的設(shè)計(jì)中因重復(fù)使用而造成錯(cuò)誤。對于其它位置就可以按一條微指令對應(yīng)一個(gè)微地址隨意填寫。</p><p><b>　　表2 微指令格式</b></p><p>　　按照數(shù)據(jù)通路可畫出機(jī)器指令的微程序流程圖如圖2所示。當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，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

20、此P(1)的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定的微地址單元。</p><p>　　當(dāng)全部微指令設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表3即為將圖2微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而得到的“二進(jìn)制代碼表”。</p><p>　　指令寄存器(IR)用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再

21、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(jìn)制數(shù)構(gòu)成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行測試[P(1)]，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作?！爸噶罴拇嫫鳌?實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(jié)果強(qiáng)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(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEV

22、ICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUT DEVICE)。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)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(shí)，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當(dāng)寫信號(hào)(W/R)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，在數(shù)碼管顯示。</p><p><b>　　五、操作步驟</b></p><p>　　1. 按圖3連接實(shí)驗(yàn)電路<

23、/p><p><b>　　2. 聯(lián)機(jī)寫程序</b></p><p>　　按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及微指令二進(jìn)制代碼表(如表4)編輯成十六進(jìn)制的文件。</p><p><b>　　機(jī)器代碼：</b></p><p><b>　　$P0000</b></p><p

24、><b>　　$P0101</b></p><p><b>　　$P0210</b></p><p><b>　　$P030C</b></p><p><b>　　$P0420</b></p><p><b>　　$P0530</b&

25、gt;</p><p><b>　　$P060C</b></p><p><b>　　$P0740</b></p><p><b>　　$P080D</b></p><p><b>　　$P0950</b></p><p><

26、b>　　$P0A0D</b></p><p><b>　　$P0B60</b></p><p><b>　　$P0C0E</b></p><p><b>　　$P0D00</b></p><p><b>　　$P0E00</b></

27、p><p><b>　　微指令格式：</b></p><p>　　$M00018110</p><p>　　$M0101ED82</p><p>　　$M0200C048</p><p>　　$M03009001</p><p>　　$M0400E005</p>

28、<p>　　$M0500E006</p><p>　　$M06002007</p><p>　　$M07068A01</p><p>　　$M0801ED83</p><p>　　$M0901ED84</p><p>　　$M0A01B20F</p><p>　　$M0B01ED95&

29、lt;/p><p>　　$M0C01ED9C</p><p>　　$M0D01ED9E</p><p>　　$M0E01800E</p><p>　　$M0F599A01</p><p>　　$M1001ED92</p><p>　　$M1101ED94</p><p>　　

30、$M1200A017</p><p>　　$M13018001</p><p>　　$M14002018</p><p>　　$M1500E016</p><p>　　$M1600E019</p><p>　　$M17070A10</p><p>　　$M18068A11</p>

31、<p>　　$M1900A01A</p><p>　　$M1A01B21B</p><p>　　$M1B699A01</p><p>　　$M1C00E01D</p><p>　　$M1D028201</p><p>　　$M1E00E01F</p><p>　　$M1F00A020&

32、lt;/p><p>　　$M20070A01</p><p><b>　　3聯(lián)機(jī)運(yùn)行</b></p><p>　　聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)入軟件界面，轉(zhuǎn)儲(chǔ)→裝載,再彈出窗口選擇要裝載的文件（*.txt格式），在裝載完機(jī)器指令及微指令后，選擇(運(yùn)行)→(通路圖)→(復(fù)雜模型機(jī))功能菜單打開相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。本試

33、驗(yàn)采用微指令單</p><p><b>　　步運(yùn)行</b></p><p><b>　　運(yùn)行微程序</b></p><p><b>　　01</b></p><p><b>　　01</b></p><p><b>　　0

34、2</b></p><p><b>　　02</b></p><p><b>　　10</b></p><p>　　STA IN NOT XOR MOV OUT HLT</p><p>　　10

35、11 12 13 14 15 16</p><p>　　10 11 12 14</p><p>　　03 04 17 25 34 36&

36、lt;/p><p>　　03 06 17 </p><p>　　05 26 35 37 </p><p>　　01 04 01</p><p>

37、　　06 31 40</p><p>　　05 01</p><p>　　07 32 </p><p><b&

38、gt;　　01</b></p><p><b>　　33</b></p><p><b>　　01</b></p><p><b>　　01</b></p><p>　　01 </p><p><b>　

39、　圖2 微程序流程圖</b></p><p><b>　　六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的操作數(shù)為X=03H,Y=01H,其中X的直接地址為0EH,間接地址為0CH,Y取反后和 X進(jìn)行邏輯異或運(yùn)算的結(jié)果為FDH,將此結(jié)果保存在FDH中 ,最后輸出單元輸出的結(jié)果為FDH </p><p>　　第一條機(jī)器指令STA0

40、1H(Y)移入寄存器R0 ,該指令執(zhí)行之后, R0 中的內(nèi)容為01H.</p><p>　　第二條機(jī)器指令I(lǐng)N,從數(shù)據(jù)開關(guān)將03H(X)輸入到內(nèi)存,將其存入直接地址為0EH,間接地址為0CH的內(nèi)存單元. </p><p>　　第三條機(jī)器指令NOT將寄存器R0中的內(nèi)容取反,結(jié)果仍存入R0 .該指令執(zhí)行之后, R0 中的內(nèi)容為FEH.</p><p>　　第四條機(jī)器指令

41、XOR將X放入DR1中,將R0中的內(nèi)容放入DR2中，將DR1和DR2種的數(shù)進(jìn)行異或運(yùn)算,結(jié)果放在R0中.此時(shí)R0中的內(nèi)容為FDH。</p><p>　　第五條機(jī)器指令MOV將結(jié)果存入直接地址位0DH的內(nèi)存單元中。</p><p>　　第六條機(jī)器指令OUT將0DH中的內(nèi)容送到DR1，從DR1輸出。此時(shí)數(shù)碼管顯示為FDH。</p><p>　　第七條機(jī)器指令HLT為暫停

42、。</p><p><b>　　七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)</b></p><p>　　通過這次的課程設(shè)計(jì)，我明白了機(jī)器指令和微指令之間的關(guān)系,機(jī)器指令為微指令提供入口以及操作數(shù)或操作數(shù)的地址,微指令具體實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令所指定的功能。此外,通過這次實(shí)驗(yàn),我對微程序控制器的工作方式有了更進(jìn)一步的理解,將知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中,根深的理解和掌握知識(shí),同時(shí)也是對自己分析問題,解決問題的能力的考驗(yàn),

43、通過這次實(shí)踐為我以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。</p><p><b>　　八、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《計(jì)算機(jī)組成原理》 科學(xué)出版社 白中英著</p><p>　　《計(jì)算機(jī)組成原理與應(yīng)用》 工業(yè)出版社 王子齊著</p><p>　　《計(jì)算機(jī)組成原理》 高等教育出版社