計算機組成原理課程設(shè)計--模型機的設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p><b>　　計算機信息工程學(xué)院</b></p><p><b>　　《計算機組成原理》</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計 報 告</p><p>　　題目： 模型機的設(shè)計與實現(xiàn) </p><p>　　專 業(yè)： 計算機科學(xué)與技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)方向）&l

2、t;/p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完

3、成日期： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、 設(shè)計概述2</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計目的2</b></p><p>　　二、設(shè)計原理及內(nèi)容3</p><

4、p>　　2.1設(shè)計基本原理3</p><p>　　2.2需執(zhí)行的機器指令3</p><p>　　2.3數(shù)據(jù)通路圖4</p><p>　　2.4微指令格式5</p><p>　　2.5微程序地址的轉(zhuǎn)移5</p><p>　　2.6機器指令的寫入、讀出和執(zhí)行6</p><p>&l

5、t;b>　　三、 設(shè)計步驟8</b></p><p>　　3.1編寫機器指令8</p><p>　　3.2繪制微程序流程圖8</p><p>　　3.3繪制微指令9</p><p>　　3.4連接實驗線路10</p><p><b>　　3.5寫指令10</b><

6、;/p><p>　　3.5.1寫微指令10</p><p>　　3.5.2寫機器指令11</p><p><b>　　四、運行結(jié)果11</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)12</b></p><p><b>　　一、 設(shè)計概述</b><

7、;/p><p><b>　　1.1設(shè)計目的</b></p><p>　　隨著社會科技的發(fā)展，計算機被應(yīng)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(shè)計課題是基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，它正體現(xiàn)了這一點。利用CPU與簡單模型機來實現(xiàn)計算機組成原理課程及實驗中所學(xué)到的實驗原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達(dá)到將

8、理論與實踐相聯(lián)系。本次設(shè)計完成了各指令的格式以及編碼的設(shè)計，實現(xiàn)了各機器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應(yīng)用程序。在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗”的基礎(chǔ)上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。</p><p>　　1.掌握機器指令與微程序的對應(yīng)關(guān)系。</p><p>　　2.掌握機器指令的執(zhí)行流程。</p><p>　　3.掌握機器指令

9、的微程序的編制、寫入。</p><p>　　4.在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將組成系統(tǒng)，構(gòu)成一臺基本模型計算機。</p><p>　　5.為其定義五條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，上機調(diào)試，掌握整機概念。</p><p><b>　　二、設(shè)計原理及內(nèi)容</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計基

10、本原理</b></p><p>　　部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，如運算器實驗中對74LS－181芯片的控制，存儲器實驗中對存儲器芯片的控制信號，以及幾個實驗中對輸入設(shè)備的控制。而本次實驗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

11、序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一段微程序。</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)(DATA UNIT)，它作為輸入設(shè)備；另一種是發(fā)光二極管(BUS UNIT上的一組發(fā)光二極管)，它作為輸出設(shè)備。例如：輸入時，二進制開關(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，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，驅(qū)動發(fā)光二極管顯示。</p><p>　

12、　2.2需執(zhí)行的機器指令</p><p>　　本次設(shè)計采用五條機器指令；IN(輸入)、ADD（加）、OR(或)、OUT(輸出)、NOT(加3取反)、JMP(無條件轉(zhuǎn)移)，其指令格式如表2-1所示。</p><p>　　表2-1 機器指令格式表</p><p>　　其中機器指令碼的最高8位為操作碼。IN為單字長(8位)，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應(yīng)

13、的二進制地址碼。</p><p><b>　　2.3數(shù)據(jù)通路圖</b></p><p>　　實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 數(shù)據(jù)通路圖</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　?、逼x信號CE=0為有效電平，CE=1

14、為無效電平。</p><p>　?、瞁E=1為寫入，WE=0為讀出。</p><p>　　⒊LOAD和LDPC同時為“1”時，可將總線上的數(shù)據(jù)裝入到PC中；LDPC為“1”，同時LOAD為“0”時，將PC中內(nèi)容加1。</p><p>　?、碝=0為算術(shù)運算，M=1為邏輯運算。</p><p>　?、礐N=0表示運算開始時低位有進位，否則低位無

15、進位。</p><p>　　圖2.1中包括運算器、存儲器、微控器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及寄存器。這些部件的動作控制信號都有微控器根據(jù)微指令產(chǎn)生。需要特別說明的是由機器指令構(gòu)成的程序存放在存儲器中，而每條機器指令對應(yīng)的微程序存儲在微控器中的存儲器中。</p><p><b>　　2.4微指令格式</b></p><p>　　微指令字長共24位，其

16、控制位順序如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 微指令格式圖</p><p>　　其中UA5～UA0為下一條微指令微地址，A、B、C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多種不同控制信號。</p><p>　　A字段中的LDRi為打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位。</p><p>　　B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分別為

17、源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機器指令來進行三個工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。</p><p>　　C字段中的P(1)～P(4)是四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行，其原理如圖2.3所示。AR為算術(shù)運算是否影響進位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。</p><p&

18、gt;　　注意：根據(jù)后面的實驗接線圖，A字段的LDRi與數(shù)據(jù)通路圖中的LDR0為同一個信號。B字段的RS-B與數(shù)據(jù)通路圖中的R0-B為同一個信號。</p><p>　　2.5微程序地址的轉(zhuǎn)移</p><p>　　本實驗系統(tǒng)的指令寄存器(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，先把該指令從內(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)

19、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(biāo)有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼后的結(jié)果，將微控器單元的微地址修改為下一條微指令的地址。</p><p>　　地址修改要依靠實驗系統(tǒng)的微程序地址轉(zhuǎn)移電路來完成，該電路如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 微程序地址轉(zhuǎn)移電路&l

20、t;/p><p><b>　　注意：</b></p><p><b>　　⒈FC：進位標(biāo)志</b></p><p><b>　?、睩Z：0標(biāo)志</b></p><p>　?、砈WA、SWB存儲器讀寫控制標(biāo)志</p><p>　　⒋P（1）～P（4）：微指令C

21、字段譯碼輸出結(jié)果</p><p>　?、礗2～I(xiàn)7：機器指令第2位～第7位。</p><p>　　2.6機器指令的寫入、讀出和執(zhí)行</p><p>　　為了向RAM中裝入機器指令程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動機器指令程序執(zhí)行，還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序。</p><p>　　存儲器讀操作(KRD)：撥動總清開關(guān)CLR（使CLR從1

22、→0→1）后，控制臺開關(guān)SWB、SWA置為“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(KWE)：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，控制臺開關(guān)SWB、SWA置為“1 1”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第

23、25號“取指”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，其定義如表2-3所示。</p><p>　　表2-3 控制臺指令</p><p>　　三個控制臺操作微程序的流程如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 控制臺操作微程序流程圖</p><p>　　控

24、制臺操作為P(4)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(dāng)分支微地址單元固定后，余下的微指令可以存放在控制存儲器的其他任意單元中。</p><p>　　當(dāng)設(shè)計“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。本機用指令寄存器的前6位(IR7—IR2)作為測試條件，出5路分支

25、，占用5個固定微地址單元。</p><p><b>　　三、 設(shè)計步驟</b></p><p><b>　　3.1編寫機器指令</b></p><p>　　設(shè)計各條機器指令代碼及數(shù)據(jù)，并為指令和數(shù)據(jù)分配存儲地址。本次設(shè)計機器指令程序如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 本次設(shè)計機器指令程序

26、</p><p>　　3.2繪制微程序流程圖</p><p>　　根據(jù)每條機器指令的功能，為每條機器指令畫出微程序流程圖，并為其中的每條微指令分配地址?？傮w微程序流程圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 總體微程序流程圖</p><p><b>　　3.3繪制微指令</b></p><p&

27、gt;　　根據(jù)控制位順序圖，可繪制下列微指令表3-2。</p><p><b>　　表3-2 微指令表</b></p><p><b>　　3.4連接實驗線路</b></p><p>　　按圖3.2連接實驗線路，仔細(xì)查線路無誤后接通電源。</p><p>　　圖3.2 實驗接線圖</p>

28、<p><b>　　3.5寫指令</b></p><p><b>　　3.5.1寫微指令</b></p><p>　　⑴將編程開關(guān)置為PROM(編程)狀態(tài)。</p><p>　?、茖嶒灠迳稀癝TATE UNIT”中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。</p><

29、;p>　?、怯枚M制模擬開關(guān)UA0～UA5置微地址MA0～MA5。</p><p>　?、仍贛K23～MK0開關(guān)上置微指令代碼，24位開關(guān)對應(yīng)24位顯示燈，開關(guān)置為“0”時燈亮，開關(guān)置為“l(fā)”時燈滅。</p><p>　?、蓡訒r序電路(按動啟動按鈕“START”)，即將微代碼寫入到E2PROM 2816的相應(yīng)地址對應(yīng)的單元中。</p><p>　?、手貜?fù)⑶～

30、⑸步驟，將表3-2中的微代碼寫入E2PROM 2816。</p><p>　　寫完微指令后須進行校驗。將編程開關(guān)設(shè)置為READ(校驗)狀態(tài)。將實驗板的“STEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)?！癝TOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。用二進制模擬開關(guān)UA0～UA5置好微地址MA0～MA5。按動“START”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MD23～MD0的狀態(tài)(燈亮為“0”，滅為“1”)，檢查讀出的微代碼是否與寫入

31、的相同。如果不同，則將開關(guān)置于PROM編程狀態(tài)，重新寫入微指令即可。</p><p>　　3.5.2寫機器指令</p><p>　　使用圖2.4所示的控制臺KWE和KRD微程序進行機器指令程序的裝入和檢查。</p><p>　?、攀咕幊涕_關(guān)處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　⑵撥動總清開

32、關(guān)CLR(1→0→1)，微地址寄存器清零。此時用“DATA UNIT”單元的8位二進制開關(guān)給出要寫入RAM區(qū)的首地址，控制臺SWB、SWA開關(guān)置為“0 1”，按動一次啟動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010001”，再按動一次START，微地址燈顯示“010100”，此時數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機器指令，按動一次START鍵，即完成該條指令的寫入。</p><p>　　若仔細(xì)閱讀KWE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機

33、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START，只有在微地址燈顯示“010100'’時，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機器指令寫完。</p><p>　　寫完機器指令后須進行校驗。撥動總清開關(guān)CLR(1→0→1)后，微地址清零。此時用“DATA UNIT'’單元的8位二進制開關(guān)置要讀的RAM區(qū)的首地址，控制臺開關(guān)SWB、 SWA為“0 0”，按動啟動START，微地址燈將顯示“0

34、10000"，再按START，微地址燈顯示為“010010"，第三次按START，微地址燈顯示為“010000”，此時總線單元的顯示燈顯示為該首地址的內(nèi)容。不斷按動START，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容，注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時，顯示燈的內(nèi)容才是相應(yīng)地址中的機器指令內(nèi)容。</p><p><b>　　四、運行結(jié)果</b></p><p&g

35、t;　?、攀咕幊涕_關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”。</p><p>　?、茡軇涌偳彘_關(guān)CLR(1→0→1)，微地址清零。</p><p>　?、菍ⅰ癉ATA UNIT”的8位數(shù)據(jù)開關(guān)(D7～D0)設(shè)置為機器指令首地址。</p><p>　　⑷按動START啟動鍵，單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令

36、。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。</p><p>　?、僧?dāng)運行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元中的結(jié)果是否和理論值一致。</p><p>　?、攀埂癝TATE UNIT”中的STEP開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)。STOP開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　?、茖ⅰ癉ATA UNIT”的8位二進制開關(guān)設(shè)置為機器指令程序首地址，然后按動START，系統(tǒng)連續(xù)

37、運行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。</p><p>　　⑶停機后，可檢查存數(shù)單元結(jié)果是否正確。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王健,王德君.《計算機組成原理實驗指導(dǎo)書》[M].沈陽工程學(xué)院，2008</p><p>　　[2]白中英.《計算機組成原理(第4版)