計算機組成原理課程設(shè)計--復雜模型機設(shè)計報告

1、<p>　　課程設(shè)計： 計算機組成原理 </p><p>　　題目名稱： 復雜模型機設(shè)計 </p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號： </b></p><p>　　班 級： 網(wǎng)絡(luò)工程1102<

2、;/p><p>　　完成時間：2014年 1月 6日1設(shè)計目的: </p><p>　　建立清晰完整的整機概念；</p><p>　　學習設(shè)計與調(diào)試計算機的基本方法與步驟；</p><p>　　培養(yǎng)嚴謹?shù)目蒲凶黠L和獨立工作能力。</p><p><b>　　2 設(shè)計任務(wù):</b></p>

3、<p>　　綜合運用所學的計算機原理知識，按給定的指令系統(tǒng)分和數(shù)據(jù)格式，在所提供的設(shè)備范圍內(nèi)，設(shè)計一臺字長八位的由微程序控制器來控制的模擬計算機。設(shè)計并實現(xiàn)較為完整的八位模型計算機。</p><p>　　設(shè)計微程序控制器的邏輯原理電路圖；</p><p>　　設(shè)計微地址轉(zhuǎn)移的邏輯電路圖；</p><p><b>　　設(shè)計微程序流程圖；</

4、b></p><p><b>　　設(shè)計說明書。</b></p><p><b>　　3 設(shè)計指標:</b></p><p><b>　　字長八位；</b></p><p>　　時鐘源MF=QB=1us；</p><p>　　內(nèi)存容量不得小于2 8

5、 ；</p><p>　　指令系統(tǒng)不得小于十四條。要求算術(shù)邏輯指令七條、訪問內(nèi)存和控制指令四條、輸入輸出指令兩條、其他指令一條。</p><p><b>　　4 設(shè)計說明:</b></p><p><b>　　4.1 數(shù)據(jù)格式</b></p><p>　　模型機規(guī)定數(shù)據(jù)采用定點整數(shù)補碼表示，字長為8

6、位，其格式如下：</p><p>　　其中，第7位為符號位，數(shù)值的表示范圍是：-1 ≤ X ≤ 1.。</p><p>　　模型及設(shè)計四大類指令共16條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪問及轉(zhuǎn)移指令和停機指令。</p><p><b>　　算術(shù)邏輯指令</b></p><p>　　設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，

7、尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：</p><p>　　其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，并規(guī)定：</p><p>　　九條算術(shù)邏輯指令的助記符、功能和具體格式表8-1</p><p><b>　　訪存指令及轉(zhuǎn)移指令</b></p><p>　　模型機設(shè)計2條訪問指令，即存數(shù)(STA)

8、、取數(shù)(LDA)、2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移(JMP)、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令(BZC)。其格式如下：</p><p>　　其中，OP-CODE為操作碼， RD為目的寄存器地址（LDA、STA指令使用），D為位移量(正負均可)，M為尋址模式，其定義如下：</p><p>　　本模型機規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。</p><p><b>　　3.

9、I/O指令</b></p><p>　　輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　其中，addr=01 時，表示選中“INPUT DEVICE”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時，表示選中“OUTPUT DEVICE”中的數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。</p><p><b>　　控制臺指令</b>

10、;</p><p>　　為了方便調(diào)試，且能寫入數(shù)據(jù)和程序，以及顯示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，本模型機設(shè)計了兩條控制臺指令，它們由兩個開關(guān)SWA，SWBB的狀態(tài)來定義，如下表所示：</p><p>　　（1）KWE寫內(nèi)存：其功能是把控制臺數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容作為程序或數(shù)據(jù)寫入由地址燈指示的內(nèi)存單元。</p><p>　?。?）KRE讀內(nèi)存：其功能是把控制臺數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容作為程序地址，送

11、入地址寄存器，然后以該單元為起始地址，連續(xù)讀出所有單元的內(nèi)容。內(nèi)存單元以及該單元的數(shù)據(jù)由控制臺上的數(shù)據(jù)燈給出指示。</p><p>　?。?）RP啟動程序：其功能是將數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容作為作為程序地址送入PC，然后轉(zhuǎn)入公操作。</p><p><b>　　5. 停機指令</b></p><p><b>　　指令格式如下：</b&g

12、t;</p><p>　　這類指令只有1條，即停機指令HALT，用于實現(xiàn)停機操作.</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)指令</b></p><p>　　本模型機共有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令7條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入/輸出指令2條，其他它指令1條。表8-1列出了各條指令的格式、助記符和功能。</p>&l

13、t;p><b>　　4.3系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　本系統(tǒng)是一臺八位模型計算機，它由微程序控制器、數(shù)據(jù)通路、時序發(fā)生器等三大部分組成。它有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令9條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入/輸出指令2條及停機指令1條。采用二進制代碼開關(guān)作為輸入設(shè)備，實現(xiàn)人機對話。</p><p>　　4.4主要部件的工作原理</p>

14、;<p>　　通常把許多寄存器之間傳送信息的通路，稱為“數(shù)據(jù)通路”。信息從什么地方開始，中間經(jīng)過哪些寄存器，最后傳送到哪個寄存器，這些工作是由稱為“操作控制器”的部件完成的。對數(shù)據(jù)通路和時序部分，我們直接使用了CM++實驗儀器的現(xiàn)成電路。本次課程設(shè)計的主要任務(wù)是微程序控制器部分。微程序控制器的基本思想是把操作控制信號編成微指令，存放在E2PROM中，當機器運行時，一條一條的讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機所需要的各種操作控制

15、信號，使相應(yīng)部分執(zhí)行所規(guī)定的操作。</p><p>　　4.5微指令格式的設(shè)計</p><p>　　對微程序制器的設(shè)計，關(guān)鍵在于先確定下來數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)通路一旦確定下來，指令流和數(shù)據(jù)流也就確定下來了，在數(shù)據(jù)通路圖的各功能部件上的各種控制信號就是微程序控制器設(shè)計的主要依據(jù)。用這些控制信號來控制數(shù)據(jù)通路中的數(shù)據(jù)流向。另外，為了使模型機實現(xiàn)自動停機操作，因此在微指令中必須有一個自動停機指令。在設(shè)

16、計中共有60多條微指令，故對控制器存儲器采用6位地址。所以在微指令設(shè)計中，總共要產(chǎn)生33個控制信號。為了減少指令長度，在本設(shè)計中，采用直接編碼和譯碼相結(jié)合的混合編碼。將一組相斥性的微命令信號組成一小組，然后將這一小組（A字段、B字段、C字段）信號通過譯碼器對每一個微命令信號進行譯碼，譯碼輸出作為本次設(shè)計的控制信號。其格式如下：</p><p>　　表1 微指令代碼定義表</p>&

17、lt;p>　　A字段 B字段 C字段</p><p>　　表2 微命令代碼格式表</p><p>　　微指令字長24位。其中順序控制部分9位，即直接地址6位，判別地址3位，后者采用字段譯碼法可譯出P（1）---P（4）4種判別測試標志位。操作控制字段18位：其中字段A、B、C均采用3—8譯碼器，可譯出

18、LDIR,PC—BUS,WE,RS—BUS,LDDR等微命令。其他微命令采用直接控制的方式。</p><p><b>　　4.6微程序的設(shè)計</b></p><p>　　將機器的全部指令系統(tǒng)采用微指令系列實現(xiàn)的過程，叫做微程序設(shè)計。一條機器指令對應(yīng)一條微程序。微程序是由微指令解釋執(zhí)行的。一條機器指令對應(yīng)一個指令周期。而一條微指令對應(yīng)一個CPU周期。微程序的設(shè)計包括橫向

19、設(shè)計和縱向設(shè)計。而微程序的設(shè)計關(guān)鍵在于縱向設(shè)計。</p><p>　　縱向設(shè)計：由于該設(shè)計的后繼地址采用判定方式，其通常做法是首先確定微程序分支處的微地址，因此這些分支處需要判別測試，然后再確定其他地址。</p><p>　　當微地址確定以后，就可在微地址表中把相應(yīng)微地址單元填進去，最后根據(jù)微程序流程圖填寫相應(yīng)微命令及微指令代碼表 。表3-1 微指令代碼定義表 ， 表3-2 微命令代碼格

20、式表。</p><p>　　為了向RAM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，還需設(shè)計三個控制臺操作微程序。</p><p>　　存儲器讀操作（KRD）：撥動開關(guān)CLR后，當控制臺開關(guān)SWB、SWB置為“00”時，按START微動開關(guān)，可對RAM進行連續(xù)手動讀出。</p><p>　　存儲器寫操作（KWE）：撥動開關(guān)CLR后，當控制臺開關(guān)SWB、SWB

21、置為“01”時，按START微動開關(guān)，可對RAM進行連續(xù)寫入。</p><p>　　啟動程序：撥動開關(guān)CLR后，當控制臺開關(guān)SWB、SWB置為“11”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第13、01號微地址“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，其定義如下：</p><p>　　SWB

22、 SWA 控制臺指令</p><p>　　0 0 讀內(nèi)存（KDR）</p><p>　　0 1 寫內(nèi)存（KWE）</p><p>　　1 1 啟動程序（RP）</p><p>　　根據(jù)以上要求設(shè)計數(shù)據(jù)通路框

23、圖，如下圖所示。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)通路圖</b></p><p><b>　　微程序流程圖</b></p><p><b>　　4.7時序系統(tǒng)圖 </b></p><p><b>　　時序波形圖 </b></p><p&

24、gt;　　4.8微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖</p><p><b>　　微地址分配表</b></p><p>　　在微地址轉(zhuǎn)移邏輯中，還要加入必須的時序控制，其中微地址的修改信號為T4。</p><p>　　經(jīng)過約500ns的延時用T4的上升沿將修改好的微地址打入微地址寄存器中，根據(jù)控制</p><p>　　要求如下微地址轉(zhuǎn)移邏輯

25、電路圖。</p><p>　　FC------------CY(進位標志)</p><p>　　FZ------------ZI(全零標志)</p><p>　　該圖的IR順序為（I7、I6、I5、I3、I4、I2）</p><p><b>　　邏輯表達式如下：</b></p><p>　　4.9

26、寄存器譯碼電路圖</p><p><b>　　4.10接線圖</b></p><p>　　4.11微程序控制器原理圖</p><p>　　4.12微程序?qū)崿F(xiàn)圖</p><p>　　4.13模型計算機組裝與調(diào)試</p><p>　　4.13.1本次設(shè)計所需要的指令系統(tǒng)</p><

27、p>　　*輸入端口編碼01，用SW表示。</p><p>　　*輸出端口編碼10，用LD表示。</p><p>　　*寄存器R0,R1,R2分別用00，01，02表示。</p><p>　　4.13.2調(diào)試運行</p><p><b>　　程序：</b></p><p><b>　

28、　數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】—【裝載】”功能，在打開文件對話框中選擇下面所保存的文件，軟件自動將機器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?lt;/p><p>　　選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】—【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示，對照文件檢查微程序和機器程序是否正確，如果不正確，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機軟件單獨

29、修改某個單元的指令，以修改微指令為例，先用鼠標左鍵單擊指令區(qū)的‘微存’TAB按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。</p><p>　　運行程序————聯(lián)機運行</p><p>　　進入軟件界面，選擇菜單命令“【實驗】—【復雜模型機】”，打復雜模型機實驗數(shù)據(jù)通路圖，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序。&

30、lt;/p><p>　　按動CON單元的總清按鈕CLR，然后通過軟件運行程序，當模型機執(zhí)行完OUT指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)是否正確。在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀測指令的執(zhí)行過程，并觀測軟件中地址總線、數(shù)據(jù)總線以及微指令顯示和下位機是否一致。</p><p><b>　　機器轉(zhuǎn)載：</b></p><p><b>　　$P0070<

31、;/b></p><p><b>　　$P0171</b></p><p><b>　　$P0272</b></p><p><b>　　$P0344</b></p><p><b>　　$P0481</b></p><p>

32、<b>　　$P05F5</b></p><p><b>　　$P0618</b></p><p><b>　　$P0708</b></p><p><b>　　$P0809</b></p><p><b>　　$P0902</b>&

33、lt;/p><p><b>　　$P0A20</b></p><p><b>　　$P0BB0</b></p><p><b>　　$P0C98</b></p><p><b>　　$P0D0C</b></p><p><b>

34、;　　$P0E03</b></p><p><b>　　$P0FA1</b></p><p><b>　　$P10E5</b></p><p><b>　　$P11C9</b></p><p><b>　　$P1215</b></p>

35、;<p><b>　　$P1325</b></p><p><b>　　$P14D1</b></p><p><b>　　$P1535</b></p><p><b>　　$P1626</b></p><p><b>　　$P171

36、0</b></p><p><b>　　$P1825</b></p><p><b>　　$P1958</b></p><p><b>　　$P1A22</b></p><p><b>　　$P1B36</b></p><p

37、><b>　　$P1C5A</b></p><p><b>　　$P1D60</b></p><p><b>　　$P1E55</b></p><p><b>　　$P1F60</b></p><p><b>　　$P2007</b&

38、gt;</p><p><b>　　$P25FF</b></p><p><b>　　$PFF04</b></p><p>　　4.13.3微代碼表</p><p>　　*INC改成DEC，62改成F59A01</p><p>　　*AND改成OR, 65 改成E99B41&

39、lt;/p><p>　　*RRC改成ROR, 67改成218838</p><p>　　*RLC改成ROL, 71改成11883A</p><p><b>　　十六進制文件如下</b></p><p>　　$M00018108</p><p>　　$M0101ED82</p><p

40、>　　$M0200C050</p><p>　　$M0300A004</p><p>　　$M0400E0A0</p><p>　　$M0500E006</p><p>　　$M0600A007</p><p>　　$M0700E0A0</p><p>　　$M0801ED8A</p

41、><p>　　$M0901ED8C</p><p>　　$M0A00A03B</p><p>　　$M0B018001</p><p>　　$M0C00203C</p><p>　　$M0D00A00E</p><p>　　$M0E01B60F</p><p>　　$M0F9

42、5EA25</p><p>　　$M1001ED83</p><p>　　$M1101ED85</p><p>　　$M1201ED8D</p><p>　　$M1301EDA6</p><p>　　$M14001001</p><p>　　$M15030401</p><p

43、>　　$M16018016</p><p>　　$M173D9A01</p><p>　　$M18019201</p><p>　　$M1901A22A</p><p>　　$M1A01B22C</p><p>　　$M1B01A432</p><p>　　$M1C01A233</p

44、><p>　　$M1D01A436</p><p>　　$M1E318237</p><p>　　$M1F318239</p><p>　　$M20009001</p><p>　　$M21028401</p><p>　　$M2205DB81</p><p>　　$M230

45、180E4</p><p>　　$M24018001</p><p>　　$M2595AAA0</p><p>　　$M2600A027</p><p>　　$M2701BC28</p><p>　　$M2895EA29</p><p>　　$M2995AAA0</p><p

46、>　　$M2A01B42B</p><p>　　$M2B959B41</p><p>　　$M2C01A42D</p><p>　　$M2D65AB6E</p><p>　　$M2E0D9A01</p><p>　　$M2F01AA30</p><p>　　$M300D8171</p

47、><p>　　$M31959B41</p><p>　　$M32F59A01</p><p>　　$M3301B435</p><p>　　$M3405DB81</p><p>　　$M35E99B41</p><p>　　$M360D9A01</p><p>　　$M372

48、18838</p><p>　　$M38019801</p><p>　　$M3911883A</p><p>　　$M3A019801</p><p>　　$M3B070A08</p><p>　　$M3C068A09</p><p>　　$M3DE7B239</p><p

49、>　　$M3EE7B239</p><p>　　$M3F000000</p><p>　　4.13.4運行與調(diào)試</p><p><b>　　程序運行說明：</b></p><p>　　**本程序完成對[（07+X-1+CY）-2X]V07再循環(huán)右移的計算</p><p><b>

50、　　X為輸入的值</b></p><p>　　在程序中，計算結(jié)果會存在FF中，然后再取反，存入3D中。相當于會有兩個結(jié)果，后一個是前一個的取反結(jié)果，最后將其分兩次通過OUTPUT輸出.</p><p>　　**注意：程序中用到帶進位跳轉(zhuǎn)指令，以下示例中，當INPUT=FB時，由于之后的計算帶進位，則由程序控制跳轉(zhuǎn)至PC=03處,此時輸入INPUT=21，則程序按順序執(zhí)行。<

51、;/p><p>　　FF中，初始值為04，由于會有STA指令的執(zhí)行，則會有04--->77的變化。</p><p>　　**當INPUT1=FB. INPUT2=21時，主要步驟計算結(jié)果截圖如下：</p><p><b>　　1 開始之前：</b></p><p>　　2 R0,R1,R2成功清零：</

52、p><p>　　3 打入FB至R0（X=FB）：</p><p>　　4 07+X+CY（X=FB），結(jié)果有進位為102（之前自減），此時R0=02</p><p>　　5 CY=1，跳轉(zhuǎn)至PC=03處</p><p>　　6 07+X-1+CY的結(jié)果存入R0，此時R0=28(再次INPUT =21)</p>&

53、lt;p>　　7 （07+X-1+CY）-2X的結(jié)果存入R1，此時R1=E6</p><p>　　8 對R1=E6循環(huán)右移=73，存入R1</p><p>　　9 R1=73，R2=07，相或得77存入R1</p><p>　　10 對R1=77取反=88，存入R1</p><p>　　11 輸出計算結(jié)果，OUTPU

54、T=77</p><p>　　12 輸出取反結(jié)果OUTPUT=88</p><p>　　13 停機指令</p><p><b>　　5 實驗體會:</b></p><p>　　還沒有開始的時候,給了自己一個念頭,就是"好難啊",以至于不知道從何下手。沒有辦法，只有到圖書館，從網(wǎng)絡(luò)上，查各種資

55、料。這樣之后，腦袋里總算是有了概念。第二天，老師又給我們講了一遍具體的流程，我們到底應(yīng)該做哪些工作。這樣就將整個過程理順了，也有了初步的計劃。</p><p>　　在最開始連線的過程中，我們就遇到了絆腳石。我們線連的不正確，測試不成功。我們一起按照提示找了好久，都沒有找到錯誤在哪里。后來，我們找來了老師，老師按照提示，一步幫我們找，后來發(fā)現(xiàn)是關(guān)于Y0，Y1，Y2的線插的孔不正確。于是，我們進行了改正，之后就沒有接

56、線上的問題了。這樣看來，我們還是不夠認真，這些小細節(jié)更需要仔細地進行。</p><p>　　之后就到周末了，老師說讓我們利用周末的時間進行時間實驗，因為我們周內(nèi)的時間比較緊張。于是，我們將微代碼整理好，程序編好等基礎(chǔ)工作做好之后，就風風火火地開始進行上機調(diào)試了。</p><p>　　這個過程里面也是充滿了曲折，大大小小，不過，終被我們克服了。</p><p>　　我

57、們開始一人編了一份代碼，一種是模塊式的小程序，分成幾部分，每部分實現(xiàn)一個小小的功能，一種是進行運算，求出一個式子的值。當我們測試第一種時，發(fā)現(xiàn)這樣模塊式的比較麻煩，得不停地進行輸入輸出操作，而且程序也不能很好地完成，在執(zhí)行過程中有一些錯誤。于是我們放棄第一種，轉(zhuǎn)戰(zhàn)第二種，還是有一些小小的不符合要求的部分。于是，我們就著重對測試程序進行改進加工。幾經(jīng)改動，我們已經(jīng)能很好地實現(xiàn)功能，惟獨對BZC指令的使用沒有很好地在程序中體現(xiàn)。但是對于整個

58、流程，各種操作的理論和實踐都已經(jīng)熟練掌握了，并且融會貫通了。這兩天待在實驗室真實收獲頗豐！</p><p>　　對于BZC的問題我們只好等到周一早上，請教老師。老師指出我們可能是進位鎖存的問題。我們按照老師指出的尋找原因，發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。后來逐步分析程序，發(fā)現(xiàn)我們的步驟把跳轉(zhuǎn)時判讀用的數(shù)固定了，所以無論我們輸多大的值都不會有進位。于是我們又開始更改程序。</p><p>　　經(jīng)過前前后后這么

59、多次對程序的更改，我們終于完成了所有的功能，并且很順利地測試出了結(jié)果。</p><p>　　我們成功了，我們真的很開心，也收獲了許多。以前學的理論知識掌握得不是很牢固，經(jīng)過這次課程設(shè)計，理論與實踐相結(jié)合，理論欠缺的地方自己查資料，補充知識庫，實踐有困難的地方請教老師同學，各方面綜合起來，就是我們成功了，并且掌握了。</p><p>　　老師講課的時候說過，這門課你學了，當時會了，可能之后就

60、忘記了。你如果就做了一個東西出來，你肯定就忘不了。我們用實踐檢驗了這句話。我想這門課程的具體知識細節(jié)我以后可能會忘記，可是，我掌握了方法，我有整體的思路和具體的操作，我相信以后要是再設(shè)計，更難地我們也能完成。因為我們理解了，并且通過實驗加深了印象。</p><p>　　還有，無論干什么事都得仔細真的是不變的真理。在實驗中一不小心將0寫成1都會導致嚴重的錯誤，所以，日后學習生活中我們也會更加仔細的，細節(jié)決定成敗！&